ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Томский Политехнический университет»
Факультет автоматики и вычислительной техники
Кафедра оптимизации систем управления
Отчет по лабораторной работе №3
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Выполнила
студентка гр. 8В73 ____________
Руководитель ____________
Томск 2009
1. Цель работы:
- получение практических навыков схемного введения биполярного транзистора в заданный режим покоя;
- определение основных свойств транзистора в усилительном и ключевых режимах;
- овладение методикой работы в учебной лаборатории в программно-аппаратной среде NI ELVIS.
2. Ход лабораторной работы:
2.1. Получим ВАХ транзистора VT1:
Собираем схему для снятия выходных ВАХ биполярного транзистора VT1 (рисунок 1).
Рисунок 1. Схема эксперимента для снятия выходных ВАХ
транзистора в программно-аппаратной среде NI ELVIS.
Получили выходные ВАХ биполярного транзистора VT1(рисунок 2).
Рисунок 2. Выходные ВАХ биполярного транзистора VT1
Собираем схемы для снятия входных ВАХ биполярного транзистора. Входные характеристики получим для двух значений выходного напряжения Uкэ=0 (рисунок 3а) и Uкэ=+5V (рисунок 3б). VT1.
а) б)
Рисунок 3. Схемы для снятия входных ВАХ транзистора в программно-аппаратной среде NI ELVIS:а) Uкэ=0V(рисунок 4); б) Uкэ=+5V(рисунок 5).
Получили входные ВАХ :
Рисунок 4. Входные ВАХ биполярного Рисунок 5. Входные ВАХ биполярного
транзистора VT1 при Uкэ=0V транзистора VT1 при Uкэ=+5V
2.2. Исследование усилительного режима транзистора:
2.2.1. Регулирование координат рабочей точки покоя.
Собираем схему эксперимента (рисунок 6):
Рисунок 6. Схема эксперимента для измерения координат рабочих точек транзистора.
Вызываем из меню NI ELVIS регулируемый источник питания (VPS), осциллограф (Oscilloscope).
На виртуальной панели источника VPS устанавливаем 0,00 В.
Измеряем напряжение на коллекторе (рисунок 7).
Рисунок 7. Осциллограф, показывающий напряжение на коллекторе.
Вывод: Как и предполагается, напряжение на коллекторе близко к напряжению +9В, которое выдается стабилизатором макетной платы станции.
На выходных ВАХ транзистора, полученных ранее, построим нагрузочную прямую по постоянному току (рисунок 8).
Построим нагрузочную прямую по двум точкам:
1) При Iк = 0 А, Ек = Uкэ = 9 В;
2) при Uкэ= 0 В, 
.
Рисунок 8. Нагрузочная прямая по постоянному току.
Произвели расчет ориентировочных значений Supply+ для трех рабочих точек с координатами UКЭ1 = 2 В, UКЭ2 = 5 В, UКЭ3 = 7 В, используя приближенную формулу: Supply+ = IБ × R4 + 0,6.
Iб =60мкА
Uкэ = 2В; IБ = 87мкА;
Uкэ = 5В; IБ = 51мкА;
Uкэ = 7В; IБ = 26мкА;
Supply+1 = 87 × 10-6 × 100 × 103+0,6 = 9,3 В;
Supply+2 = 51 × 10-6 × 100 × 103+0,6 = 5,7 В;
Supply+3 = 26 × 10-6 × 100 × 103+0,6 = 3,2 В;
На виртуальной панели источника VPS изменяем значения Supply+ до необходимых значений UКЭ1 = 2 В, UКЭ2 = 5 В, UКЭ3 = 7В (таблица 1.).
Таблица 1. Теоретически и экспериментально полученные значения Supply+ для трёх рабочих точек.
Uкэ (В) | Supply+ теор. (В) | Supply+ эксп. (В) |
2 | 9,3 | 9,34 |
5 | 5,7 | 5,84 |
7 | 3,2 | 3,37 |
Изменения напряжения Supply+ ведут к изменению координат рабочей точки. При этом изменения их положения происходят по нагрузочной прямой постоянному току. Экспериментальные и теоретические значения
· Задаемся координатой рабочей точки транзистора при UКЭ2 = 5 В, 
и определили в окрестностях этой точки значения h-параметров транзистора (рисунок 10.): Iб = 51 мкА;
Рисунок 10. Графические построения для определения h параметров.
Нашли параметры h11Э и h12Э схемы с ОЭ на семействе входных характеристик в рабочей точке А в соответствии с графическими построениями:
В рабочей точке А на выходных характеристиках определим параметры h21Э и h22Э:
Зафиксируем изменения координат рабочей точки с помощью осциллографа. Для этого отключаем цифровой мультиметр DMM и включаем осциллограф. Используем открытый вход осциллографа (Coupling) no Canned A, включаем Display (On) и Cursor (On). Грамотно выбрав масштаб, наблюдаем на экране осциллографа изменение координаты UКЭ рабочей точки при вариации напряжения Supply+.
Устанавливаем последовательно значения Supply+1, Supply+2, Supply+3 предыдущего пункта и с помощью курсора определяем UКЭ1, UКЭ2, UКЭ3 (таблица 2).
Таблица 2. Значения UКЭ1, UКЭ2, UКЭ3.
Uкэ (В) | 2,05 | 5,09 | 7,102 |
Supply+ (В) | 9,34 | 5,84 | 3,37 |
2.3. Исследование усилительного режима транзисторного каскада:
ü Построим на выходных ВАХ транзистора три нагрузочные прямые по переменному току, соответствующие включенной дополнительной нагрузке RL для трех режимов покоя при UКЭ1= 2 В, UКЭ2=5 В, UКЭ3 = 7 В (рисунок 11.).
Сопротивление нагрузки транзистора по переменному току:
Ом
Нагрузочные прямые по переменному току проходят через соответствующие точки режима покоя:
1)Iк11= 5,8 мА, Uкэ11= 2 В
2)Iк12= 3,25 мА, Uкэ12= 5 В
3)Iк13= 1,65 мА, Uкэ13= 7 В
и точки с координатами:
Iк21= 0, Uкэ21= Uкэ11+ Iк11*R~= 2 + 5,8*10 –3 * 800 = 6,64В
Iк22= 0, Uкэ22= Uкэ12+ Iк12*R~= 5 + 3,25*10 –3 * 800 = 7,6 В
Iк23= 0, Uкэ23= Uкэ13+ Iк13*R~= 7 + 1,65*10 –3 * 800 = 8,32 В
Рисунок 11. Три нагрузочные прямые по переменному току на выходных ВАХ транзистора.
ü Собрали схему эксперимента (без RL), изображенную на рисунке 12.
ü Для каждой рабочей точки определили максимальную амплитуду и действующее значение выходного гармонического напряжения при выключенной и включенной нагрузке RL. Полученные значения занесли в верхнюю строку таблицы 3.
Таблица 3. Значения Uвых max при выключенной и включенной нагрузке RL.
Значение Uвых max | Значение UКЭ | |||||
UКЭ1= 2 В | UКЭ2=5 В | UКЭ3 = 7 В | ||||
R7 | R7,RL | R7 | R7,RL | R7 | R7, RL | |
Теоретическое | 1,2 | 1,2 | 4 | 2,65 | 2 | 1,3 |
Практическое | 1,15 | 1,1 | 3,85 | 2,54 | 1,97 | 1 |
Вывод: Теоретические ожидания, как и ожидалось, оправдались проделанным опытом.
ü Установили рабочую точку, инициируя VPS, с координатой UКЭ2=5В, учитывая требуемое значение Supply+2. На коллектор транзистора включили осциллограф Scope при открытом входе.
Рисунок 12. Схема усилительного каскада ОЭ на биполярном транзисторе
ü Выбрали из меню функциональный генератор FGEN. Установили частоту гармонического сигнала 1 кГц, значение 10 мВ (рисунок 13). Проверили включение питания макетной платы. Просмотрели выходной сигнал на экране осциллографа. С помощью включенного курсора определили значение выходного сигнала. Определили коэффициент усиления каскада. Сравнили полученное значение с теоретически рассчитанным, используя ранее определенные h-параметры для этой рабочей точки. Заполнили таблицу 3.
Рисунок 13. Входное и выходное напряжения усилительного каскада(без RL).
ü Подключили дополнительную нагрузку RL и повторили действия предыдущих двух пунктов.
Установим выходное напряжение FGEN, равным 20 мВ. Появляется отсечка выходного напряжения (рисунок 14.), т. к. транзистор закрывается, а следовательно оба p-n перехода смещены в обратном направлении. Ток базы равен нулю и следовательно ток коллектора тоже будет равен нулю.
а) (без RL) б) (с RL)
Рисунок 14. Входное и выходное напряжения усилительного каскада.
Выберем на основании проделанного анализа координату рабочей точки, с которой можно получить максимальную амплитуду выходного гармонического напряжения без отсечки. Зафиксируем это значение с помощью осциллографа (рисунок 15) и сравним со значением, полученным при графических построениях на ВАХ транзистора с нагрузочными прямыми, определяемыми R7 и RL.
Рисунок 15. Значение максимальной амплитуды выходного гармонического напряжения без отсечки.
Вывод: Если будут усиливаться однополярные входные сигналы положительной полярности, то целесообразнее взять рабочую точку в режиме покоя при при UКЭ1= 2 В, а для отрицательной при отрицательной полярности UКЭ3 = 7 В. Так как при увеличении входного сигнала входного сигнала произойдёт в первом случае сначала ограничение отрицательной полуволны, а во втором – положительной.
2.4. Исследование ключевого режима транзистора.
2.4.3. Исследование ключа ОЭ:
Переберем схему (рисунок 16) выше, заменив в ней источник сигнала управления. Вместо источника VPS подключим функциональный генератор FGEN. Вместо резистора R7 поставим более высокоомный резистор R15=10кОм, чтобы ввести транзистор в режим насыщения при ограниченных амплитудных возможностях FGEN (2.5В) по сравнению с VPS (12В), так как используемый транзистор имеет коэффициент усиления порядка 50, а R3=20кОм оставлен в схеме.
Выберем из меню FGEN, установим прямоугольную Waveform, установим частоту 1kHz, нулевое значение DC Offset и амплитуду импульсов Peak Amplitude, равную 2,5V.
Подключили Scope каналом CHA+ к входу схемы, а каналом CHB+ к выходу ключа ОЭ.(рисунок 19).
Рисунок 19. Осциллограмма.
Вывод: Транзистор в ключевом режиме полностью пропускает все входные импульсы с генератора.
3. Вывод о проделанной работе:
Были исследованы различные режимы работы биполярного транзистора, такие как усилительный и ключевые. Усилительный режим транзистора обычно используется в усилительных каскадах усилителя. Для усиления входного напряжения.
В ключевом же режиме усилительные свойства транзистора отсутствуют и этот режим применяется для замыкания и размыкания цепи. К ключевым режимам относятся режим отсечки и режим насыщения биполярного транзистора. Первый реализуется, когда оба перехода транзистора закрыты, (находятся в обратном включении), а второй, когда переходы открыты.
Основные порталы (построено редакторами)