Рис. 5. Входные (а, в) и выходные (б, г) статические характеристики транзистора n-р-n-типа, включенного с ОЭ и ОБ

1.1.3 Полевые транзисторы

Полевой транзистор полупроводниковый прибор усилительные свойства которого, обусловлены потоком основных носителей протекающим через проводящий канал, и управляемым электрическим полем.

Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда называют униполярным, так как его работа основана на использовании не только ровных носителей заряда - либо электронов либо дырок. Поэтому в полевых транзисторах отсутствуют изменения (накопления и рассасывания) объемного заряда не основных носителей, оказывающие заметное влияние на быстродействие биполярных транзисторов. Основным способом движения носителей заряда, образующих ток полевого транзистора, является дрейф в электрическом поле. Проводящий слой, в котором создается рабочий ток полевого транзистора, называют каналом.

Полевой транзистор — полупроводниковый усилительный прибор которым управляет не ток (как биполярным транзистором), а напряжение (электрическое поле, отсюда и название — полевой), осуществляющее изменение площади поперечного сечения проводящего канала, в результате изменяется выходной ток транзистора. Управление же электрическим полем предполагает отсутствие статического входного тока, что позволяет уменьшить мощность требуемую для управления транзистором.

Металлический электрод, создающий эффект поля, называют затвором (3), два других электрода — истоком (И) и стоком (С). Исток и сток в принципе обратимы. Истоком служит тот из них, из которого при соответствующей полярности напряжения между истоком и стоком в канал поступают основные носители заряда, сток — тот, через который эти носители уходят из канала.

В зависимости от того, какой из выводов является общим для входа и выхода, различают три схемы включения полевого транзистора с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС). Наибольшее распространение на практике нашла схема с ОИ.

Принцип работы полевого транзистора.

В полевом транзисторе с объёмным каналом площадь поперечного сечения канала меняется счет изменения площади обедненного слоя обратно включённого р-n-перехода. На рис. 6 показан полевой транзистор с управляющим р-n-переходом, включенный по схеме с ОИ. При её анализе все напряжения будем рассматривать с учетом ихр-n переход (затвор)—(исток) подается обратное напряжение U_ио При его уменьшении глубина а обедненного слоя (заштрихованная область на рис. 6 — область объемного заряда)

Рис.6. Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом

возрастает, а токопроводящее сечение Ь канала сужается. При этом увеличивается сопротивление канала, а следовательно, сни­жается выходной ток транзистора. Поскольку напряжение U_зи прикладывается к р-n переходу в обратном направлении, ток I₃ ничтожно мал и практически не зависит от управляющего напряжения. .

Для полевых транзисторов входная характеристика (зависи­мость Iз от Uзи при фиксированном значении (Iси) не имеет практического применения и при расчетах используют только пе­редаточные и выходные ВАХ. На рис. 7 приведены выходные и передаточные характеристики полевого транзистора с управ­ляющим р-n-переходом для схемы включения с ОИ. Эти харак­теристики, подобно характеристикам биполярного транзистора, имеют нелинейный характер, а, следовательно, полевой транзистор

Рис. 7. Статические вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (схема ОИ): а — выходные; б — передаточные

как и биполярный, является управляемым нелинейным элементом цепи. Однако при сравнении их выходных характеристик очевидны существенные различия.

Отличительные особенности полевого транзистора. Из прин­ципа действия полевого транзистора вытекают две основные его особенности: в установившемся режиме работы входной ток полевого транзистора стремится к нулю инерционность левого транзистора в отличие от биполярного обусловлена только процессами пере заряда его входной и выходной емкостей. Казалось бы, что отсутствие процессов изменения объемного заряда не основных носителей дает преимущество полевому тран­зистору в быстродействии перед биполярным транзистором. Однако следует отметить, что конструкция полевого транзистора предполагает получение больших значений его входных и выходных емкостей. Последнее с увеличением частоты входного сигнала приводит к фактическому падению коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе. Действительно, по постоянному току коэффициент усиления полевых транзисторов стремится к бесконечности (входной ток стремится к нулю). При увеличении частоты входного сигнала входной ток полевого транзистора, определяется его входной емкостью, растет, что эквивалентно снижению значения коэффициента усиления. Поэтому принято считать, что общем случае по быстродействию, усилению и частотным свойствам полевой транзистор, как правило, не имеет преимуществ перед биполярным транзистором.

2. ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

2.1. Изучить теоритический материал.

2.2 Задание для выполнения лабораторной работы

2.2.1 Снять ВАХ диода

Схема для снятия прямой ветви ВАХ диода представлена на рис. 8

Рис. 8. Схема для снятия прямой ветви ВАХ диода

Схема для снятия обратной ветви ВАХ диода представлена на рис. 9:

Рис. 9. Схема для снятия обратной ветви ВАХ диода

2.2.2 Запустите программу Electronics Workbench и откройте из неё файл: ВАХ vd.ewb.

2.2.3 Установите значение тока на источнике равным 1 mA. Запустите процесс симуляции путем нажатия выключателя в правом верхнем углу. Снимите показания с вольтметра. Полученные данные занести в табл. 1:

Таблица 1.

2.2.4 Повторите измерения для различных положительных, отрицательных значений токов, прямой и обратной ветви ВАХ. Данные занесите в таблицу и представьте соответствующий график.

2.2.5 Откройте файл: ВАХ БТ.ewb.

2.2.6 Для снятия входных характеристик установите значение выходного напряжения U_КБ=5В. Изменяем ток I_э в пределах от 0,1мА до 50мА, зафиксировать значения входного напряжения U_ЭБ. Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2

2.2.7. Повторить измерения для значений выходного напряжения U_КБ 10В и 15В и данные занести в таблицу 2.

2.2.8. Представьте на одном графике каждую из 3-х ВАХ.

2.2.9 Для снятия выходных характеристик установите значение

I_э =1mA, а U_кб = 5В. Запустите процесс симуляции путем нажатия выключателя в правом верхнем углу. Снимите показания с амперметра I_к .

2.2.10 Снимите показания с амперметра I_к для значений U_кб 15 и 20В. Данные занесите в таблицу 3.

Таблица 3

2.2.11 Повторите шаги 8 и 9 для I_э =10mA и для I_э =100mA. Представьте на одном графике каждую из 3-х ВАХ.

2.2.12 Откройте файл ВАХ ПТ с p-n.ewb

2.2.13 Установите значение U_зи(U_g)= 0В. Запустите процесс симуляции путем нажатия выключателя в правом верхнем углу. Снимите показания с амперметра I_с(I_d).

2.2.14 Изменяя значения напряжения U_СИ в пределах 1-20В, снять показания амперметра, показывающего значение I_с для значений U_си 1 и 1.7В. Данные занесите в таблицу 4.

Таблица 4

2.2.15 Представьте на одном графике каждую из 3-х ВАХ.

3.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

3.1 Цель работы

3.2 Схемы ислледуемых диодов, транзисторов

3.3 Расчеты в соответствии с вариантом домашнего задания

3.4 Результаты измерений,представленные в виде таблиц и графиков

3.5 Вывод по работе

Лабораторная работа №2 Исследование каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе

1.ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАБОТЕ

Цель работы: приобретение навыков при исследовании каскада предварительного усиления на биполярном процессе и изучение процессов происходящих в них.

1. Теоретический материал

Требования к каскадам и режим работы

Каскад предварительного усиления предназначен для усиления тока или напряжения сигнала, создаваемого источником сигнала, до величины, необходимой для подачи на вход каскада мощного усиления.

В зависимости от условий работы каскады предварительного усиления разнообразны по использованию в них типов усилительных элементов, способов их включения, схем каскадов и пр. Для уменьшения числа каскадов предварительного усиления в них используют усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления (транзисторы с большим коэффициентом передачи тока h_21э). Способ их включения, режим работы, положение точки покоя на характеристиках усилительного элемента, электрические данные схемы межкаскадной связи выбирают таким образом, чтобы получить от каскада наибольшее усиление при допустимых частотных или переходных искажениях и возможно меньше потреблении мощности от источников питания.

Специфической особенностью каскада предварительного усиления является неполное использование характеристик усилительного элемента из-за малой амплитуды входного сигнала, вследствие чего параметры усилительного элемента за период сигнала изменяются незначительно. Вот почему коэффициенты усиления, тока и напряжения таких каскадов обычно определяются аналитически, без построения динамических характеристик переменного тока, используя малосигнальные параметры усилительных элементов, найденные для точки покоя (или взятые из справочника, если используется указанный в справочнике типовой режим).

В каскадах предварительного усиления для уменьшения нелинейных искажений и повышения стабильности показателей усилителя почти всегда используют режим А; с энергетической точки зрения это не вызывает затруднений, так как потребление мощности питания каскадами предварительного усиления невелико. Из-за малой амплитуды сигнала и работы в режиме А вносимые каскадами предварительного усиления нелинейные искажения ничтожны, и расчет коэффициента гармоник таких каскадов обычно не производят. Если напряжение сигнала на входе каскада предварительного усиления велико (и превышает несколько десятых вольта), то расчет коэффициента гармоник k_r проводят так же, как для каскада мощного усиления.

Транзисторы в каскадах предварительного усиления обычно включают с общим эмиттером (истоком); включение транзистора с общим коллектором (стоком) используется лишь в особых случаях для входных или выходных каскадов усилителя, когда эти каскады должны иметь специальные свойства. Включение транзистора с общей базой (затвором) целесообразно лишь для входных каскадов, работающих от источника сигнала с очень низким внутренним сопротивлением (порядка входного сопротивления транзистора при таком включении); в этом случае сквозной коэффициент усиления каскада может оказаться не ниже, чем при включении с общим эмиттером (истоком), а многие показатели каскада улучшатся.

Напряжение источника питания оконечного (выходного) каскада усилителя обычно оказывается вполне достаточным и для питания всех каскадов предварительного усиления с учетом включения в цепь питания развязывающих и сглаживающих фильтров. Для сокращения расхода энергии питания в каскадах предварительного усиления применяют маломощные усилительные элементы.

В транзисторных каскадах предварительного усиления как звуковой частоты, так и широкополосных нет необходимости строить нагрузочные прямые постоянного тока для выбора точки покоя; ток покоя выходной цепи транзисторов выбирают возможно малый, лишь обеспечивающий необходимую для подачи на следующий каскад амплитуду тока сигнала и удовлетворительные усилительные свойства используемого транзистора.