Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ И УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

НА ТРАНЗИСТОРАХ

Цель работы: изучение принципа и основных свойств, исследование характеристик и параметров транзисторов и усилительных каскадов на транзисторах.

4.1 Теоретические сведения

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления мощности.

Наиболее распространенными являются биполярные и полевые транзисторы.

Биполярный транзистор представляет собой структуру р-n-р или n-р-n типа, полученную в одном монокристалле полупроводника (рис. 4.1). Внутренняя область, разделяющая р-n-переходы, называется базой. Внешний слой, предназначенный для инжектирования носителей в базу, называется эмиттером, а р-n переход П1, примыкающий к эмиттеру, - эмиттерным. Другой внешний слой, экстрактирующий (вытягивающий) носители из базы, называется коллектором, а р-n переход П2 - коллекторным.

Транзистор - активный элемент, усиливающий мощность электрического сигнала. Это усиление происходит за счет потребления энергии внешних источников питания. Изменяя ток по входной цепи по определенному закону, можно получить в выходной цепи усиленный сигнал той же формы.

В электрическую цепь транзистор включают таким образом, что один из его выводов является входным, второй выходным, а третий - общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Схемы различных усилительных каскадов для транзисторов типа n-р-n приведены на рис. 4.2.

Рисунок 4.1 – Структура и изображение на схемах биполярного транзистора типа р–n–р (а) и типа n–p–n (б)

Для транзисторов р-n-р типа в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направления токов. В усилительном режиме работы транзистора его эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном независимо от схемы включения.

Рисунок 4.2 – Схемы усилительных каскадов с общим эмиттером (а), с общим коллектором (б) м с общей базой (в)

Основными параметрами усилителей являются: коэффициент усиления по току К₁ = DI_ВЫХ/DI_ВХ, коэффициент усиления по напряжению К_U = DU_ВЫХ /DU_ВХ, коэффициент усиления по мощности К_Р = DР_ВЫХ/DР_ВХ, входное сопротивление R_ВХ =DU_ВХ/DI_ВХ, выходное сопротивление R_ВЫХ =

DU_ВЫХ /I_ВЫХ, коэффициент полезного действия - отношение мощности, поступающей в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника питания,

h = Р_Н/Р_П.

Наиболее распространенной является схема с общим эмиттером, имеющая наибольшее усиление мощности. Каждая схема включения характеризуется входными и выходными семействами статических вольт-амперных характеристик (рис. 4.3).

Статические ВАХ снимаются при отсутствии сопротивления нагрузки в выходной цепи. Используя статические вольт-амперные характеристики можно определить приближенные значения h-параметров транзистора. Для определения h-параметров необходимо иметь не менее двух характеристик каждого семейства (входных и выходных).

Рисунок 4.3 - Входные (а) и выходные (б) характеристики транзистора

Параметры рассчитываются по конечным приращениям токов и напряжений вблизи рабочей точки транзистора на линейных участках входных и выходных характеристик. В этом случае для схемы с общим эмиттером справедливы следующие уравнения:

DU_БЭ=h₁₁DI_Б + h₁₂DU_КЭ, (4.1)

DI_К = h₂₁DI_Б + h₂₂DU_КЭ, (4.2)

где h₁₁ = | DU_БЭ / DI_Б | U_КЭ = const - внутреннее сопротивление транзистора;

h₁₂ = | DU_БЭ / DU_КЭ | I_Б = const - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению;

h₂₁ = | DI_К / DI_Б | U_КЭ = const - коэффициент передачи (усиления) по току;

h₂₂ = | DI_К / DU_КЭ| I_Б = const - выходная проводимость транзистора.

Для определения параметров h₁₁ и h₁₂ схемы с общим эмиттером на семействе входных характеристик (рис. 4.1, а) в рабочей точке А строят треугольник АВС (из А проводят прямые, параллельные оси абсцисс и оси ординат до пересечения со второй характеристикой в точках В и С). Из полученного треугольника находим:

h₁₁= |DU_БЭ/DI_Б| = АВ/АС (4.3)

h₁₂=|DU_БЭ/DU_КЭ|= АВ/|U_КЭ2 - U_КЭ1|. (4.4)

В рабочей точке А^/ на выходных характеристиках (рис. 3 б) определяют параметры h₂₁ и h₂₂:

h₂₁ = |DI_К /DI_Б| = А^/D^//(I_Б2 - I_Б1) (4.5)

h₂₂= |DI_К/DU_КЭ| = В^/С^//А^/В^/ (4.6)

При наличии сопротивления в выходной цепи получаем динамический режим работы транзистора. В таком режиме изменения коллекторного тока при Е_К = const и R_Н = const зависят не только от изменения базового тока, но и от изменений напряжения на коллекторе:

U_кэ = Е_к - I_н R_к (4.7)

которое, в свою очередь, определяется изменениями как базового, так и коллекторного токов. То есть в динамике одновременно изменяются все токи и напряжения в транзисторе. Характеристики, определяющие связь между токами и напряжениями транзистора при наличии сопротивления нагрузки, называются динамическими. Они строятся на семействах статических ВАХ при заданных значениях Е_К и R_К. Для построения динамической выходной характеристики схемы с общим эмиттером (рис. 4.4) используется уравнение динамического режима (4.7), которое представляет собой уравнение прямой. Точка пересечения динамической характеристики (нагрузочной прямой) с одной из статических ВАХ называется рабочей точкой транзистора (точка Р). Изменяя I_Б, можно перемещать ее по нагрузочной прямой. Начальное положение этой точки при отсутствии входного переменного сигнала называют точкой покоя - Р_О. Существует три основных режима работы транзистора: активный (линейный, усилительный) I, насыщения II и отсечки III. Область отсечки ограничена сверху ВАХ соответствующей I_Б = - I_КО (оба р-n перехода транзистора закрыты). Область насыщения ограничена справа прямой линией, из которой выходят статические ВАХ (оба р-n перехода транзистора открыты). Активная область лежит между областями насыщения и отсечки (эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт). В активном режиме точка покоя транзистора Р_О находится примерно посредине нагрузочной прямой МN, а рабочая точка не выходит за пределы участка МN. Активный режим используется в усилителях, генераторах и других устройствах обработки непрерывно изменяющихся сигналов. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзисторов и используются в импульсном и цифровых устройствах.

Рисунок 4.4 - Динамические выходные характеристики транзистора,

включенного по схеме с общим эмиттером

4.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает:

- транзистор типа п-р-п КТ808ГМ;

- набор резисторов;

- источники регулируемого напряжения;

- вольтметры и миллиамперметры.

4.3 Порядок выполнения работы

4.3.1 Ознакомиться с оборудованием и приборами.

4.3.2 Собрать электрическую схему (рис. 4.5) для снятия статических вольт-амперных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

4.3.3 Устанавливая указанные в табл. 4.1 значения U_КЭ и изменяя U_БЭ таким образом, чтобы получить заданные значения I_Б, зафиксировать полученные U_БЭ и занести их в табл 4.1.

4.3.4 Устанавливая указанные в табл. 2 значения I_Б и изменяя указанным образом U_КЭ, зафиксировать полученные значения I_К и занести в
табл. 4.2.

4.3.5 По результатам, полученным в табл. 4.1 и табл. 4.2, построить статические входные и выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

4.3.6 Используя формулы (4.3), (4.4), (4.5). (4.6) и графические построения, показанные на рис. 4.3, определить h-параметры транзистора.

4.3.7 Собрать электрическую схему (рис. 4.6) для снятия динамических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

4.3.8 Установить Е_К = 20 и задавая указанные в табл. 4.3 значения I_Б, зафиксировать значения U_КЭ, U_БЭ, U_RК, I_К и занести их в табл. 4.3.

4.3.9 Построить графики зависимостей I_К =¦(I_Б), I_Б = ¦(U_БЭ), U_КЭ=¦(U_БЭ), U_КЭ = ¦(I_К).

Таблица 4.1

Рисунок 4.5 - Схема для снятия статических вольт-амперных

характеристик транзистора

Рисунок 4.6 - Схема снятия динамических характеристик усилительного каскада с общим эмиттером

Рисунок 4.7 - Схема снятия характеристик усилительного каскада

с общим коллектором

Таблица 4.2

4.3.10 Используя графики, построенные согласно пункту 4.3.9, определить коэффициенты усиления по току и напряжению:

К_I = D I_К / DI_Б; К_U = DU_КЭ /DU_Б, (4.8)

а также входные и выходные сопротивления транзистора:

R_ВХ = DU_БЭ / DI_Б; R_ВЫХ = DU_КЭ/ DI_К (4.9)

Приращения токов и напряжений выбирать на линейных участках характеристик

4.3.11 Определить значения параметров усилительного каскада, используя h-параметры транзистора:

К₁ = h₂₁, К_U = h₂₁ R_к / h₁₁(1 + h₂₂R_н); (4.10)

R_вх = Rб h₁₁/ Rб + h₁₁ @ h₁₁, R_вых = R_к (4.11)

Сравнить значения параметров, полученные согласно пунктам 4.3.10 и 4.3.11.

4.3.12 Собрать электрическую схему (рис. 4.7) для снятия динамических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим коллектором.

4.3.13 Установить Е_К = 20 В и задавая указанные в табл. 4 значения U_КЭ, зафиксировать значения U_КЭ, U_ВЫХ, I_Б, I_Э и занести их в табл. 4.4.

4.3.14 Построить графики зависимостей I_Э=¦(I_Б); U_ВЫХ=¦(U_ВХ);

I_Б = ¦(U_ВХ) и U_ВЫХ = ¦(I_Э).

4.3.15 Используя графики, построенные согласно пункту 4.3.14, определить коэффициенты усиления по току и напряжению

К₁ =DI_э/DI_Б, К_U = DU_вых/DU_вх, (4.12)

а также входное и выходное сопротивления усилительного каскада

R_вх = DU_вх/ DI_Б, R_вых = DU _вых/ DI_э (4.13)

Таблица 4.3

Таблица 4.4

4.4 Содержание отчета

4.4.1 Наименование и цель работы.

4.4.2 Электрические схемы снятия динамических характеристик усилительных каскадов с общим эмиттером и общим коллектором (рис. 4.6, 4.7).

4.4.3 Таблицы результатов измерений (табл. 4.3, 4.4).

4.4.4 Графики зависимостей, указанные в пунктах 4.3.9 и 4.3.14.

4.4.5 Расчетные формулы и результаты расчета коэффициентов усиления, входных и выходных сопротивлений.

4.4.6 Выводы по работе.

4.5 Контрольные вопросы

4.5.1 Структура, схемы включения, принцип работы, входные и выходные характеристики биполярных транзисторов.

4.5.2 h-параметры биполярных транзисторов.

4.5.3 Как строится нагрузочная прямая?

4.5.4 Охарактеризовать режимы работы транзистора (усилительный, насыщенния и отсечки).

5 Лабораторная работа №5

ИССЛЕДОВАНИЕ КЛЮЧЕВОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

И ТРАНЗИСТОРНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы: изучение принципа работы, методов расчета и эксперименталь- ного исследования ключей на биполярных транзисторах и транзисторных импульсах регуляторов.

5.1 Теоретические сведения

Ключи на биполярных транзисторах составляют основу большинства импульсных и цифровых схем, с их помощью реализуются широко используемые схемы транзистор-транзисторной логики ТТЛ. Наибольшее распространение получил ключ с общим эмиттером (рис. 5.1), в котором нагрузка R_К включена в цепь коллектора транзистора.

Рисунок 5.1 - Схема транзисторного ключа

В ключевом режиме транзистор находится в двух основных состояниях.

1 Состояние (режим) отсечки (ключ разомкнут). При этом через транзистор протекает минимальный ток I_К = I_КО» 0. Для того, чтобы транзистор находился в состоянии отсечки, необходимо сместить в обратном направлении эмиттерный переход транзистора, т.е. для транзистора n-p-n типа выполнить условие U_БЭ < 0. Это достигается либо при U_ВХ < 0, либо подачей на базу постоянного напряжения смещения Е_СМ, которое обеспечит U_Б < 0 при U_ВХ = 0.

Мощность, теряемая на транзисторном ключе в режиме отсечки Р_К = U_КI_К , очень мала ток как мал ток.

2 Состояние (режим) насыщения (ключ замкнут). В этом режиме оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, т.е. электрическое сопротивление цепи коллектор - эмиттер очень мало (близко к нулю). Ток через транзистор в режиме насыщения определяется резистором R_.К:

I_КН = (Е_К - U_КН)/R_К» Е_К / R_К, (5.1)

так как U_КН» 0.

Режим насыщения достигается при

I_Б = I_БН = I_КН / K_I = I_КН / h_21Э. (5.2)

Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие (5.2) выполнялось при минимальном значении статического коэффициента усиления h_21Э = h_{21Э min} для транзисторов данного типа. При этом входное напряжение должно удовлетворять условию

U_ВХ/R₁ - Е_СМ / R ₂ ³ I_БН g = gI_КН / h_21Эmin (5.3)

где g - степень насыщения (g = 1, 2...2).

Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощность, теряемая на транзисторном ключе Р_К = U_КI_К очень мала, так как мало напряжение U_КЭН. Напряжение U_КЭН приводится в справочниках. Для создания электронных ключей следует выбирать транзисторы с малым U_КЭН < < Е_К.

Ключевые элементы применяются также в импульсных регуляторах напряжения, имеющих высокий КПД. Регулировать среднее значение напряжения на нагрузке можно изменением параметров импульсов. Наибольшее распространение получили широтно-импульсный способ регулирования, при котором амплитуда и период следования импульсов постоянны, а изменяется длительность импульса и паузы, а также частотно-импульсный метод, при котором постоянны амплитуда и длительность импульса, а изменяется период следования импульсов.

Импульсные регуляторы широко применяют как регуляторы и стабилизаторы напряжения, используемые для питания обмоток возбуждения электрических машин, электродвигателей постоянного тока, нагревательных элементов и других устройств и процессов, допускающих питание импульсным напряжением.

Импульсные регуляторы выполняются на тиристорах или транзисторах.

Транзисторный импульсный регулятор напряжения содержит генератор импульсов, параметры которых могут регулироваться вручную или автоматически, а на выходе генератора включен транзистор, работающий в ключевом режиме.

Отношение периода следования импульсов Т к длительности импульса t_И называется скважностью Q_И = Т/t_И. Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения a = 1/Q_И = t_И /Т.

Среднее напряжение на нагрузке

U_Н.СР = aЕ, (5.4)

где Е - напряжение питания выходного транзистора и последовательно включенной нагрузки.

Действующее значение напряжения

U_Н..Д = Ö aЕ. (5.5)

Для активной нагрузки существенно действующее значение напряжения. Для нагрузки типа двигателя постоянного тока и нагрузки, работающей со сглаживающими фильтрами, важно среднее значение напряжения.

Если нагрузка носит индуктивный характер, то она должна шунтироваться диодом, включенным в обратном направлении. Диод защищает выходной транзистор от перенапряжений, возникающих в индуктивности при резком спаде тока в момент запирания транзистора. При этом ток в нагрузке становится непрерывным, протекая то от источника питания Е, когда ключ замкнут, то через шунтирующий диод, когда ключ разомкнут, за счет энергии, запасенной в индуктивности.

При идеальном ключе напряжение на нагрузке имеет форму прямоугольных импульсов, а ток пульсирует, изменяясь по экспоненциальной зависимости с постоянной времени t = L_Н/R_Н.

5.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает:

- транзистор КТ808ГМ;

- набор резисторов;

- источники регулируемого напряжения;

- импульсный регулятор напряжения с широтно-импульсной модуляцией;

- вольтметры и миллиамперметры;

- электронный осциллограф.

5.3 Порядок выполнения работы

5.3.1 Собрать электрическую схему для исследования транзисторного ключа (рис. 5.2).

Рисунок 5.2 - Схема исследования транзисторного ключа

5.3.2 Для заданных R_К = 150 Ом, R₁ = 1500 Ом и Е_К = 25 В. Определить требуемый базовый ток I_БН и U_ВХ._Н, используя формулы (5.1), (5.2), (5.3) и принимая степень насыщения g= 1, 5, а также учитывая, что для транзистора КТ808ГМ h₂₁ = 20...60.

5.3.3 Включить лабораторную установку, установить Е_К = 25 В. Определить I_Б, I_К, U_RK, U_КЭ при U_ВХ = 0 и рассчитать мощности Р_КЭО = I_КО U_КЭО и
Р_{RКО =} I_КО U_RКО.

5.3.4 Установить U_ВХ = U_ВХ.Н и определить I_Б, I_К, U_RК и U_КЭ, а также рассчитать Р_КЭН = I_КН U_КЭН и Р_RКН = I_КН U_RКН.

Таблица 5.1 - Результаты исследования транзисторного ключа

5.3.5 Собрать электрическую схему исследования импульсного регулятора напряжения с широтно-импульсной модуляцией (рис. 5.3).

Рисунок 5.3 - Схема исследования импульсного регулятора

напряжения

5.3.6 Для заданного Ек рассчитать U_Н.СР и U_Н.Д при a = 0, 2; 0, 4; 0, 6; 0, 8, используя формулы (5.4) и (5.5).

5.3.7 Включить лабораторную установку. Задавая указанные выше значения коэффициента заполнения импульсов, измерять значения U_Н.СР. Результаты измерений занести в табл. 5.2.

Таблица 5.2 - Результаты исследований импульсного регулятора напряжения

5.4 Содержание отчета

5.4.1 Наименование и цель работы.

5.4.2 Электрические схемы исследования транзисторного ключа и импульсного регулятора напряжения (рис. 5.2, 5.3).

5.4.3 Результаты измерений и вычислений (табл. 5.1, 5.2).

5.4.4 Расчетные формулы и результаты расчета мощностей Р_КЭ и Р_RK, а также среднего напряжения при импульсном регулировании.

5.5 Контрольные вопросы

5.5.1 Охарактеризовать режим насыщения и режим отсечки биполярного транзистора.

5.5.2 Как определяются входное напряжение и ток базы, обеспечивающие режим насыщения?

5.5.3 Область применения ключевых элементов.

5.5.4 Как строится импульсный регулятор напряжения?

5.5.5 Что такое скважность и коэффициент заполнения импульсов?

5.5.6 Как определяется среднее и действующее напряжение при импульсном регулировании.?

Лабораторная работа №6

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Цель работы: изучение принципа работы, основных параметров и характеристик операционного усилителя, исследование операционного усилителя в качестве масштабного усилителя, сумматора, дифференциатора и интегратора.

1 Теоретические сведения

Операционным усилителем называют дифференциальный усилитель постоянного тока, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

Операционный усилитель, как правило, имеет один выход и два входа: прямой и инверсный. Инверсный вход обозначают знаком инверсии (кружком) или помечают знаком «-». Прямой вход не имеет знака инверсии или его помечают знаком «+». Выходное напряжение находится в фазе с напряжением на прямом входе и противофазно напряжению на инверсном входе. Операционный усилитель, как правило, обладает большим коэффициентом усиления по напряжению (К_u> 2000). Применяют операционные усилители в схемах с отрицательными обратными связями. При этом характер операций, выполняемых над входными сигналами, определяется параметрами элементов, включенных во входной цепи и в цепи обратной связи.

Если во входной цепи и в цепи обратной связи включены активные сопротивления (рис. 6.1, а), то получим масштабный операционный усилитель. При этом

U_вых = - (R₀/R₁)U_вх. (6.1)

Если на вход усилителя подать несколько сигналов (рис. 6.1, б), то напряжение на выходе определится алгебраической суммой входных сигналов с соответствующими масштабными коэффициентами.

U_ВЫХ = -(U_ВХ1 R₀/R₁ + U_ВХ2 R₀/R₂ + U_ВХ3 R₀/R₃). (6.2)

При включении во входной цепи активного сопротивления, а в цепи обратной связи - конденсатора (рис. 6.1, в), получим интегрирующий операционный усилитель:

(6.3)

Если во входной цепи включен конденсатор, а в цепи обратной связи - активное сопротивление (рис. 6.1, г) получим дифференцирующий операционный усилитель:

U_вых=- RdU_вх/dt (6.4)

Рисунок 6.1 - Схемы масштабного (а), суммирующего, (б)

интегрирующего (в) и дифференцирующего (г)

операционного усилителя

6.2 Порядок выполнения работы

6.2.1Собрать схему масштабного операционного усилителя (рис. 6.2, а).

Рисунок 6.2 - Схемы исследования масштабного (а), суммирующего (б),

интегрирующего (в) и дифференцирующего (г)

операционного усилителя

6.2.2 Устанавливая различные значения сопротивлений на входе и в цепи обратной связи, а также, подавая на вход различные напряжения, определить U_ВЫХ. Расчетные значения U_ВЫХ определить по формуле (6.1). Результаты измерений и вычислений занести в табл. 6.1.

Таблица 6.1

6.2.3.Собрать схему суммирующего операционного усилителя (рис.6.2, б).

Устанавливая заданные значения входных напряжений и сопротивлений, определить U_ВЫХ. Расчетные значения U_ВЫХх определить по формуле (6.2). Результаты вычислений и измерений занести в табл. 6.2.

Таблица 6.2

6.2.4. Собрать схему интегрирующего операционного усилителя (рис. 6.2, в).

6.2.5. Устанавливая заданные значения R и C и подавая на вход заданные сигналы, проанализировать выходные сигналы. Результаты исследований представить в виде графиков U_ВЫХ = ¦(t), U_ВХ = ¦(t). Расчетную функцию U_ВЫХ._РАСЧ = ¦(t) определить по формуле 6.3.

6.2.6. Повторить исследования, указанные в пункте (6.2.5), для дифференцирующего операционного усилителя. Расчетную функцию U_{ВЫХ.РАСЧ} = ¦(t) определить по формуле 6.4.

6.3 Содержание отчета

6.3.1 Наименование и цель работы.

6.3.2 Схемы исследования масштабного, суммирующего, интегрирующего и дифференцирующего операционного усилителя (рис. 6.2).

6.3.3 Таблицы результатов исследования масштабного и суммирующего операционного усилителя (табл. 6.1, 6.2).

6.3.4 Расчетные формулы и результаты расчета выходных напряжений при заданных входных для всех исследуемых схем усилителей.

6.3.5 Графики зависимостей U_ВЫХ = ¦(t) и U_ВХ = ¦(t) для интегрирующего и дифференцирующего усилителя на основе экспериментальных и расчетных данных.

6.3.6. Выводы по работе.

6.4 Контрольные вопросы

6.4.1Перечислите основные свойства операционного усилителя.

6.4.2 Как изменяется выходной сигнал при подаче входного на прямой или инверсный вход?

6.4.3 Почему операционные усилители как правило используются в схемах с отрицательными обратными связями?

6.4.4 Охарактеризуйте зависимости между входным и выходным напряжением для масштабного, суммирующего, интегрирующего и дифференцирующего усилителя.

7 Лабораторная работа №7

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЦИФРОВОЙ ЛОГИКИ

Цель работы: ознакомление с функциональными возможностями основных логических элементов и приобретение навыков анализа и синтеза комбинационных цифровых схем.