Исследование биполярного транзистора в статическом режиме

 

Динамический режим транзистора. Выбор и задание рабочей точки

 

Динамический режим  транзистора – это режим, при  котором выходной ток изменяется вследствие одновременного изменения входного тока и выходного напряжения. Так, для схемы с ОЭ I_к =f (I_Б, U_кэ). Динамический режим возникает в транизсторе, если в коллекторную цепь его включить сопротивление нагрузки R_к (например, как на рис. 3.10.).

Рис. 3.10. Включение транзистора  в динамическом режиме.

 

При изменении входного тока меняется ток коллектора, и, следовательно, меняется и напряжение между коллектором и эмиттером U_кэ, так как

                                U_кэ = E_к – I_к R_к                                                                          (18)

Если  увеличивается  ток I_к, то уменьшается U_кэ. В свою очередь изменение U_кэ приводит  к изменению I_к. Прямая линия, описываемая уравнением (18), называется нагрузочной прямой или линией нагрузки. Линию нагрузки строят на семействе выходных характеристик. Построение ее производится по двум точкам: А (Е_к, 0) и В (0, Е_к/R_к) и показано на рис. 3.11. Наклон нагрузочной прямой АВ зависит от сопротивления нагрузки R_к. Для переменной составляющей коллекторного тока полное сопротивление нагрузки обычно не совпадает с сопротивлением, поставленным в цепь коллектора R_к. Входная цепь следующего каскада имеет сопротивление R_н, которое обычно разделительной емкостью отделено от R_н по постоянной составляющей (рис. 3.7). Но по переменной  составляющей оно шунтирует R_к. Отсюда следует, что нагрузочная прямая по переменной составляющей  будет менее наклонена к оси абцисс (прямой ЕД). Она проходит через начальную (рабочую) точку 0 и удовлетворяет уравнению:

                   U_к = E_к – I _0к R_к + I_k(R_k||R_р) = U_0k+ I_k(R_k||R_р                               (19)

Нагрузочная прямая ЕД по переменному току, часто называется выходной характеристикой.

Начальному режиму транзистора  соответствует начальное положение  рабочей точки «0», которая определяется значениями I_ок, I_об, U_окэ. Она выбирается на нагрузочной прямой для постоянного тока в зависимости от уровня входного сигнала, назначения данного каскада, заданного коэффициента нелинейных искажений, температурного режима и т.п.

Рабочая точка выбирается в области, ограниченной на рис. 3.11. заштрихованными областями. Положение ее на нагрузочной прямой обычно выбирают так, чтобы нелинейные искажения выходного сигнала были наименьшими.

Коэффициент усиления К_U по напряжению, амплитуду входного сигнала, входное сопротивление транзистора по переменному току можно определить графически, пользуясь динамическими выходной и входной характеристиками (рис.3.11.). Входная динамическая характеристика лежит внутри узкого пучка входных статических характеристик и практически совпадает с ними.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.11. К расчету графическим  методом прохождения сигнала  через транзистор.

Выполнение работы

 

Принадлежности  к работе

1. Лабораторный комплекс ЛКЭЛ, модуль ТР схемотехника транзисторов.

2. Многофункциональный генератор-частотомер АТАКОМ АНР-1001.

3. Осциллограф универсальный ОСУ-20.

4. Соединительные провода и 4 форматки с масштабной сеткой.

 

 

 

 

 

 Методика снятия семейства  статических характеристики биполярного  транзистора

 

Вольт - амперные характеристики (ВАХ) транзисторов в любой необходимой  системе координат можно снимать по точкам, измеряя соответствующие постоянные напряжения и типы эмиттера, коллектора и базы. Однако, такой метод, несмотря на сравнительно малую погрешность изменений

± (5-10) %, является весьма трудоемким. Кроме того, длительное нахождение транзистора под током неизбежно приводит к изменению его параметров в процессе измерения.

Указанные недостатки можно  устранять, применив для снятия статических  характеристик транзисторов осциллографический метод, погрешность которого составляет ± (15-20) %, что вполне допустимо на практике.

Поскольку вольт –  амперные характеристики транзисторов определяются тремя параметрами, для  получения изображения характеристики на экране осциллографа один  из параметров должен быть зафиксирован. Тогда, подавая на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины напряжения, пропорциональные двум другим параметрам, плавно изменяющимся по определенному закону со временем, можно получить вольт – амперную характеристику транзистора, соответствующую фиксированному значению первого параметра. Чаще всего в качестве независимого переменного параметра используют однополупериодное синусоидальное напряжение. Например, если необходимо снять выходную статическую характеристику транзистора в схеме с ОЭ при определенном токе базы I_к = f (U_к) при I_б  = const, в цепь базы подают заданный ток (рис. 3.12.), измеряя его миллиамперметром, а к цепи коллектора подключают однополупериодное синусоидальное напряжение, полученное от генератора синусоидальных сигналов и пропущенное через вентиль.

 

 

 

                                                                     

Рис. 3.12. Принципиальная схема для осциллографического снятия выходных характеристик транзисторов в схеме с ОЭ и вид выходных характеристик.

Это изменяющееся по синусоидальному  закону напряжение управляет отклонением луча по горизонтали. По такому же закону изменяется и коллекторный ток, который создает на сопротивлении падение напряжения

U_Rк =I_кR_к, подаваемое на вход «у» осциллографа и управляющее отклонением луча по вертикали. При этом род синхронизации должен быть «внеш.», род работы – «усилитель». Таким образом, если в течение одного полупериода синусоиды каждому мгновенному значению напряжения на коллекторе будет соответствовать определенное мгновенное значение U_у, пропорциональное току коллектора, то отклонение луча по вертикали образует все пробегаемые мгновенные значения I_к, U_к, т.е. электронный луч “начертит” вольт – амперную характеристику. Эту характеристику зарисовывают на форматку, предварительно отградуировав отклонение по “у” – по току и отклонение по “х” – по напряжению. Так как чувствительность осциллографа по оси “у” выше, чем по оси “х”, то наименьшие величины следует подавать на вход “у”, а большие на вход “х”. Напряжение с генератора должно быть такого размера, чтобы амплитудные напряжения синусоиды было несколько меньше максимального напряжения коллектора. В зависимости от полярности снимаемых напряжений и подачи их на входы “х” и “у” соответственно чувствительности последних, вольт – амперные характеристики могут быть повернуты на 90 – 180⁰ относительно принятого расположения оси. Поэтому снятые на форматку характеристик потом следует развернуть так, чтобы с ними было удобно работать далее.

После снятия семейства  характеристик проводят градуировку вертикальной и горизонтальной шкал.

Внимание! При градуировке  ручки “усиление” и “синхронизация”  по входам “у” и “х” не трогать (чтобы не изменить масштаб снятых вольт – амперных характеристик).

Для градуировки вертикальной шкалы по току:

• записать отклонение луча  в мм (показания вольтметра перевести в амплитудные значения U_m);
• полученное отклонение соответствует току, равному .

Для градуировки горизонтальной шкалы по напряжению:

• записать показания вольтметра и соответствующее отклонение луча в мм, предварительно переводя показания вольтметра в амплитудное значение;
• полученное отклонение луча соответствует значению напряжения, равному 2 U_m (развертка луча проводится биполярным синусоидальным сигналом).

Рабочее задание

 

1. Снять осциллографическим  методом семейство статических  выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ I_к =f (U_кэ) при 4-х базовых токах:

• собрать схему, приведенную на рис. 3.12.
• включить источник постоянного тока. Установить определенный ток базы. Получить ВАХ на экране осциллографа. Переснять ее на масштабную форматку, предварительно поместив начало характеристики в левом верхнем углу осциллографа.
• Установить другие значения тока базы и зарисовать последовательно соответствующие ВАХ, помещая начала их в одной точке.

 

 

2. Для снятия входных характеристик удобнее использовать другие схемы, приведенные на рис.2.13. Измерение параметра h_11э, являющегося входным сопротивлением транзистора для малого переменного напряжения, нужно собрать на стенде схему рисунка 2.13. а):

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Рис.2.13. Схема измерения параметров: а) – h_11э и h_21э; б) – h_12э и h_22э

 

Все параметры транзистора  зависят от режима по постоянному  току, поэтому прежде всего для  транзистора в схеме устанавливают  режим работы по постоянному току. Например, параметры маломощных транзисторов часто измеряют при напряжении U_k =5B и токе  I_k =1 мА. Необходимый режим по постоянному току можно установить следующим образом. Возьмем напряжение источника питания U_п = 9В и включим резистор R_к=3кОм, тогда при коллекторном токе I_к=1мА постоянное напряжение U_к относительно земли будет равно примерно 3 – 4 В. Этого добиваются подбором потенциала цепи базы (примерно 0,67В).

Установив нужный режим  по постоянному току, подключают звуковой генератор и подают с его выхода напряжение U₁, не превышающий 30 – 40мВ. Частоту измерения обычно берут равной 1 – 5 кГц. Сопротивление R_бг можно взять равным 1 – 2 кОм. Измеряя U₁ и U₂ электронным милливольтметром переменного тока, определяют  ток через R_бг, который с большой точностью является также и переменным током базы, так как можно пренебречь ответвлением переменного тока в R_б. Очевидно, что h_11э = R_вх=U₂/I_б.

Для измерения параметра h_21э используют ту же схему, но в разрыв между точками А и В включают небольшое сопротивление, например R=100 – 510 Ом. Электронным вольтметром переменного тока измеряют напряжение точки В относительно земли и убеждаются в том, что напряжение точки А относительно земли равно нулю. Зная падение напряжения на включенном сопротивлении, определяют переменную составляющую коллекторного тока и вычисляют h_21э = I_k/I_б.

Для измерения h_22э и h_12э собирают схему, показанную на рис.2.13. б). Установив режим по постоянному току, подключают звуковой генератор. Устанавливают переменное напряжение U₂ = 1-2 В. Измеряя переменные напряжения U₁ и U₂ и зная R_кг, находят переменную составляющую коллекторного тока. Поделив переменную составляющую коллекторного тока на переменное напряжение U₂, получают параметр h_22э=I_k/U₂. Измеряя милливольтметром напряжение U_б, находят h_12э = U_б/U₂.

Отчет

Отчет должен содержать:

1. Исследуемые схемы, рабочие задания и методику измерений.
2. Форматки и графики семейства статических характеристик.
3. Расчеты, указанные в пунктах 5,6,7.
4. Выводы.

Контрольные вопросы

 

1. Какой полярности подаются напряжения на эмиттерный и коллекторный переходы?
2. Что называется явлением инжекции и при каких условиях оно возникает?
3. Объяснить с точки зрения физических процессов передачу тока из эмиттера в коллектор.
4. Чем объясняется обратный ток?
5. Почему транзистор чаще всего характеризуют H-параметрами?
6. Объяснить ход статических характеристик в схемах с ОЭ и ОБ, уметь объяснить разницу.
7. Как выбирается рабочая точка транзистора?
8. Чем отличается нагрузочная прямая от динамической?

Литература

 

1.    В.И.Манаев. Основы радиоэлектроники, Радио и связь, М., 1990,512 с.

2.   В.Н.Ушаков, О.В.Долженко Электроника: от элементов до устройств,                           Радио и связь, М., 1993, 352с.                                           

3. Основы радиоэлектроники. Под редакцией Г.Д.Петрухина, МАИ, М., 1993,    416 с.

4. И.П.Степаненко. Основы микроэлектроники. Лаборатория базовых знаний,  М., 2000, 488с.

5.    А.А.Каяцкас Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М., 1988, 464 с.    6. А.Л.Булычев, П.М.Лямин, Е.С. Тулинов. Электронные приборы, Лайт ЛТД., М., 2000,   415с.

       7.   В.И.Нефедов. Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М., 2000, 399 с.            8. В.И.Лачин, Н.С.Савелов. Электроника. Ростов-на-Дону. «Феникс»,      2009,703с.