Расчет и моделирование параметров усилителя на постоянном токе

СТАРООСКОЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ФИЛИАЛ)

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ИНСТИТУТА

СТАЛИ И СПЛАВОВ

(ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА)

 

Кафедра АиПЭ

 

 

Основина О.Н.

 

ЭЛЕКТРОНИКА

методические указания

для выполнения контрольного лабораторного задания № 1

на тему:

«Исследование биполярных транзисторов»

для студентов специальностей:

«Информационные системы и технологии»

«Автоматизация технологических процессов и производств»

(заочная форма обучения)

 

 

Одобрено редакционно-издательским советом института

 

Старый Оскол

Аннотация

Рекомендуемые методические указания составлены в соответствии с разделом «Элементная база электронных устройств» курса «Электроника» для студентов специальности АТП, ИС, обучающихся на заочном отделении. Выполнение лабораторного задания предусматривает построение и исследование статических вольтамперных характеристик биполярного транзистора, исследование зависимости коэффициента усиления транзистора по току от тока коллектора в статическом режиме, расчет параметров биполярных транзисторов, исследование влияния напряжения коллекторно-базового p-n перехода на его емкость, исследование характеристик усилителей на постоянном токе.

Рекомендации к выполнению задания содержат краткие теоретические сведения по теме задания, задание на выполнение по варианту, методику и примеры расчёта, требуемые для выполнения справочные данные, список рекомендуемой литературы.

Выполнение задания является важным элементом учебного процесса, служит для закрепления лекционного материала и приобретения навыков расчёта и моделирования электронных схем.

 

Требования к оформлению лабораторного задания

 

1. Задание выполняют на листах формата А4, на обложке указывается фамилия, имя, отчество, номер варианта.

2. Писать нужно на одной стороне листа.

3. Исходные данные и условие задания формулируется полно и четко.

4. Основные положения решения и результаты моделирования объясняют и иллюстрируют схемами, чертежами, диаграммами, характеристиками и т. д. На схемах показывают положительные направления токов.

5. Графическую часть задания выполняют аккуратно с помощью чертежного инструмента на миллиметровой бумаге.

6. Выдерживают следующий порядок записи при вычислениях: сначала приводят формулу, заменяют символы их числовыми значениями, затем выполняют преобразования с числами, после этого дают результат вычислений и указывают единицу измерения.

7. К выполненному заданию прилагают письменные ответы на требуемые контрольные вопросы (согласно варианта), перечень использованной литературы, в конце работы ставят дату и подпись.

8. Задание, выполненное не по своему варианту, а также написанное неразборчиво, не рецензируется.

 

Лабораторное задание № 1

Тема задания: Исследование биполярных транзисторов

Цель задания:

1. Построение и исследование статических характеристик биполярного транзистора.

2. Исследование зависимости коэффициента усиления по току от тока коллектора в статическом режиме.

3. Расчет параметров биполярных транзисторов.

4. Исследование влияния напряжения коллекторно-базового p-n перехода на его емкость.

5. Исследование характеристик усилителей на постоянном токе.

6. Изучение методики задания параметров усилителей по постоянному току.

7. Моделирование работы усилителя на постоянном токе и сопоставление результатов моделирования результатам расчетов.

 

1. Теоретическая часть

1.1 Структура биполярного транзистора

Структура биполярного транзистора представляется тремя областями с чередующимися типами проводимости. Порядок чередования областей определяет транзисторы с прямой (p – n – p) и обратной (n – p – n) проводимостью. Упрощенные схемы структур и условные графические изображения этих типов транзисторов показаны на рис.1.1.

Рис.1.1 – Структура и условное графическое обозначение биполярного транзистора

Три чередующихся слоя с разными типами проводимости образуют два p – n перехода, обозначенные цифрами 1 и 2 на рис.1.1. Взаимодействие между ними будет обеспечено тогда, когда толщина области между переходами, которая называется базой (Б), будет меньше диффузионной длины пробега неосновных носителей заряда. Примыкающие к базе области чаще всего неодинаковы. Одну из них изготавливают так, чтобы она обеспечивала эффективную инжекцию носителей в базу. Эта область обычно легирована значительно сильнее, чем база, и называется эмиттером (Э). Другая область должна наилучшим образом осуществлять экстракцию (отсос) носителей из базы и называется коллектором (К). Соответственно примыкающий к эмиттеру переход 1 называется эмиттерным, а примыкающий к коллектору (2) - коллекторным.

Каждый из переходов внешним источником напряжения может быть смещен в прямом или обратном направлении. Это позволяет осуществлять три режима работы транзистора:

1. Режим отсечки – оба p – n перехода смещены в обратном направлении, токи через транзистор практически отсутствуют.

2. Режим насыщения – на оба перехода подано прямое смещение, через транзистор проходят достаточно большие токи.

3. Активный режим – на эмиттерный переход подано прямое смещение, на коллекторный – обратное.

В режимах отсечки и насыщения управление транзистором практически отсутствует и сам транзистор выполняет роль электронного ключа: режим отсечки – это разрыв цепи, тока в ней нет, режим насыщения – замкнутое положение ключа, ток в цепи максимально допустимый. В активном режиме управление током транзистора наиболее эффективно, поэтому транзистор в этом режиме выполняет функции активного элемента цепи (усиление, генерирование сигналов и т.п.)

Если в активном режиме на эмиттерный переход подано прямое смещение, а на коллекторный - обратное, то включение транзистора называют нормальным. При противоположных полярностях напряжений на переходах включение называют инверсным.

 

1.2 Принцип действия и схемы включения транзистора

Наличие трех выводов у транзистора позволяет применять его три различных схемы включения в электрическую цепь. Эти схемы показаны на рис. 1.2 и называются, соответственно схемами с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Название определяется названием электрода транзистора, который является общим для входного и выходного сигналов (Рис.1.2).

Рис.1.2 – Схемы включения биполярного транзистора

Рассмотрим принцип работы n–p–n транзистора, включенного по схеме с общей базой (Рис.1.1, б; 1.2, а). В активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – в обратном. Эмиттер инжектирует электроны в базовую область. Если концентрация носителей в эмиттере много больше, чем концентрация примеси в базе ( ), то ток электронов , инжектируемых в базу, будет практически равен полному току эмиттера .

 

1.3 Статические характеристики и параметры транзистора

Для анализа работы транзистора в электронных устройствах используется два вида вольт – амперных характеристик (ВАХ): входные и выходные. Первая из них представляет собой зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, т.е. зависимость . Выходной ВАХ является зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе: . Поскольку постоянный параметр ( или ) для каждого типа ВАХ может принимать неограниченный ряд значений, то каждая из этих зависимостей представляется не одной кривой, а несколькими, которые называются семейством входных и выходных характеристик.

Поскольку на практике используются различные схемы включения транзистора, то входные и выходные токи и напряжения тоже будут различными, поэтому и семейства входных и выходных ВАХ различаются для различных схем включения. Так, из рис. 1.2 следует, что семейства входных и выходных ВАХ для схемы с общей базой представляют собой зависимости:

 

входные:

(1.1)

выходные:

Аналогично определяются входные и выходные ВАХ для других схем включения.

Входная характеристика транзистора, снятая при представляет собой естественную ВАХ эмиттерного перехода (для схемы включения ОБ, например). При повышении выходного напряжения значительная доля инжектированных носителей будет покидать базу через коллекторный переход, поэтому ток эмиттера при том же напряжении на переходе будет возрастать, т.е. с повышением выходного напряжения входные характеристики смещаются к оси тока (рис. 1.3, а).

Рис.1.3 – Статические характеристики транзистора

С повышением выходного напряжения ток через эмиттерный переход будет существовать даже при , т.к. неосновные носители из базы будут втягиваться полем коллекторного перехода, а на их место будут поступать носители через эмиттерный переход. Чтобы ток через эмиттерный переход стал равным нулю, на него следует подать обратное напряжение.

При выходная ВАХ транзистора тоже подобна ВАХ изолированного коллекторного перехода (Рис.1.3, б). При задании некоторого тока ток коллектора увеличивается на величину . Смещение выходных ВАХ вверх по оси тока коллектора при увеличении тока эмиттера соответствует принципу действия транзистора.

Ток коллекторного перехода существует и при нулевом напряжении на коллекторе (короткое замыкание коллектора с базой). Этот ток обусловлен градиентом концентрации неосновных носителей заряда в базе при инжекции носителей в нее из эмиттера, т.е. при наличии тока эмиттера. Чтобы ток коллектора стал равным нулю, на коллектор требуется подать прямое напряжение, что соответствует работе транзистора в режиме насыщения.

Усиление сигналов транзистором оценивается коэффициентами усиления по току , по напряжению и по мощности . Для транзистора с ОБ коэффициент усиления по току , т.е. усиления по току в этой схеме включения не происходит. Но зато можно получить большое усиление по напряжению. Как видно из рис.1.3, б выходное дифференциальное сопротивление транзистора в пологой, почти горизонтальной области характеристики велико, что позволяет включить в выходную цепь последовательно большое сопротивление нагрузки . Транзистор для выходной цепи представляет собой генератор тока с большим выходным сопротивлением . При малых изменениях тока эмиттера напряжение на коллекторе транзистора изменяется на большое значение:

,

где - эквивалентное сопротивление параллельно включенных и .

Входное дифференциальное сопротивление , определяемое по входной ВАХ (Рис.1.3, а), значительно меньше , поэтому и изменение входного напряжения при том же изменении входного тока

тоже будет значительно меньше . Поэтому коэффициент усиления транзистора с ОБ по напряжению

.

При больших значениях .

Коэффициент усиления по мощности транзистора с ОБ тоже может значительно превышать единицу:

.

Биполярный транзистор называют активным элементом электрической цепи, поскольку он усиливает мощность входных сигналов ( >1). Так, при средних значениях кОм, Ом величина , если . Физически усиление входного сигнала по мощности означает отбор энергии нагрузкой от источника питания выходной цепи, а активная роль транзистора сводится к роли клапана, регулирующего поступление энергии от источника в нагрузку, управление которым осуществляется малым по мощности входным сигналом.

В схеме с ОЭ транзистор усиливает сигнал как по напряжению, так и по току. Входным током в этой схеме является ток базы, а выходным – ток коллектора. Токи транзистора связаны между собой первым законом Кирхгофа .

Коэффициент усиления по напряжению транзистора с ОЭ определяется:

(1.2)

Коэффициент усиления по мощности транзистора с ОЭ:

(1.3)

обычно значителен, так как усиление происходит по току и напряжению. Поэтому в большинстве усилительных каскадов используется включение транзистора с ОЭ. Это бывает выгодно еще и потому, что входное сопротивление транзистора с ОЭ больше сопротивления транзистора с ОБ в ( ) раз.

Транзистор с ОК имеет коэффициент усиления по напряжению немного меньший единицы, т.к. разность потенциалов между входным электродом – базой, и выходным – эмиттером практически не зависит от тока базы. Усиление по току значительно и составляет

(1.4)

Потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы (Рис.1.2, в), поэтому каскад на транзистору с ОК называют эмиттерным повторителем.

 

1.4 Малосигнальные параметры транзистора

Если при работе транзистора переменные напряжения на его переходах достаточно малы, то токи в нем являются линейными функциями этих напряжений. Это позволяет рассматривать транзистор как линейный четырехполюсник (Рис.1.4), т.е. как некоторое устройство, имеющее два входных и два выходных зажима, и связь между токами и напряжениями на входе ( ) и выходе ( ) которого выражается системой линейных уравнений.

Рис.1.4 – Упрощенная модель транзистора

Из теории четырехполюсников следует, что только две из перечисленных величин независимы, а две другие могут быть выражены через них. В качестве независимых можно выбирать произвольно любую пару величин. Таким образом можно составить шесть систем уравнений, описывающих связь между входными и выходными токами и напряжениями четырехполюсника. Для транзисторов наиболее удобной оказалась система малосигнальных h – параметров, в которой в качестве независимых величин выбираются входной ток и выходное напряжение .

(1.5)

В режиме малых сигналов функции и линейны, поэтому приращения величин можно получить дифференцированием (1.5) следующим образом:

(1.6)

В качестве малых приращений входных и выходных токов и напряжений можно принять переменные составляющие , , , . Тогда (1.6) можно переписать:

(1.7)

Коэффициенты в правой части (1.7) называются h – параметрами. Они имеют вполне определенный физический смысл и устанавливают взаимосвязь между токами и напряжениями транзистора.

Если в первом уравнении (1.7) положить , что соответствует короткому замыканию выходной цепи по переменной составляющей (постоянное напряжение на выходных зажимах при этом ), то получаем:

- входное сопротивление транзистора по переменному току при коротко замкнутом выходе.

Если в том же уравнении положить ( ), то

- коэффициент обратной связи по переменному напряжению при разомкнутой входной цепи (холостой ход) по переменному току.

Аналогично из второго уравнения (1.7), получаем:

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе по переменному току;

- выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи по переменному току.

Единицы измерений h-параметров различны: h11 измеряется в омах, h22 - в сименсах, h21 и h12 - безразмерны. Так как физические размерности параметров неодинаковые, то такую систему называют гибридной.

i1
 

 


h21i1

 


Рис. 1.5 - Схема замещения транзистора на основе h-параметров

Схема замещения транзистора на основе h-параметров представлена на рис. 1.5.

В ней генератор э.д.с. h12u2 учитывает наличие напряжения обратной связи во входной цепи, когда на выходе действует напряжение u2, а входная цепь разомкнута. Сам генератор считается идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Идеальный генератор тока h21i1 учитывает взаимосвязь выходного и входного токов.

Для каждой схемы включения транзистора существует свой набор h-параметров, идентифицируемый соответствующим индексом, но между этими наборами существует однозначная связь, представленная в табл. 1.1.

Применительно к схеме включения с ОЭ для коэффициента h21э широко используется обозначение b, а в схеме с ОБ - вместо h21б коэффициент -a, так как в данной схеме включения направления тока iк противоположно базовому направлению тока i2 исходного четырехполюсника, т.е. h21б<0. Но в практических расчетах коэффициент a обычно используется как положительная величина.

Таблица 1.1

H11э h11б
H12э h12б
H21э h21б
H22э h22б

 

На рис. 1.6 показан процесс определения h-параметров по входной ВАХ транзистора, а на рис. 1.7 - по выходной. Из рисунков видно, что значения h-параметров не являются постоянными для конкретного транзистора и зависят от режима по постоянному току (рабочей точки покоя транзистора) - значений постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе транзистора. Поэтому в справочной литературе при указании h-параметров обязательно указывается и режим, при котором произведены измерения.

Значения h-параметров также зависят от частоты переменного сигнала и температуры окружающей среды.

;

 

.

 

Рис. 1.6 - Определение h-параметров по входной ВАХ транзистора

 

,

 

 

Рис. 1.7 - Определение h-параметров по выходной ВАХ транзистора

 

1.5 Расчет усилителей на постоянном токе

Электронный усилитель – устройство, предназначенное для усиления напряжения, тока и/или мощности электрических сигналов. Схематично структуру усилителя можно представить (Рис. 1.8) состоящей из: маломощного источника входного сигнала Р1, источника мощности Р0, усилительного элемента У и нагрузки Р2.

Усилитель реализует под управлением источника входного сигнала передачу энергии от источника мощности к нагрузке. Ключевым элементом, регулирующим эту передачу, является транзистор: биполярный или полевой.

 
 

Использование в усилителе биполярного транзистора предполагает включение его по одной из трех возможных схем: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) или общим коллектором (ОК). На рис. 1.9 показана схема наиболее распространенного усилителя на базе биполярного транзистора – с ОЭ, т.е. эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Входное напряжение uвх от источника усиливаемого сигнала ес подается на усилительный каскад через разделительный конденсатор С1.

Работу усилителя с ОЭ можно проиллюстрировать с помощью вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора (Рис. 1.10): входной характеристики Iб = f(Uбэ) и семейства выходных Iк = f(Uкэ) при разных токах базы.

Для коллекторной цепи усилителя на постоянном токе (Рис. 1.9) можно записать: Uкэ =Ек - RкIк. Графическим решением этого уравнения является прямая, представленная на семействе выходных ВАХ и называемая линией нагрузки по постоянному току. Её можно построить по двум точкам: соответствующей режиму холостого хода (координаты точки Iк=0 и Uк=Ек) и короткого замыкания (координаты точки Iк=Ек/Rк и Uк=0). Точки пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками транзистора определяют ток Iк и напряжение на транзисторе Uкэ при любом заданном значении тока базы Iб. Конкретное значение данных параметров (координат) задает текущее положение рабочей точки как на выходе, так и на входе усилителя.

Анализ уравнения, описывающего линию нагрузки, показывает, что наклон данной линии определяется величиной Rк. В реальных усилителях это значение колеблется в пределах от нескольких Омов до нескольких килоОмов.

В усилителе действуют, по крайней мере, два электрических источника: источник постоянной э.д.с. Ек и источник усиливаемого переменного напряжения ес. Первый из них обеспечивает требуемый режим покоя (режим работы по постоянному току), который на рис. 1.10 определяется точкой О (рабочая точка в режиме покоя), т.е. создает постоянные составляющие тока и напряжения на входе и выходе усилителя: I0б и U0бэ, I0к и U0кэ. Для усиления входных сигналов с минимальными линейными искажениями начальное положение рабочей точки целесообразно выбирать на середине линии нагрузки, т.е. с координатами

U0кэ » Ек/2; I0к » (Ек/2)/Rк. (1.8)

При этом

I0б » I0к/h21э, (1.9)

а U0бэ » 0.3 В для германиевых и U0бэ » 0.7 В для кремниевых транзисторов.

Конденсатор С1 включен на входе усилителя для того, чтобы:

· не пропускать постоянную составляющую усиливаемого сигнала на вход усилителя;

· не создавать постоянной составляющей тока в источнике усиливаемого сигнала ес за счет действия источника питания Ек.

Разделительный конденсатор С2, в свою очередь, задерживает постоянную составляющую коллекторного напряжения и пропускает в нагрузку усилителя только переменную составляющую напряжения uк, являющуюся выходным напряжением усилителя.

Задание постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе усилителя реализуется двумя основными способами:

· фиксированным напряжением база-эмиттер (Рис. 1.11);

· фиксированным током базы (Рис. 1.12).

На рис. 1.11 приведен пример использования первого способа. Схема включает на входе резисторный делитель, при этом

UR2= U0бэ=IдR2. (1.10)

Оба последних параметра заранее не фиксированы, т.е. могут выбираться произвольно. Обычно задаются значением Iд, соблюдая соотношение

Iд/I0б ³ 10. (1.11)

Тогда R2 = U0бэ/Iд. Учитывая, что UR1= Ек - U0бэ= (Iд + I0б)R1, находится требуемое значение сопротивления R1 = (Ек - U0бэ)/(Iд + I0б).

Для схемы на рис. 1.12 можно записать URб=Ек-U0бэ=I0бRб.

Тогда Rб =(Ек - U0бэ)/I0б. Так как обычно Ек >> U0бэ, то в инженерных расчетах можно использовать приближенную формулу вида Rб » Ек/I0б.

При изменении температуры окружающей среды входная ВАХ транзистора смещается по горизонтали, а выходная – по вертикали, что приводит к смещению начального положения рабочих точек как на входе, так и на выходе усилителя. При большой амплитуде выходного сигнала указанное явление может привести к заходу рабочей точки при движении по линии нагрузки в область насыщения или отсечки, что обуславливает искажение формы выходного сигнала в виде зарезания вершин выходной синусоиды.

 

Для борьбы с данным явлением используются два основных метода:

1) термокомпенсация – на основе нелинейных элементов, параметры которых определенным образом зависят от температуры;

2) термостабилизация, базирующаяся на механизме отрицательной обратной связи (ООС).

На практике обычно используется второй метод, предполагающий включение в состав усилителя резистора Rэ (Рис. 1.13) для создания ООС. Ёе механизм иллюстрируется следующей логической цепочкой: предположим, что температура окружающей среды выросла, тогда:

­Т ® ­I0к ® I0э (так как I0к = aI0э + I0кэ) ® ­URэ = I0эRэ ® ¯U0бэ = UR2 – URэ ® ¯I0б ® ¯D I0к.

При этом предполагается, что напряжение UR2 остается практически постоянным, так как Iд >> I0б.

 

 

ООС не позволяет полностью устранить влияние температуры на начальное положение рабочей точки, но уменьшает его. Количественная оценка такого уменьшения производится с помощью коэффициента нестабильности коллекторного тока S:

S = DI0к/DIк,

где DIк – приращение тока Iк в схеме с идеальной термостабилизацией (с минимальным изменением тока Iк).

Значение S для конкретной схемы рассчитывается по формуле

, (1.12)

где Rб=R1R2.

Анализ выражения (1.12) показывает, что:

(Rб ® 0) Þ (S ® 1); (Rэ ® 0) Þ (S ® b);

(Rб ® ¥) Þ (S ® b); (Rэ ® ¥) Þ (S ® 1),

т.е. уменьшение Rб ведет к улучшению термостабилизации, а увеличение – к ухудшению. Обратный эффект оказывает на термостабилизацию величина резистора Rэ. Однако увеличение данного сопротивления ведет к увеличению номинала Ек при заданных Rк и U0кэ. Поэтому величина резистора Rэ обычно ограничивается значением 200¸300 Ом. Введение в схему Rэ предполагает, что наклон линии нагрузки (Рис. 1.10) уже определяется суммарным значением Rк+Rэ (при инженерных расчетах предполагается, что I0к » I0э), а UR2=U0бэ+URэ.

 

2. Практическое выполнение задания

2.1 Построение статических характеристик транзистора

1) cмоделировать схему, представленную рис. 2.1 (тип биполярного транзистора задается в соответствии с номером варианта (таблица 2.1));

 
 

 


Рис. 2.1

Таблица 2.1

№ варианта Марка транзистора ЕК, В RК, Ом RЭ, Ом
ВС107
ВС107А
ВD239
2N2218
2N2222
2N2222А
2N3904
2N4401

 

2) снять показания измерительных приборов для построения семейства входных ВАХ исследуемого транзистора. Результаты измерений записать в табл. 2.2;

 

3) по полученным данным на миллиметровой бумаге построить семейство входных ВАХ транзистора .

4) снять показания измерительных приборов для построения семейства выходных ВАХ исследуемого транзистора. Результаты измерений записать в табл. 2.3;

 

Таблица 2.2

Uкэ,В
,mA 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
, В                    

 

 

Таблица 2.3

, мкА  
, В
,mA              
,mA              
  ,mA              
  ,mA              
,mA              
                   

 

5) по полученным данным на миллиметровой бумаге построить семейство выходных ВАХ транзистора ;

6) на семействе выходных ВАХ транзистора построить линию нагрузки по постоянному току, использую данные табл. 2.1 (ЕК и RK);

7) задать начальное положение рабочей точки O (что соответствует примерно середине усилительного участка нагрузочной прямой);

8) рассчитать h - параметры транзистора относительно установленной рабочей точки;

9) используя формулы, представленные в таблице 1.1, рассчитать h-параметры для того же транзистора, включенного по схеме с общей базой.

 

2.2 Измерение коэффициента усиления по току в статическом режиме

 

1) смоделировать схему, представленную на рис. 2.2;

 

IK
IБ
IЭ

Рис.2.2

В цепь эмиттера включен источник тока, задающий ток в статическом режиме. Амперметрами измеряются постоянные токи в цепях базы и коллектора Iб и Iк . Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером в статическом режиме (интегральная характеристика) рассчитывается по формуле: h21Э= Iк /Iб.

2) снять показания измерительных приборов и результаты измерений записать в табл. 2.4;

 

Таблица 2.4

Iэ,мА 0,1
Iб,мА                  
Iк,мА                  
h21Э                  

 

3) по полученным значениям построить зависимость В=f(Iк), из которой определить максимальное значение h21Э для статического режима работы транзистора.

 

2.3 Измерение емкости коллекторно-базового перехода Ск

 

1) смоделировать схему, представленную на рис.2.3;

 

UКБ

Рис. 2.3

 

Емкость обратносмещенного коллекторно-базового перехода Ск образует с сопротивлением резистора Rк делитель напряжения.

3) измерить значения постоянного U1 и переменного U2 напряжений;

4) рассчитать емкость Ск по формуле:

,

где F – частота источника синусоидального напряжения.

Измерения производятся при различных значениях постоянного напряжения коллектор-база путем изменения напряжения питания от 0,1 до 10 В.

5) результаты измерений и расчетов занести в табл. 2.5.

6) построить зависимость Ск=f(Uкб).

 

 

Таблица 2.5

Uкб,В 0.1
U1,мВ                    
U2,мВ                    
Ск,пкФ                    

 

Расчет и моделирование параметров усилителя на постоянном токе

Для моделирования усилительного каскада, представленного на рис. 1.13, выполнить в предложенной ниже последовательности расчет его параметров.

1) рассчитать предварительное значение тока базы покоя I0Б (см. ф. 1.9);

2) используя соотношение 1.11, задаться значением тока делителя IД;

3) найти значение резистора R2;

4) определить значение резистора R1;

5) рассчитать коэффициент нестабильности коллекторного тока S (см. ф. 1.12).

6) смоделировать схему усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ с эмиттерной термостабилизацией (см. рис. 1.13), установив полученные значения сопротивлений резисторов в цепях базового делителя напряжения. Измерить все постоянные токи, протекающие в цепях транзистора и падения напряжений на всех участках цепи. Сравнить полученные значения с расчетными.

По окончании выполнения работы и оформления отчета каждый студент должен ответить письменно на два контрольных вопроса. Номера вопросов для каждого варианта представлены в таблице 2.6.

Таблица 2.6

№ варианта № вопроса № варианта № вопроса
1, 10 18, 21
2, 15 22, 15
3, 17 23, 14
4, 19 24, 3
5, 20 25, 4
6, 21 26, 5
7, 27 29, 1
8, 28 2, 19
9, 30 4, 28
11, 23 7, 17
12, 24 9, 30
13, 25 3, 27
14, 26 5, 15
16, 6 16, 10

Контрольные вопросы

1. Пояснить, какие физические процессы происходят в структуре плоскостного биполярного транзистора.

2. Какие существуют режимы работы биполярного транзистора. Какие напря­жения подаются на его р-n-переходы в разных режимах работы? Параметры каждого из режимов и их практическое использование.

3. Усилительный режим работы биполярного транзистора. Характеристики усилительных свойств.

4. Динамический режим работы биполярного транзистора. Построение динамической характеристики.

5. Статический режим работы биполярного транзистора. Характеристики и параметры статического режима работы.

6. Сравнительный анализ возможных схем включения биполярного транзистора (ОЭ, ОБ, ОК). Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора для разных схем его включения.

7. Напишите выражения, с помощью которых вводятся h-параметры биполярного транзистора, и объяс­ните физический смысл каждого из этих параметров. Изобразите эквивалентную схему биполярного транзистора в системе h-параметров. Каковы условия измерения h-параметров?

8. Графоаналитическая методика определения h-параметров биполярного транзистора. Пояснить на примере. Достоинства и недостатки системы h-параметров.

9. Система y-параметров биполярного транзистора. Объяс­ните физический смысл каждого из этих параметров. Изобразите эквивалентную схему биполярного транзистора в системе y-параметров. Достоинства и недостатки системы y-параметров.

10. Как зависят характеристики и параметры биполярного и полевого транзисторов от температуры, частоты и других условий ра­боты?

11. На семействе выходных характеристик транзистора в схеме ОЭ проведите выходную нагрузочную характеристику. Как изменится ее вид при изменении:

а) напряжения питания при том же сопротивлении коллекторной нагрузки RК;

б) сопротивления RК при том же напряжении питания? Напишите уравнение для выходной нагрузочной характеристики.

12. На семействах входных и выходных статических характеристик транзис­тора, включенного по схеме с общим эмиттером, отметьте области, соответствующие режимам отсечки, усиления и насыщения. Какие напря­жения подаются на р-n-переходы транзистора в перечисленных режимах работы?

13. Что такое коэффициент насыщения Sнас транзистора? Какие значения этого коэффициента используют на практике?

14. Каков характер и величина изменения входного и выходного сопротивлений (Rвх Rвых) в зависимости от схемы включения биполярного транзистора? Какизменяется коэффициент усиления по мощности в зависимости от схемы включения биполярного транзистора?

15. В чем заключается принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом? Что собой представляет размерность крутизны S полевого транзистора? Является ли значение крутизны S постоянным для конкретного полевого транзистора?

16. Ключевые режимы работы биполярного транзистора. Параллельный и последовательный ключи на биполярном транзисторе. Основные параметры транзисторных ключей.

17. Основные параметры и характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

18. Перечислить основные физические параметры биполярных транзисторов и датьих определение. Каковасвязь физических параметров транзистора и h-пара­метров?

19. Какими преимуществами обладают полевые транзисторы по сравнению с биполярными?

20. В чем отличие принципа действия и основных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом и МДП транзистора.

21. Схемы включения полевых транзисторов, их основные характеристики (ОС, ОИ, ОЗ). Сравнительный анализ схем включения.

22. Охарактеризовать стационарные состояния и переходные процессы в транзисторных ключах. Дать сравнительный анализ транзисторных ключей на биполярных и полевых транзисторах.

23. Классификация транзисторов. Принципы маркировки и условные графические обозначения биполярных и полевых транзисторов.

24. Изобразить:

- принципиальную и эквивалентную схемы биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером;

- статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора для этой схемы включения.

Особенности, преимущества и недостатки схемы с общим эмиттером, ее практическое применение.

25. Изобразить:

- принципиальную и эквивалентную схемы биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой;

- статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора для этой схемы включения.

Особенности, преимущества и недостатки схемы с общей базой, ее практическое применение.

26. Изобразить:

- принципиальную и эквивалентную схемы биполярного транзистора, включенного по схеме с общим коллектором;

- статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора для этой схемы включения.

Особенности, преимущества и недостатки схемы с общим коллектором, ее практическое применение.

27. Изобразить:

- принципиальную и эквивалентную схемы полевого транзистора, включенного по схеме с общим стоком;

- статические вольтамперные характеристики полевого транзистора для этой схемы включения.

Особенности, преимущества и недостатки схемы с общим стоком, ее практическое применение.

28. Изобразить:

- принципиальную и эквивалентную схемы полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком;

- статические вольтамперные характеристики полевого транзистора для этой схемы включения.

Особенности, преимущества и недостатки схемы с общим истоком, ее практическое применение.

29. Изобразить принципиальную схему и пояснить принцип действия ненасыщенного ключа с нелинейной отрицательной обратной связью.

30. Чем обусловлены статические и динамические потери в транзисторном ключе?

 

Список рекомендуемой литературы

1. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов

/ Ю.В. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под ред. О.П. Глудкина. - М.:

Горячая Линия - Телеком, 2002.

2. Электропитание устройств связи: Учебник для вузов /А.А. Бокуняев,

В.М. Бушуев, А.С. Жерненко и др.; Под ред. Ю.Д. Козляева. - М.: Радио и связь, 1998.

3. Основы промышленной электроники: Учеб. для неэлектротехн. спец. ву-

зов / В.Г. Герасимов, О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; Под ред. В.Г. Герасимова. – 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1986.

4. Изъюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы и устройства промышленной элек-

троники. Учебн. пособие для вузов. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1975.