Экспериментальная установка и методика измерений.
Лабораторная работа №4.
Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером и
полевого транзистора по схеме с общим истоком.
Цель работы: изучение особенностей схем с общим эмиттером /ОЭ/ для биполярного транзистора и с общим истоком /ОИ/ для полевого транзистора.
Приборы:
1. Испытательная панель лабораторного стенда.
2. Электронный вольтметр.
3. Осциллограф двухканальный или двулучевой.
4. Генератор гармонического сигнала.
5. Тестер.
Теоретическое введение.
Имеются три основные схемы включения транзистора в усилительные цепи. В зависимости от того, присоединен ли эмиттер, коллектор или база к общей точке входной или выходной цепей, различают соответственно схемы с общим эмиттером (ОЭ), коллектором (ОК) или базой (ОБ). Соответственно у полевых транзисторов такими схемами являются схемы с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).
Рассмотрим эти разновидности схем. Для наглядности в качестве биполярного транзистора будем рассматривать n-p-n-транзисторы и используем p-n-p-транзисторы только там, где это необходимо. Во всех схемах можно заменить n-p-n-транзисторы на p-n-p-транзисторы, поменяв полярность питающих напряжений (и электрических конденсаторов). Параметром, который можно положить в основу рассмотрения, является напряжение база-эмиттер в рабочей точке UБЭА составляющее для кремниевых транзисторов 
0,6 В, а для германиевых - примерно 0,2 В. Поясним немного подробнее – на указанные величины падает приложенное напряжение непосредственно на переходе база-эмиттер. И для того, чтобы заставить транзистор работать, нужно к этому переходу приложить напряжение не ниже указанного. Также будем учитывать, что обратный ток германиевых транзисторов немного больше тока германиевых.
Перед рассмотрением особенностей работы схем с ОЭ и ОИ, вернемся еще раз к принципу работы биполярного транзистора (принцип работы полевого транзистора прост и достаточно подробно описан в предыдущей работе).
Рассмотрим следующую схему, приведенную на рис.4.1.
Рис.4.1. Принцип работы транзистора.
Когда ключ S на рис.4.1. разомкнут, ток в цепи эмиттера отсутствует. При этом в цепи коллектора имеется небольшой ток, называемый обратным током коллектора IКБО (буква «о» обозначает обратный, а не нулевой). Этот ток очень мал, так как при обратном смещении коллекторного перехода потенциальный барьер велик и непреодолим для основных носителей – дырок – коллектора и свободных электронов базы. Коллектор легирован примесью значительно сильнее, чем база. Вследствие этого неосновных носителей в коллекторе значительно меньше, чем в базе, и обратный коллекторный ток создается главным образом неосновными носителями: дырками, генерируемыми за счет тепловых колебаний решетки в базе, и электронами, генерируемыми в коллекторе.
Замыкание ключа в цепи эмиттера приводит к появлению тока в этой цепи, так как смещение эмиттерного p-n-перехода в прямом направлении понижает потенциальный барьер для дырок, переходящих из эмиттера в базу, и для электронов переходящих из базы в эмиттер. Нас интересуют только избыточные дырки, попадающие из эмиттера в базу, потому что только они создают приращение коллекторного тока. Говорят, что эти дырки инвертируются в базу через p-n-переход.
В базе обычного транзистора электрическое поле отсутствует, поэтому дальнейшее движение инвертированных дырок определяется процессом диффузии. Так как толщина базы транзистора значительно меньше длины свободного пробега дырки до рекомбинации то большая часть инвертированных дырок достигает коллекторного перехода, благодаря чему коллекторный ток увеличивается. Семейство выходных характеристик транзистора, иллюстрирующих вышеописанное, приведено в предыдущей работе.
Нетрудно заметить, что выходные характеристики идут почти горизонтально, но все же с небольшим подъемом. Чтобы объяснить это рассмотрим потенциальную диаграмму транзистора, приведенную на рис.1.2, где также показаны объединенные слои транзистора отметим, что, так как эмиттер и коллектор сильнее легированы примесью, чем база, то эти слои сосредоточены главным образом в базе; т.е. объемные заряды справа и слева от перехода при неодинаковой их концентрации одинаковы только при разных объемах, занятых обедненными слоями по обе стороны перехода.
Рис.1.2. Обедненные слои транзистора и
потенциальная диаграмма.
На рис.1.2 показано, что эффективная толщина базы Wэф, т.е. расстояние в базе между границами обедненных слоев меньше толщины базы W. Увеличение отрицательного напряжения на коллекторе расширяет обедненный слой коллекторного перехода и, следовательно, вызывает уменьшение эффективной толщины базы. Это явление носит название эффекта модуляции толщины базы (или эффекта Эрли). Модуляция толщины базы объясняет некоторый подъем выходных характеристик при увеличении отрицательного напряжения коллектор-база. Коллекторный ток при этом увеличивается, так как меньшая часть дырок теряется в базе на пути от эмиттера к коллектору вследствие рекомбинации с электронами.
До сих пор мы рассматривали только дырочную составляющую эмиттерного тока в транзисторе. В действительности эмиттерный ток образуется как дырками, так и электронами (рис.1.3).
Рис.4.3. Распределение тока эмиттера.
Коллекторный ток в транзисторе создают только дырки. Поэтому эффективность эмиттера 
определяется как
, (4.1)
где 
– дырочная составляющая тока эмиттера;
– электронная составляющая тока эмиттера.
Не все дырки, инжектированные в базу у эмиттерного перехода, достигнут коллекторного перехода. Часть дырок, не достигая коллектора рекомбинирует с основными носителями заряда в базе - электронами.
Отношение 
называется коэффициентом переноса неосновных носителей через базу. Здесь 
– приращение тока коллектора, вызванное током эмиттера; 
- дырочная составляющая тока эмиттера. Эффективность эмиттера и коэффициент переноса определяют коэффициент передачи тока в режиме большого сигнала 
. этот коэффициент равен:
. (4.2)
Знак «-» здесь связан с выбором положительного направления тока коллектора (базы, эмиттера); положительным принято считать ток направленный внутрь транзистора – в коллектор (базу, эмиттер).
Для увеличения коэффициента передачи тока в режиме большого сигнала повышают как 
(более сильным легированием эмиттера по сравнению с базой), так и 
(уменьшением концентрации примеси в базе, уменьшением ее толщины, более рациональной конструкцией транзистора).
Из распределения тока (рис.4.3) видно, что базовый ток является частью эмиттерного тока. Поэтому физическое направление базового тока всегда совпадает с током эмиттера. За пределами базы, т.е. в базовом выводном проводнике, базовый ток является электронным. Электроны поступают в базу для пополнения электронов рекомбинированных в базе с дырками.
Перейдем к рассмотрению схемы с ОЭ. Для ее анализа (рис.4.4) приложим такое входное напряжение 
0,6 В, чтобы мог протекать коллекторный ток порядка миллиампер.
Рис.4.4. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером.
Если входное напряжение повысить на небольшую величину , то коллекторный ток увеличится (передаточная и входные характеристики, приводимые в лабораторной работе №3). Поскольку входные характеристики проходят почти горизонтально, можно сделать допущение о том что 
зависит только от 
, но не зависит от 
. Тогда увеличение составит
. (4.3)
Так как коллекторный ток источника напряжения протекает через сопротивление 
, то падение напряжения на тоже повышается и выходное напряжение 
возрастает на величину:
. (4.4)
Таким образом, схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению: 
. (4.5)
Для анализа схемы установим связь между входными и выходными величинами транзистора:
. (4.6)
Полные дифференциалы равны:
, (4.7)
. (4.8)
Полученные частные производные упоминались в лабораторной работе №3. Учитывая введенные там обозначения и пренебрегая обратной передачей 
, получим основные уравнения:
, (4.9)
. (4.10)
Рис.4.5. Упрощенное изображение.
для точного расчета коэффициента по напряжению воспользуемся выражением (2) и перепишем соотношения, вытекающие из рисунка 4.5, для случая 
:
Коэффициент усиления по напряжению:
. (4.11)
Входное сопротивление:
. (4.12)
Выходное сопротивление:
. (4.13)
, 
, 
. (4.14)
При этом получим:
. (4.15)
Разрешив это уравнение относительно 
, определим коэффициент усиления по напряжению:
. (4.16)
Запись 
означает параллельное включение сопротивлений 
и 
. Для граничного случая, когда 
, находим 
, что совпадает с ранее полученной формулой. С учетом формулы 
получаем:
. (4.17)
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению пропорционален падению напряжения на коллекторном сопротивлении Rк.
Поясним полученное соотношение с помощью числового примера.
Нужно рассчитать коэффициент усиления по напряжению при 
= 1мА и 
= 5кОм. Находим крутизну 
мА / 26мВ = 38,5 мА/В.
При токе 1мА типовое значение 
равно 100 кОм. По формуле 
определяем коэффициент усиления по напряжению:
– 38,5 мА/В (5 кОм // 100 кОм) = –183.
Принимая приближенно, что , из равенства находим: 
.
Знак «-» показывает, что входной и выходной сигналы находятся в противофазе.
Выше было показано, как рассчитать обеспечиваемое транзистором усиление приращений входного напряжения. Подключение источника напряжения к входному сопротивлению 
приводит к падению напряжения на внутреннем сопротивлении 
источника. В связи с тем, что 
и образуют делитель напряжения, на входе схемы появляется сигнал:
. (4.18)
Из основного уравнения (1) с учетом 
, 
получаем . Из формулы 
находим
. (4.19)
Следовательно, это сопротивление тем больше, чем меньше коллекторный ток и чем больше коэффициент усиления по току 
. Поскольку коэффициент усиления по напряжению не зависит от 
, можно выбрать значение коллекторного тока таким, чтобы входное сопротивление было значительно больше .
Зная 
и 
, можно рассчитать выходное напряжение при малом сигнале для ненагруженного случая, т.е. при 
=0. При расчете коэффициента усиления по напряжению для реальной нагрузки необходимо учесть выходное сопротивление схемы 
, которое показывает, как снизится выходное напряжение, если на выходе протекает ток 
, а напряжение сигнала 
постоянно. Внутреннее сопротивление источника напряжения определяется следующим образом:
, (4.20)
при нагрузке 
на выходе образуется делитель напряжения из сопротивлений и , т.е. коэффициент усиления по напряжению уменьшается в 
раз. Эта величина, меньшая, чем 
(коэффициент максимального усиления , возникающий при трудновыполнимом случае 
, называется коэффициентом усиления при нагрузке 
. С целью расчета ,согласно правилу узлов для выхода схемы рис.1.5, запишем равенство:
, (4.21)
подставив в основное уравнение (2), получим
. (4.22)
Вследствие незначительной обратной передачи из 
следует, что 
и 
. (4.23)
С учетом полученного соотношения и получим коэффициент усиления:
. (4.24)
Таким образом, в случае малых сигналов сопротивления , и соединены параллельно. На этом результате основано построение эквивалентной схемы для малых сигналов (рис 4.6).
Рис.4.6. Представление схемы с ОЭ на базе эквивалентной схемы для малых сигналов.
Как отмечалось в лабораторной работе №3, коэффициент нелинейных искажений определяется как
. (4.25)
Для уменьшения нелинейных искажений можно использовать отрицательную обратную связь. При этом часть выходного сигнала подается обратно на вход, с тем, чтобы противодействовать входному сигналу. Вследствие этого уменьшается усиление, однако с помощью отрицательной обратной связи можно обеспечить, чтобы усиление в основном определялось соотношением омических сопротивлений и практически не зависело от нелинейной передаточной характеристики транзистора.
.4.7. Схема с ОЭ и отрицательной обратной связью по току.
Коэффициент усиления по напряжению:
. (4.26)
Входное сопротивление:
. (4.27)
Выходное сопротивление:
. (4.28)
В схеме изображенной на рис.4.7, отрицательная обратная связь (ООС)
реализована с помощью введенного в эмиттерную цепь сопротивления 
. С увеличением напряжения 
повышается коллекторный ток. Поскольку 
, то увеличивается падение напряжения на : 
. Разность 
составляет часть входного напряжения 
. Это напряжение, приложенное к эмиттеру, противодействует усилению. Следовательно, имеем ООС. Поскольку она вызвана протеканием эмиттерного тока, то ее можно назвать ООС по току или последовательной отрицательной обратной связью.
Если в первом приближении пренебречь изменением 
, то получим 
. в связи с тем что через протекает практически тот же ток, что и через , изменение падения напряжения на больше, чем в 
раз. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению схемы с ООС приближенно определяется как
. (4.29)
В полученное выражение не входят параметры транзистора, зависящие от тока. Для точного расчета коэффициента усиления по напряжению возьмем соотношения для схемы, представленной на рис.4.7:
, (4.30)
и подставим их в основное уравнение (2). Учитывая, что 
. получим:
. (4.31)
Для анализа граничного случая рассмотрим обратную величину:
. (4.32)
При 
находим , что 
, т.е., как и следовало ожидать, стремится к тому значению, которое имеет место в случае отсутствия ООС. При глубокой ООС, когда 
, (4.33)
что соответствует приведенному выше результату, полученному с помощью физических рассуждений.
Как мы видели, ООС по току вызывает стабилизацию 
и уменьшению коэффициента усиления по напряжению. По этой же причине снижается входной ток 
и увеличивается входное сопротивление, причем в то же число раз, в которое снижается коэффициент усиления по напряжению. С учетом соотношения 
получаем
. (4.34)
Вследствие ООС по току выходное сопротивление растет незначительно и стремится (в случае глубокой ООС) к
Не вдаваясь в подробности, укажем, что существует другой вариант ООС – связь по напряжению.
Все соображения, приводимые выше, справедливы в режиме работы транзистора при малых сигналах в заданной рабочей точке 
, 
. Для установки рабочей точки последовательно с источником напряжения малого сигнала можно включить источник напряжения величиной (рис.4.8). Однако, это решение из-за наличия незаземленного источника напряжения неэкономично.
Рис.4.8. Принцип установки рабочей точки.
Поэтому базовое напряжение 
обеспечивается источником питающего напряжения 
, а база присоединяется к источнику переменного напряжения через конденсатор (рис.4.9).
Рис.4.9. Установка рабочей точки с помощью базового делителя напряжения.
Выходное напряжение снимается с выхода через другой конденсатор. Таким образом, схема содержит два фильтра верхних частот, нижняя частота среза которых должна быть выбрана так, чтобы полностью пропускались нижние частоты сигнала.
Существуют и другие способы установки и стабилизации рабочей точки – с помощью стабильного базового тока, стабилизация рабочей точки с помощью ООС по постоянному току, стабилизация рабочей точки дополнительным питающим напряжением (отрицательным). Ограничимся перечислением этих способов и укажем, что у каждого из них есть свои преимущества и недостатки и поэтому выбираются они в соответствии с требованиями, предъявляемыми к тому или иному устройству. Перейдем к рассмотрению полевого транзистора.
Схема с общим истоком (ОИ) (рис.4.10) соответствует схеме с общим эмиттером для биполярного транзистора.
Рис.4.10. Схема с общим истоком.
Различие состоит в том, что диод канал – затвор включен в запирающем направлении. Входной ток при этом практически равен нулю, а входное сопротивление очень велико.
Для анализа схемы можно вернуться к результатам, полученным для биполярного транзистора. Сравнение характеристик транзисторов и параметров малых сигналов дает следующую таблицу соответствия:
(4.35)
.
Таким образом, из формул (1) и (2) можно непосредственно получить основные уравнения полевого транзистора:
,
. (4.36)
По аналогии, для коэффициента усиления схемы с ОИ:
. (4.37)
Отсюда следует, что при 
максимальная величина коэффициента усиления составляет:
. (4.38)
Коэффициент усиления практически не зависит от тока стока в диапазоне 
. Максимальный коэффициент усиления полевых транзисторов составляет примерно десятую часть максимального коэффициента усиления биполярных транзисторов.
Выражение для коэффициента нелинейных искажений полевого транзистора имеет вид:
, (4.39)
где 
– пороговое значение напряжения;
– ток рабочей точки.
Это означает, что, как и у биполярных транзисторов, этот коэффициент пропорционален амплитуде входного сигнала, однако он зависит от положения рабочей точки. Можно так установить ее, что нелинейные искажения будут значительно меньше, чем у биполярного транзистора.
Так же как и у биполярных транзисторов, ООС по постоянному току успешно применяется в схемах на полевых транзисторах для установки рабочей точки транзистора.
Для нормально открытых полевых транзисторов существует даже возможность подключения затвора к шине нулевого потенциала, как показано, например, на рис.4.11.
Рис.4.11. Установка рабочей точки.
Для расчета параметров схемы следует задать ток стока транзистора. Из передаточной характеристики, приводимой в лабораторной работе 3, определяется соответствующее этому току значение напряжения 
. В зависимости от выбранной величины тока стока оно может принимать значения от нуля до . Поэтому здесь нельзя выбрать, как это делалось для биполярного транзистора, приблизительно постоянное значение этой величины. Для вычисления воспользуемся выражением:
, (4.40)
где 
– ток стока при = 0.
Тогда
. (4.41)
Из этого выражения можно определить сопротивление в цепи истока:
. (4.42)
В качестве примера зададим следующие параметры полевого транзистора: 
мА, 
В и выберем величину 
мА.
При этом: 
Сопротивление в цепи истока 
составит 1,36 В / 3 мА = 452 Ом.
Значение потенциала тока 
при отсутствии сигнала выбирается таким, чтобы величина 
даже при предельном значении 
не превышала 
. Тем самым предотвращается появление искажений, которые могут возникнуть при заходе рабочей точки в область параллельного участка характеристики. Потенциал стока при отсутствии сигнала выбирается, таким образом, из условия:
. (4.43)
При размахе входного напряжения 
В и допуске 2 В для потенциала стока при отсутствии сигнала получим значение 7 В. Задав напряжение 
В, найдем величину сопротивления нагрузки:
Крутизна характеристики транзистора в рабочей точке, согласно
, (4.44)
Величина коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот равна
В зависимости от значения нижней граничной частоты усилителя, выбирается значение емкостей 
, 
, 
:
, (4.45)
где 
– нижняя граничная частота.
Выбор величины 
может быть в значительной мере произвольным. Верхняя граница определяется тем, что падение напряжения на этом сопротивлении, обусловленное током утечки затвора, должно быть мало по сравнению с 
. При этом максимальная величина составит несколько Мом.
Экспериментальная установка и методика измерений.
Данная работа выполняется на следующих схемах, собранных на испытательной панели лабораторного стенда:
Рис. 4.12. Включение биполярного транзистора по схеме с
общим эмиттером.
Рис.4.13. Включение полевого транзистора по схеме с
общим истоком.
С целью исследования особенностей работы и характеристик данных схем, выполняются следующие упражнения.
1.Определение коэффициента усиления по напряжению:
При замкнутом переключателе В1 (рис.2.1 и 2.2) на входы схем подается постоянное напряжение , измеряемое с помощью вольтметра. Выходное напряжение 
измеряется на схеме с помощью, например, тестера. Давая приращение входного напряжения , измеряют приращение выходного напряжения 
и вычисляют . включив с помощью переключателя В2 резистор R4 (рис 3.1) в цепь эмиттера или резистор R3 (рис.3.2) в цепь истока, можно провести те же измерения при наличии обратной связи по току.
2. Определение коэффициента усиления по току.
Данное упражнение выполняется аналогично предыдущему: определяется отношение приращения выходного тока 
к приращению входного тока 
. токи здесь определяются на основании закона Ома по падению напряжения на сопротивлениях: входной ток 
; выходной : 
(рис.3.1) или 
(рис.3.2).
3. Определение входного и выходного сопротивлений.
Какого-либо специального пояснения данное упражнение не требует. Укажем лишь, что сопротивления определяются как
и 
. (4.46)
Как и в упражнении по определению коэффициента усиления по току, здесь токи определяются по падению напряжения на соответствующих резисторах. Постоянное подается с помощью постоянного резистора в центре панели. Его клеммы служат для измерения ( уже подано на все входы схем).
4. Снятие амплитудно-частотной характеристики.
Данное упражнение желательно проделать двумя способами, а потом сравнить результаты.
Первый способ. Подавая на входы схем сигнал одинаковой амплитуды от генератора гармонических колебаний, и меняя его по частоте, на выходе с помощью осциллографа (для контроля) и лампового вольтметра (для точных измерений) снимаем значение . По полученным данным строим зависимость 
и определяем полосу пропускания. АЧХ снимают как с замкнутым переключателем В1, так и с разомкнутым.
Второй способ. На вход схем подается прямоугольный импульс. По выходному импульсу на экране осциллографа определяется время установления – промежуток времени, за который выходное напряжение изменится от 0,1 до 0,9 своего максимального значения. Из соотношения:
, (4.47)
найдем верхнюю границу полосы пропускания 
. Нижняя граница 
находится из следующего соотношения:
, (4.48)
где 
– длительность поданного импульса;
– спад его амплитуды;
– амплитуда.
Более наглядно поясним рисунком .3
Рис.4.14. Определение полосы пропускания схема по искажению прямоугольного импульса.
Упражнения.
1. Определить коэффициент усиления по напряжению для схем с ОЭ и ОИ при наличии обратной связи и без нее.
2. Определить коэффициент усиления по току для схем с ОЭ и ОИ при наличии обратной связи и без нее.
3. Определить входные и выходные сопротивления этих схем при наличии обратной связи и без нее.
4. Снять двумя способами АЧХ схем с ОЭ и ОИ при наличии обратной связи и без нее. Сравнить полученные результаты. Измерения провести при двух положениях переключателя В1.
5. До и после работы провести теоретические расчеты А, 
и исследуемых схем. Сравнить полученные результаты с экспериментальными данными.
Контрольные вопросы.
1. Принцип работы биполярного и полевого транзистора.
2. Модуляция толщины базы.
3. Как определяется ток эмиттера в транзисторе?
4. Чему равно падение напряжение на переходе база- эмиттер? Как оно учитывается при расчетах транзисторных схем?
5. Анализ включения транзистора по схеме с ОЭ. Вывод формул для расчета основных параметров: А, и .
6. Основные уравнения, используемые для анализа схем. Физический смысл величин входящих в них.
7. Представление схемы с ОЭ на базе эквивалентной схемы транзистора для малых сигналов. Доказать правомерность такого представления.
8. ООС по току в схеме с ОЭ. Назначение ООС.
9. Влияние ООС на параметры схем с ОЭ: усиление по напряжению, входное и выходное напряжение. Вывести необходимые расчетные формулы.
10. Рабочая точка. Принцип установки рабочей точки.
11. Включение полевого транзистора по схеме с ОИ. Анализ данной схемы. Основные соотношения.
12. Используя данные, полученные в лабораторной работе №3 (характеристики транзисторов, используемых в этих работах), рассчитать схему с ОЭ или с ОИ (по выбору преподавателя), собранные на стенде. Необходимые параметры (например, Iси, Up и др.) выберете по собственному усмотрению.
13. На базе схем имеющихся на стенде, продумать школьный эксперимент и объяснение принципа ООС.