2 .5. Вопросы для самоконтроля

1. Для чего в ЭО применяется синхронизация ?

2. Почему все электроды прожектора ЭЛТ изготовляются

цилиндрической формы?

3. Почему в ЭЛТ применяют высокие напряжения на втором аноде

элект­ронного прожектора?

4. Изменится ли фокусировка луча в ЭЛТ с электростатическим управлением

при изменении потенциала модулятора?

5. Какие из указанных ниже равенств удовлетворяют условию синхронизации

напряжения развертки с напряжением исследуемого сигнала: 1) f_Р = 5f_С;

2) f_Р = 0,2f_С; 3) f_Р = 3,5f_С; 4) f_C = 3,5f_P; 5) f_Р = 0,1f_С, где f_Р – частота пилообраз-

ного напряжения развертки; f_C – частота исследуемого сигнала.

6. Что нужно сделать, чтобы на экране отобразилась 1/4 часть периода

исследуемого сигнала?

7. О чем говорит перемещение изображения вправо (влево) по экрану и как его

остановить?

8. Как с помощью однолучевого ЭО измерить сдвиг фаз одного сигнала относи-

тельно другого той же частоты?

3. Лабораторная работа № 1 исследование биполярного транзистора

Цель работы: углубить и закрепить полученные знания по принципу действия и режимам работы биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

3.1. Краткие теоретические сведения

Биполярным транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электронно-дырочными переходами. При использовании транзисторов в схемах один из выводов у них является общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой из выводов транзистора общий, различают три схемы включения: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), показанные на рис. (рис. 1).

Рис. 1. Схемы включения биполярного транзистора

Работа каждой из схем характеризуется двумя входными I_ВХ, U_ВХ и двумя выходными I_ВЫХ, U_ВЫХ величинами. На рис. 1 для каждой из трех схем указаны направления токов и полярности напряжений для активного режима работы транзистора¹.

В зависимости от того, включена нагрузка в выходную цепь или нет, различают статический (нагрузка отсутствует) и динамический (нагрузка включена) режимы работы транзистора.

Физические процессы, происходящие в транзисторе, находят отражение в статических и динамических характеристиках для различных схем включения.

В лабораторной работе исследуется транзистор p-n-p типа, включен-ный по наиболее распространенной схема с общим эмиттером. Схема для исследования биполярного транзистора приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема для исследования биполярного

транзистора p-n-p – типа

В статическом режиме работы снимаются статические входная, выходная и переходная характеристики, в динамическом  динамическая переходная характеристика.

Входные статические характеристики

Входная статическая характеристика (при отсутствии резистора R2 в цепи коллектора – контакт SA замкнут) представляет собой зависимость I_Б = f (U_БЭ) при U_КЭ = coпst.

С емейство входных характеристик транзистора для различных напряжений U_КЭ представлено на рисунке 3, а.

Левая характеристика семейства снята при U_КЭ = 0, то есть когда движок потенциометра R3 находится в крайнем нижнем (по схеме) положении (см. рис. 2). При этом p-области обоих р-п переходов объединены и р-п переходы транзистора оказываются соединенными параллельно по отношению к источнику Е_Б (рис. 3, б). Если при этом U_БЭ < 0 (“–” приложено к базе, а “+” к эмиттеру – прямая ветвь входной характеристики для транзистора p-n-p типа, как показано на рис. 3, б), то оба р-п перехода получат прямое смещение и транзистор будет работать в режиме насыщения (максимально открыт). Ток базы в этом случае равен сумме прямых токов через эмиттерный и коллекторный переходы, как видно из рис. 3, б: I_Б=I_Э+I_Кпр.

Если U_БЭ = 0 (движок потенциометра R1 находится в крайнем нижнем, по схеме, положении) эмиттерный переход закрыт внутренним полем p-n перехода (φ_pn= U_ВНУТ). В этом случае транзистор находится на границе

режима отсечки² (закрыт) и в базовой цепи будет протекать обратный (тепловой) ток коллектора I_Б=I_КS=I_КБО, условленный собственной проводимостью полупроводника и действием обратного напряжения U_КБ (риc. 3 в).

При подаче на коллектор отрицательного потенциала U_КЭ < 0 (перемещение движка потенциометра R3 вверх по схеме) прямые ветви зависимости I_Б = f (U_БЭ) смещаются вправо и вниз. Мы видим, что при одном и том же напряжении U_БЭ ток базы уменьшается с увеличением U_КЭ. При U_КЭ > U_БЭ транзистор работает в активном режиме.



Чем больше напряжение U_КЭ обратно смещенного коллекторного перехода, тем он становится шире (как показано на рис. 3, в штриховкой), и тем меньше активная ширина базы (изначально самой узкой области транзистора). Это явление называется эффектом Эрли. Следовательно, становится меньше основных носителей зарядов (в данном случае примесных электронов в обедненной n области базы), а значит, увеличивается сопротивление и уменьшается ток базы.

По входным характеристикам определяется входное сопротивление транзистора (по переменному току полезного сигнала) в окрестности точки покоя (т.е. в приращениях):

(1)

Определение R_ВХ^ОЭ для произвольной точки А на входной характеристике показано на рис. 3, а. Очевидно, что величина R_ВХ^ОЭ различна в разных точках характеристики и имеет наибольшее значение в начале кривой, где I_Б мало, и наименьшее в верхней части характеристики.

Выходные статические характеристики

С емейство выходных статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляет собой зависимость I_К = f (U_КЭ) при I_Б = coпst и для различных значений тока базы изображено на рисунке 4, а.

Нижняя характеристика совпадает с обратной ветвью вольтамперной характеристики коллекторного перехода, когдаа эмиттерный переход закорочен – случай для U_БЭ = 0 (см. рис. 3, в).

Если напряжение U_БЭ < 0 (“–” приложено к базе, а “+” к эмиттеру) через эмиттерный переход начинается инжекция основных носителей тока (возрастает прямой ток в цепи эмиттер-база, направленный навстречу обратному току I_КБО = – I_КS), При достижении прямым током базы значения обратного, т.е при I_{Б ПР} = I_КБО, суммарный ток в цепи базы становится равным нулю (точки пересечения нижними графиками оси абсцисс на рис. 3, а).

Это режим неглубокой отсечки транзистора (т.к. эмиттерный переход не смещен в обратном напряжении), а выходная характеристика при токе базы I_Б = 0 является его верхней границей. Ток коллектора в этом случае определяется выражением (полученным при изучении вопроса температурной стабилизации транзистора):

I_К = I_Б + ( +1)I_KS = ( +1)I_KS , (2)

т.е. в ( +1) раз больше, чем обратный ток I_KS коллекторного перехода.

При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения U_БЭ (прямого для эмиттерного перехода, см. рис. 3, б) появится прямой ток базы I_Б и ток коллектора, в соответствии с (2), возрастает на величину I_Б.

Каждая характеристика имеет два участка:

– начальный крутой (при малых изменениях напряжения на коллекторе U_КЭ);

– пологий протяженный (при больших изменениях напряжения на коллекторе U_КЭ).

Крутой участок соответствует режиму насыщения (оба перехода открыты), когда U_БЭ  U_КЭ и ток коллектора I_К быстро растёт с возрастанием U_КЭ (I_К = U_КЭ/R_{КЭ мин}). Предельный случай, когда U_КЭ = 0, приведен на рис. 3, а, б.

Пологий участок характеристики формируется, когда становится U_КЭ > U_БЭ. Коллекторный переход при этом закрывается (обратным напряжением U_КЭ – U_БЭ) и возрастает его обратное сопротивление (коллекторный переход расширяется), что обуславливает малое приращение I_К с ростом U_КЭ (I_К =(U_КЭ/R_КЭ)  const).

Наклон пологих участков характеристик обусловлен влиянием напряжения U_КЭ на эмиттерный переход и эффектом Эрли.

По выходным статическим характеристикам (рис. 4, а) определяется выходное сопротивление транзистора в статическом режиме и статический коэффициент усиления по току  в окрестности точки покоя по формулам:

при I_Б = const; (3)

при U_КЭ = const, (4)

где I_К1 и I_К2 – соответствующие приращения тока коллектора, снятые с графика на рис. 4, а.

Переходная статическая характеристика (ПСХ) транзистора представляет собой зависимость I_К = f(I_Б) при U_КЭ= const. ПСХ позволяет непосредственно с графика найти статический коэффициент усиления по току , используя соответствующие приращения I_Б и I_К (см. рис. 4, б для точки А^CТ).

Переходная динамическая характеристика (ПДХ) отражает зависимость I_К=f(I_Б) при U_КЭ = var – нижняя характеристика на рис. 4, 6. По данной характеристике может быть определен динамический коэффициент усиления по току K_I, (например, в точке А^ДИН на рис. 4, б):

(5)

Напомним, что ПДХ характеризует работу транзистора в динамическом режиме, когда в цепь коллектора включено сопротивление резистора R_К (тумблер SA на рис. 2 разомкнут). В этом случае последовательно включённые резистор R_К и сопротивление транзистора R_КЭ представляют собой делитель напряжения, соотношение напряжений на котором, в соответствии с законом Кирхгофа, имеет вид:

Е_К = U_КЭ + U _Rк

Откуда, выходное напряжение с нижнего плеча делителя (в нашем случае это напряжение на транзисторе U_КЭ) определяется выражением:

U_КЭ = Е_К – U _Rк = Е_К – I_КR_К

Это выражение представляет собой основное уравнение динамического режима работы транзистора, из которого следует, что при постоянных значениях Е_К и R_К (что обычно имеет место) падение напряжения на транзисторе U_КЭ (выходное для схемы) является однозначной функцией тока коллектора I_К. В свою очередь, ток I_К, в окрестности точки покоя, практически линейно зависит от тока базы I_Б

I_К = К_I I_Б,

где К_I – коэффициент пропорциональности.

Эту зависимость и отражает переходная динамическая характеристика (ПДХ).

Из графиков видно, что ПСХ идет круче ДПХ, следовательно β > K_I.

Статическая и динамическая переходные характеристики транзистора снимаются экспериментально или строятся по статическим выходным характеристикам и нагрузочной прямой для каждого из режимов. На рис. 5 представлена методика построения переходных характеристик, из которой видно, что нагрузочная прямая для статического режима вырождается в вертикальную прямую при U_КЭ = E_К = const