Лабораторная работа №5 биполярный транзистор в режиме ключа




Скачать 181.28 Kb.
Дата15.07.2016
Размер181.28 Kb.


Лабораторная работа № 5

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР В РЕЖИМЕ КЛЮЧА

Цель работы

Целью работы является экспериментальное исследование и анализ работы биполярного транзистора в режиме электронного ключа.



Методические указания к выполнению лабораторной работы

В ключевом режиме транзистор работает в импульсных и цифровых схемах. Для этих схем типичны переключения транзистора за короткое время из включенного состояния в выключенное и наоборот. При этом токи и напряжения в транзисторе изменяются в широких пределах, так что проявляется нелинейность его характеристик.

Рассмотрим простейшую схему ключа (рис.5.1), содержащую транзистор, включенный по схеме ОЭ, и резисторы R1 и R2 в базовой и коллекторной цепях.

В коллекторной цепи включен источник постоянного напряжения Ек. Статическое состояние ключа полностью описывается его выходной ВАХ (рис.5.2).

Если на вход ключа подано отрицательное напряжение , то транзистор находится в режиме отсечки, при этом , сопротивление транзистора – велико. Режим отсечки обеспечивается соблюдением соотношения:

,

где – обратный ток коллекторного перехода при максимальной температуре рабочего диапазона температур.



При достаточно большом положительном напряжении U+ВХ рабочая точка транзистора может оказаться в режиме насыщения. Это произойдет, если:



,

где – ток базы насыщения. При этом IК=IКН (рис.5.2), UВЫХ=UКН, =UКН/IКН – мало. Режим насыщения обеспечивается соотношением:, где s - степень насыщения (задается). можно определить графически построением нагрузочной прямой, линии насыщения ON и кривой ВАХ, исходящей из точки пересечения нагрузочной прямой и ON (т.М). Параметр этой кривой и будет искомым током .



можно также найти по схеме рис. 5.1:

,

где - интегральный коэффициент передачи базового тока.

Итак, ключ имеет 2 статических состояния:


  • выключен (транзистор в режиме отсечки) – ток мал, сопротивление велико, все напряжение источника питания падает на транзисторе;

  • включен (режим насыщения) – ток относительно велик, сопротивление транзистора мало, напряжение питания падает, в основном, на сопротивлении R2.

Помимо статических состояний ключа, которые должны быть стабильны, важными характеристиками ключа являются переходные процессы, определяющие его быстродействие.

Для изучения переходных процессов воспользуемся методом заряда. Заряд в базе



,

где - постоянная времени коэффициента .

В режиме отсечки заряд в базе незначителен. При IБ = const заряд Q определяется базовым током. При IБ=IБН заряд в базе достигает граничного значения . При QИЗБ=Q-QГР, а степень насыщения транзистора

.

При подаче на вход ключа скачка заряд в базе и ток коллектора нарастают по экспоненте в соответствии с формулами:



),

.

Рассмотрим переходные процессы, происходящие в транзисторном ключе при его включении (рис.5.3). От момента t0 до t1 транзистор закрыт напряжением , при этом входной (iБ) и выходной (iK) токи практически равны 0, заряд в базе (Q) также равен 0, а выходное напряжение UK=EK. В момент t1 подан положительный скачок напряжения, который до t2 не изменит состояния схемы, что связано с перезарядом входной емкости транзистора (С ВХ). Интервал (t2-t1) называется временем подготовки и зависит от СВХ, и .

Стадия подготовки проявится в виде задержки выходных напряжений и тока на tП . С момента t2 по экспоненте изменяются Q, iК и UК. Увеличение Q происходит до значения , iК до IКН, UК снижается до UКН. Изменения iК и UК заканчиваются в момент времени t3, когда транзистор вошел в насыщение. На этом же заканчивается и переходной процесс, который, таким образом, состоит из 2-х стадий - времени подготовки tП и времени формирования отрицательного (спадающего) фронта .

уменьшается при использовании транзистора с малым (высокочастотный транзистор), с увеличением и уменьшением .

Рассмотрим переходные процессы, происходящие в транзисторном ключе при его включении (рис.5.4). t0-t1– исходное состояние схемы (транзистор в режиме насыщения). После подачи запирающего напряжения базовый ток изменяет направление, однако остается большим, пока транзистор находится в режиме насыщения (до t2). К моменту t2 закончится процесс рассасывания избыточных носителей в базе, транзистор войдет в активный режим, а ток коллектора и напряжение на коллекторе (выходные величины) будут изменяться до значений режима отсечки (t3). Заряд в базе и базовый ток к моменту t3 снизятся до своих установившихся значений (практически равных 0). На этом заканчивается переходной процесс, связанный с выключением транзистора, который состоит из 2-х стадий - времени рассасывания tР и времени формирования положительного (нарастающего) фронта . Уменьшаются tР и при использовании транзистора с малым , с уменьшением и увеличении .





Лабораторное задание

Установить плату № 14, наборное поле – в положение 1. Исследуемый транзистор р-n-р. Закоротить R4; элементы R1, R2, С2, С3, С4 не устанавливать. Вместо R2 включить источник тока ГТ. Установить Rк(R3)=620 Ом, С1=0,1мкф. Подать питающее напряжение Ек (Ес) = - 10 В.





  1. Исследование статических режимов

Установить IБ=0 (по ИВ) и измерить напряжение UКЭ (АВМ-1). Сделать выводы о режиме, близком к отсечке. Увеличивая IБ, измерять UКЭ. Зафиксировать IБН, при этом скорость уменьшения UКЭ существенно снижается. Увеличивая степень насыщения, контролировать значения UКЭ Н (табл.5.1).

Таблица 5.1



S

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5




IБ, мА



















ПО U В

UКЭ, В



















ПО АВМ-1

Сделать выводы об особенностях режима насыщения.

  1. Исследование переходных процессов:

а) отключить ГТ. Установить R2=20 к. При этом исходное состояние схемы соответствует режиму, близкому к отсечке.

Подать на вход схемы ГПИ импульсный сигнал с параметрами (включить ГНЧ и ГПИ, установить их переключатели в положение 100 кГц):

амплитуда - max;

длительность – max;

полярность – отрицательная.

Измерить амплитуду, длительность и период входных сигналов. Методика измерения параметров импульсов представлена на рис.5.5. Измерить параметры выходных импульсов: UВЫХ, длительность , длительности фронтов , , период Т, полярность.



Нарисовать эпюры входного и выходного сигналов. Указать на эпюре выходного сигнала режимы отсечки, насыщения, активный. Рассчитать постоянную составляющую импульсной последовательности:



.

б) убрать R2, установить R1=20 к. При этом исходное состояние схемы соответствует режиму насыщения. Подать входной сигнал положительной полярности. Остальные параметры соответствуют п. а).

Измерить параметры выходных импульсов: UВЫХ, tИ, , , Т, полярность. Нарисовать эпюры выходного и входного сигналов. Указать на выходном сигнале режимы, tИ, , . Рассчитать постоянную составляющую импульсной последовательности.

Контрольные вопросы


  1. Как обеспечить практически режим отсечки?

  2. Какими свойствами обладает транзистор в режиме отсечки?

  3. Как обеспечить практически режим насыщения с заданной степенью насыщения?

  4. Какими свойствами обладает транзистор в режиме насыщения?

  5. Каковы статические состояния электронного ключа?

  6. Особенности переходного процесса при включении ключа.

  7. Особенности переходного процесса при выключении ключа.

  8. Объяснить эпюры при положительном входном сигнале.

  9. Объяснить эпюры при отрицательном входном сигнале.

Литература

  1. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. -М.: Радио и связь, 1990.

  2. Аваев М.А., Шишкин Г.Г. Электронные приборы.- М.: МАИ, 1996.


Лабораторная работа № 6


ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

Цель работы

Целью работы является изучение и экспериментальное исследование параметров и характеристик полевого транзистора.



Методические указания к выполнению лабораторной работы

В настоящее время широкое распространение получили полевые транзисторы (ПТ), которые обладают значительно большим входным сопротивлением, чем биполярные. Различают полевые транзисторы с управляющим переходом (p-n, переходом Шотки или гетеропереходом), а также МДП (или МОП) структуры.

В лабораторной работе экспериментально исследуются ПТ с управляющим p-n-переходом (рис.6.1)

Пластина n-типа – канал - имеет электроды, с помощью которых она включена в электрическую цепь.

Вдоль ПТ идет ток (электроны). И - исток, С - сток, Iс – ток стока. Входная цепь образована с помощью электрода – затвора (З) - р - типа. При образуется единственный обратно смещенный p-n- переход. При поперечное сечение канала S максимально, его сопротивление Rкан min, а Ic max.

При канал сужается, его сопротивление растет, а ток стока уменьшается. При (отсечки) . Чтобы входной сигнал эффективнее управлял током стока, сечение канала небольшое, а начальное сопротивление достаточно велико (несколько сотен Ом).

Статистические характеристики показаны на рис. 6.2 и 6.3.

А) выходные . Рассмотрим кривую с параметром (рис.6.2).



Имеется три области, существенно отличающиеся друг от друга. I – крутой участок. Его наклон определяется начальным сопротивлением канала. Участок сублинейный. При . наступает режим насыщения (II), где . Обедненный слой около стока шире, чем у истока (из-за «+» со стороны стока). При . наступает условное перекрытие канала: электроны у стока поступают во внешнюю цепь через узкую горловину. С увеличением . диаметр горловины не уменьшается, а увеличивается длина условно перекрытой части канала. То есть с . увеличивается сопротивление канала, а . При . начинается лавинный пробой.

При наклон крутого участка меньше, т.к. сопротивление канала (начальное) больше. Условное перекрытие наступает раньше, т.к. канал изначально у́же. Пробой также наступает при меньшем значении , т.к. со стороны стока, помимо действует еще . Ic при и . называется начальным.

Б) стоко-затворные построены для ., т.к. именно режим насыщения является рабочим.





Параметры:

Крутизна: , [мА/В].

Внутреннее сопротивление: , [кОм].

Коэффициент усиления: .



Условное обозначение на электрической схеме (рис.6.4).



Лабораторное задание

  1. Собрать схему, представленную на рис. 6.5. При этом подается напряжение Uзи с потенциометра RP1.

  2. Потенциометром RP2 установить максимальное напряжение питания Ec , при этом Uси max измерить вольтметром АВМ-2.

  3. Снять стоко-затворную характеристику при Uси max. Показания Ic снимать с амперметра АВМ-1, включив его между гнездами РА1; для измерения напряжения Uзи использовать АВМ-2. Данные внести в табл. 6.1.

Таблица 6.1

UЗИ, В



















IС, мА





















  1. Построить стоко-затворную характеристику по результатам табл.6.1. Выбрать точку покоя «А» для линейного усиления и рассчитать крутизну .

  2. Записать IСА. Уменьшить Uси до значения, при котором Iс уменьшится незначительно. Записать Uси и рассчитать Ri, а затем .

  3. Собрать схему усилителя (рис.6.6). Подать на вход с генератора G1 импульсы прямоугольной формы. Обратить внимание на полярность входных импульсов (Vзи) и выходных (Vси); нарисовать их эпюры и сделать вывод о соотношении фаз входных и выходных сигналов в усилительном каскаде, собранном на ПТ по схеме с общим истоком.

  4. Подать на вход гармонический сигнал. Наблюдать за формой выходного сигнала при изменении амплитуды входного.



Контрольные вопросы

  1. Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n- переходом.

  2. Особенности режима насыщения.

  3. Определение начального тока стока.

  4. Измерение крутизны.

  5. Расчет внутреннего сопротивления.

  6. Определение коэффициента усиления.

  7. Принцип работы и особенности схемы ОИ.


Лабораторная работа № 7

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ



Цель работы

Целью работы является изучение и экспериментальное исследование параметров и характеристик операционного усилителя.


Методические указания к выполнению лабораторной работы

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель с непосредственными связями, большим коэффициентом усиления, большим входным сопротивлением, дифференциальным входом, несимметричным выходом с малым выходным сопротивлением. Название этих усилителей связано с первоначальным их применением главным образом для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). Однако благодаря достижениям в области микроэлектроники и широкому выпуску операционных усилителей в интегральном исполнении они приобрели более широкие схемотехнические возможности. В настоящее время ОУ играют роль многоцелевых элементов при построении аппаратуры самого различного назначения. Они применяются в усилительной технике, устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсной формы, в стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т.д.

Операционный усилитель почти всегда используется с внешней глубокой отрицательной обратной связью, определяющей его результирующие характеристики. Введение обратной связи того или иного вида обеспечивает способность ОУ выполнять различные математические операции над сигналами, циркулирующими в его цепях.

Операционные усилители характеризуются большим числом параметров, которые делятся на группы: общие, точностные, динамические и др.

ОУ имеет два входа: инвертирующий (е-) и не инвертирующий (е+) (рис.7.1). При работе ОУ в линейном режиме напряжение на его входе увеличивается с уменьшением напряжения на инвертирующем входе и с увеличением напряжения на не инвертирующем.

Разность напряжений на выходах ОУ называют дифференциальным входным сигналом, а полусумму этих напряжений Есинф.= (е+-)/2 – синфазным входным сигналом.





К общим параметрам ОУ относятся:

- коэффициент усиления дифференциального сигнала: К0=UВЫХ/UВХ,

где UВЫХ – выходной дифференциальный сигнал;

- отношение ослабления синфазного сигнала: ООСС=20 lg Кс/Кд,

где Кс - коэффициент передачи синфазного сигнала; ООСС=60…120 дВ;

- входное сопротивление RВХ (для раздельных входов) и Rсинф. (для объединенных входов); RВХ.=103…106 Ом, Rсинф.= (10…1000) Rвх ;

- выходное сопротивление.

Схема включения ОУ во внешнюю цепь содержит два разнополярных источника питания (обычно с одинаковыми значениями напряжений Ек+ и Ек_), резистор нагрузки RН и источник входного сигнала UВХ. Есинф. поступает на оба входа одновременно (в фазе).

Выходное напряжение ОУ может симметрично изменяться относительно нуля, если UВХ=0, то UВЫХ=0. Это условие называется условием баланса ОУ. Напряжение входного сигнала также может быть двуполярным.

Если заземлен инвертирующий вход ОУ, то усилитель является неинвертирующим и его переходная характеристика имеет вид, представленный на рис 7.2 (сплошная линия). В этом случае входной и выходной сигналы изменяются в одинаковой фазе.

Если заземлен неинвертирующий вход ОУ, то схема включения является инвертирующей (пунктирная линия на рис.7.2).

Если в схеме нет обратных связей, наклон передаточной характеристики UВЫХ/UВХ равен собственному коэффициенту усиления К0. Максимальная амплитуда выходного сигнала: .



В реальном ОУ наблюдается разбаланс (рис.7.3).



При этом, когда оба входа ОУ заземлены и UВХ=0, на выходе имеется некоторое напряжение +UВЫХ или -UВЫХ. Это напряжение пересчитывается на вход ОУ через К0 во входное напряжение смещения нуля –UСМ0 или +UСМ0. Параметры смещения нуля относятся к точностным.

Изменение питающего напряжения вызывает разбаланс ОУ. Качество усиления по этому параметру определяется отношением ослабления влияния питания – ООВП:

ООВП=UСМ0/Ек,

которое определяется раздельно для положительного и отрицательного источников питания и имеет размерность мкВ/В, либо выражается в дБ.

К динамическим параметрам относятся параметры, характеризующие быстродействие ОУ, которое определяется различными способами.

Для схемы обработки гармонических сигналов используется малосигнальная частотная характеристика, которая отображает закон уменьшения коэффициента усиления К0 при увеличении частоты и имеет две особые точки: значение частоты, на которой К0 падает до уровня 0,7 /-3 дБ/, и значение частоты единичного усиления f1, где К0 становится равным единице. Наиболее универсальной и простой характеристикой быстродействия усилителя является его скорость отклика . При ее определении на вход ОУ подается большой скачок сигнала и измеряется скорость нарастания выходного импульса.

При импульсном режиме работы требуется знать время установления tУСТ выходного сигнала, а также время восстановления усилительных свойств после перегрузки ОУ входным сигналом. Отметим на диаграмме выходного отклика характерные точки, используемые при определении импульсных и временных характеристик ОУ (рис.7.4).


t1- t0 – время включения ОУ.
За время t2-t1 происходит нарастание выходного сигнала со скоростью  до конечного уровня UВЫХ.

Если выходной сигнал имеет выброс, то t3-t2 – время восстановления. В момент t4 выходной сигнал входит в требуемую зону ошибки UВЫХ и считается установившимся.

Применение обратных связей в операционных усилителях (ОУ) позволяет создать усилители с любыми амплитудными и частотными характеристиками. Как правило это отрицательная связь. Она осуществляется применением навесных элементов. Рассмотрим влияние нескольких вариантов обратных связей на результирующие характеристики ОУ.


  1. Инвертирующий усилитель (рис.7.5).

Коэффициент передачи инвертирующего усилителя:



.


Достоинством такого усилителя является то, что ОУ в нем работает при нулевом синфазном сигнале. Это снимает вопрос о влиянии на UВЫХ конечного значения ослабления синфазного сигнала примененного ОУ. Благодаря этому оказывается возможным прикладывать ко входу инвертирующего усилителя большие напряжения, в том числе и превышающие напряжение питания. При этом R2/R1 должно быть таким, чтобы UВЫХ оставалось в границах линейного участка амплитудной характеристики.

ОУ в инвертирующем усилителе позволяет производить суммирование сигналов от нескольких источников при практически полном отсутствии влияния их друг на друга. Недостатком инвертирующего усилителя является относительно низкое RВХ=R1, поэтому он применяется тогда, когда нужно инвертировать UВХ и к усилителю не предъявляется требование высокого RВХ, или, когда нужно просуммировать несколько входных сигналов (рис.7.6).



.



  1. Неинвертирующий усилитель (рис.7.7).


В неинвертирующем усилителе реализуется последовательная отрицательная обратная связь путем подачи части выходного напряжения на инвертирующий вход. Коэффициент передачи усилителя:

K=1+R2/R1.

Неинвертирующий усилитель обладает большим RВХ.

Широкое применение находит неинвертирующий усилитель с К=1 (рис.7.8). Он имеет высокое RВХ, малое RВЫХ. Его включают между источником сигнала и нагрузкой для исключения влияния сопротивления нагрузки на источник сигнала, имеющий сравнимое с нагрузкой внутреннее сопротивление.





Лабораторное задание

  1. Исследование инвертирующего усилителя на ОУ.

Используя короткозамкнутые перемычки (КЗП), соберите схему (рис.7.9). Измерьте напряжения, подаваемые на ОУ (выводы 07 и 04) относительно корпуса. Сделайте вывод о величине и полярности напряжений питания.

Установите тумблер SAI в положение « ~ ». Подключите к выходу генератора G1 осциллограф и с помощью ручки потенциометра задайте амплитуду синусоидального сигнала порядка 0,1+0,2 В. Получите на экране осциллографа устойчивое изображение одного периода гармонического сигнала. Измерьте амплитуду и период. Подайте этот сигнал на вход усилителя (соедините выход генератора с резистором R2). Осциллографом измерьте амплитуду выходного сигнала. Рассчитайте коэффициент усиления напряжения, используя амплитудные значения входного и выходного напряжений и значения номиналов резисторов, которые установлены в цепи ООС (R0) и на инвертирующем входе (R в):



.

Не изменяя амплитуды входных сигналов, замените резистор в цепи ООС R10 на R11 и посмотрите, как изменилась амплитуда выходного сигнала. Рассчитайте коэффициент усиления напряжения. Поменяйте резистор во входной цепи R2 на R3. Посмотрите осциллограмму выходного сигнала. Сделайте вывод о том, как зависит коэффициент усиления от величины сопротивления резисторов R0 и Rв и коэффициента усиления ОУ.

Подайте на инвертирующий вход усилителя импульсы прямоугольной формы амплитудой 0,4+0,5 В. Для этого выключатель SА1 переведите в положение «». Посмотрите на осциллограмму выходного сигнала. Измерьте амплитуду и обратите внимание на полярность импульсов. Сделайте вывод.

Получите на экране осциллографа один выходной импульс и «растянув» его передний фронт, измерьте время установления. Рассчитайте скорость нарастания выходного напряжения: .




  1. Исследование неинвертирующего усилителя.

Соберите схему неинвертирующего усилителя (рис.7.10).

Соедините генератор G1 с неинвертирующим входом ОУ и подайте на него прямоугольные импульсы амплитудой 0,2+0,3 В. Обратите внимание на их полярность. Подключите осциллограф к выходу усилителя и измерьте амплитуду выходных импульсов. Изменилась ли полярность импульсов? Рассчитайте .

Установите амплитуду входных импульсов на неинвертирующем входе 0,3+0,4 В. Максимально используя рабочую площадь экрана осциллографа, оцените крутизну входных и выходных импульсов и определите скорость нарастания выходного напряжения. Посмотрите, как изменяются осциллограммы выходных импульсов при изменении амплитуды входных. Сделайте выводы.

Рассчитайте коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.



.

Сравните полученные результаты с предыдущими. Замените резистор R11 на R10. Как изменилась амплитуда выходных импульсов?



  1. Исследование повторителя напряжения.

Используя КЗП, соберите схему повторителя (рис.7.11). Подайте на неинвертирующий вход ОУ прямоугольные импульсы амплитудой 0,6…0,7 В. Запомните их полярность. Подключите осциллограф к выходу усилителя, измерьте амплитуду выходных импульсов и обратите внимание на их полярность. Изменилась ли она по сравнению с полярностью входных импульсов? Измените амплитуду входных импульсов. Как изменится амплитуда выходных импульсов? Рассчитайте коэффициент усиления для данной схемы.



Контрольные вопросы

  1. Вид АПХ операционного усилителя.

  2. Какие преимущества ОУ обеспечивает его высокое входное сопротивление?

  3. Какие преимущества ОУ обеспечивает его низкое выходное сопротивление?

  4. К чему приводит наличие напряжения смещения при использовании ОУ в качестве усилителя?

  5. Определите диапазон значений входного сигнала для работы ОУ при неискаженном усилении.

  6. Из двух схем ОУ с разными значениями ООСС, какая является лучшей и по какому признаку?

  7. Как расширить динамический диапазон ОУ?

  8. Особенности инвертирующего усилителя.

  9. Особенности неинвертирующего усилителя.

  10. Особенности повторителя.


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница