Методические указания по подготовке к выполнению работы

4.1. Изучите тему «Транзисторы([1] с. 34-52; [2] с. 107-115; [3] с. 102-106.

4.2. При изучении темы необходимо усвоить основные определения, характеристики биполярных транзисторов, схемы включения, а также особенности их конструкции, достоинства и недостатки.

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и тремя электродами. Биполярными транзисторы называют потому, что носителями зарядов у них являются и электроны, и «дырки». Существует два типа структуры биполярных транзисторов: p-n-p (прямой) и n-p-n (обратный), рис. 1.

Транзисторы включаются в схему таким образом, чтобы к переходу эмиттер-база внешнее напряжение было приложено в прямом направлении, а к переходу коллектор-база – в обратном направлении.

Транзисторы способны усиливать электрические сигналы с помощью энергии дополнительного источника питания. Величина усиления описывается коэффициентом усиления по току и коэффициентом передачи тока.

 

Рис.1. Типы структур и условные обозначения биполярных транзисторов на электрических схемах.

Отношение называется коэффициентом усиления транзистора по току, а отношение называется коэффициентом передачи тока. h₂₁ ≈ β и имеет значение от 10 до 800. Коэффициент β чаще применяется для определения режима работы и усиления транзистора на постоянном токе, а h₂₁ – для работы на переменном токе.

Так как для подключения источника усиливаемого сигнала и нагрузки к усилителю требуется четыре вывода, а транзистор имеет всего три, то один из выводов транзистора используется дважды – и во входной цепи, и в выходной. Такой электрод называется общим. Поэтому транзистор, как усиленный элемент может включаться по одной из трех возможных схем, когда общим электродом для входной и выходной цепи могут являться эмиттер, база или коллектор. При работе транзистора в качестве усилителя напряжения предпочтительнее схема с общим эмиттером (ОЭ), представленная на рис.2, с помощью которой можно осуществлять усиление и по току, и по напряжению, и наибольшее (по сравнению с другими схемами включения), усиление по мощности.

Расчет параметров биполярного транзистора (как нелинейного элемента) проводится графоаналитически по входным и выходным характеристикам.

Входная характеристика определяет зависимость тока базы от напряжения на базе при неизменном напряжении на коллекторе (I_Б(U_Б) при U_К=const) рис. 3. Эта характеристика различна для германиевых и кремниевых транзисторов: у кремниевых транзисторов для получения того же значения тока базы напряжение на базе должно быть больше. В связи с тем, что эта характеристика мало зависит от напряжения на коллекторе, ее принято снимать при Uк = 5 вольт.

Рис.2. Схема включения биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

 

Статическая выходная характеристика показывает зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при неизменном значении тока базы, т.е. I_К(U_К) при I_Б=const (рис.4). Эти характеристики снимаются для ряда фиксированных значений токов базы и называются семейством характеристик.

Обе эти характеристики называются статическими, так снимаются в статике – при отсутствии входного переменного напряжения.

Определяя параметры биполярного транзистора, исходят из предположения, что работа транзистора происходит на линейных участках характеристик.

 

Рисунок 3. Семейство входных характеристик транзистора по схеме с ОЭ

Рисунок 4.Семейство выходных характеристик транзистора по схеме с ОЭ

 

Из входной характеристики определяется входное сопротивление транзистора для постоянного и переменного тока – параметры, которые надо знать при расчете усилительного каскада. Например входное сопротивление транзистора по постоянному и переменному току в точке А (рис. 5) составит:

Аналогично, в любой точке выходных характеристик (например, в точке Б) можно определить выходное сопротивление транзистора по переменному току:

Кроме этого, по выходным характеристикам можно определить коэффициенты усиления транзистора по току. Так, для точки В, например:

Рисунок 5. Определение параметров транзистора по его статическим характеристикам.

 

4.3. Подготовьте бланк отчета, в котором отобразите цель работы, принципиальную схему экспериментальной установки (рис. 6), таблицы для занесения результатов измерений (табл.1 и 2).

 

5. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис.6) включает в себя стенд ЭС-4 для исследования полупроводниковых биполярных транзисторов и электронный вольтметр PV1 постоянного тока с пределами измерения 0,5÷1,5В.

 

Рис.6. Принципиальная схема установки для снятия статических входных и выходных характеристик биполярных транзисторов.

 

Схема работает следующим образом. На исследуемый транзистор VT1 от источников постоянного тока Е_Б и Е_К подаются регулируемые напряжения U_Б и U_К. Напряжение U_К контролируется вольтметром PV2, установленным на стенде, а для контроля U_Б используется электронный вольтметр PV1, имеющий малые пределы измерения (0,5÷1 В). Токи в системе контролируются магнитоэлектрическими приборами: I_Б – микроамперметром РА1, I_К – миллиамперметром PA2, установленными на лицевой панели стенда.