Лабораторная работа №4. Снятие характеристик полупроводниковых триодов и определение их параметров

Цель работы: Снять семейство статических характеристик полупроводникового триода, рассчитать его параметры.

Приборы и оборудование

1.Стенд для изучения транзистора.

2.Транзистор.

Теоретические замечания

Транзистором называется полупроводниковый прибор с электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления или генерирования электрических сигналов и имеющий три или более выходов. Транзисторы могут иметь разное число переходов междуобластями с различной электропроводностью. Наиболее распространенные транзисторы с двумя p-n – переходами. Эти транзисторы называют биполярными, т.к. их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. В транзисторе чередуются по типу проводимости три области полупроводника. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы типа р-n-p и n-p-n. Принцип действия обоих типов транзисторов одинаков. На рис.1а схематично показано включение транзистора и условное изображение (рис.1б). На левом эмиттерном переходе создается смещение в прямом направлении, на правом коллекторном p-n – переходе – в обратном. В полупроводнике, находящемся между эмиттерным и коллекторным p-n – переходами, образуется область, которую называют базой. Области по обе стороны от базы называют соответственно эмиттером и коллектором. На схеме, изображенной на рис.1a, постоянное напряжение на эмиттер и коллектор подаются относительно базы, выполняющая роль общей точки.

Рис.2.

Такая схема включения транзистора называется с общей базой (ОБ). В соответствии с тем, какой электрод является общим для входной и выходной цепи, различают три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) рис.2.

Усилительный каскад, собранный по схеме с ОБ имеет лучшие частотные и температурные свойства, меньшие нелинейные искажения, но обладает малым входным сопротивлением (порядка десятков Ом) и большим выходным сопротивлением (порядка сотен кОм). Низкое входное сопротивление каскада с ОБ является его существенным недостатком. В многокаскадных схемах это сопротивление оказывает шунтирующее действие на сопротивление нагрузки предыдущего каскада и резко снижает усиление этого каскада по напряжению и мощности. Поэтому между каскадами, собранными по схеме с ОБ, приходится включать специальные согласующие устройства (например, понижающие трансформаторы), что ограничивает применение данной схемы в усилительных устройствах. Схема с ОБ дает усиление по напряжению в 10 - 20 раз и такого же порядка усиление по мощности, т.к. коэффициент усиления по току α немного меньше единицы.

Входное сопротивление каскада с ОЭ значительно выше, чем входное сопротивление с ОБ и доходит до единиц кОм; выходное сопротивление схемы с ОЭ порядка десятков кОм. Это позволяет во многокаскадном усилителе на транзисторах, включенных по схеме с ОЭ, обойтись без согласующих устройств между каскадами. В схеме с ОЭ большой коэффициент усиления по току, порядка десятков, по напряжению от десятков до сотен, по мощности порядка сотен или тысяч или даже десятков тысяч. Схема с ОЭ широко используется в усилителях и импульсных устройствах, каскад по схеме с ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения.

Схема с ОК обладает большим входным, до десятков кОм, и малым выходным сопротивлением, менее единиц кОм, усилением по напряжению меньше 1 и сравнительно малым коэффициентом усиления по мощности. Коэффициент усиления по току имеет величину порядка десятков. Схема с ОК применяется в качестве согласующего каскада для нагрузки с малым сопротивлением.

Для расчета и анализа схем с полупроводниковыми триодами коэффициентов усиления по току недостаточно, т.к. они характеризуют только свойство транзистора усиливать ток. Транзистор, как элемент электрической цепи, может быть полностью охарактеризован лишь четырьмя параметрами. Параметры широко применяются на практике также для контроля качества транзисторов.

Так как транзистор используется в различных схемах включения, при введении параметров его рассматривают в обобщенном виде как активный, линейный, малосигнальный четырехполюсник, на входе которого действует напряжение U₁ и ток I₁, а на выходе – напряжение U₂ и ток I₂ (рис.3).

Четырехполюсник называется активным, если внутри его есть источники тока или ЭДС. Линейный четырехполюсник состоит только из линейных элементов. Критерием, по которому данную цепь можно считать линейной, является применимость к ней принципа суперпозиции: при одновременном воздействии на электрическую цепь нескольких сигналов выходной сигнал равен сумме откликов на воздействие каждого из входных сигналов в отдельности.

В зависимости от схемы включения транзистора величинам U₁, I₁, U₂, I₂ будут соответствовать те или другие реальные токи и напряжения. Например, для схемы с ОБ U₁ = U_ЭБ, а U₂ = U_КБ.

Метод четырехполюсника не требует знания физических процессов, происходящих в приборе. В нем любое радиотехническое устройство, работа которого характеризуется входными и выходными токами и напряжениями, представляется в виде четырехполюсника (Рис.3).

Метод четырехполюсника дает лишь способ нахождения величин токов и напряжений, измеряемых на внешних зажимах приборов. Транзистор представляется как активный линейный четырехполюсник с короткозамкнутой стороной (один провод общий для входной и выходной пары полюсов).

При наличии функциональной связи между четырьмя переменными , , , возможны 6 вариантов выбора зависимых и независимых переменных. Практическое применение находят три варианта:

Коэффициенты этих уравнений Z_іј, Y_іј, H_іј отражают свойства данного четырехполюсника и образуют три системы малосигнальных параметров: параметры сопротивления Z – параметры, параметры проводимости Y – параметры, и смешанные или гибридные параметры H – параметры в соответствии с их размерностями. При определении этих параметров важнымb являются понятия о режимах холостого хода (Х. Х.) и короткого замыкания (К. 3.) для переменных составляющих токов и напряжений.

Режим Х. Х. транзистора во входной и выходной цепи – это такой режим его работы, при котором в данной цепи отсутствует переменная составляющая тока, т.е. в цепи поддерживается постоянный ток, независящий от изменения тока и напряжения в других цепях.

В режиме К. З. отсутствует переменная составляющая напряжения, т.е. поддерживается постоянное напряжение между соответствующими зажимами транзисторов. При этом напряжение малого сигнала на данных зажимах (U₁ или U₂)равно нулю.

Параметры Z₁₁, Y₁₁, H₁₁ характеризуют входное сопротивление транзистора при том или ином режиме выходной цепи.

при (Х.Х. выходной цепи)

при (К. З. выходной цепи)

Параметры Z₁₂, Y₁₂, H₁₂ характеризуют присущую транзистору внутреннюю обратную связь.

при (Х. Х. входной цепи)

при (К. З. входной цепи)

при (Х. Х. входной цепи)

Параметры Z₂₁, Y₂₁, H₂₁ характеризуют усилительные свойства транзисторов.

при (Х. Х. выходной цепи)

при (К. З. выходной цепи)

при (K. 3. выходной цепи)

Параметры Z₂₂, Y₂₂, H₂₂ характеризуют выходные сопротивления транзистора.

при (Х. Х. входной цепи)

при (К. 3. входной цепи)

при (Х. Х. входной цепи)

Четыре параметра каждой системы полностью описывают свойства транзистора в данном режиме и при необходимости всегда может быть осуществлен однозначный переход от одной системы параметров к другой. Z, Y, H – параметры принимают различные значения при изменении рабочей точки характеристики транзистора. Значение их для транзистора (одного и того же) зависит также от того, какой электрод использован в качестве общего. В связи с этим различают, например, Н или H^Б - параметры для схемы с общей базой, или H ^Э – параметры для схемы с общим эмиттером. Измерить параметры триода следует при определенном режиме по постоянному току, т.к. их величина зависит от режима работы.

На электроды, которые должны быть разомкнуты в процессе измерений по постоянному току, питающие напряжения, подаются через разделительные дроссели, индуктивное сопротивление которых должно быть на применяемой при измерениях частоте в 30-50 раз больше сопротивления цепи триода, где требуется создать режим холостого хода. Для плоскостных триодов, выходное сопротивление которых велико, создать режим холостого хода трудно, поэтому Z – параметры на практике почти не применяются.

Для создания режима короткого замыкания К. 3., входная (или выходная) цепь четырехполюсника шунтируется ёмкостью такой, чтобы её проводимость была в десятки раз больше проводимости входной ωС_ВХ >> Y_ВХ ( или выходной ωС_ВЫХ >> Y_ВЫХ). Режим К. З. трудно осуществить на входе схемы с ОБ, т.к. её проводимость велика (входное сопротивление мало), поэтому ёмкость С_ВХ должна быть очень большой, порядка нескольких тысяч микрофарад.

Недостаток системы Y – параметров – трудность измерения Y₁₂, Y₂₂ связанная с необходимостью создания режима короткого замыкания на входе триода.

Система H – параметров содержит в качестве коэффициентов наиболее важные величины, характеризующие полупроводниковый триод. Достоинство этой системы заключается еще в том, что при измерении параметров не нужны трудно осуществляемые режимы холостого хода на выходе и короткого замыкания на входе.

Для любой из рассмотренных систем уравнений дифференциальные коэффициенты представляют собой комплексные величины. При повышении частоты возникают фазовые сдвиги между токами и напряжениями, действующими в цепях транзистора. При этом параметр распадается на вещественную (активную) и мнимую (реактивную) составляющие.

Например:

Z ₁₁ = r ₁₁ + ј x ₁₁

Y ₁₁ = g ₁₁ + јb ₁₁

Наиболее употребительной для области высоких частот является система Y -параметров, которые применяются на высоких частотах, т.к. необходимые для этого режимы короткого замыкания на входе и на выходе осуществляются без затруднений. Реактивную составляющею каждого Y – параметра обычно представляют в форме ёмкостной проводимости, например:

b₁₁= ωС₁₁, причем каждый Y – параметр записывается в форме:

Y₁₁= g₁₁ +јωС₁₁, Y₁₂= g₁₂ +јωС₁₂ и т.д., где ω – угловая частота.

Однако в диапазоне низких частот, где полупроводниковые триоды находят самое широкое применение, коэффициенты могут быть записаны в виде вещественных величин, т.е. Y₁₁= g₁₁, Y₁₂= g₁₂ и т.д.

Для измерения на низкой частоте наиболее удобными являются H – параметры, т.к. необходимые при этом режим холостого хода низкоомной входной цепи и режим короткого замыкания высокоомной выходной цепи могут быть осуществлены сравнительно просто. Поэтому технические условия на полупроводниковые приборы предусматривают измерение на низкой частоте именно этих параметров.

Если триод работает при больших сигналах, следует пользоваться графическим методом расчета параметров, позволяющим учитывать нелинейность характеристики.

Транзистор характеризуется семейством входных и выходных статических характеристик. На рис.4 приведены статические характеристики для схемы с заземленным основанием, по которым можно определить H - параметры триода.

при

H₁₁ и H₁₂ определяется по семейству входных характеристик. H₂₁ и H₂₂ –по семейству выходных характеристик.

Рис.4

Точность определения Н – параметров по этим характеристикам невелика вследствии тесного расположения входных характеристик дляразличных значений U_К и очень малого угла наклона коллекторных характеристикв схеме с заземленным основанием.

Значительно большую точность можно получить при определении – параметров, используя более круто идущие характеристики для схемы с заземленным эмиттером (рис.5).

, при , при ,

, при , , при

Рис. 5.

Задание 1.

Собрать схему с ОЭ по рис.6. Снять семейство выходных характеристик I_К=I_K(U_K), при I_Б = 1/6, 1/3, 2/3 мА.

Рис.6.

Реостатами и подают на основание ток I_Б и поддерживают его постоянным. U_K изменяют через 1,5 В. Реостатами и ток на коллекторе увеличивают от 0,5 до 30 мА. Показания всех приборов записываются в таблицу 1.

Таблица 1.


U_K

По полученным данным построить семейство выходных характеристик.

Задание 2.

Снять семейство входных характеристик I_Б=I_Б(U_БЭ) при U_К=const, В. Менять U_БЭ через 0,02 В. Показание приборов записать в таблицу 2.