Методичка по 3-5 лаб. Исследование работы параметрического стабилизатора
 Скачать 1.94 Mb.
| Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |
Исследование биполярных транзисторовЦельработы: ознакомление с характеристиками биполярного транзистора, с методиками их определения для различных схем включения, получение навыков практического исследования вольт-амперных характеристик транзистора и определения его параметров.
Биполярнымтранзисторомназывают полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя или более выводами. В зависимости от порядка расположения трех областей в полупроводниковом кристалле различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Их упрощенные структуры и условные обозначения показаны на рис. 10. Центральную область кристалла называют базой(Б), а наружные области – соответственно эмиттером(Э) и коллектором(К). р-n переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а p-n переход между коллектором и базой – коллекторным. Непременное условие нормальной работы биполярного транзистора – малая ширина базы  . Необходимо, чтобы выполнялось условие (диффузионная длина неосновных носителей в базе).а) б) Рис. 10. Структуры и схемное обозначение n-p-n (а) и p-n-p (б) транзисторов Определение. Носители заряда, выходящие из слоя с повышенной концентрацией и входящие в слой с меньшей концентрацией, по мере продвижения рекомбинируют с носителями заряда противоположного знака. Их концентрация уменьшается по экспоненциальному закону, стремясь к равновесной. Расстояние, на котором избыточная концентрация носителей заряда уменьшается в е раз, называют диффузионной длиной L (соответственно – для электронов и – для дырок). Иными словами, это среднее расстояние, на которое носитель заряда может переместиться за время своей жизни.Отсутствие накала, малые габаритные размеры, стоимость, высокая надежность – таковы преимущества, благодаря которым транзистор вытеснил из большинства областей электронные лампы. На каждый p-n переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Различают четыре режима работы биполярного транзистора: - режимотсечки– на оба перехода поданы обратные напряжения; - режимнасыщения– на оба перехода поданы прямые напряжения; - нормальныйактивныйрежим– на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное; - инверсныйактивныйрежим– на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный – прямое. Врежимеотсечки через оба перехода проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению. Это позволяет в первом приближении считать, что между всеми выводами транзистора будет обрыв, а токи в его внешних цепях равны нулю. Врежименасыщения через оба перехода проходит большой прямой ток, что эквивалентно малому сопротивлению. Поэтому можно считать, что в этом режиме между всеми выводами транзистора будет короткое замыкание. Иными словами, транзистор «стягивается в точку», а токи, проходящие через него, будут определяться только сопротивлениями элементов, включенных во внешние цепи транзистора. Более сложная картина наблюдается при работе транзистора в активномрежиме. В этом случае источник питания подключен к эмиттерному переходу в прямом направлении и через эмиттерный переход проходит достаточно большой прямой ток (рис. 11). Рис. 11. Процессы в биполярном транзисторе в нормальном активном режиме работы При этом из эмиттера в базу инжектируются электроны, а из базы в эмиттер – дырки. Однако в связи с тем, что эмиттер легирован значительно сильнее базы, поток электронов будет намного больше потока дырок. За счет инжекции электронов в базу, а также инжекции дырок из базы в эмиттер формируется ток эмиттера  . Инжектированные электроны проходят базу, а так как толщина базы мала, большинство электронов не успевает рекомбинировать в ней и почти все они достигают коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода электроны попадают под действие электрического поля этого обратносмещенного перехода (источник питания подключен минусом к базе) и втягиваются этим полем в коллектор. В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток коллектора . За время прохождения базы часть электронов все-таки рекомбинирует в области базы и вызывает соответствующий ток базы .Между всеми токами биполярного транзистора существует очевидное соотношение: (15)Различают три схемывключения биполярного транзистора: собщейбазой(ОБ), собщимэмиттером(ОЭ) и собщимколлектором(ОК). На рис. 12 показаны схемы включения транзистора. Основные особенности этих схем отмечены в табл. 3. ОК Рис. 12. Схемы включения транзистора Основной параметр биполярного транзистора – коэффициент усиления по току. Для схемыОБкоэффициент усиления по току обозначается буквой и определяется для нормально включенного транзистора как. (16)Поскольку , то . Для современных транзисторов . Таким образом, схема ОБ не обеспечивает усиление тока. Однако транзистор с ОБ позволяет получить высокое усиление сигнала по напряжению. В цепи коллектора вследствие большого сопротивления обратносмещенного коллекторного перехода (rК>>rЭ) может быть включено достаточно большое сопротивление нагрузки rН>>rЭ. В таком случае изменения напряжения на нагрузке UН могут значительно превышать изменения входного напряжения (на эмиттере) UЭ:, (17)где IЭ, IК– изменения входного (эмиттерного) и выходного (коллекторного) токов. Наибольшее применение получила схемасОЭ, т. к. обеспечивает наибольшее усиление по току, напряжению и мощности. Коэффициент усиления по току биполярного транзистора для схемы ОЭ определяется как . (18)Используя соотношение (1), нетрудно получить связь между и в следующем виде: (19)Коэффициент усиления по току биполярного транзистора для схемы ОЭ составляет . Таким образом, транзистор, включенный по схеме ОЭ, – хороший усилитель тока. Кроме того, схема ОЭ, как и схема ОБ, позволяет получить высокое усиление сигнала по напряжению вследствие большого сопротивления обратносмещенного коллекторного перехода. Значительное усиление транзистора, включенного по схеме с ОЭ, по току и напряжению позволяет получить значительное усиление по мощности.СхемасОК имеет наибольшее входное сопротивление и используется для согласования каскадов в радиотехнических схемах. В схеме с общим коллектором ОК коэффициент усиления меньше 1. Казалось бы, такое устройство не очень востребовано, но тот факт, что у схемы с ОЭ плохие параметры именно из-за того, что у ОЭ низкое входное сопротивление и высокое выходное, не получается использовать несколько схем с ОЭ, т. к. каждая следующая схема будет закорачивать выходной сигнал предыдущей. Если же между схемами с ОЭ использовать схемы с ОК, то высокое выходное сопротивление ОЭ согласуется с очень высоким входным сопротивлением схемы ОК, а низкое выходное сопротивление схемы ОК согласуется с низким входным сопротивлением следующей схемы ОЭ. Это происходит потому, что при единичном усилении по напряжению схема с ОК имеет довольно большой коэффициент усиления по току (примерно ). Часто такие схемы называются эмиттерными повторителями.Основные особенности схем ОБ, ОЭ, ОК отмечены в табл. 3. Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются его вольт-амперными характеристиками (ВАХ). Однако, прежде чем рассматривать их, необходимо заметить следующее. Во-первых, биполярный транзистор – «токовый» прибор, т. к. основные процессы, протекающие в таком транзисторе, определяются его входным током. Поэтому кроме выходных ВАХ для него важны также и входные ВАХ. А в связи с тем, что входные и выходные токи и напряжения транзистора достаточно сильно связаны друг с другом, для полной характеристики транзистора нужно иметь не отдельные характеристики, а семейства ВАХ: входных и выходных. Конечно, при любой схеме включения физические процессы в транзисторе не меняются, но существенно изменяются входные и выходные величины, что и приводит к соответствующим изменениям в семействах ВАХ транзистора. Таблица 3 Основные параметры биполярного транзистора при включении по схемам с ОБ, ОЭ, ОК
напряжения10...100010...1000<1Коэффициент усиления по мощности100...1000103... 10410..100Входное сопротивление, Ом10...100>100>104Выходное сопротивление, Ом>100>1010..100 1.1. Статические характеристики транзистора В схемесОБ (рис. 13) входным током транзистора является ток эмиттера, входным напряжением – напряжение между эмиттером и базой, а входными ВАХ – семейство при (рис. 13). Рис. 13. Семейство входных ВАХ транзистора с ОБ Выбор напряжения в качестве параметра этого семейства ВАХ связан с тем, что в активном режиме на коллекторный переход подается обратное напряжение, а в этом случае, при изменении напряжения в достаточно большом диапазоне, ток через переход меняется очень незначительно.Входная характеристика транзистора при напряжении UКБ= 0 подобна ветви ВАХ p-n-перехода. Однако, при увеличении рабочего напряжения на коллекторе UКБ ВАХ смещается влево вверх из-за влияния эффекта Эрли: при увеличении обратного напряжения на коллекторном р-n переходе он расширяется в сторону базы, при этом ширина базы уменьшается. Уменьшение ширины базы приводит к тому, что большее число неосновных носителей проходит базу, не рекомбинируя в ней, следовательно, большее их число попадает в коллектор, вызывая рост тока коллектора, который, в свою очередь, вызывает рост тока эмиттера. При уменьшении рабочего напряжения ширина базы увеличивается, ток уменьшается, а кривые сдвигаются вправо, вниз. Выходным напряжением транзистора в схеме с ОБ является напряжение между коллектором и базой, выходным током – ток коллектора, а выходнымиВАХ – семейство при (рис. 14). Рис. 14. Семейство выходных ВАХ транзистора с общей базой Здесь в качестве параметра семейства выходных ВАХ уже выбирают ток, т. к. при прямом напряжении на эмиттерном переходе при изменении тока в достаточно большом диапазоне напряжение меняется незначительно. На семействе выходных характеристик выделяют три характерные области (см. рис. 14), соответствующие следующим режимам работы транзистора: активному (первый квадрант), насыщения (второй квадрант). Выходная характеристика транзистора при токе эмиттера, равном нулю, сходна с ВАХ одиночного p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. С увеличением рабочего напряжения на коллекторе ток коллектора растет (из-за влияния эффекта Эрли). Величину наклона кривых IК(UКБ) характеризуют коллекторным сопротивлением.При больших обратных напряжениях на коллекторном переходе ток коллектора резко возрастает за счет лавинного умножения носителей заряда в области пространственного заряда коллекторного p-nперехода. При напряжении UКБпр наступает пробой, ограничивающий диапазон рабочих напряжений коллектора. Семейство входных ВАХ транзистора с ОЭ (рис. 15) представляет собой зависимость IБ( UБЭ ), причем параметром семейства является напряжение UКЭ. Входная характеристика при коллекторном напряжении UКЭ =0 проходит через начало координат и отличается от ВАХ одиночного p n перехода масштабом оси токов, поскольку базовый ток меньше тока через переход IЭ. Рис. 15. Семейство входных ВАХ транзистора в схеме с общим эмиттером При увеличении выходного обратного напряжения UКЭ характеристики смещаются вниз. Увеличение напряжения UКЭ сопровождается уменьшением ширины базы и, следовательно, уменьшением общего количества дырок, находящихся в базе. Поэтому число рекомбинаций электронов и дырок в базе в единицу времени уменьшится. Так как электроны для рекомбинации проходят через базовый вывод, то ток базы тоже должен уменьшиться (см. рис. 15). Семейство выходных ВАХ транзистора с ОЭ представляет собой зависимость IК( UКЭ) с параметром IБ(рис. 16). Сравнивая выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и общей базой, можно заметить две наиболее существенные особенности: во-первых, характеристики в схеме с общим эмиттером имеют больший наклон, свидетельствующий об уменьшении выходного сопротивления транзистора и, во-вторых, они полностью расположены в первом квадранте. Рис. 16. Семейство выходных ВАХ транзистора в схеме с общим эмиттером Причина понижения выходного сопротивления транзистора с ОЭ заключается в наличии положительной обратной связи. При приложении к коллектору отрицательного напряженияUКЭ оно распределяется между коллекторным и эмиттерным переходами. В результате эмиттерный переход оказывается дополнительно смещенным в прямом направлении, что и обусловливает увеличение выходного (коллекторного) тока. Чем выше отрицательное напряжение на коллекторе, тем выше прямое напряжение на эмиттерном переходе и заметнее открывается транзистор. Больший наклон характеристик в схеме ОЭ связан с тем, что малые изменения коэффициента под действием изменения напряжения на коллекторном переходе дают значительные изменения коэффициента (увеличениенапряжения UКЭсопровождаетсяуменьшениемшириныбазыи, следовательно, уменьшениемобщегоколичествадырок, находящихсявбазе, уменьшениемчисларекомбинацийэлектроновидыроквбазевединицувремени, уменьшениемтокабазы–токколлектораувеличивается, атокбазыуменьшается):, .Остановимся на других параметрах биполярного транзистора – сопротивлениях его переходов. Поскольку эмиттерный переход смещен в прямом направлении, его дифференциальное сопротивление можно выразить как . (20)Поскольку коллекторный переход в транзисторе смещен в обратном направлении, ток слабо зависит от напряжения . Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:. (21)Сопротивление в основном обусловлено влиянием эффекта Эрли. Оно обычно уменьшается с ростом рабочих токов.2. ЗАДАНИЯ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Задание 1. Исследование статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью амперметра-вольтметра) 1. Снять семейство входных ВАХ транзистора – . Для этого собрать схему (рис. 17). Выбор марки исследуемого транзистора осуществить в соответствии с вариантом табл. 4. Все измерительные приборы поставить в режим измерения постоянного тока (режим DC).Примечание: подключенияисточниковтокаинапряженияосуществлятьвсоответствиистипомтранзистора. Рис. 17. Схема снятия входных ВАХ транзистора с ОБ 2. Изменяя ток эмиттера и регистрируя его величину амперметром А1, измерять напряжение  . Данные занести в табл. 5. Данные снимаются при трех фиксированных значениях напряжения : В, и среднем между ними значении. Примечание: пределыизменениятокаэмиттера инапряжения определяютсяпредельно-допустимымипараметрамиработытранзистора (см. табл. 4), превышениекоторыхвусловияхэксплуатациинедопускаетсянезависимоотдлительностиимпульсовнапряженияилитока. Дажекратковременноепревышениепредельнодопустимыхрежимовможетпривестикпробоюp-nперехода, сгораниювнутреннихвыводовивыходуприбораизстроя.3. По результатам измерений построить графики. Таблица 4 Исходные данные № п/п Марка транзистора Тип Предельные эксплуатационные данные 1KT315A n-p-n25 В–6 В100 мА––2KT630An-p-n120 В120 В7 В1 А0.2 А–3KT819An-p-n25 В–5 В10 А3 А–4КТ208Кp-n-p45 В45 В20 В150 мА––5КТ3107Аp-n-p45 В50 В5 В100 мА50 мА–6KT3102An-p-n50 В50 В5 В100 мА––7KT315Vn-p-n40 В–6 В100 мА––8KT630Bn-p-n120 В120 В7 В1А0.2 А–9KT819Bn-p-n40 В–5 В10 А3 А–10КТ3107Vp-n-p25 В30 В5 В100 мА50 мА–11KT399Аn-p-n15 В15 В3 В20 мА20 мА12КТ3102Vn-p-n30 В30 В5 В100 мА––13KT315Bn-p-n20 В–6 В100 мА––14KT630Dn-p-n60 В60 В7 В1 А0.2 А–15KT819Vn-p-n60 В–5 В10 А3 А–16КТ3107Bp-n-p45 В50 В5 В100 мА50 мА–17КТ363Аp-n-p15 В15 В4 В30 мА––18КТ3102Gn-p-n20 В20 В5 В100 мА––19KT315Gn-p-n35 В–6 В100 мА––20KT630En-p-n60 В60 В7 В1 А0.2 А–21KT3107Ep-n-p20 В25 В5 В100 мА50 мА–22КТ3107Ip-n-p45 В50 В5 В100 мА50 мА–23KT315Dn-p-n40 В–6 В100 мА––24KT630Gn-p-n100 В100 В7 В1 А0.2 А–25КТ635Bn-p-n60 В60 В5 В1 А––26KT3107Dp-n-p25 В30 В5 В100 мА50 мА–27KT315E n-p-n35 В–6 В100 мА––28KT630Vn-p-n150 В150 В7 В1 А0.2 А–29KT815G n-p-n100 В–5 В1.5 А0.5 А–30KT3102Bn-p-n50 В50 В5 В100 мА––31KT3107Gp-n-p25 В30 В5 В100 мА50 мА–32KT315I n-p-n60 В–6 В50 мА––Пример. Снять семейство входных ВАХ транзистора. Предельно допустимые параметры транзистора: , , . В табл. 5 приведены входные ВАХ транзистора с ОБ, снятые при , , . Таблица 5 Входные ВАХ транзистора с ОБ 00-5.45 В-4.95 В2 мА665 мВ659 мВ663 мВ5 мА695 мВ687 мВ691 мВ10 мА721 мВ711 мВ715 мВ20 мА754 мВ741 мВ747 мВ30 мА780 мВ765 мВ771 В40 мА803 мВ785 мВ793 В50 мА826 мВ804 мВ813 В60 мА850 мВ823 мВ833 В70 мА870 мВ841 мВ852 В80 мА890 мВ858 мВ871 В90 мА911 мВ876 мВ890 В100 мА933 мВ893 мВ909 В120 мА975 мВ929 мВ947 В150 мА1.040 В––170 мА1.082 В––На рис. 18 представлены графики входных ВАХ исследуемого транзистора, снятые при , , .4. С использованием ранее собранной схемы (см. рис. 17) снять семейство выходных ВАХ транзистора – . Данные занести в табл. 6. Начальноезначениенапряжения должнобытьвыбранонебольшимиотрицательным. Пределыизменениятокаэмиттера инапряжения определяютсяпредельнодопустимымипараметрамиработытранзистора.5. По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.  , Рис. 18. Графики входных ВАХ транзистора с ОБ Пример. Снять семейство выходных ВАХ транзистора. Предельно допустимые параметры транзистора: , , . В табл. 6 приведены выходные ВАХ транзистора с ОБ, снятые при , , . Таблица 6 Выходные ВАХ транзистора с ОБ -0.7 В- 4.29 мА- 2.681 мА-282 мкА0 В01.448 мА3.658 мА2 В3.15 мкА1.469 мА3.707 мА 4 В6.15 мкА1.488 мА3.753 мА6 В9.15 мкА1.507 мА3.796 мА8 В12.15 мкА1.524 мА3.837 мАОкончание табл. 610 В15.15 мкА1.540 мА3.875 мА12 В18.15 мкА1.556 мА3.911 мА14 В–1.570 мА3.945 мА16 В–1.584 мА3.977 мА18 В–1.597 мА4.007 мА19 В–1.604 мА4.022 мАНа рис. 19 представлены графики выходных ВАХ исследуемого транзистора, снятые при , , .  Рис. 19. Графики выходных ВАХ транзистора с ОБ Примечание: на графиках не показана область электрического пробоя транзистора. Задание 2. Исследование статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОЭ (с помощью амперметра-вольтметра) 1. Снять семейство входных ВАХ транзистора с ОЭ – . Собрать схему, представленную на рис. 20. Данные занести в табл. 7. По результатам измерений построить графики.Рис. 20. Схема снятия входных ВАХ транзистора с ОЭ Пример. Снять семейство входных ВАХ транзистора с ОЭ. Предельно допустимые параметры транзистора:  , , . В табл. 7 приведены входные ВАХ транзистора с ОЭ, снятые при , , . Таблица 7 Входные ВАХ транзистора с ОЭ 0024.71 мВ45.21 мВ2 мА670.2 мВ707.3 мВ710.6 мВ5 мА704.2 мВ745 мВ750.1 мВ10 мА738.2 мВ784 мВ792.5 мВ20 мА787.7 мВ840.7 мВ856.7 мВ30 мА829.7 мВ887.2 мВ911.5 мВ40 мА868.7 мВ929.2 мВ962 мВ50 мА905.9 мВ968.5 мВ–60 мА942.1 мВ1.006 В–70 мА977.5 мВ1.043 В–Окончание табл. 780 мА1.012 В1.079 В–90 мА1.047 В1.114 В–100 мА1.081 В1.148 В–110 мА1.115 В1.183 В–120 мА1.149 В1.217 В–130 мА1.182 В1.251 В–На рис. 21 представлены графики входных ВАХ исследуемого транзистора, снятые при , , . , Рис. 21. Графики входных ВАХ транзистора с ОЭ 2. Снять семейство выходных ВАХ транзистора с ОЭ – . Данные занести в таблицу, аналогичную табл. 8.Таблица 8 Выходные ВАХ транзистора с ОЭ 0 В0-3.696 мА-7.393 мА-14.73 мА2 В2.1 мкА13.39 мА24.64 мА43.2 мА 4 В4.1 мкА14.05 мА25.83 мА45.3 мА6 В6.1 мкА14.7 мА27.03 мА47.39 мА8 В8.1 мкА15.35 мА28.22 мА49.49 мА10 В10.1 мкА16 мА29.42 мА51.59 мА12 В12.1 мкА16.65 мА30.62 мА53.69 мА14 В14.1 мкА17.3 мА31.81 мА55.78 мА16 В16.1 мкА17.95 мА33.01 мА57.88 мА18 В18.1 мкА18.6 мА34.2 мА59.98 мА19 В19.1 мкА18.93 мА34.8 мА61.03 мАНа рис. 22 представлены графики выходных ВАХ исследуемого транзистора, снятые при , , , . Рис. 22. Графики выходных ВАХ транзистора с ОЭ Задание 3. Исследование статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОК (с помощью амперметра-вольтметра) 1. Снять семейство входных ВАХ транзистора с ОК. По результатам измерений построить графики. 2. Снять семейство выходных ВАХ транзистора с ОК. По результатам измерений построить графики. Лабораторная работа № 5 | Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |
