Часть 2. Измерение низкочастотных y – параметров транзистора и их зависимости от положения исходной рабочей точки.

Общие сведения.

Биполярный транзистор как трёхполюсный элемент может быть подклю­чен к схеме шестью способами. На практике используются только три из них. Эти способы иллюстрирует рис.4, на котором изображены эквивалентные схемы каскадов для переменного тока. Во всех схемах рис.4 один электрод тран­зистора является общим для входных1 – 1` и выходных

2 – 2` зажимов, в связи с чем схема рис.4,а называется схемой с общим эмитте­ром (ОЭ), рис.4,б – с общим коллектором (ОК), рис.4,в с общей базой (ОБ). Схемы рис.4 являются эквивалентными схемами исследуемого лабораторного макета (рис.3) для области основных, так называемых средних частот (СЧ). Каскады организуются таким образом, что в этой области частот оказываются справедливыми следующие допущения:

а) блокирующие и разделительные конденсаторы (С7, С2, С3, С9, С4, С6) имеют пренебрежимо малое сопротивление;

б) проводимости паразитных ёмкостей, шунтирующих пути прохождения сигнала, малы;

в) инерционные свойства транзистора не проявляются, в результате чего Y-параметры транзистора выражаются вещественными числами. Такие пара­метры транзистора называют низкочастотными g-параметрами.

При составлении эквивалентных схем для переменного тока источники питания заменяются коротким замыканием.

Наибольшее усиление K_P по мощности обеспечивает включение по схеме ОЭ (см. рис.4,а). Это включение называется основным. При основной схеме включения имеют место не только наибольшее усиление по мощности, но и существенные усиления по напряжению и току. Параметры основной схемы используются в качестве исходных при расчётах. Связи Y-параметров и, соот­ветственно, g-параметров транзистора при включениях ОБ и ОК с Y-параметрами включения ОЭ определяются соотношениями:

Y_11ОК = Y_11ОЭ; Y_11ОБ = Y_11ОЭ + Y_21ОЭ + Y_12ОЭ + Y_22ОЭ;

Y_21ОК = - Y_11ОЭ - Y_21ОЭ; Y_21ОБ = - Y₂₁;

Y_22ОК = Y_11ОЭ + Y_21ОЭ + Y_12ОЭ + Y_22ОЭ; Y_22ОБ = Y₂₂; (5)

Y_12ОК = - Y_11ОЭ - Y_12ОЭ; Y_12ОБ = - Y_12ОЭ - Y_22ОЭ.

Одним из распространённых описаний вольт-амперных характеристик транзистора, используемых при анализе свойств усилительных схем, является модель Эберса-Молла. Согласно этой модели,

I_К = I_Э = I_ОЭ exp(U_БЭ ∕m φ_T); (6)

g₂₁ = ∂ I_K ∕ ∂ U_БЭ = I_Э0 ∕ m φ_T; (7)

g₁₁ = ∂ I_Б ∕ ∂ U_БЭ = I_Э0 ∕ m φ_T h_21Э; g₁₂ = 0, (8)

где h_21Э – коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмитте­ром. Соотношения (7) и (8) вытекают из (6).

Известно также, что значение выходной проводимости g₂₂ как функции положения ИРТ приближённо со­ответствует формуле

g₂₂ = I_Э ∕ (|U_ЭР| + | U_КЭ|), (9)

где U_ЭР – потенциал Эрли.

Влияние потенциала Эрли на вид выходных вольт-амперных характеристик транзистора иллю­стрирует рис.5. На нём приведены построенные в соответствии с (9) графики зависимостей I_К от U_КЭ , аппроксимирующие указанные характеристики при U_КЭ0>U_нач.

Порядок выполнения второй части работы.

В ходе выполнения исследований по второй части для включения транзи­стора по схеме ОЭ (S5 – 1) необходимо определить значения параметров g₂₁, g₁₁ и g₂₂ и оценить характер их зависимости от I_Э0.

Измерение следует выполнить на частоте 1кГц при относительно не­больших значениях входного сигнала (U_ВХ = 10мВ). При измерениях необхо­димо иметь в виду, что Y – параметры транзистора соответствуют ре­жиму короткого замыкания входных и выходных зажимов транзистора. Поэтому из­мерение параметров необходимо осуществлять в условиях, когда внешние по отношению к транзистору цепи имеют по возможности малое со­противление. В ходе выполнения исследований измерение переменных потенциалов произво­дится с помощью цифрового вольтметра. Точки подклю­чения входов вольтметра и осциллографа определяются положениями переключателя S6.

1. Исследуйте зависимость параметра g₂₁ транзистора схемы ОЭ от тока I_Э0. Для этого при низкоомном источнике синусоидального сигнала (S1 – 1, S2 – 1) на частоте 1кГц в режиме, близком к режиму короткого замыкания на выходе (S4 – 1, S7 – 3), измерьте при ряде положений переключателя S3 (положениях 1…7) значения переменного напряжения U_ВЫХ на коллекторе транзистора (S6 – 2). Перед началом измерений установите на входе U_ВХ = 10мВ (S6 – 1, S7 – 1). По результатам измерений вычислите значения параметра g₂₁ по формуле

g₂₁ = U_ВЫХ(1 ∕ R6 + 1 ∕ R17) ∕ U_ВХ. (10)

Результаты измерений и вычислений представьте в виде графиков зависимостей g₂₁ = f(I_Э0), один из которых построен по результатам измерений, а другой – на основании вычислений по формуле (7) с подстановкой в неё значений I_Э и m, найденных при вычислениях по п.2 (порядок выполнения первой части работы).

2. Исследуйте зависимость входной проводимости g₁₁ от тока I_Э0. Измерения необходимо осуществлять при U_ВЫХ = 0 (S4 – 3), заземлённых по сигнальной составляющей , эмиттере (S5 – 1), коллекторе (S4 – 3) и при источнике сигнала с выходным сопротивлением R1= 240 Ом (S2 – 2) и ЭДС U_Г = 20мВ (S6 – 4, S7 – 1).

В ходе измерений необходимо для ряда значений тока I_Э0 (положения 1…7 переключателя S3) определить значения сигнального напряжения U_ВХ на базе транзистора (S6 – 1) и U`<sub>ВХ</sub> в точке “г” схемы рис.3. По результатам измерений U<sub>ВХ</sub> и U`_ВХ вычислите значения параметров g₁₁ и h₂₁ по формулам:

g₁₁ = [(U`_ВХ - U_ВХ) ∕ R1 U_ВХ ]– g_дел ; h₂₁ = g₂₁ ∕ g₁₁, (11)

где g_дел – полная проводимость цепи делителя, шунтирующего вход транзистора на переменном токе. Проводимость g_дел при различных положениях переключателя S3 принимает значения: 1 – 0.55, 2 – 0.65, 3 – 0.7, 4 – 0.75, 5 – 0.8, 6 – 0.9, 7 – 1.0 мСм.

Результаты измерений и вычислений представьте в виде графиков зависимостей g₁₁ = f(I_Э0) и h₂₁ = f(I_Э0), где g₁₁, h₂₁, I_Э0 – значения, вычисленные в соответствии с (11) и (2).

3. Исследуйте зависимость выходной проводимости g₂₂ транзистора от положения исходной рабочей точки. Измерения необходимо осуществить при низкоомном источнике сигнала (S2 – 1) и высокоомной коллекторной нагрузке (S4 – 5).

В ходе измерений для ряда значений тока I_Э0 (положения 1…7 переключателя S3) определите относительные изменения N = U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ сигнального напряжения на выходе каскада (S6 – 2), возникающие при шунтировании его выхода дополнительным сопротивлением R18 = 1кОм

(S7 - 2). При каждом из положений S3 рекомендуется сначала установить уровень входного сигнала, при котором U_ВЫХ = 0.1В (S6 – 2), а затем, измерить U`_ВЫХ при S7 - 2 . Значения параметра g₂₂ вычислите по формуле

. (12)

С помощью соотношения (9), результатов вычислений g₂₂ по формуле (12) и полученных в п.1 (порядок выполнения первой части работы)данных о I_Э, U_КЭ оцените значение потенциала Эрли.