Исследование транзистора и одиночных однокаскадных усилителей

Лабораторная работа №3

 

Цель работы: ознакомление с принципом работы биполярного транзистора; снятие его статических входных и выходных характеристик; исследование одиночных усилительных каскадов при включении транзистора с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

 

Описание лабораторной установки

На рис. 3.1 представлена схема лабораторного стенда. При помощи тумблеров B1…B16 можно собрать схему для снятия статических характеристик (рис. 3.2), для исследования усилительного каскада с общим эмиттером (рис. 3.3) или усилительного каскада с общим коллектором (рис. 3.4).

 

Рис. 3.1. Схема стенда

 

Исследуемый прибор – биполярный транзистор – питается постоянным напряжением Е_К от источника. Величину Е_К на выходе источника питания можно изменять резистором R_П2. Вольтметр РV позволяет измерить напряжение Е_К. Этот же источник питания служит для подачи через тумблер B12 постоянного «= U_ВХ» или переменного синусоидального (50 Гц) «~ U_ВХ» сигналов на вход исследуемой схемы. Потенциометром R_П1 можно изменять величину «= U_ВХ» или «~ U_ВХ». Положительный зажим источника питания соединен с корпусом. Следовательно, все постоянные напряжения в схеме относительно корпуса отрицательны.

Микроамперметр измеряет постоянный ток Ι_ВХ в цепи базы транзистора при снятии статических характеристик. Для того чтобы этим же прибором постоянного тока можно было измерить величину переменного тока, протекающего во входной цепи транзистора в случае исследования усилительных каскадов ОК и ОЭ, используются диоды VD1…VD4.

 

Задания по выполнению лабораторной работы

1. B схеме с ОЭ (рис. 3.2) снять и построить входные характеристики транзистора I_Б = f(U_Б) при Е_К = const. Напряжение Е_К контролировать с помощью вольтметра и в процессе снятия характеристики поддерживать его неизменным: в 1-м опыте Е_К = 0 В, во 2-м – Е_К = – 5 В, в 3-м – Е_К = -10 В. Произвести по 10 измерений тока базы I_Б и соответствующего ему напряжения U_Б в каждом опыте. Результаты измерений занести в таблицы (табл. 3.1-3.3).

 

Рис. 3.2. Схема для снятия статических характеристик

 

Таблица 3.1. Входные характеристики транзистора при Е_К = 0

IВХ, мкА
UВХ, В

Таблица 3.2. Входные характеристики транзистора при Е_К = – 5 В

IВХ, мкА
UВХ, В

 

Таблица 3.3. Входные характеристики транзистора при Е_К = – 10 В

IВХ, мкА
UВХ, В

 

2. В той же схеме снять и построить выходные характеристики I_К = f(E_К) при I_Б = const. Ток базы I_Б устанавливать равным 0, 10, 20, 40, 60...120 мкА. Выходное напряжение Е_К задавать от нулевого значения до 10 В. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 3.4).

 

Таблица 3.4. Выходные характеристики транзистора

ЕК, В	0,2	0,3	0,5
при IБ1 = 0
IK, мА
при IБ2 = 10 мкА
IK, мА
при IБ3 = 20 мкА
IK, мА
при IБ4 = 40 мкА
IK, мА
при IБ5 = 60 мкА
IK, мА
при IБ6 = 80 мкА
IK, мА
при IБ7 = 100 мкА
IK, мА
при IБ8 = 120 мкА
IK, мА

 

3. В схеме каскада с ОЭ (рис. 3.3) снять и построить амплитудную характеристику каскада, т.е. зависимость выходного напряжения U_ВЫХ от уровня входного напряжения U_ВЫХ = f(U_ВХ) при постоянном сопротивлении нагрузки R_Н. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 3.5).

Установить Е_К, R_К, R_Н согласно табл. 3.6.

Определить величину максимально допустимого входного напряжения, при котором отсутствуют искажения в форме выходного напряжения.

 

Таблица 3.5. Амплитудная характеристика усилителя

UВХ, В
UВЫХ, В

 

 

Таблица 3.6. Исходные данные для исследования схемы

Бригады	1-я	2-я	3-я	4-я
ЕК, B
RК, кОм
RН, кОм	4,3		4,3	5,3

 

Рис. 3.3. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

 

4. В той же схеме (рис. 3.3) определить коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности для различных сопротивлений нагрузки и построить зависимости: К_i = f(R_Н); К_u = f(R_Н); К_Р = f(R_Н).

Значения Е_К и R_К принять, как в п. 3. Входное напряжение поддерживать постоянным на уровне 20 мВ. Измеренные величины выходного напряжения U_ВЫХ и тока I_d занести в таблицу (табл. 3.7). Правила определения коэффициентов усиления К_i, К_u, К_Р показаны в методических указаниях.

 

Таблица 3.7. Коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности

RН, кОм	∞	5,3	4,3
Id, mА
UВЫХ, В
Кi
Кu
КP

5. Определить режим работы каскада ОЭ по постоянному току, т.е. U_бо, U_ко (относительно эмиттера), I_бо. Значения Е_К и R_К установить, как в п. 3.

6. В схеме с ОК (рис. 3.4) установить значения Е_К, R_Э и R_Н согласно табл. 3.8.

 

Таблица 3.8. Исходные данные

Бригады	1-я	2-я	3-я	4-я
ЕК, В RЭ, кОм
		2,1	1,1
RН, кОм	5,3	4,3	4,3

 

Рис. 3.4. Схема усилительного каскада с общим коллектором

 

При максимальном выходном напряжении (видимые искажения формы) замерить U_ВЫХ, I_d и I_ВХ, а также определить коэффициенты К_i, К_u, К_р.

7. В той же схеме снять и построить амплитудную характеристику, т.е. зависимость U_ВЫХ = f(U_ВХ).

Значения R_К, R_Э и R_Н установить, как в п. 6.

8. В схеме каскада с ОК (рис. 3.4) определить зависимость коэффициентов усиления по току, напряжению и мощности от величины нагрузки.

Для создания режима R_Н = ∞ тумблер B16 должен быть отключен. Входное напряжение поддерживать постоянным и равным 0,2 В. Величину Е_К установить как в п. 6; R_Э задается преподавателем.

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы

К пункту 1.

Для сборки схемы (см. рис. 3.2) тумблер B12 установить в положение «= U_вх», тумблеры B1, B3, В4, В6, В9 и B11 замкнуты, тумблеры В2, В5 и В7 разомкнуты. Положение тумблера B14 – безразличное.

Входное напряжение измеряется электронным вольтметром. При снятии входных характеристик за аргумент удобнее принять ток I_ВХ, т.к. его приращения очень резко зависят от изменения напряжения U_ВХ. Но построение характеристик производить, приняв I_ВХ за функцию.

К пункту 2.

Положение тумблеров аналогично п. 1. Изменяя Е_К на уровнях 0; 0,5; 1; 2;...10 В, снять показания миллиамперметра I_К для заданных I_ВХ. Перед каждым измерением необходимо подрегулировать ток базы транзистора.

К пункту 3.

Для сборки схемы с ОЭ тумблер B14 установить в положение «ОЭ», тумблер B12 – в положение «~ U_ВХ», тумблеры B1, В6 разомкнуты, тумблеры B2, В5, В7, В9, B11, B16 замкнуты. Тумблерами ВЗ, В4, В8, В10 выбирается необходимое значение R_К и R_Н. При этом следует учесть, что включенное положение тумблера соответствует закорачиванию резистора.

Входное напряжение U_ВХ задается от сети, имеет частоту 50 Гц. Устанавливать его уровень выше 25 мВ не следует, т.к. есть опасность возникновения искажений из-за смещения выходного сигнала в область нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора.

Постоянство соотношения выходных параметров к входным (т.е. постоянство величины коэффициента усиления) сохраняется до тех пор, пока не возникают нелинейные искажения вследствие среза амплитуды выходного сигнала. Таким образом, максимально допустимая величина входного напряжения U_ВХ определяется по появлению искажений формы выходного напряжения. Форма выходного напряжения контролируется с помощью осциллографа, подключенного к нагрузке.

К пункту 4.

Для вычисления К_i, К_u и К_Р необходимо снять зависимости U_ВЫХ = f(R_Н) и I_ВХ = f(R_Н).

Выставив необходимую величину Е_К потенциометром R_П2

и набрав переключателями ВЗ, В4 требуемое значение R_К, установить с помощью потенциометра R_П1 U_ВХ = 20 мВ. Измерение U_ВХ произвести выносным вольтметром. Затем переключить этот же вольтметр на выход усилителя (параллельно R_Н). При помощи тумблеров В8, В10 изменять R_Н на трех уровнях: 1 кОм; 4,3 кОм; 5,3 кОм. По полученным значениям U_ВЫХ, I_ВХ для каждого уровня R_Н определяются К_i, К_u и К_Р по следующим формулам.

Коэффициент усиления по току

,

где .

Ток Ι_ВХ определяется по величине выпрямленного тока I_d, фиксируемого микроамперметром, по формуле Ι_ВХ = 1,11Ι_d. Остальные коэффициенты определяются по формулам:

К_Р = К_i · К_u;

К_u = .

К пункту 5.

Выносным вольтметром постоянного тока замерить потенциал коллектора U_К относительно корпуса и падение напряжения на резисторах R_б2 и R_э1. Записать значение тока покоя I_КО по показанию миллиамперметра.

Постоянное напряжение покоя на коллекторе (относительно эмиттера) определяется из выражений

U_КO = U_К – U_э1 или U_КO = E_К – Ι_КO(R_К + R_э1).