Лабораторная работа 4

Исследование биполярного транзистора

В АКТИВНОМ РЕЖИМЕ. ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Цель работы

1. Освоить методику экспериментального исследования транзисторных схем на постоянном и переменном токах.

2. Исследовать передаточную характеристику каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ.

3. Убедиться в том, что биполярный транзистор может использоваться для усиления электрических сигналов по напряжению.

Подготовка к выполнению работы

1. Изучите разделы курса, посвященные биполярному транзистору, его работе в активном режиме и использованию транзистора для усиления электрических сигналов [1, п. 3.1 - 3.3].

2. Изучите порядок выполнения работы и подготовьте протокол для ее выполнения.

Порядок выполнения работы

1. Исследование ПЕРЕДАТОЧНОЙ характеристикИ транзисторНОГО КАСКАДА

Соберите приведенную на рис. 4.1 схему простейшего усилительного каскада, в котором n-p-n-транзистор включен по схеме ОЭ (обозначения выводов транзистора приведены на рис. 4.2).

Установите напряжение источника питания E2 = 15 В и не изменяйте его до окончания работы. Увеличивая напряжение источника питания E1, проследите за изменением тока коллектора I_к и напряжений U_бэ и U_кэ. Обратите внимание на то, что при малых значениях U_бэ ˂ U^* ток коллектора отсутствует, поскольку эмиттерный переход заперт, и транзистор находится в режиме отсечки. При этом коллекторный переход запирается напряжением U_кэ. При U_бэ ˃ U^* отпирается эмиттерный переход, в результате чего появляется и увеличивается ток I_к. Транзистор оказывается в активном режиме. При этом за счет увеличения падения напряжения на резисторе R_к уменьшается напряжение U_кэ. При очень маленьких значениях U_кэ ˂ U_бэ напряжение на коллекторном переходе становится отпирающим, и транзистор переходит в режем насыщения. При этом рост тока I_к насыщается.

Рис. 4.1

Рис. 4.2

Зафиксируйте максимальное значение напряжения U_бэ и соответствующие ему значения тока I_к и напряжения U_кэ. Уменьшая напряжение источника питания E1 до нуля, снимите зависимость тока I_к от напряжения U_бэ и зависимость напряжения U_кэ от напряжения U_бэ (передаточную характеристику транзисторного каскада); значения измеряемых величин записывайте в табл. 4.1 и одновременно отмечайте точки на графике 4.1. Укажите на графике участки передаточной характеристики, соответствующие отмеченным выше режимам работы транзистора.

Таблица 4.1

Uбэ	В
Iк	мА
Uкэ	В

Изменяя с помощью источника питания E1 напряжение U_бэ установите рабочую точку по постоянному току посредине падающего участка передаточной характеристики и укажите ее на графике 4.1. Зафиксируйте соответствующие этому положению рабочей точки напряжения U_бэ и U_кэ. Не разбирайте собранную схему.

2. Исследование УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Для проверки и настройки измерительных приборов на переменном токе соберите схему, приведенную на рис. 1.4 (см. описание лабораторной работы

1 ). Проведите проверку и настройку приборов, установив в режиме синусоидальных колебаний частоту генератора f_Г = 1 кГц и действующее значение напряжения на его выходе U_Г = 100 мВ.

Рис. 4.3

Подключите измерительные приборы к собранной в предыдущем пункте схеме (рис. 4.1) таким образом, чтобы в результате была получена схема, приведенная на рис. 4.3. Переключите вольтметры в режим измерения постоянных напряжений и проверьте положение рабочей точки по постоянному току (она должна соответствовать середине падающего участка передаточной характеристики). Переключите вольтметры в режим измерения переменных напряжений. В дальнейшем указаний на то, в какой режим следует переключать вольтметры, не будет. Этот вопрос должен решаться в зависимости от того, какое напряжение (постоянное или переменное) необходимо измерить.

Изменяя уровень выходного напряжения генератора U_г установите действующее значение переменного напряжения на входе каскада (на базе транзистора) U_вх = 10 мВ. Убедитесь в отсутствии нелинейных искажений выходного сигнала (отсутствии его ограничения сверху, снизу или с обеих сторон). При появлении нелинейных искажений уменьшите входное напряжение до уровня, обеспечивающего отсутствие искажений. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного сигналов. Обратите внимание на фазовые соотношения между этими сигналами. С помощью вольтметра определите действующее значение выходного напряжения U_вых и рассчитайте коэффициент усиления каскада по напряжению K_U = U_вых / U_вх.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА

Проверьте еще раз положение рабочей точки по постоянному току (она должна соответствовать середине падающего участка передаточной характеристики). Установите напряжение входного сигнала U_вх, обеспечивающее отсутствие нелинейных искажений выходного сигнала.

Уменьшая с помощью источника питания E1 напряжение U_бэ смещайте положение рабочей точки вверх по крутому участку передаточной характеристики до появления заметного ограничения выходного сигнала. Зафиксируйте постоянное напряжение U_бэ и напряжение входного сигнала U_вх. Зарисуйте осциллограмму выходного сигнала и укажите с какой стороны оказывается ограничен сигнал (сверху или снизу). Отметьте в каком режиме оказывается транзистор при наличии данного вида ограничения сигнала.

Повторите все указанное в предыдущем абзаце увеличивая напряжение U_бэ.

Установите рабочую точку по постоянному току посредине крутого участка передаточной характеристики. Увеличивайте напряжение входного сигнала до появления заметного ограничения выходного сигнала сверху и снизу. Зафиксируйте напряжение входного сигнала U_вх и зарисуйте осциллограмму выходного сигнала.

4. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ

ПО НАПРЯЖЕНИЮ

Для расчета используйте график 4.1. В окрестности рабочей точки,

соответствующей середине крутого падающего участка передаточной характеристики, задайте малое приращение напряжения ΔU_бэ и определите соответствующее ему приращение напряжения ΔU_кэ. Величина ΔU_бэ должна выбираться таким образом, чтобы участок передаточной характеристики, соответствующий этому приращению, можно было считать линейным.

Рассчитайте коэффициент усиления по напряжению K_U = ΔU_кэ / ΔU_бэ. Сопоставьте расчетное и экспериментальное значения коэффициента усиления.