Лабораторная работа № 4. Исследование работы биполярного транзистора в схеме с общей базой.

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

16. 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.

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

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

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

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

Теоретические сведения

Общие принципы работы транзистора рассмотрены в лабораторной работе № 3.

Схема с общей базой (ОБ).

Исследуем характеристики тран­зистора, включенного по схеме ОБ.

Входные характеристики при = const (рис. 4.1) аналогичны характеристике для прямого тока дио­да, поскольку ток эмиттера является именно таким током. При = 0 ха­рактеристика идет из начала координат, так как ток равен нулю. А если >0, то характеристика проходит немного выше, т. е. возникает ток эмиттера, и при = 0 протекает небольшой на­чальный ток . Условие = 0 соот­ветствует короткому замыканию эмит­тера и базы. Характеристики для раз­личных расположены очень близко друг к другу, и в справочниках обычно приводится только одна характеристика для некоторою нормального . Малое влияние напряжения на ток эмитте­ра объясняется тем, что поле, создавае­мое напряжением сосредоточено в коллекторном переходе. Но все же с уве­личением ток несколько возраста­ет, что объясняется влиянием поперечного сопротивления базы .

Рис. 4.1. Входные характеристики транзистора при включении его по схеме ОБ

Из схемы на рис. 4.1, видно, что при 0 обратный ток базы создает на сопротивлении некоторое напряжение, которое является прямым для эмиттерного перехода. Поэтому возникает ток и тогда С увеличением несколько увеличивается ток , следо­вательно, возрастает напряжение на и ток . Если же от источника подано такое напряжение , что ток изменит свое направление, то он будет, как обычно, составлять часть тока эмит­тера (см. рис. 4.1, б). В этом случае на сопротивлении ток создает напря­жение, которое действует навстречу напряжению , т.е. уменьшает . С увеличением уменьшается толщина базы, а вследствие этого уменьшается ток , и напряжение на сопротивлении . В результате возрастает напряжение и ток эмиттера.

На рис. 4.2, а показано семейство выходных характеристик при = const. Они даются для постоянных значений тока , потому что входное сопротивление транзистора мало и источ­ник усиливаемых колебаний обычно ра­ботает как генератор тока, т. е. в режи­ме, близком к короткому замыканию. При = 0 характеристика проходит че­рез начало координат, так как без тока и при = 0 не может быть и кол­лекторного тока. Эта обычная характеристика обратного тока n-p-перехода. Условие = 0 соответствует разомкну­той цепи эмиттера, а это означает, что включен только коллекторный переход, к которому приложено обратное напря­жение. В этом случае протекает начальный ток коллектора .

Рис. 4.2. Выходные характеристики транзистора при включении его по схеме ОБ

При некотором значении начина­ется электрический пробой коллекторного перехода, и ток коллектора резко возрастает.

Рабочие участки выходных характе­ристик для различных представляют собой прямые линии, идущие с очень небольшим наклоном, что означает ма­лое влияние напряжения на ток кол­лектора. Действительно, для увеличения тока надо увеличивать ток эмиттера, чтобы из эмиттера в базу инжектиро­валось больше носителей. Но если = const, то коллекторный ток при воз­растании увеличивается, главным образом, только за счет уменьшения толщины базы, в результате чего в базе снижается рекомбинация инжектирован­ных носителей с основными носителя­ми базы. Следовательно, больше инжектированных носителей достигает коллек­тора, ток увеличивается, а ток базы уменьшается.

Особенность выходных характери­стик в том, что при = 0 и >0 ток коллектора довольно велик — почти такой же, как и при > 0. Это объ­ясняется тем, что благодаря сопротивле­нию базы в данном режиме на кол­лекторном переходе имеется некоторое напряжение. Оно представляет собой напряжение, созданное на током базы (рис. 4.2, б). У многих транзисто­ров выходные характеристики имеют вид прямых линий, начиная от = 0. Зависимость между токами и почти линейна. Поэтому выходные характеристики при одинаковом изменении тока располагаются почти на одном и том же расстоянии друг от друга. Чем боль­ше токи, тем быстрее, т. е. при меньших произойдет переход к электрическо­му пробою.

На рис. 4.2, а штриховыми линиями показано, что при перемене знака на­пряжения уже при небольших его значениях ток коллектора резко уменьшается, а затем изменяет свое направление и быстро возрастает. Это объяс­няется тем, что напряжение другого знака по сравнению с обычным явля­ется для коллекторного перехода прямым. При увеличении его на десятые доли вольта сначала компенсируется то небольшое напряжение, которое (как было объяснено) возникло на коллек­торном переходе за счет падения напря­жении от тока на сопротивлении базы. Затем напряжение на коллектор­ном переходе становится прямым, и ток резко возрастает в обратном направ­лении.

Выходные характеристики для схемы ОБ, снятые при постоянных значениях входного напряжения , а не входного тока, как правило, не применяются.

Характеристики управления для схемы ОБ показывают почти линейную зависимость между токами и (рис. 4.3, а). (Следует отметить, что ли­нейность в данном случае значительно лучше, нежели у зависимости от ). Для разных эти характеристики располагаются очень близко друг от друга, что подчеркивает малое влияние на ток коллектора. В справочниках обычно приводят лишь одну характеристику управления для среднего значения . При = 0 характеристики должны показывать ток , но обычно ток этот настолько мал, что кривые изображают идущими из начала координат. Характеристики на рис. 4.3, 6 в отличие от предыдущих показывают нелинейную зависимость тока от входного напря­жения. Эти характеристики используют­ся редко. Практически не применяются для расчетов и характеристики обрат­ной связи при = const.

Рис. 4.3. Характеристики управления при включении транзистора по схеме ОБ

Линейная зависимость между токами и соответствует уравнению

. (4.1)

При α = const это уравнение прямой линии.

Система h-параметров для схемы с ОБ

Связь h-параметров представлена на рис. 3.6 (Лабораторная работа №3).

При любой схеме включения h-параметры связаны с собственными параметрами транзистора. Например, для схемы ОБ

, (4.2)

Из этих формул можно определить собственные параметры, если известны h-параметры.

Все формулы связи между параметрами получаются из рассмотрения соответствующей эквивалентной схемы.

, (4.3)

. (4.4)

так как

, (4.5) . (4.6)

Параметры транзисторов являются величинами, характеризующими их свойства (табл. 10.1).

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 (4.3…4.6).

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. 4.4.

Рис. 4.4 . 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.

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 .

4. Определение параметров транзистора, включенного по схеме с общей базой ОБ.

1. Входные характеристики транзистора при включении его по схеме ОБ (рис. 4.2) представляют из себя зависимости:

при U_кб = const

В данном пункте работы задаются двумя, тремя фиксированными величинами U_кб,U_кб = 1 В,U_кб = 10 В , для каждой из них снимают зависимость , зада­ваясь 6 - 7 значениями U_ЭБ и заносят в табл. 4.1. Строят графики подобные рис. (4.1…4.2).

Таблица 4.1

Данные для построения входных характеристик

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

b. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ (рис.4.4) представляют из себя зависимость i_к = f (U_кб) при i_э = const. При i_Э=0 характеристика проходит через начало координат, т.к. без тока i_Э и при U_кб=0 не может быть и коллекторного тока i_К = 0. Полученные данные заносят в таблицу 4.2. Строят графики подобные рис. 4.3.

5. Рассчитать h-параметры для схемы с ОБ и сравнить полученные результаты с табличными данными.

Таблица 4.2

Данные для построения выходных характеристик

Транзистор	Установить IЭ ,мА	Изменяя Uкб ,В	Измерить IЭ ,мА
	1	0  10 (шаг 0,5В)
	2	0  10 (шаг 0,5В)
	3	0  10 (шаг 0,5В)

Контрольные вопросы

1. Устройство плоскостных биполярных транзисторов.

2. Режим работы транзисторов.

3. Описание схемы включения транзистора с ОБ.

4. Параметры транзистора в схеме с ОБ.

5. Чему равен коэффициент усиления по току схемы с ОБ?

6. Что представляет собой статический коэффициент усиления по току для схемы с ОБ?

7. Чему равен коэффициент усиления по напряжению схемы с ОБ?

8. Чему равно входное сопротивление схемы с ОБ?

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 .