Министерство образования и науки Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

621.38 № 3967

Т263

ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебно-методическое пособие

Лабораторный практикум

НОВОСИБИРСК

2011

УДК 621.38(076.5)

Т263

В настоящее пособие включены четыре лабораторные работы. Предполагается, что студенты, выполняющие лабораторные работы данного цикла, знакомы с работой полупроводниковых приборов и их основными характеристиками.

Излагаются принципы работы электронных схем с выводом основных количественных соотношений, характеризующих их работу. Даётся описание лабораторных установок, порядок выполнения работ, вопросы и задания для подготовки к защите. Теоретический материал излагается с учётом того, что выполнение лабораторных работ может предшествовать изложению соответствующих разделов в лекционном курсе. Задания к работам позволяют варьировать варианты, поэтому выполнение тех или иных пунктов должно согласовываться с преподавателем.

Составили: д-р техн. наук, доцент Драгунов В.П.

канд. техн. наук Остертак Д.И.

Рецензенты: канд. техн. наук, доцент Бородин Н.И.

канд. физ.-мат. наук, доцент Макаров Е.А.

Работа подготовлена на кафедре полупроводниковых приборов и микроэлектроники для студентов III курса факультета радиотехники и электроники (направлений 210100 «Электроника и наноэлектроника» и 222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника»)

 Новосибирский государственный

технический университет, 2011

Содержание

Лабораторная работа № 1. Анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах графическим методом 4

Лабораторная работа № 2. Схемы смещения в усилителях на биполярных транзисторах. Стабилизация режима 10

Лабораторная работа № 3. Исследование свойств усилительных каскадов на биполярных транзисторах 22

Лабораторная работа № 4. Исследование полупроводниковых стабилизаторов напряжения 34

Список литературы 51

Лабораторная работа № 1

Анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах графическим методом

1. Цель работы

Ознакомление с графическим методом анализа усилительных каскадов на биполярных транзисторах и влиянием характеристик элементов схемы на работу каскада.

2. Теоретическое введение

Проектирование электронных устройств предполагает решение широкого комплекса вопросов: выбор принципиальной схемы, её расчёт и оптимизация, разработка конструкции и технологии. Одна из задач проектирования любой электронной, в том числе и интегральной схемы заключается в её теоретическом и экспериментальном анализе. Цель такого анализа состоит в определении соотношений между воздействиями и реакциями для известной схемы.

В принципе эту задачу можно решить аналитически, если составить систему уравнений, описывающих поведение схемы при заданном воздействии, и решить её относительно неизвестного параметра. К сожалению, на практике ни одна из реальных схем так рассчитана быть не может из-за сугубо нелинейного вида характеристик активных элементов (и, следовательно, нелинейного характера уравнений). Поэтому анализ выполняют приближёнными методами или графически.

Достоинствами графического метода анализа являются наглядность и применимость как в режиме «малого», так и «большого» сигнала.

Непосредственно анализ проводят в два этапа: а) по постоянному току (на этом этапе определяют токи и напряжения в ветвях схемы при отсутствии сигнала на входе); б) по переменному току (на этом этапе анализируют поведение схемы и определяют её характеристики при воздействии входного сигнала).

Проведём анализ усилительного каскада по постоянному току. На рис. 1.1 показана схема типичного усилительного каскада на биполярном транзисторе – схема с общим эмиттером. Резисторы , , и задают начальное смещение эмиттерному и коллекторному переходам, и образуют фильтры верхних частот и не пропускают низкочастотные составляющие сигнала ( – входное сопротивление каскада по переменному току; – сопротивление нагрузки).

Рис. 1.1. Принципиальная схема усилительного каскада

на биполярном транзисторе

При отсутствии входного сигнала в схеме будут протекать токи и установятся напряжения, показанные на рис. 1.1. Чтобы подчеркнуть, что эти токи и напряжения характеризуют начальное (невозмущённое) состояние схемы, им приписан нулевой индекс. Напряжения , и отсчитываются от общего провода.

Согласно законам Кирхгофа:

, (1.1)

, (1.2)

, (1.3)

, (1.4)

, (1.5)

, (1.6)

здесь напряжения , и отсчитываются от общего провода.

Данная система из шести уравнений содержит восемь неизвестных, таким образом, для определения токов и напряжений, соответствующих начальному состоянию схемы, необходимо добавить ещё два уравнения. Ими могли бы быть соотношения, связывающие токи, протекающие через транзистор и напряжения на его электродах (т.е. характеристики транзистора). Однако эти зависимости имеют существенно нелинейный характер и обычно заданы графически (см., например, рис. 1.2 и 1.3а). Поэтому и решение выполняется графическим методом.

Порядок расчёта по постоянному току при этом сводится к следующему:

1. На выходных характеристиках транзистора (рис. 1.2б) строится нагрузочная прямая AB, уравнение которой

(1.7)

связывает ток коллектора с напряжением между коллектором и эмиттером. Учитывая, что ,

. (1.7а)

Следовательно, координаты точки А , а точки В .

2. По точкам пересечения выходных характеристик транзистора и нагрузочной прямой строится зависимость тока коллектора от тока базы (рис. 1.2а, кривая 1).

3. Находится динамическая входная характеристика LK (рис. 1.3а), которая связывает ток базы и напряжение при заданной величине . Для этого на семействе входных характеристик транзистора (рис. 1.3а), пользуясь координатами точек пересечения линии нагрузки AB с выходными характеристиками транзистора (рис. 1.2б), строится динамическая входная характеристика , учитывающая изменения напряжения .

(а) (б)

Рис. 1.2. Построение зависимости тока коллектора от тока базы (а), и нагрузочной прямой (б)

(а) (б)

Рис. 1.3. Построение динамической входной характеристики (а), определение , , и (б)

2. Строится зависимость напряжения на эмиттере транзистора от тока базы. При этом задаются значениями тока базы, по рис. 1.2а (кривая 1) определяют соответствующие этим токам базы токи коллектора и по уравнению

(1.8)

рассчитывают напряжение на эмиттере при данных токах базы (кривая 1, рис. 1.3б).

2. Находится зависимость между током базы и напряжением на базе транзистора (кривая 2, рис. 1.3б) учитывая, что последовательно переходу база-эмиттер транзистора (нелинейный элемент) включено сопротивление (см. рис. 1.4а). В этом случае участок база-эмиттер-общий провод можно представить некоторым нелинейным эквивалентным сопротивлением (рис. 1.4б), вольтамперную характеристику (ВАХ) которого (кривая 2, рис. 1.3б) можно построить сложением кривой (кривая 1, рис. 1.3б) и входной характеристики LK по ординатам.

(а) (б)

Рис. 1.4. Фрагмент схемы, показанной на рис. 1.1 (а) и соответствующая ему эквивалентная схема (б)

2. Строится ВАХ участка база-общий провод с учётом сопротивления (рис. 1.4б). Это сопротивление включено параллельно эквивалентному сопротивлению , представляющему цепь переход база-эмиттер и . Поэтому общая эквивалентная характеристика (кривая 4, рис. 1.3б) в данном случае находится сложением токов в элементах (зависимости 2 и 3, рис. 1.3б) для каждого значения напряжения на базе транзистора. Прямая 3 на рис. 1.3б отображает зависимость между током, протекающим по , и напряжением, приложенным к нему.

3. Согласно уравнению (1.4) строится зависимость напряжения на базе транзистора от (прямая 5, рис. 1.3б).

4. По точке пересечения зависимостей 5 и 4 на рис. 1.3б находятся значения и , а затем (по найденному значению и зависимостям 2 и 3, рис. 1.3б) и .

5. На выходных характеристиках рис. 1.2б находят точку пересечения нагрузочной прямой AB и кривой, соответствующей значению . Координаты этой точки O и дают значения начального тока коллектора и начального напряжения на коллекторе .

На этом анализ по постоянному току можно считать законченным, так как найдены все токи и напряжения в схеме при отсутствии сигнала на входе.