3. Электрические измерения и осциллографирование.

Электрические измерения выполняются с помощью:

а) измерительного модуля «Миллиамперметры», который позволяет измерить стрелочными приборами магнитоэлектрического типа два тока (приборами А1 и А2). Диапазоны измерений приборов приведены в табл. 2.

Диапазон измерений миллиамперметров. Таблица 2

Наименование прибора	Диапазон измерения	Класс точности
РА1	0..Д1; 1; 10; 100 мА	1,5
РА2	0...0Д; 1:10; 100 мА	1,5

б) мультиметров типа MY67/ MY68, установленных в модуль «Мультиметры», описание которых и диапазон измерений приведены в соответствующих лабораторных работах.

Для проведения лабораторных работ необходим двухканальный осциллограф, типа GOS-806. Правила работы и способы подключения осциллографа описаны в соответствующих лабораторных работах.

2. Лабораторная работа № 1 «Экспериментальное исследование характеристик биполярного транзистора».

Цель работы

1. Изучение характеристик, параметров и режимов работы биполярного транзистора.

2. Снятие входных и выходных статических характеристик биполярного транзистора.

Приборы и элементы

В данной лабораторной работе используются модули лабораторного стенда:

1. «Транзисторы»;

2. «Функциональный генератор»;

3. «Мультиметры»;

4. «Миллиамперметры»;

5. Осциллограф.

Параметры приборов и элементов

В модуле «Мультиметры» используются приборы типа MY67, диапазон измерений которых приведен в табл.3.

Диапазоны измерений мультиметров Таблица 3.

Измеряемая величина	MY-67		MY-68
	Диапазон измерений	Погрешность измерения	Диапазон измерений	Погрешность измерения
Напряжение постоянного тока	1000 В	±0,8% ±2 D	1000 В	±0.5% ±2 D
Напряжение переменного тока	750 В	±1,2% ±3D	750 В	±0.5% ±3 D
Постоянный ток	400,0 мкА; 400,0 мА 10,00 А	±0,8% ±2 D ±1.2% ±2D ±2.0% ±5 D	326,0 мкА; 326,0 мА 10,00 А	±1.2% ±3D ±2.0% ±5 D
Переменный ток	400,0 мкА; 400,0 мА 10,00 А	±0,8% ±3 D ±1.2% ±3D ±3.0% ±5 D	326,0 мкА; 326,0 мА 10,00 А	±1.5% +5D ±3.0% ±7 D
Сопротивление	40,00 МОм	±1.2% ±2D	32,60 МОм	±1.2% +2D

В модуле «Миллиамперметры» используются приборы магнитоэлектрической системы, диапазон измерений которых приведен в табл.2.

Модуль «Функциональный генератор» (рис.2.) предназначен для получения измерительных сигналов синусоидальной и прямоугольной форм с плавно регулируемой амплитудой и частотой.

Форма выходного сигнала устанавливается с помощью тумблера «Форма». Установка поддиапазона генерируемой частоты выполняется с помощью переключателя «Множитель», плавная установка частоты в поддиапазоне - с помощью регулятора «Частота».

Индикация в модуле выполнена:

• текущей частоты на 4-сегментном индикаторе;

• поддиапазона «Гц» и «кГц» с помощью светодиодов в левой части индикатора.

Плавная регулировка величины выходного напряжения производится регулятором «Амплитуда».

Рис.2. Модуль «Функциональный генератор».

Технические характеристики генератора приведены в табл. 4.

Технические характеристики генератора. Таблица 4.

Наименование параметра	Значение
Напряжение питания	~220 В ±10%
Максимальный ток нагрузки	0,3 А
Амплитуда выходного напряжения	0,1. ..11 В
Частотный диапазон	10... 100 000 Гц
Погрешность измерения частоты	±5%
Выходное сопротивление	2Ом

Для проведения лабораторных работ необходим двухканальный осциллограф, например GOS-620, C1-117 или аналогичный им.

При применении двухканального осциллографа возникает опасность коротких замыканий в схеме через два провода измерительных входов, связанных с корпусом осциллографа. Осциллографы, подключаемые евровилкой к трехпроводной сети, на своём корпусе «⊥» (общих выводах измерительных входов) будут иметь потенциал заземляющего (зануляющего) провода. Об этом следует помнить при обеспечении электробезопасности. Осциллограф должен быть специально подготовлен к работе на стенде.

От осциллографа в исследуемую схему должен идти только один провод, связанный с корпусом «⊥». Этот провод необходимо сохранить в кабеле, предназначенном для измерения меньших напряжений. При этом оба сигнала будут измеряться относительно точки, к которой подсоединен корпус осциллографа («⊥»).

Аналогично, сигнал внешней синхронизации должен подаваться на вход внешней синхронизации одним проводом. При этом сигнал подается относительно точки, к которой подключен корпус осциллографа («⊥»).

Эти рекомендации являются обязательными. Их невыполнение может привести к выходу из строя модулей комплекса.

Описание лабораторной установки

В лабораторной работе исследуется биполярный транзистор. Передняя панель лабораторного модуля «Транзисторы» представлена на рис. 3.

На мнемосхеме изображены: биполярный транзистор VT1, полевой транзистор VT2, потенциометр RP1 для изменения напряжения, подаваемого на базу (затвор), токоограничивающий резистор R1, резистор нагрузки R2, сопротивление которого изменяется переключателем SA1. Величины сопротивлений, соответствующие положениям переключателя приведены в табл. 5.

Величины сопротивлений, соответствующие положениям переключателя SA1. Таблица 5

№ позиции	1	2	3	4	5
Сопротивление, кОм	1	1,2	1,5	1,8	2,2

Рис. 3. Модуль «Транзисторы».

Величина постоянного напряжения, подаваемого на коллектор (сток) регулируется потенциометром RP2. Переключатель SA2 предназначен для включения переменного или постоянного напряжения. Для подачи на коллектор (сток) только положительных полуволн переменного напряжения служит диод VD. Ток в этой цепи ограничивает резистор R3. Резистор R_G имитирует внутреннее сопротивление источника входного сигнала. Конденсатор С исключает влияние внутреннего сопротивления источника входного сигнала на положение рабочей точки покоя. Шунт R_ш = 10 Ом служит для осциллографирования сигнала, пропорционального току через транзистор. На передней панели размещены также гнезда для осуществления внешних соединений (XI - Х16).

На рис. 4 приведена схема внешних соединений, производимых при выполнении работы.

Рис. 4. Схема внешних соединений.

Краткие сведения из теории

Статический коэффициент передачи тока определяется как отношение тока коллектора I_К к току базы I_Б:

Коэффициент передачи тока β_АС определяется отношением приращения ΔI_К коллекторного тока к вызывающему его приращению ΔI_Б базового тока:

Дифференциальное входное сопротивление r_вх транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ) определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению ΔI_Б тока базы:

Дифференциальное входное сопротивление r_ВХ транзистора в схеме с ОЭ через параметры тран­зистора определяется следующим выражением:

где r_Б - распределенное сопротивление базовой области полупроводника,

r_Э - дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, определяемое из выражения:

r_Э = 25/I_Э, где I_Э - постоянный ток эмиттера в миллиамперах.

Первое слагаемое r_Б в выражении много меньше второго, поэтому им можно пренебречь:

Дифференциальное сопротивление r_Э перехода база-эмиттер для биполярного транзистора сравнимо с дифференциальным входным сопротивлением r_ВХ(ОБ) транзистора в схеме с общей базой, которое определяется при фиксированном значении напряжения база-коллектор. Оно может быть найдено как отношение приращения ΔU_БЭ к вызванному им приращению ΔI_Э тока эмиттера:

Через параметры транзистора это сопротивление определяется выражением:

Первым слагаемым в выражении можно пренебречь, поэтому можно считать, что дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер приблизительно равно:

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной статическими ВАХ, показывающими соответственно за­висимость входного тока от входного напряжения (при постоян­ном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора). Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора п-р-п-типа для схем включения с ОЭ и ОБ приведены на рис.5. Они имеют явно выраженный нелиней­ный характер. При этом входные ВАХ (рис. 5,а) подобны прямой ветви ВАХ диода, а выходные (рис. 5,б) характери­зуются вначале резким возрастанием выходного тока Iк при воз­растании выходного напряжения U_кэ а затем, по мере дальней­шего роста напряжения, незначительным его увеличением. Пере­ход значений выходного тока на пологий участок соответствует границе области режима насыщения транзистора, когда оба пере­хода открыты (U_бэ >0 и U_КБ) >0).

На выходной характеристике транзистора можно выделить три области, отвечающие различным режимам работы транзистора: насыщения (заштрихованная область левее линии ОА —режим двойной инжекции); отсечки (заштрихованная область ниже ли­нии ОБ, соответствующая закрытому состоянию транзистора, ког­да U_БЭ <0 и U_кэ<0); активной (незаштрихованная область между линиями ОА и ОБ), соответствующая активному состоянию транзистора, когда U_БЭ >0 и U_КЭ < 0 — нормальный режим работы транзистора. Статические характеристики используются для расчета нелинейных цепей, содержащих транзистор.

(а) (б)

Рис. 5. Статические входные (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора п-р-п-типа для схем включения с ОЭ.

Порядок проведения экспериментов

1. Собратъ схему (см. рис. 4.) для снятия характеристик биполярного транзистора. Между гнездами Х2, Х6 включить микроамперметр на пределе 100 мкА и соединить перемычкой гнезда Х9-Х11. Подать регулируемый постоянный ток на базу транзистора VT1. Между гнездами Х1 - Х4 включить миллиамперметр на пределе 10 мА. Соединить перемычкой гнезда ХЗ-Х7. Включить вольтметры (мультиметры) на пределе 20 В между гнездами Х2-Х5 и Х4-Х16. Тумблер SA2 установить в нижнее положение.

2. Снять статическую характеристику прямой передачи по току I_K=f(I_Б) при U_K, равном заданному значению Е_К и R_K=0. Для этого дополнительно поставить перемычку между гнездами Х1-ХЗ. Включить «Модуль питания стенда», включить тумблер «Питание» на модуле «Транзисторы». Экспериментальные точки здесь и далее записывать в таблицу и наносить на график, построенный при предварительной подготовке. При снятии характеристики следить за постоянством напряжения U_K;

3. Снять характеристику прямой передачи по току при наличии нагрузки R_K.Убрать перемычку между гнездами XI, ХЗ. С помощью переключателя SA1 установить заданное значение резистора R2. С помощью потенциометра RP1 установите ток базы, равный нулю, а с помощью потенциометра RP2 установите заданное значение Е_к. В дальнейшем ручку регулировки RP2 не трогать. В области вблизи насыщения точки снимать чаще. Выключить тумблер «Питание»;

4. по построенной в п3 характеристике определить области активного усиления, отсечки и насыщения. Определить максимальный ток I_{Б max}, при котором еще обеспечивается линейное усиление;

Обработка результатов экспериментов

По результатам опытов построить характеристики биполярного транзистора, определить его параметры, обработать осциллограммы, сравнить расчет и опыт.

Содержание отчета

1. наименование и цель работы;

2. принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментов;

3. результаты экспериментальных исследований и проведенных по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы; определить по экспериментальным характеристикам прямой передачи по току статический коэффициент передачи тока В и коэффициент усиления каскада по току К_i; при заданной нагрузке вблизи рабочей точки покоя для заданного класса усиления:

;

4. экспериментально снятые и построенные характеристики;

5. обработанные осциллограммы;

6. рассчитать потери в транзисторе в рабочей точке покоя в классе А (Р_кр =U_кp I_кр), в режиме насыщения Р_кн, отсечки Р_ко и средние потери в ключевом режиме при относительной длительности импульса 0,5 (Р_кр._ср = 0,5Р_кн+ 0,5Р_ко), воспользовавшись экспериментально снятыми характеристиками. Сравнить потери в классе Аив ключевом режиме. Указать, какие потери в ключевом режиме не учтены;

7. выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Каков принцип действия транзистора?

2. Какие существуют схемы включения транзисторов?

3. Какова полярность постоянных напряжений, прикладываемых к транзистору типа п-р-п при различных схемах включения?

4. Как выглядят выходные и входные статические характеристики в схеме с общим эмиттером?

5. Что такое статическая характеристика прямой передачи по току? Как ее построить? Как она видоизменяется при наличии нагрузки? Как ее снять?

6. Как определить статический коэффициент передачи транзистора по току В?

7. Как снять статические выходные характеристики?

8. Как построить линию нагрузки?

9. Как выбрать рабочую точку покоя в классах А, АВ, В, D?

10. Сравните полевой и биполярный транзисторы.

11. Что такое область активного усиления, насыщения, отсечки?

12. Что такое ключевой режим, каковы его преимущества?