Multisim

БИПОЛЯРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Лабораторная работа

БИПОЛЯРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Снятие и анализ входных и выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером и определение по ним его h-па¬раметров; исследование выходных характеристик полевого транзистора в схеме с общим истоком и построение его стоко-затворной характеристики.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУ-ЛЫ

Транзистор – это полупроводниковый прибор, предназначенный для уси¬ления, генерирования и преобразования электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десяти гигагерц) и мощ-ности (от десятков милливатт до сотен ватт).

Различают биполярные транзисторы, в которых используются кристаллы n- и p-типа, и полевые (униполярные) транзисторы, изготовлен-ные на кристалле германия или кремния с одним типом проводимости.

1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярные транзисторы – это полупроводниковые приборы, вы-полненные на кристаллах со структурой p-n-p-типа (а) или n-p-n-типа (б) с тремя выводами, связанными с тремя слоями (областями): коллектор (К), база (Б) и эмиттер (Э) (рис. 23.1, а и б). Ток в таком транзисторе определя-ется движением зарядов двух типов: электронов и дырок. Отсюда его назва-ние – биполярный транзистор.

Физические процессы в транзисторах p-n-p-типа и n-p-n-типа оди-наковы. Отличие их в том, что токи в базах транзисторов p-n-p-типа перено-сятся основными носителями зарядов – дырками, а в транзисторах n-p-n-типа – электронами. Каждый из переходов транзистора – эмиттерный (Б-Э) и коллекторный (Б-К) можно включить либо в прямом, либо в обратном на-правлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзи-стора:

' режим отсечки – оба p-n-перехода закрыты, при этом через транзистор протекает сравнительно небольшой ток , обусловленный не-осно¬в¬ными носителями зарядов;

' режим насыщения – оба p-n-перехода открыты;

' активный (усилительный) режим – один из p-n-переходов от-крыт, а другой закрыт.

В режимах отсечки и насыщения управление транзистором прак-тически отсутствует. В активном режиме транзистор выполняет функцию активного элемента электрических схем усиления сигналов, генерирования колебаний, переключения и т. п.

Подав отрицательный потенциал ЭДС источника на коллектор и положительный на эмиттер (рис. 23.1, в) в схеме включения транзистора п-р-п-типа с общим эмиттером (с ОЭ), мы, тем самым, открыли эмиттерный переход Э-Б и закрыли коллекторный Б-К, при этом ток коллектора мал, он определяется концентрацией неосновных носителей (элек¬тронов в данном случае) в коллекторе и базе.

Если между эмиттером и базой приложить небольшое напряжение (0,3…0,5 В) в прямом направлении p-n-пе¬рехода Э-Б, то происходит ин¬же¬кция дырок из эмиттера в базу, образуя ток эмиттера . В базе дырки час-тично рекомбинируют со свободными электронами, но одновременно от внешнего источни¬ка напряжения (ЕБ < ЕК) в базу приходят новые электро-ны, образуя ток базы .

Так как база в транзисторе выполняется в виде тонкого слоя, то только незначительная часть дырок рекомбинирует с электронами базы, а основная их часть достигает коллекторного перехода. Эти ды¬рки захваты-ваются электрическим полем коллекторного перехода, являющегося уско-ряющим для дырок. Ток дырок, попавших из эмиттера в коллектор, замыка-ется через резистор и источник напряжения с ЭДС образуя ток кол-лектора во внешней цепи.

Токи транзистора в схеме включения с ОЭ (см. рис. 23,1, в), рабо-тающего в активном режиме, связаны уравнением

.

Отношение тока коллектора к току эмиттера называют коэффици-ентом передачи тока

,

откуда ток базы

где IK0 = 0,1…10 мкА у кремниевых и IK0 = 10…100 мкА у герма-ниевых транзисторов

Схема включения транзистора с ОЭ является наиболее распро-страненной вследствие малого тока базы во входной цепи и усиления вход-ного сигнала как по напряжению, так и по току.

Транзистор может работать на постоянном токе, малом перемен-ном сиг¬нале, большом переменном сигнале и в ключевом (импульсном) ре-жиме.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга. На рис. 23.2 представлены семейства входных (а) и вы¬¬ходных (б) статических характеристик транзистора в схеме с ОЭ. Они могут быть получены в результате эксперимента или рас-чёта.

Семейства характеристик, которые связывают напряжения и токи на выходе с токами и напряжениями на входе, называют характеристиками передачи или управляющими характеристиками. В качестве примера на рис. 23.2, в приведена управляющая характеристика по току транзистора (коэффициент передачи тока) при напряжении , т. е.

.

Входные и выходные характеристики транзистора обычно приво-дятся в справочниках (каталогах) транзисторов, которые широко использу-ют для анализа работы транзисторов и для расчета схем при больших сигна-лах.

В режиме усиления малых сигналов транзистор в схеме с ОЭ часто представляют в виде линейного четырехполюсника, входные и выходные параметры которого связаны следующими уравнениями:

;

где ( ) ' входное динамическое сопро-тивление транзистора (h11Э=100…1000 Ом); ( ) ' безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по напряжению, значение которого лежит в пределах 0,002…0,0002 (при расчётах им часто пренебрегают, т. е. полагают рав¬ным нулю); ( ) ' коэффициент передачи (усиления) тока при постоянном напряжении на кол-лекторе; его также обозначают или ;

( ) ' выходная проводимость транзисто-ра при постоянном токе базы (h22Э = См).

Параметры схемы замещения транзистора с ОЭ в h-форме опреде-ляют по его входным и выходным характеристикам (см. рис. 23,2).

2. ВОЛЬТМЕТР

Вольтметр — измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключа-ется параллельно нагрузке или источнику электрической энергии.

Идеальный вольтметр должен обладать бесконечным внутрен-ним сопротивлением. В реальном вольтметре, чем выше внутреннее со-противление, тем меньше влияния прибор будет оказывать на измеряемый объект и, следовательно, тем выше будет точность и разнообразнее облас-ти применения.

3. АМПЕРМЕТР

Амперметр — прибор для измерения силы тока в амперах. Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или ки-лоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электриче-скую цепь амперметр включается последовательно с тем участком элек-трической цепи, силу тока в котором измеряют. Поэтому, чем ниже внут-реннее сопротивление амперметра (в идеале — 0), тем меньше будет влия-ние прибора на исследуемый объект, и тем выше будет точность измере-ния.

Для увеличения предела измерений амперметр снабжается шунтом (для цепей постоянного и переменного тока), трансформатором тока (только для цепей переменного тока) или магнитным усилителем (для цепей постоянного тока). Комплектное устройство из токоизмерительной головки и трансформатора тока специальной конструкции называется «токоизмерительные клещи».

4. ПОТЕНЦИОМЕТР

Потенциометр — прибор для определения ЭДС и напряжений компенсационным методом. Выявляет земные токи. Примером потенцио-метра в быту может быть датчик положения дроссельной заслонки.

ЗАДАНИЯ

Задание 1. Запустить лабораторный комплекс Labworks и среду МS10 (щёлкнув мышью на команде Эксперимент меню комплекса Labworks). На рабочем поле среды MS10 собрать схему для снятия ВАХ би-полярных транзисторов с общим эмиттером (ОЭ) и полевых транзисторов с общим истоком (ОИ) (рис. 23.10, а) или открыть файл 23.10.ms10, разме-щённый в папке Circuit Design Suit 10.0 среды МS10.

В схему включить следующие компоненты

' источники Е1 и Е2 постоянного напряжения, к одному из с по-мощью переключателя А подключается коллектор биполярного или сток полевого транзистора. Выбор источника питания зависит от знака полярно-сти коллектора (стока) соответствующего транзистора (см. рис. 23.10, б);

' источники Е3 и Е4 постоянного напряжения для включения с помощью переключателя В одного из них в цепь базы (затвора) соответст-вующего транзистора;

' два потенциометра R1 и R2 для задания токов в цепях транзи-сторов;

' два амперметра А1 и А2 и два вольтметра V1 и V2 для измере-ния токов и напряжений на электродах исследуемого транзистора.

Основные параметры транзисторов, предлагаемых для испытания в работе, даны в табл. 23.2. Выбираем тип транзистора 2N2222A.

Приведенные марки транзисторов могут быть заменены на другие после двойного щелчка мышью на соответствующем изображении прибора на рабочем поле среды MS10 и на Replace Components.

Таблица 23.2 Номер

записи

фамилии

N'Тип тран-зистора'UK.max (UC.max), В'IK.max (IC.max),

A'h21Э'S,

мА/B'UЗО(UЗ.пор), В'f max, МГц'PK(PС),

Вт Нечётн.'2N2222A'10'0,077'30…300 '300'1,5 Чётные'2N3906'40'0,2'30…300 '250'0,625 Чётные'J211'25'0,02 '-3,56 '0,4 Нечётн.'2N4381'-25'0,012 '1,8 Нечётн.'IRFL9014'-60'-1,8 '1300'-3,88 '3,1 Чётные'IRF710'400'1,1 '1000'3,8 '36

Задание 2. Снять и построить (по точкам) входных IБ(UБ) при UКЭ = const и выходных IК(UК) при IБ = const ВАХ соответствующего биполярного транзи-стора (см. табл. 23.2).

Для этого:

' заменяем транзистор в схеме испытания на рекомендованный тип;

' в соответствии со знаком полярности коллектора (стока) и базы (за твора) исследуемого транзистора выбираем источники напряжения, за-даем их ЭДС и установливаем переключатели А и В в соответствующие по-ложения;

' изменяя сопротивления потенциометров R1 и R2 и, при необхо-димости, ЭДС источников Е1…Е4, заносим показания приборов в табл. 23.3 и в табл. 23.4;

Таблица 23.3 Ток базы IБ, мкА'50'100'200'300'400'500 Напряжение UБЭ, В при

UКЭ, В'0'0.540'0.562'0.586'0.599'0.609'0.616 '5'0.685'0.711'0.733'0.749'0.760'0.768 Таблица 23.4 Напряжение UКЭ, В '0,1'0,5'1'5'8'12

Ток коллекто-ра IК, мА при IБ, мкА '50'1,223'0,010'0,010'0,011'0,011'0,011 '100'2,876'0,020'0,020'0,021'0,021'0,022 '200'6,836'0,039'0,039'0,042'0,042'0,043 '300'0,010'0,056'0,057'0,062'0,061'0,063 '400'0,014'0,074'0,074'0,077'0,079'0,082 '500'0,017'0,088'0,089'0,092'0,098'0,099

' по данным измерений строим графики семейств входных и вы-ходных ВАХ (см. рис. 232, а и б);

' копируем изображение схемы с показаниями приборов (для од-ного из режимов работы при снятии выходной ВАХ) на страницу отчёта;

' воспользовавшись графиками семейств входных и выходных ВАХ, определяем h-параметры биполярного транзистора.

Задание 3. Снять и построить (по точкам) семейство выходных IС(UС) при UЗИ = const ВАХ (см. рис. 23.4, б) и стоко-затворную характеристику IС(UЗ) при UСИ = 12 В (см. рис. 23.4, в) полевого транзистора с типа р-п-перехода (см. табл. 23.2), заполнив показаниями приборов табл. 235.

Скопировать изображение схемы с показаниями приборов (для одного из режимов работы при снятии выходной ВАХ) на страницу отчёта. Определить крутизну S стоко-затворной характеристики на её линейном участке.

Задание 4. Снять семейство выходных ВАХ соответствующего полевого транзистора с индуцированным каналом (см. табл. 23.2) с помо-щью прибора IV. изображение на страницу отчёта (см. рис. 23.9). Опреде-лить крутизну S стоко-затворной характеристики IС(UЗ) при UСИ = 10…12 В на линейном её участке.


Способ заказа и контакты