Лабораторная работа № 3. Исследование работы биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.

Цель работы : Изучить устройство и принцип работы транзисторов. Экспериментальным путем построить входные и выходные характеристики транзисторов. Исследовать схему на однокаскадном усилителе.

Оборудование и программное обеспечение : лабораторный стенд с полупроводниковым транзистором, мультиметр (2 шт), источник питания постоянного тока, генератор НЧ, осциллограф , программное обеспечение Electronics WorkBench (EWB) , MathCAD.

Основная литература

11. Данилов И.А. Общая электротехника с основами электроники: Учеб. пособие для студ. неэлектротехн. спец./ И.А.Данилов, П.М.Иванов. – 5-е изд. стер. – М.: Высш. шк., 2004. – 752 с.

12. Иванов И.И., Соловьев Г.И., Равдоник В.С. Электротехника: Учебник. 4-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2006. – 496 с.

13. Кирьянов Д.В. MathCAD 13 . - СПб.: БХВ – Петербург. 2006г. – 608с.: ил.

14. Васильев А.Н. MathCAD 13 на примерах . - СПб.: БХВ – Петербург. 2006г. – 528с.: ил.

15. Кардашев, Г. А., Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств . - М. : Горячая линия - Телеком , 2002 . - 260 с

Теоретические сведения

Рассмотрим характери­стики транзистора, включенного по схе­ме ОЭ.

На рис. 3.1, а даны входные харак­теристики при постоянных выходных напряжениях ( ). Ха­рактеристика при идет из начала координат, так как, если все напряжения равны нулю, нет никакого тока.

Из схемы рис. 3.1, 6 видно, что при , т.е. когда коллектор и эмиттер замкнуты накоротко, к обоим переходам приложено прямое напряжение . Ток базы при этом является суммой прямых токов эмиттерного и коллек­торного переходов, но получается небольшим, так как прямое напряжение эмиттерного перехода составляет всего лишь десятые доли вольта (сотни милливольт), а поперечное сопротивление базы - сотни ом.

Рис. 3.1.Входные характеристики транзистора при включении его по схеме ОЭ

В транзисторах небольшой мощ­ности ток базы составляет десятки или сотни микроампер. Рассматриваемая ха­рактеристика подобна обычной характе­ристике для прямого тока полупровод­никового диода. При >0 характе­ристика сдвигается вправо, ток базы уменьшается и при малых становится отрицательным. Это объясняет рис. 3.1, в, на котором показана схема ОЭ при =0, т. е. при отсутствии источника Е₁. В этом случае источник Е₂ кроме начального тока эмиттера создает еще в цепи базы ток об­ратного по сравнению с обычным током базы направления. Оба этих тока, складываясь, образуют начальный ток кол­лектора . Следует отме­тить, что ток создает на сопротив­лении базы небольшое падение напря­жения, которое является прямым для эмиттерного перехода и несколько уве­личивает начальный ток эмиттера . Если теперь включить источник и постепенно увеличивать его напряжение, то он будет действовать в цепи базы навстречу источнику Е₂. Ток умень­шится и при некотором значении (когда действие источников Е₁ и Е₂ в цепи базы уравновесится) станет рав­ным пулю. При дальнейшем увеличении будет возрастать положительный ток базы, составляющий, как обычно, часть тока эмиттера.

Рис. 3.2. Выходные характеристики транзистора при включении его по схеме ОЭ

Уменьшение тока базы при повыше­нии происходит еще и вследствие явления модуляции толщины базы. Чем выше , тем больше напряжение на коллекторном переходе . Толщина этого перехода увеличивается, а толщи­на базы уменьшается, и тогда в базе рекомбинирует меньше носителей, дви­жущихся от эмиттера к коллектору. Следовательно, несколько возрастает ток и уменьшается ток . Однако изменение (например, с 1 до 10 В, как показано на рис. 3.1, а) мало влияет на ток базы. Входные характеристики при разных значениях расположены очень близ­ко друг к другу. В справочниках обыч­но приводится лишь одна входная ха­рактеристика для рекомендуемого зна­чения . Иногда дается и характеристи­ка при = 0.

Семейство выходных характеристик показано на рис. 3.1, а. Как правило, эти характеристики даются при различных постоянных токах базы. Это объясняется тем, что вследствие сравни­тельно малого входного сопротивления транзистора источник входного перемен­ного напряжения, имеющий часто боль­шое внутреннее сопротивление, работает в режиме генератора тока. Таким обра­зом, обычно бывает задан входной ток транзистора и удобно вести расчеты с помощью семейства выходных харак­теристик, связывающих выходной ток и напряжение с входным током.

Первая характеристика при =0 выходит из начала координат и весьма напоминает обычную характеристику для обратного тока полупроводникового диода. Условие = 0 соответствует разомкнутой цепи базы. При этом через весь транзистор от эмиттера к коллектору проходит сквозной ток (рис. 3.2,6).

Если > 0, то выходная характе­ристика расположена выше, чем при = 0, и тем выше, чем больше ток . Увеличение тока базы означает, что за счет повышения напряжения соот­ветственно увеличился ток эмиттера, частью которого является ток . Сле­довательно, пропорционально возрастает и ток коллектора. Благодаря линей­ной зависимости между токами пологие участки соседних выходных характери­стик расположены приблизительно на одинаковых расстояниях друг от дру­га. Однако в некоторых транзисто­рах эта линейность несколько наруша­ется.

Выходные характеристики показыва­ют, что при увеличении от нуля до небольших значений (десятые доли вольта) ток коллектора резко возрастает, а при дальнейшем увеличении , характеристики идут с небольшим подъ­емом, что означает сравнительно малое влияние на ток коллектора. Дей­ствительно, чтобы увеличить , надо увеличить ток эмиттера. Но все же при повышении происходит следующее. Вследствие уменьшения толщины базы уменьшается ток базы, а так как харак­теристики снимаются при условии = const, то для поддержания прежнего значении тока базы приходится увеличивать напряжение . За счет этого несколько возрастет , а, следователь­но, и ток коллектора. При увеличении напряжения увеличивается и та его часть, которая приложена в виде прямого напряжения к эмиттерному переходу. В результате этого также возрастают токи и .

Характеристики на рис. 3.2, а пока­зывают, что чем больше токи , тем раньше, т. е. при меньших значениях наступает электрический пробой. Область пробоя, как правило, нерабочая область транзистора, за исключением некоторых специальных типов.

Иногда применяются выходные ха­рактеристики , снятые при различных постоянных напряжениях . Эти характеристики удобны в том слу­чае, если на входе задано напряжение, т. е. если источник усиливаемых колеба­ний имеет малое внутреннее сопротив­ление (во много раз меньше входного сопротивления транзистора) и, следовательно, работает в режиме генератора напряжения. Семейство таких характеристик показано на рис. 3.3. Их осо­бенность в том, что расстояние между соседними характеристиками различно. При малых характеристики распо­ложены ближе друг к другу. Это след­ствие нелинейной зависимости между током и напряжением . Ток приблизительно пропор­ционален току , но ток зависит нелинейно от , что хорошо видно из входной характеристики на рис. 3.1, а. Если =0, то в цепи коллектора протекает небольшой начальный ток , о котором уже упоминалось ранее. Значительное повышение вызывает электрический пробой.

Хотя для расчета схем с транзисто­рами достаточно иметь входные и вы­ходные характеристики, иногда пользу­ются еще характеристиками управления — зависимостью при =const (рис. 3.4, а) или при = const (рис. 3.4, 6). Эти характери­стики наглядно показывают, что между токами и существует зависимость, близкая к линейной, а зависимость от входного напряжения нелинейна.

Рис. 3.3. Выходные характеристики транзистора при постоянном напряжении база-эмиттер	Рис. 3.4. Характеристики управления при включении транзистора по схеме ОЭ

Изменение напряжения мало вли­яет на и характеристики управления для различных расположены очень близко друг к другу. В справочниках приводится обычно лишь одна кривая для некоторого среднего значения . При = 0 протекает небольшой ток кол­лектора, который представляет собой сквозной ток , а при =0 протекает небольшой начальный ток коллектора .

Между токами и существует зависимость

. (3.1)

Если приближенно считать, что β = const, то выражение (3.1) есть урав­нение прямой линии, представляющей собой характеристику управления на рис. 3.4, а. На самом деле β не является строго постоянной величиной, и эта ха­рактеристика имеет некоторую нелинейность.

Помимо рассмотренных характери­стик существуют еще характеристики обратной связи при = const, которые показывают изменение напряжения на входе транзистора под влиянием изменения выходного напря­жения при постоянном входном токе.

В транзисторах всегда существует внутренняя обратная связь. Это объ­ясняется влиянием поперечного сопро­тивления базы, явлением модуляции толщины базы, а также тем, что выход­ная и входная цепи электрически соеди­нены. Поэтому часть выходного напряжения всегда приложена к входу тран­зистора. Характеристики обратной связи не применяют для расчетов.

Система h-параметров для схемы с ОЭ

Для оценки параметров транзистора применяют систему h-параметров. С помощью h-параметров можно рассчитать все необходимы параметры схемы, куда будет подключаться транзистор.

Рис. 3.5. Эквивалентная схема транзистора с использованием h-параметров

Для схемы ОЭ i₁ = i _б, i₂ = i _к, u₁ = u _б-э, u₂ = u _к-э, и поэтому h-параметры определяются по следующим формулам:

1) входное сопротивление

при и_к-э = const (3.2)

и получается от сотен ом до единиц килоом;

2) коэффициент обратной связи

при i_б = const (3.3)

и обычно равен , т.е. напряжение, передаваемое с выхода на вход за счет обратной связи, составляет тысячные или десятитысячные доли выходного напряжения;

3) коэффициент усиления тока есть параметр β

при и_к-э=const (3.4)

и составляет десятки – сотни;

4) выходная проводимость

при i_б = const (3.5)

и равна десятым или сотым долям миллисименса, а выходное сопротивление 1/h_22э

получается от единиц до десятых килоом.

Таблица 3.1

h-параметры основных схем включения транзисторов

Параметр	Схема ОЭ	Схема с ОБ
h11	Сотни ом -единицы килоом	Единицы—десятки ом
h12	10-3- 10-4	10-3- 10-4
	Десятки - сотни	0,950-0,998
	Единицы — десятки ки­лоом	Сотни килоом — еди­ницы мегаом

Параметры транзисторов являются величинами, характеризующими их свойства (табл. 3.1).

Все параметры можно разделить на собственные (или первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора независимо от схемы его включения, а вторичные параметры для различных схем включения различны.

Основными первичными параметрами являются сопротивления r_э, r_б и r_к т.е. сопротивления эмиттера, коллектора и базы пере­менному току. Сопротивление r_э представляет собой сумму сопро­тивлений эмиттерного перехода и эмиттерной области. Подобно этому r_к является суммой сопротивлений коллекторного перехода и коллекторной области.

Расчетное задание

1. Для исследования характеристик выбрать из справочника модель биполярного транзистора, графики входных и выходных характеристик, выписать справочные характеристики.

2. По полученным данным рассчитать параметры, описанные формулами (3.2…3.5).

Порядок выполнения работы

1. Произвести все необходимые расчеты , указанные в расчетном задании

2. Собрать схему для снятия статических характеристик биполярного транзистора. Принципиальная схема лабораторного макета представлена на рис. 3.6

Рис. 3.6 . Принципиальная схема лабораторного макета

Положение переключателя П

ОЭ - (верхнее положение с общим эмиттером)

ОБ - (нижнее положение с общей базой)

Переключатель П1 в отжатом состоянии (по схеме верхнее по­ложение) соответствует схеме включения транзистора с ОЭ, в нажатом состоянии (нижнее положение) схеме с ОБ. R_б - служит для ограничения I_б транзистора. Значения Е₁ и Е₂ указанные на лице­вых панелях лабораторного стенда превышение которых приведет к пробою транзисторов.

Подготовка лабораторного стенда к работе. Для этого необходимо собрать принципиальную схему (рис. 3.6), подключив источники Е₁ и Е₂, соблюдая полярность. Выставить необходимые напряжения, подключив вольтметры к указанным гнездам.

3. Определение (построение) выходных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Выходная характеристика биполярного транзистора показывает зависимость тока коллектора Iк при изменении напряжения коллектор-эмиттер, при фиксированном токе базы I_б .

Таблица 3.2

Данные для построения выходных характеристик

Тип транзистора	Установить	Изменяя	Измерить
	Iб , мА	Uкэ В	Iк , мА
	Iб1 =	0  10 В (шаг 0,1В)
	Iб2 =	0  10 В (шаг 0,5В)
	Iб3 =	0  10 В (шаг 1В)

Построение выходных характеристик производится следующим образом:

1. установить при помощи E₁ первое значение U_БЭ (при этом будет протекать ток базы I_б1), и изменяя U_кэ ( т.е. Е₂ в пределах, указанных на ЛМ), измерить значения I_к (всего 6 - 8 значений ), занести в табл. 3.2 зависимости I_к = f (U_кэ).

2. Такие же замеры производятся и для двух других значений I_б, а затем строится график семейства выходных характеристик. В работе необходимо построить три графика зависимости I_к :

4. Определение входных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Входные характеристики транзистора строятся аналогично выходным. Это зависимость

I_б = f (U_бэ), U_кэ = const

В работе необходимо построить три графика зависимости I_б :

I_б =f(U_бэ) для U_кэ1 =1 В; U_кэ2 = 5 В; U_кэ2 = 10 В.

Результаты I_б и U_бэ занести в табл. 3.3

5. Рассчитать h-параметры на основе опытных данных для схемы с ОЭ и сравнить полученные результаты с табличными данными.

Таблица 3.3

Данные для построения входных характеристик

Транзистор	Установить Uкэ , В	Изменяя Uбэ ,В	Измерить Iб ,мА
	1 В	0  10 В (шаг 0,5В)
	5 В	0  10 В (шаг 0,5В)

Контрольные вопросы

1. Устройство плоскостных биполярных транзисторов.

2. Режим работы транзисторов.

3. Описание схемы включения транзистора с ОЭ.

4. Параметры транзистора в схеме с ОЭ.

5. Какие транзисторы называют биполярными?

6. Охарактеризуйте устройство биполярного транзистора.

7. Охарактеризуйте принцип работы биполярного транзистора.

8. Какой переход называют эмиттерным?

9. Какой переход называют коллекторным?

10. Охарактеризуйте работу биполярного транзистора в активном режиме.

11. Охарактеризуйте работу биполярного транзистора в режиме отсечки.

12. Охарактеризуйте работу биполярного транзистора в режиме насыщения.

13. Что такое эмиттер?

14. Что такое база?

15. Что такое коллектор?

16. Какие транзисторы называют симметричными?

17. При каком условии возникает лавинное размножение носителей заряда?

18. Что такое вторичный пробой?

19. Какое явление носит название модуляция толщины базы?

20. Что такое эффект смыкания?

21. Какой процесс называют рассасыванием неуспешных носителей заряда в базе?

Содержание отчета

1. Титульный лист.

2. Цель работы.

3. Оборудование и программное обеспечение.

4. Теоретические сведения.

5. Расчет исследуемой схемы, математическое моделирование в ПО MathCAD, моделирование схем в ПО EWB,

6. Вывод .