9-10, библ.сп.. Лабораторная работа 9 изучение характеристик и параметров мдптранзистора
 Скачать 1.08 Mb.
|
|
Лабораторная работа №9 ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ МДП-ТРАНЗИСТОРА Цель работы:снятие и построение статических характеристик МДП-транзистора; определение параметров модели транзистора. Описание лабораторной установки Схема передней панели представлена на рис. 9.1. В центральной части изображена схема измерения параметров МДП-транзистора со встроенным каналом типа КП 305. Схема позволяет исследовать параметры полевого транзистора при нормальном (N) и инверсном (I) включении. Переключение из одного режима в другой осуществляется переключателем, расположенным в правой части стенда.  Рис. 9.1. Схема измерения параметров МДП-транзистора Для снятия статических характеристик в стенде установлены три плавно регулируемых генератора напряжения:
На затвор может быть подано как положительное, так и отрицательное относительно истока напряжение, на подложку – отрицательное, на сток – положительное. Для контроля напряжения соответствующих источников напряжения и тока стока в верхней части стенда расположены вольтметры и миллиамперметр. Для исследования влияния температуры на характеристики транзистора предусмотрен прогрев прибора до 60 С. Задания по выполнению лабораторной работы 1. Для нормального включения транзистора (режим N) при напряжении Uпи = 0 снять и построить стоковые характеристики Ic = f(Uси) при Uзи = const для шести значений Uзи. Используя стоковые характеристики, построить стоко-затворные характеристики Ic = f(Uзи) при Uси = const для двух значений Uси = 3 В, Uси = 8 В. 2. Снять и построить стоковые характеристики при Uпи = 2 В; 6 В. По данным п. п. 1 и 2 построить на одном графике стоко-затворные характеристики при Uси = 8 В и Uпи = 0, 2, 6 В. 3. Снять и построить зависимость напряжения отсечки от напряжения Uпи при прямом и инверсном включениях. 4. Для инверсного включения транзистора (режим I) снять и построить выходные характеристики Iи = f(Uис) при Uзс = const для трех значений Uзс и двух значений Uпс 0,6 В. 5. Включить подогрев. Повторить действия, начиная с п. 1. Определить температурный коэффициент ТКI для трех значений Uзс. Время подогрева 3-4 мин. Т = 60°. 6. По результатам экспериментов определить дифференциальные параметры малосигнальной эквивалентной схемы полевого транзистора: S, µ, Р при Uзи = Uзс = 0 для нормального и инверсного включений. Методические указания по выполнению лабораторной работы К пункту 1. Включить транзистор нормально (переключатель «Реж. N/I» в положении N). Установить Uпи = 0, Uзи = –2 В. Изменяя Ucи от 0 до максимального напряжения, снять зависимость IC(Uси). Аналогично снять характеристики при Uзи = –1; –0,5; 0; +0,5; +1; +2 В. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 9.1). Таблица 9.1. Результаты измерений
К пункту 2. Установить Uпи = 2 В и снять стоковые характеристики, как в предыдущем пункте для Uзи = –1; 0; +1; +2 В. Аналогично снимаются характеристики для Uпи = 6 В. К пункту 3. Установить Ucи = 5 В. Задавая последовательно Uпи = 0,2 В; 4 В; 6 В; 8 В, изменять Uзи до тех пор, пока ток IC будет меньше 0,1 мА (по прибору РА IС ≈ 0). Полученное значение Uзи принять за напряжение отсечки Uзио. Опыт повторить при инверсном включении транзистора. В инверсном режиме сток и исток меняются местами, учитывая это, необходимо для инверсного включения заменить обозначения: Uзи на Uзс, Uпи на Uпс, IС на Iи, Uси на Uис. Таким образом, при инверсном включении установить Uис = 5 В, задавать поочередно значения Uпc = 0; 2; 4; 6; 8 В, контролировать ток IC и фиксировать напряжение отсечки Uзсо. К пункту 4. Характеристики снимаются аналогично тому, как описано в указаниях к п.п. 1, 2 для нормального включения. Стоковые характеристики при одинаковых Uпи (Uпc) построить на одних графиках при прямом и инверсном включениях совместно с п.п. 1, 2 задания, откладывая по положительным направлениям IC и Uси, а по отрицательным – IИ и Uиc (рис. 9.2).  Рис. 9.2. Стоковые характеристики К пункту 5. Полученные характеристики построить совместно с характеристиками к п. 1 задания пунктирными линиями на стоковых и стоко-затворных характеристиках. Температурный коэффициент тока стока определить с учётом знаков для Uзи = –1; 0; +2 В по формуле  .К пункту 6. Если известно, что транзистор работает в линейном режиме при малых отклонениях, то используется мало сигнальная эквивалентная схема (рис 9.3). При указанных условиях подложка соединяется обычно с истоком. Ёмкость Сз-к затвора по отношению к каналу образует совместно с сопротивлениями σК канала и σИ истока RС-цепочку, снижающую крутизну S. Для статической модели основными параметрами являются: S – крутизна; Ri – внутреннее сопротивление и µ – коэффициент усиления по напряжению. Они связаны соотношением µ = S·Ri.  Рис. 9.3.Схема замещения транзистора Омическое сопротивление слоёв стока σC и истока σИ в первом приближении можно считать равными нулю. Крутизна S определяется по стоко-затворной характеристике (рис. 9.4)  . Рис. 9.4. Стоко-затворная характеристика Внутреннее сопротивление Ri определяется по стоковым характеристикам (см. рис. 9.2). Содержание отчета Отчет по работе должен содержать:
Вопросы и задания для домашней подготовки
Контрольные вопросы и задания 1. Нарисуйте структуру МДП-транзистора с индуцированным (встроенным) каналом; объясните принцип работы МДП-транзистора. 2. Поясните физику работы транзистора на крутом участке характеристик и проверьте формулу для тока. 3. Поясните физику работы транзистора на пологом участке и проверьте формулу для тока на этом участке. 4. Поясните влияние напряжения подложки на характеристики транзистора и проверьте формулу, учитывающую это влияние. 5. Нарисуйте стоко-затворные характеристики всех транзисторов с р- и n-каналами. 6. Объясните зависимость стоковых характеристик от температуры работы. 7. Объясните, как будет работать транзистор при подаче на сток-исток синусоидального переменного напряжения. Нарисуйте временную диаграмму работы. Библиографический список1 1. Агаханян, Тимур Маратович. Основы транзисторной электроники: учеб. пособие для вузов / под ред. Т. М. Агаханяна. — М.: Энергия, 1974. — 256 с.: ил. 2. Степаненко, Игорь Павлович. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / под ред. И. П. Степаненко. — М.: Энергия, 1977. — 762 с.: ил. 3. Анисимов, Борис Васильевич. Машинный расчет элементов ЭВМ: учеб. пособие для вузов / под ред. Б. В. Анисимова. — М.: Высш. шк., 1976. — 336 с.: ил. 4. Батушев, Владимир Алексеевич. Электронные приборы / под ред. В. А. Батушева. — М.: Высш. шк., 1960. — З84 с.: ил. 5. Лабораторные работы по курсу «Полупроводниковые приборы», — М.: МЭИ, 1986. — 44 с. Лабораторная работа №10 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ Цель работы: исследование схемных решений транзисторных усилителей мощности (УМ) и основных схем оконечных каскадов УМ, выявление требований к элементам усилителей мощности и принципов их расчета. Описание лабораторной установки На стенде смонтированы два выходных каскада усилителей мощности (УМ) переменного тока: трансформаторный двухтактный УМ по схеме с ОЭ (рис. 10.1, а) и бестрансформаторный двухступенчатый УМ на комплементарных (p-n-p и n-p-n) транзисторах, включенных в первой ступени по схеме с ОЭ, а во вто- рой – по схеме с OК (рис. 10.2).  а) б) Рис. 10.1. Двухтактный усилитель мощности с трансформаторной связью: а – схема; б – диаграммы коллекторных токов и напряжений Питание и нагрузка с измерительными приборами подключаются к усилителям тумблерами. Напряжение источника питания и ток нагрузки измеряются приборами, установленными на стенде. Источником переменного входного сигнала может быть использован звуковой генератор (ЗГ) или осциллограф с масштабированным усилением. Звуковой генератор можно применить и для исследования частотных характеристик. Ток источника питания замеряется амперметром. Мощность, потребляемая усилителем, определяется по формуле РИП = UИПIИП. Типы и параметры элементов усилителей:
 а) б) Рис. 10.2. Двухтактный усилитель мощности с конденсаторной связью: а – схема; б – диаграммы коллекторных токов и напряжений Задания по выполнению лабораторной работы 1. Подключить осциллограф к выходу усилителя по схеме рис. 10.1, а и, регулируя входное напряжение, определить предельные режимы усиления. Зарисовать форму кривых выходного напряжения при малых, больших и закритических (при появлении искажений и «срезов») амплитудах сигнала. Дать заключение о качестве настройки, подбора транзисторов и симметрирования усилителя. 2. Снять амплитудную характеристику UВЫХ = f(UВХ) усилителя, построить кривую потерь мощности источника питания PИП = f(UВЫХ) и КПД каскада η = f(UВЫХ). Графики построить на одних координатных осях в функции выходного напряжения. 3. Срисовать с экрана осциллографа формы напряжения и тока коллектора транзистора при большой и малой амплитудах сигнала. Кривые разместить совместно: с общей осью времени и координатой нуля. Дать заключение о режиме работы транзистора. 4. Произвести исследования по п.п. 1, 2 для бестрансформаторного усилителя. 5. Подключить к входу усилителя по схеме рис. 10.2, а звуковой генератор и снять частотную характеристику усилителя в пределах от 20 до 20000 Гц. Построить зависимости коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала КU = f(fВХ С) с логарифмическим масштабом по оси частоты, выражая коэффициент усиления в абсолютных значениях и в децибелах. Методические указания по выполнению лабораторной работы К пункту 1. Предельные режимы усиления – это режимы работы усилителя, при которых начинают появляться искажения в форме выходного сигнала. Для того, чтобы проконтролировать форму выходного сигнала, к нагрузке подключают осциллограф. Амплитуда входного сигнала задаётся от звукового генератора, подключаемого к входным гнёздам. К пункту 2. Для снятия амплитудной характеристики UВЫХ = f(UВХ) необходимо произвести несколько измерений выходного напряжения, меняя при этом уровень входного. Входное напряжение регулируется за счёт изменения выходного напряжения звукового генератора, подключаемого к входным гнёздам. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 10.1). Одновременно с этим занести в табл. 10.1 значения тока IК, измеренного миллиамперметром. Таблица 10.1. Амплитудная характеристика усилителя
Кривая потерь мощности PИП = f(UВЫХ) (или мощность, потребляемая каскадом от источника питания) может быть построена с использованием данных из табл. 10.1 и выражения PИП = 2IКМ·EК/π, где IКМ – амплитудное значение тока коллектора (IКМ =  IК); EК – устанавливается равным 12 В.КПД каскада  ,где КТ – коэффициент трансформации трансформатора Т2 (принимают КТ = 1); ЕК – контролируют по вольтметру; UКМ = UВЫХ/2. Содержание отчета Отчет по работе должен содержать:
Задания для домашней подготовки 1. Изучить работу выходных каскадов усилителей мощности и способы обеспечения их экономичности. 2. Пользуясь научной литературой, выяснить причины возможных искажений усиливаемых сигналов, методы снижения искажений и принципы выбора транзисторов. 3. Для трансформаторной схемы УМ к параметрам нагрузки PHmax = 3 Bт, UНЭmax = 3 В, IНЭ = 1 А, UИП = 12 В определить коэффициент трансформации, потери мощности в транзисторах и КПД каскада: а) при максимальном усиливаемом сигнале; б) в режиме максимальных потерь; в) при UНA = 0,1UИП. 4. Для бестрансформаторной схемы УМ с данными нагрузки по п. З определить оптимальное напряжение питания, расчетные напряжения, токи и мощности рассеяния (нагрева) транзисторов. 5. Ответить на вопрос, каким образом можно скомпенсировать различие коэффициентов усиления β1 и β2 транзисторов в двухтактных схемах УМ: а) по входным цепям; б) с помощью обратных связей. Привести схемные решения. Краткие теоретические сведения Усилители мощности являются выходными каскадами усилительных устройств, к которым подключается внешняя нагрузка (электромагниты, электродвигатели, реле, громкоговорители и т. д.). Усилители мощности могут быть выполнены как усилители переменного тока с трансформаторным или конденсаторным подключением входов и выходов и как усилители медленно меняющихся сигналов – с непосредственной связью. Схемные различия и потребительские свойства этих двух видов УМ аналогичны тем же качествам маломощных (входных и промежуточных) каскадов, поэтому здесь рассматриваются только УМ переменного тока с точки зрения особенностей режимов работы транзисторов в УМ и их расчета. Для УМ одним из решающих факторов качества и надежности является КПД и нагрев транзисторов, поэтому их выходные каскады, как правило, выполняются по двухтактным схемам с работой транзистора в экономичных классах линейного усиления В или АВ. При работе в идеальном классе В в режиме покоя токи коллекторов транзисторов близки к нулю, напряжения на коллекторах равны напряжению источника питания в трансформаторной схеме и 1/2UИП в схеме с конденсаторной связью. В режимах усиления малых амплитуд (UНA = 0,2UИП) напряжение на транзисторах снижается незначительно, а средний ток коллекторов в рабочие полупериоды равен среднему току нагрузки (IКСР =  ), следовательно, потери мощности на нагрев транзисторов прямо пропорциональны току нагрузки. В классе А ток покоя равен половине максимального тока и потери на нагрев транзистора в режиме покоя равны максимальной мощности в нагрузке.Мощность, выделяемая в нагрузке при синусоидальном выходном напряжении PН =  ,где  , IНA – амплитудные значения напряжения и тока нагрузки, приведенные к первичной (коллекторной) обмотке трансформа-тора: = KTUНA;  = IН/КТ;  = КT2RН – приведенное сопротивление нагрузки; КТ = w1/w2 – коэффициент трансформации; w1 – число витков одной первичной полуобмотки.При больших амплитудах напряжения на нагрузке (близких к напряжению источника питания) мощность нагрева транзисторов определяется выражением РНТ =  sinωtdωt =  .В данном выражении в правой части первое слагаемое есть мощность, потребляемая каскадом от источника питания: РИП =  ; а второе (вычитаемое) – мощность в нагрузке, соответствующая мощности, выделяемой в нагрузке при синусоидальном выходном напряжении.В соответствии с выражением РИП =  мощность нагрева транзисторов PНT зависит от величины входного сигнала и имеет экстремум (максимум) при UНA = 2UИП/π = 0,64UИП.Подставляя это значение в выражение для РНТ, получим максимальную мощность потерь на нагрев транзисторов РНТmax =  .Эта мощность на 20 % меньше, чем в классе А, и разделяется на два транзистора. Из диаграмм работы трансформаторного УМ (рис. 10.1, б) видно, что при передаче максимальной амплитуды напряжения UНA = UИП на закрытом транзисторе формируется первичной обмоткой выходного трансформатора полуволна с той же амплитудой, согласная с напряжением питания, т.е. максимальное напряжение составляет UКmax = 2UИП. Согласно этой величине производится выбор транзисторов по напряжению. Согласование напряжения питания с требуемым напряжением нагрузки UНЭ (эффективная величина) производится выбором коэффициента трансформации по соотношению КТ =  .Выбор транзисторов по току производится по величине IКmax =  ·IНЭ/КТ.В бестрансформаторных усилителях мощности выходной конденсатор С2 связи с нагрузкой в режиме покоя заряжен до половины напряжения питания: UК = UИП/2 и при условии XС2 << RH его емкость С2 >> 1/(2πfRН). В процессе работы каскада приращение напряжения на нем незначительно, т.е. токи iКЗ и iК4 выходных транзисторов вызывают соответствующие (положительный и отрицательный) полупериоды напряжения на нагрузке и приращения коллекторных напряжений на транзисторах (см. рис. 10.2, б). При этом максимальное коллекторное напряжение на закрытом транзисторе достигает удвоенного напряжения покоя (при максимальной амплитуде передаваемого сигнала) и все энергетические показатели аналогичны соответствующим показателям трансформаторного каскада. Однако, поскольку здесь напряжение питания каскада приходится подбирать в соответствии с данными нагрузки, не всегда удается осуществить оптимальный выбор транзисторов и их рабочих режимов. При возможности для этих усилителей подбирается нагрузка, согласованная по параметрам с транзисторами и питанием. Контрольные вопросы и задания
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Библиографический список дан только для лабораторной работы №9. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||