Лабораторная работа №2 Исследование статических характеристик электровакуумного триода и транзистора

Список условных обозначений

- комплексная амплитуда тока;

- комплексная амплитуда напряжения;

- комплексная проводимость;

- элементы матрицы гибридных параметров;

- анодное напряжение;

- анодный ток;

- сеточное напряжение;

- сеточный ток;

- проницаемость вакуумного триода;

- коэффициент усиления вакуумного триода;

- крутизна анодно-сеточной характеристики вакуумного триода;

- внутреннее сопротивление вакуумного триода;

- коэффициент передачи тока эмиттера в транзисторе;

- коэффициент передачи тока базы в транзисторе;

Цель работы: Знакомство с устройством, принципом действия, статическими характеристиками и параметрами вакуумного триода и транзистора.

Темы, знание которых необходимо для выполнения работы:

1. Устройство и принцип действия электровакуумного триода.

2. Электронно-дырочный переход.

3. Устройство и принцип действия транзистора.

4. Основы теории четырехполюсников, системы параметров.

5. Активные четырехполюсники, эквивалентные схемы и описывающие их системы параметров.

2.1 Теория

а) Активные элементы радиоэлектронных цепей. Активной называется цепь, содержащая наряду с пассивными элементами (резисторами, конденсаторами и катушками индуктивности) источники энергии (генераторы тока и напряжения).

Активный характер радиоэлектронных устройств всегда связан с применением в них усилительных и электропреобразовательных элементов (в частности, электронных ламп и транзисторов). Цепь считается активной в широком смысле, если мощность сигнала на ее выходе больше, чем мощность сигнала на входе.

При построении эквивалентных схем активных цепей источники питания, обеспечивающие рабочий режим активных элементов, обычно опускаются, а сами активные элементы отображаются с помощью эквивалентных схем, параметры которых зависят от режима работы и от источников энергии, питающих активный элемент.

Любой активный элемент может быть представлен в виде активного четырехполюсника (рис.2.1), электрическое состояние которого полностью характеризуется соотношениями между напряжениями и токами на его входе и выходе. Вид этих соотношений зависит от выбора величин, принимаемых в качестве воздействия и отклика четырехполюсника.

Рис.2.1. Общая схема четырехполюсника.

Так, в системе - параметров основные уравнения четырехполюсника записываются в виде

(2.1) где коэффициенты образуют матрицу проводимости

(2.2) Наряду с матрицей в теории цепей используются и другие виды матриц, которым соответствует иная форма основных уравнений четырехполюсника.

Так, например, для описания биполярного транзистора широко применяется матрица гибридных параметров

(2.3) которой соответствуют следующие основные уравнения четырехполюсника

(2.4) Уравнения (2.1), (2,4) и аналогичные им уравнения позволяют построить эквивалентные схемы замещения активных элементов радиоэлектронных цепей.

Особенностью активных четырехполюсников является их необратимый характер, т.к. что означает невозможность применения к ним принципа взаимности.

б) Электронно-вакуумный триод и его характеристики. Это вакуумный прибор, имеющий три электрода (анод, катод, управляющая сетка), токопроводимость которого определяется свойствами прохождения потока электронов в вакууме между металлическими электродами. Величина анодного тока в триоде зависит от температуры катода,анодного напряжения между анодом и катодом исеточного напряжения между сеткой и катодом. Принцип действия триода основан на том, что изменениевсегда приводит к изменению анодного токаи, следовательно, к изменению потенциала анода относительно катода, т.к. в анодную цепь триода всегда включается сопротивление нагрузки, на котором происходит падение напряжения. Анодный ток является функцией двух одновременно изменяющихся напряженийи. В активном режиме триода сеточный ток, как правило, отсутствует, вследствие чего основные уравнения четырехполюсника в системе- параметров могут быть записаны в форме

(2.5) Таким образом, матрица имеет вид

(2.6) где - крутизна анодно-сеточной характеристики триода и- его внутреннее сопротивление.

Под действием напряжений ив междуэлектродном пространстве создается результирующее электрическое поле, от величины которого зависит ток. Для количественной оценки зависимостиудобно считать, что поле у катода создается некоторым эквивалентным (действующим) напряжением, приложенным к одному из электродов и равноценным по своему действию на электроны суммарному действию напряжений сетки и анода. Обычно полагают, что действующее напряжение приложено между катодом и плоскостью витков сетки («эквивалентный диод»), т.е. триод заменяется эквивалентным диодом, у которого анод расположен на месте сетки триода.

Действующее напряжение представляется в виде [1]

(2.7) где - проницаемость триода (здесь- емкость между анодом и катодом,- емкость между сеткой и катодом), а- параметр, определяемый геометрической конфигурацией электродов триода. Проницаемостьвсегда меньше 1, и в случае густой сетки. Физический смысл проницаемости состоит в том, что она характеризует, как нужно уменьшить потенциал анода при «переносе» его в область сетки, чтобы результирующее поле в пространстве анод-катод осталось прежним.

В эквивалентном диоде справедлив закон «трех вторых»

(2.8) где - первеанс эквивалентного диода. В силу эквивалентности ток в цепи катода равен

(2.9) Если пренебречь током сетки при , то.

Итак, анодный ток триода является функцией двух напряжений . Эта зависимость, снятая при некоторых заранее выбранных постоянных значениях напряжений, называетсястатической характеристикой. Одно из двух напряжений варьируется, тогда, как второе остается неизменным и выбирается в качестве параметра. При этом образуются семейства анодных характеристик (если при) ианодно-сеточных характеристик (если при). Нетрудно видеть, что

(2.10) Сравнивая (2.10) со вторым уравнением (2.5), получим

(2.11) Эти два параметра являются основными для характеристики свойств триода. Они связаны с третьим параметром , называющимсякоэффициентом усиления, соотношением

(2.12)

Рис.2.2. Типичная форма семейства анодных характеристик.

На рис.2.2 приведена типичная форма семейства анодных характеристик для различных значений сеточного напряжения , а на рис. 2.3 – типичная форма семейства анодно-сеточных характеристик вакуумного триода.

Рис.2.3. Типичная форма семейства анодно-сеточных характеристик.

Оба семейства могут быть использованы для определения основных параметров, введенных выше, с помощью так называемого метода трех отсчетов. Так, по семейству анодных характеристик параметры ив выбранной областиA-B-C-D можно найти по формулам

(2.13)

а по семейству анодно-сеточных характеристик в области A-B-C – по формулам

(2.14)

в) Биполярный транзистор и его характеристики. Это полупроводниковый прибор с тремя внешними выводами от трех слоев кристалла с чередующимися типами электропроводности (или). Для определенности в дальнейшем будет рассматриваться лишь транзистортипа, т.к. свойстватранзисторов отличаются только противоположными по знаку напряжениями питания электродов. В подобной структуре всегда имеются дваперехода между слоями с разным типом проводимости. Переход, включенный в прямом направлении (режим инжекции основных носителей) называетсяэмиттерным, а соответствующий ему крайний слой – эмиттером. Средний слой структуры называется базой. На рис.2.4 показана упрощенная структура транзистора типа.

Рис.2.4. Упрощенная структура транзистора.

В активном режиме, наиболее часто применяемым в усилительных устройствах, эмиттерный переход включается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В результате дырки (основные носители в эмиттере) из области эмиттера инжектируются в область базы и движутся в сторону коллектора. Толщина базы меньше диффузионной длины дырок, и большинство из них, попав в область коллекторного перехода, ускоряются и втягиваются в коллектор, создавая коллекторный ток . Небольшая часть дырок за счет процесса рекомбинации пар создает ток базы, значительно меньший по величине коллекторного тока, т.е.

(2.15)

В зависимости от того, какой электрод является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора (рис.2.5): с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ); с общим коллектором (ОК).

Рис.2.5. Схемы включения транзистора: а ) ОБ, б) ОЭ, в) ОК.

Вид входных и выходных вольтамперных характеристик транзистора зависит от схемы его включения в цепь, что следует из общей математической модели. Так, для схемы включения с ОБ выходные статические характеристики, т.е. семейство зависимостей при различных значенияхприведено на рис.2.6, а входные характеристики (зависимостипри различных значениях) изображены на рис.2.7.

Рис.2.6. Выходные характеристики идеализированного транзистора в схеме с ОБ.

При увеличении напряжения между коллектором и базой ток коллектора слабо зависит от напряжения и изменяется пропорционально изменению тока эмиттера. Связь между токами эмиттера и коллектора выражается соотношением

(2.16) где - статический коэффициент передачи тока эмиттера, по величине очень близкий к единице (он может быть равен 0,99 и более).

Рис.2.7. Входные характеристики идеализированного транзистора в схеме с ОБ.

Входные характеристики транзистора в схеме с ОБ по форме близки к прямой ветви вольтамперной характеристики уединенного перехода. При увеличении напряженияснижается энергетический барьер в эмиттерном переходе, усиливается инжекция основных носителей в область базы, и ток эмиттера возрастает, вследствие чего при больших значенияхвходные характеристики смещаются влево.

Характеристики транзистора, включенного в схему с ОЭ отличаются от описанных выше. Так, в этой схеме включения напряжение на переходе коллектор-база равно разности напряжений коллектор-эмиттер и база-эмиттер, т.е. , поэтому ток коллектора с ростом напряжения на коллекторе растет быстрее, чем в схеме с ОБ. В остальном выходные характеристики схемы с ОЭ аналогичны выходным характеристикам схемы

Рис.2.8. Выходные характеристики идеализированного транзистора в схеме с ОЭ.

Входная характеристика транзистора в схеме с ОЭ при совпадает с соответствующей характеристикой в схеме с ОБ. Приэта характеристика смещается вправо, т.к. через переход база-эмиттер течет также ток коллектора, создающий на этом переходе дополнительное напряжение, уменьшающее ток базы.

Рис.2.9. Входные характеристики идеализированного транзистора в схеме с ОЭ.

Для описания свойств биполярного транзистора в режиме малого сигнала при любой схеме включения его можно представить в виде активного четырехполюсника в системе гибридных -параметров. Основные уравнения четырехполюсника в этом представлении имеют вид

(2.17)

Из уравнений (2.17) следует, что

(2.18)

т.е.

(2.19)

По семействам входных и выходных характеристик параметры могут быть найдены методом трех отсчетов аналогично тому, как это делалось для электронного триода, с учетом их физического смысла. Так, в схеме с ОЭ

(2.20) - коэффициент передачи тока базы;

(2.21) - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;

- коэффициент обратной связи по напряжению;

- выходная проводимость.