Исследование биполярного транзистора

Физический эксперимент

Цель работы: исследование характеристик биполярного транзистора и изучение методов анализа схем, содержащих транзистор.

Порядок выполнения работы

1. Исследование статических характеристик транзистора,

включенного по схеме с ОЭ

Составить схему для снятия статических характеристик транзистора с общим эмиттером (ОЭ).

Макет лабораторной работы представлен на рис.1. Требуемая схема собирается путем установки тумблеров S1-S8 в соответствующее положение. На рис.1 положения ручек всех тумблеров соответствуют состоянию «выключено», что совпадает с их условным обозначением на схеме. В этой ситуации все сопротивления и емкости, включенные последовательно с тумблерами, оказались исключенными из схемы, а элементы С1, R4, R5, параллельно которым включены тумблеры – подключенными к схеме.

Рис.1. Схема лабораторного макета для исследования характеристик

транзистора и усилителя с емкостной связью

Правильность составленной схемы следует проверить путем сопоставления ее с рис.2, где в качестве измерителей тока μΑ, mА используются приборы, установленные в середине лицевой панели лабораторного стенда; в качестве вольтметра V₂ –выходной вольтметр блока питания (на 15В); в качестве вольтметра V₁ – вольтметр В7-26, его необходимо поставить в режим измерения постоянного напряжения. Микроамперметр μΑ включается параллельно конденсатору С1. Регулируемое напряжение 0…2 V следует подключить со стенда к макету, а напряжение 1…15 V подается на макет через разъем.

Рис.2. Схема для снятия входных и выходных характеристик транзистора

Снять входные характеристики транзистора

при – const для значений = 0 В, минус 5 В, минус 10 В.

Для того, чтобы обеспечить равенство нулю, необходимо отключить проводник от положительного зажима mA и подсоединить его к общему проводу так, чтобы выводы коллектор и эмиттер были закорочены. Задаваясь рядом значений токов , в соответствии с таблицей 1 измерять напряжение . За тем восстановить схему и установить напряжение , и вновь повторять эксперимент при тех же значениях базовых токов

Таблица 1

									При
									При
									При

По полученным данным построить семейство входных вольтамперных характеристик.

Снять выходные характеристики для значений = 0, 20, 40, 60, 80, 100 μA.

Для обеспечения равенства нулю разорвем цепь питания базы, отключим источник напряжения 2 В. Полученный ток коллектора называют сквозным током, он будет настолько мал, что для его измерения необходимо использовать микроамперметр. Задаваясь рядом значений , в соответствии с таблицей 2, измерить ток . Восстановить схему провести указанный эксперимент при заданных значениях базовых токов. В процессе эксперимента важно следить за постоянством тока базы.

Таблица 2

По полученным данным построить семейство выходных вольтамперных характеристик биполярного транзистора.

2. Исследование усилительных свойств транзистора

Собрать схему усилителя с емкостной связью (рис.3)

Рис.3. Схема усилителя с емкостной связью

Определить режим работы усилителя по постоянному току.

Для этого следует:

· пользуясь снятыми статическими характеристиками транзистора, построить нагрузочную характеристику в соответствии с уравнением

при ,

· измерить напряжение коллектора покоя вольтметром В7-26 при ;

· отметить на оси абсцисс, найденное значение , восстановить перпендикуляр и найти точку пересечения с нагрузочной прямой, найти ток коллектора покоя ;

· через найденную точку, которая является точкой покоя, провести статическую характеристику параллельно ближайшей и, используя экстерполяцию, определить примерное значение тока базы покоя ;

· на статических входных характеристиках по известному току найти точку покоя и определить напряжение база-эмиттер покоя

Определить численные значения - параметров с ОЭ в точке покоя, которая имеет координаты в системе входных характеристик , а в системе выходных характеристик .

При нахождении – параметров по характеристикам необходимо знать математическую запись определяемого – параметра, и уметь задавать и находить соответствующие приращения, которые должны быть достаточно малыми.

Рассчитать основные параметры усилителя с емкостной связью с учетом .

3.Экспериментальное исследование усилителя

с емкостной связью по схеме с ОЭ

Собрать схему исследования усилителя, для чего на вход подсоединить генератор переменного напряжения Г3-36 и вольтметр В3-38, а на выход - осциллограф и вольтметр В7-26.

Измерение коэффициента усиления по напряжению . После подключения приборов задать напряжение на входе порядка 1 В, частотой 1 кГц, настроить осциллограф для наблюдения формы выходного сигнала. При отключенной нагрузке (резистор ), регулируя входное напряжение, добиться, чтобы выходной сигнал имел синусоидальную форму. Измерить входное напряжение. Выходное напряжение измеряется дважды при отключенной нагрузке (такой режим называют холостым ходом) и включенной нагрузке. Определить коэффициент усиления в режиме холостого хода

,

и коэффициент усиления по напряжению с учетом нагрузки

.

Измерение выходного сопротивления . Как видно из предыдущего эксперимента, выходное напряжение при подключении нагрузки уменьшается. Это происходит за счет падения напряжения на выходном сопротивлении усилителя. Эквивалентную схему выходной цепи усилителя можно представить в виде (рис.4, b), пользуясь которой можно найти

.

Рис.4. Эквивалентная схема входной (а) и выходной (b) цепей усилителя

Определение входного сопротивления усилителя . Непосредственное измерение входного сопротивления невозможно. Воспользуемся косвенным методом измерения, в соответствии с эквивалентной схемой (рис.4, а). Измерив с помощью вольтметра В3-38 переменные напряжения , считая известным , последовательно найдем

;

.

Коэффициент усиления по току

,

где - выходной ток.

Сравните расчетные значения по пункту 2.4, полученные из анализа эквивалентной схемы усилителя с емкостной связью, с экспериментальными данными. Они могут отличаться на 10…15% из-за технологического разброса сопротивлений резисторов.

4. Исследование влияния обратной связи на свойства усилителя

Резистор в цепи эмиттера устанавливается для ведения отрицательной обратной связи по постоянному току, что позволяет стабилизировать ток коллектора покоя.

Исследовать влияние эмиттерного резистора на напряжение база - эмиттер покоя . Измерить напряжение при включенном и шунтированным резисторе . Сделать вывод о влиянии обратной связи на значение напряжения , которое определяет положение точки покоя. Объяснить полученный результат.

Исследовать влияние эмиттерного резистора на динамический режим работы. Отключить эмиттерный конденсатор , определить коэффициент усиления по напряжению . Сравнить с для случая, когда включен конденсатор . Сделать выводы и объяснить полученный результат.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

· схему для снятия статических характеристик биполярного транзистора,

· таблицы с полученными результатами,

· входные и выходные статические характеристики транзистора,

· результаты расчетов - параметров транзистора,

· схему усилителя с емкостной связью,

· рассчитанные значения параметров усилителя с емкостной связью,

· выводы по результатам экспериментов.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте определение биполярного транзистора. Каково назначение и область применения транзисторов.

2. Поясните структуру и принцип действия биполярного транзистора.

3. Дайте определение входных и выходных вольт – амперных характеристик.

4. Сопоставьте входные характеристики транзистора с физическими процессами, протекающими в нем. Дайте объяснение виду входных характеристик.

5. Выделите на выходных характеристиках характерные участки, объясните их вид, связав с физическими процессами, протекающими в транзисторе.

6. Какой режим работы транзистора называют режимом покоя? Как графически определить координаты точки покоя?

7. Как изменится положение нагрузочной прямой, при изменении и ?

8. Напишите выражения для определения - параметров при схеме включения с ОЭ.

9. Изобразите эквивалентную схему транзистора и усилителя с емкостной связью.

10. Приведите формулы, определяющие , , для схемы включения транзистора с ОЭ.

11. Объясните назначение элементов схемы усилителя с емкостной связью.

12. Объясните влияние конденсатора и резистора , включенного в цепь эмиттера на работу усилителя.

Виртуальный эксперимент

Цель работы: исследование характеристик транзистора и изучение методов анализа схем, содержащих транзистор; получение навыков моделирования и исследования электронных схем с помощью программы Electronics Workbench.

Порядок выполнения работы

1.Исследование статических характеристик транзистора,

включенного по схеме с ОЭ

Составить схему для снятия статических характеристик транзистора с общим эмиттером (ОЭ) (рис.5).

Рис.5. Схема для исследования характеристик транзистора

Снять входные характеристики транзистора при – const для значений = 0 В, минус 5 В, минус 10 В.

Задаваясь рядом значений токов в соответствии с таблицей 3, измерять напряжение .при фиксированных значениях напряжений .

Таблица 3

									При
									При
									При

По полученным данным построить семейство входных вольтамперных характеристик.

Снять выходные характеристики для значений = 0, 20, 40, 60, 80, 100 μA.

Устанавливая ряд значений напряжения ,в соответствии с таб.4, измерять ток коллектора при фиксированных токах базы

Таблица 4

По полученным данным построить семейство выходных вольтамперных характеристик биполярного транзистора.

2. Исследование усилительных свойств транзистора

Расчет схемы усилителя с емкостной связью. Рассчитать и выбрать номинальные значения элементов образующих усилитель с емкостной связью (рис.6). Исходные данные:

Рис.6. Схема усилителя с емкостной связью

Последовательность расчета следующая:

Отметить на осях координат семейства выходных характеристик (рис. 7) заданные значения , , соединить их прямой, эта прямая является нагрузочной прямой, угол наклона которой зависит от резистора ; отсюда следует

,

далее номинальное значение резистора выбирается по ряду номинальных значений.

Рис.7. Построение нагрузочной прямой

На нагрузочной прямой выделяем рабочий участок , примерно на середине этого участка отмечаем точку покоя и находим ее координаты . По входной характеристике по известному току найдем . В этой точке определяем значение - параметров при схеме включения с ОЭ.

При нахождении – параметров по характеристикам необходимо знать математическую запись определяемого – параметра и уметь задавать и находить соответствующие приращения, которые должны быть достаточно малыми.

В дальнейшем расчет заключается в том, что следует так подобрать элементы делителя напряжения и , чтобы обеспечить ток . Сначала находим значение резистора , а затем из выражений

,

,

,

,

задавшись (чтобы не шунтировать входное сопротивление транзистора) находим . Все резисторы выбираются из ряда номинальных значений.

Расчет конденсаторов производится так, чтобы их сопротивления на нижней рабочей частоте были много меньше сопротивлений резисторов, подключенных к ним

,

,

.

Емкость конденсаторов рассчитывается из выше приведенных формул и выбирается по таблице номинальных значений. На схеме усилителя с емкостной связью (рис.6)

Рассчитать основные параметры усилителя с емкостной связью с учетом .

3. Исследование усилителя с емкостной связью по схеме с ОЭ

Собрать схему исследования усилителя (рис.6), установить выбранные и заданные значения резисторов и конденсаторов. На вход подсоединить генератор переменного напряжения, подключить осциллограф, так, чтобы один из входов был подсоединен ко входу усилителя, а второй - к его выходу. Для удобства наблюдения необходимо задать различные цвета осциллограммам входного и выходного напряжений. Цвет задается подводящим проводам, для чего следует щелкнуть два раза мышкой по проводнику и задать цвет на выпадающем меню.

Измерение коэффициента усиления по напряжению . После подключения приборов задать напряжение на входе порядка 1 В, частотой 1 кГц, настроить осциллограф для наблюдения форм входного и выходного сигнала. При отключенной нагрузке (резистор ), регулируя входное напряжение, добиться, чтобы выходной сигнал имел синусоидальную форму. Измерить входное напряжение с помощью осциллографа. Выходное напряжение измеряется дважды при отключенной нагрузке (такой режим называют холостым ходом) и включенной нагрузке. Определить коэффициент усиления в режиме холостого хода

,

и коэффициент усиления по напряжению с учетом нагрузки

.

Измерение выходного сопротивления . Как видно из предыдущего эксперимента, выходное напряжение при подключении нагрузки уменьшается. Это происходит за счет падения напряжения на выходном сопротивлении усилителя. Эквивалентную схему выходной цепи усилителя можно представит в виде (рис.8, b), пользуясь которой можно найти

.

Рис.8. Эквивалентная схема входной (а) и выходной (b) цепей усилителя

Определение входного сопротивления усилителя . Непосредственное измерение входного сопротивления невозможно. Воспользуемся косвенным методом измерения в соответствии с эквивалентной схемой (рис.8, а). Измерив с помощью вольтметра В3-38 переменные напряжения , считая известным , последовательно найдем

;

.

Определение коэффициента усиления по току

,

где - выходной ток.

Сравните расчетные значения по пункту 2, полученные из анализа эквивалентной схемы усилителя с емкостной связью, с экспериментальными данными. Они могут отличаться на 10…15% из-за технологического разброса сопротивлений резисторов.

4. Исследование влияния обратной связи на свойства усилителя

Резистор в цепи эмиттера , устанавливается для ведения отрицательной обратной связи по постоянному току, что позволяет стабилизировать ток коллектора покоя.

Исследовать влияние эмиттерного резистора на напряжение база эмиттер покоя . Измерить напряжение при включенном и шунтированном резисторе . Сделать вывод о влиянии обратной связи на значение напряжения , которое определяет положение точки покоя. Объяснить полученный результат.

Исследовать влияние эмиттерного резистора на динамический режим работы. Отключить эмиттерный конденсатор , определить коэффициент усиления по напряжению . Сравнить с для случая, когда включен конденсатор . Сделать выводы и объяснить полученный результат.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. схему для снятия статических характеристик биполярного транзистора,

2. таблицы с полученными результатами,

3. входные и выходные статические характеристики транзистора,

4. результаты расчетов - параметров транзистора,

5. схему усилителя с емкостной связью,

6. рассчитанные значения параметров усилителя с емкостной связью,

7. выводы по результатам экспериментов.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте определение биполярного транзистора. Каково назначение и область применения транзисторов?

2. Поясните структуру и принцип действия биполярного транзистора.

3. Дайте определение входных и выходных вольт – амперных характеристик.

4. Сопоставьте входные характеристики транзистора с физическими процессами, протекающими в нем. Дайте объяснение виду входных характеристик.

5. Выделите на выходных характеристиках характерные участки, объясните их вид, связав с физическими процессами, протекающими в транзисторе.

6. Какой режим работы транзистора называют режимом покоя? Как графически определить координаты точки покоя?

7. Как изменится положение нагрузочной прямой при изменении и ?

8. Напишите выражения для определения - параметров при схеме включения с ОЭ.

9. Изобразите эквивалентную схему транзистора и усилителя с емкостной связью.

10. Приведите формулы, определяющие , , для схемы включения транзистора с ОЭ.

11. Объясните назначение элементов схемы усилителя с емкостной связью.

12. Объясните влияние конденсатора и резистора , включенного в цепь эмиттера, на работу усилителя.