me12 / Lab_rab_12_13 / Lab_2_MKC

6

Лабораторная работа № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА ПО ТОКУ

Цель работы - экспериментальное построение характеристик транзистора,

определение коэффициента усиления по току, проверка формулы Эберса - Молла.

Время выполнения работы - 2 часа.

Оборудование: транзистор КТ 315, набор резисторов, резисторы 4.7 кОм и 1 кОм.

1. Теоретические сведения

Транзистор – полупроводниковый элемент с двумя p-n переходами и тремя выводами, который служит для усиления и переключения сигнала. Различают кремниевые и германиевые транзисторы. В зависимости от структуры транзисторы бывают n-p-n и p-n-p типа. На рис.1. показаны их условные обозначения и простейшие модели, отражающие структуру транзисторов.

Транзистор состоит из двух противоположно включенных p-n переходов, которые обладают одним общим n или p слоем. Вывод транзистора связанный с ним, называется базой (Б). Два других вывода называются эмиттером (Э) и коллектором (К). Диодная модель транзистора поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем прямые и обратные напряжения. Обычно переход Б-Э смещен (включен) в прямом направлении, а переход Б-К – в обратном.

В зависимости от того, какой вывод транзистора для переменного сигнала является общим, различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). На рис.2 показаны три схемы включения для транзистора типа n-p-n. Схемы для p-n-p транзистора будут аналогичными. В этих схемах направление источников напряжений и токов будут противоположными, по сравнению со схемами для n-p-n транзистора. Для любой схемы включения транзистора, как для n-p-n так и p-n-p типа, справедливо соотношение для токов I_Э = I_Б + I_К.

Усилительные свойства транзистора основаны на том, что малыми токами базы можно управлять относительно большими токами коллектора. При этом ток коллектора I_К является кратным базовому току I_Б. Их отношение - называется статическим коэффициентом усиления по току. Коэффициент усиления по току транзистора намного больше 1.

Транзистор как нелинейный элемент описывается вольтамперными характеристиками. Характеристики транзистора зависят от схемы включения. Так как схема включения транзистора с общим эмиттером встречается наиболее часто, то и рассмотрим характеристики n-p-n транзистора для этой схемы включения. Для p-n-p транзистора знаки напряжений и токов следует изменить на противоположные. Различают три характеристики транзистора:

• входная, зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер I_б(U_бэ) (Рис.3);

• передаточная, зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер I_к(U_бэ) (Рис.4);

• семейство выходных характеристик, зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном значении тока баз I_к(U_кэ) (Рис.5).

На рисунках показаны характеристики кремниевого транзистора.

Из характеристик транзистора видно:

1) Заметный ток базы и коллектора транзистора протекает, когда напряжение база-эмиттер достигает величины примерно 0,6 В.

2) Малое изменение напряжения U_бэ относительно напряжения 0,6 В вызывает относительно большое изменение токов базы и коллектора.

3) Коллекторный ток мало изменяется после достижения U_кэ определенного значения. Напряжение, при котором характеристика имеет изгиб, называется напряжением насыщения.

Передаточная характеристика транзистора имеет вид экспоненциальной функции

, (1)

где I_кот – теоретический обратный ток коллектора транзистора.

Часто транзистор можно рассматривать как линейный усилитель. Это справедливо в рабочей точке, в окрестности которой осуществляется управление малым сигналом. Рабочая точка транзистора определяется постоянными значениями напряжений база-эмиттер U_бэА, коллектор-эмиттер U_кэА, тока коллектора I_кА. При малых изменениях напряжений нелинейные характеристики транзисторов можно заменить касательной в рабочей точке. Изменение тангенса угла наклона касательной означает изменения дифференциального параметра (параметра малого сигнала) транзистора. Напомним, что дифференциальные параметры определяют зависимости между изменениями токов и напряжений транзистора.

Для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, вводят дифференциальное входное сопротивление

. (2)

Изменение коллекторного тока от I_к в зависимости от U_бэ характеризуется крутизной S:

.

Эту величину можно определить из формулы, продифференцировав (1) по U_бэ:

.

Зависимость коллекторного тока от напряжения U_кэ характеризуется выходным сопротивлением

.

Сопротивление r_кэ может быть рассчитано по формуле

,

где U_Эрли – напряжение Эрли, величина которого зависит от типа транзистора и для n-p-n транзистора равно 80 – 200 В, для p-n-p транзистора – 40 – 150 В. Для расчетов схем с n-p-n транзисторами малой мощности U_Эрли = 100 В.

Коллекторный ток пропорционален току базы. Отношение тока коллектора к току базы В = I_к / I_б называется статическим или интегральным коэффициентом усиления транзистора. Для многих практических случаев его можно считать постоянным. Однако в действительности его величина зависит от тока коллектора (рис.6).

Для характеристики изменения тока коллектора от изменения тока базы в рабочей точке транзистора вводят дифференциальный коэффициент усиления по току, который определяется из выражения

.

Во многих практических случаях статический и динамический коэффициенты усиления по току транзистора можно считать равными.

Выражая ток базы через ток коллектора в формуле (2) определения сопротивления r_бэ получим формулы для расчета входного сопротивления

.

2.2. Задание и порядок выполнения работы

Для снятия характеристик транзистора и определения коэффициента усиления по току собрать на стенде схему, показанную на рис.7.

Коэффициент усиления по току транзистора необходимо определить при различных токах базы I_б. Изменять ток базы транзистора можно с помощью магазина сопротивлений R_m.

С помощью вольтметра компенсационным способом измеряются напряжения U_бэ и U_кэ.

По формуле

(3)

определяется ток базы.

Ток коллектора определяется из выражения

. (4)

Результаты измерений U_бэ и U_кэ для различных значений сопротивлений R_m занести в таблицу.

Таблица

N п.п	Rм КОм	Uбэ В	Uкэ В	Iб мА	Iк мА	
1	36
2	51
3	68
4	100
5	200
6	560
7	910

По формулам (3) и (4) рассчитать значения токов I_б и I_к и занести их в таблицу. Определить значения В по формуле

.

Построить графики I_б(U_бэ); I_к(U_бэ); I_к(I_б); I_к).

2.3. Содержание отчета

1) Схема проведения эксперимента.

2) Таблица результатов измерения и расчетов.

3) Необходимые формулы для расчетов.

4. Графики I_к(U_бэ); I_к(I_б); ( I_к); U_бэ( lg I_к).

5) Провести аналогичные исследования схем в системе MicroCAP и сравнить результаты моделирования с экспериментальными данными.

6) Показать аналитически и подтвердить результатами эксперимента правильность формулы Эберса - Молла.

7. Выводы.

4. Контрольные вопросы

1) Какие типы транзисторов существуют? Показать простейшую структуру транзистора.

2) Показать три схемы включения транзистора.

3) Дайте определение коэффициенту усиления по току транзистора.

4) Изобразите входную и передаточную характеристику транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

5) Изобразите семейство выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

6. Что такое рабочая точка транзистора?

7. Перечислите динамические параметры транзистора.

8. Дайте определение динамическим параметрам транзистора.

9. Приведите формулы для расчета динамических параметров транзистора.

10. Покажите зависимость коэффициента усиления транзистора от тока коллектора.

11. Приведите формулу Эберса-Молла.