ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТЫ К СПЕЦ. ФИЗ.ПРАКТИКУМУ ПО МЕД.ФИЗИКЕ. Лабораторная работа 1. Изучение статистических методов обработки опытных данных. Приборы и принадлежности
 Скачать 1.47 Mb.
|
|
Порядок выполнения работы 1. Определение чувствительности осциллографа: а)включите осциллограф в сеть и дайте ему прогреться в те чение 2—3 мин; б) подайте на вход У осциллографа напряжение Uэф с регулято ра напряжения, развертку по оси х отключите; в) установите длину вертикального отрезка на экране осцилло графа, равную l; г) вычислите амплитудное значение напряжения:  ;д) рассчитайте чувствительность Sy осциллографа: Sy = l/ (2U); е) определите чувствительность осциллогра фа при двух других значениях подаваемого напряжения и вычис лите < Sy >; ж) результаты измерений и вычислений занесите в табл. 2.1. 2. Определение амплитуд ного значения напря жения: а) не меняя положения ручек регулировки усиления канала вертикального отклонения, подайте на вход Y осциллографа сигнал с выхода регулятора напряжения (развертка по оси х отключена); б) измерьте длину l получившегося на экране вертикального отрезка; в) вычислите амплитудное значение напряжения: U=l/(2  3. Определение частоты сигнала: а) подайте на вход X осциллографа сигнал частотой 50 Гц с регулятора напряжения; б) на вход Y осциллографа подайте исследуемый сигнал с ге нератора звуковой частоты; в) получите на экране устойчивое изображение фигуры Лиссажу и зарисуйте его; г) по форме фигуры определите частоту f�� исследуемого сигнала; д) отключите регулятор напряжения и включите генератор раз вертки; е) с помощью ручки регулировки длительности развертки полу чите на экране устойчивое изображение синусоиды и опреде лите частоту f " исследуемого сигнала [см. (2.2)]; ж) проделайте измерения, аналогичные п. а) — е) для сигналов других частот; з) результаты измерений и вычислений занесите в табл. 2.2.
Вопросы и упражнения 1. Из каких блоков состоит электронный осциллограф? 2.Опишите устройство электронно-лучевой трубки. 3.Что называется чувствительностью осциллографа? 4.Объясните принцип работы генератора пилообразного напряжения. 5.Что такое синхронизация сигналов и как она осуществляется в осциллографе? 6.Как осуществляется развертка сигнала во времени на экране электронного осциллографа? 7. Что такое фигуры Лиссажу и как их получают в данной работе? 3. 8. Для каких целей может быть использован осциллограф в медикобиологических исследованиях? 9. Как с помощью осциллографа можно измерить амплитуду и частоту исследуе мого сигнала? Рекомендуемая литература 1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа.1987г. 2. Ливенцев Н.М. Курс физики. –М.: Высшая школа, 1978г. 3. Ю.А. Владимиров и др. Биофизика. М.: Медицина. 1983г. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. изучение ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК электронных усилителей. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УЧЕБНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РАБОТЫ С ПЕРСОНАЛЬНЫМ КОМПЬЮТЕРОМ Цель работы: исследование основных принципов построения схемы усилителя на транзисторе, на операционном усилителе, изучение входной и выходной ВАХ транзистора, ознакомление с характеристиками биполярного транзистора и методиками их определения, получение навыков практического исследования вольт-амперных характеристик транзистора и передаточных характеристик ОУ и определение их параметров. Теоретическое описание. УСИЛИТЕЛЬ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ. Общие сведения о транзисторах. В 1948 году Д. Бардин и В. Брайтен обнаружили, что полупроводниковые устройства с двумя p-n переходами способны создавать усиление электрических колебаний по мощности. Они назвали это устройство транзистором (от английских слов ”transfer” – преобразователь и “resistor” – сопротивление). В настоящее время промышленность выпускает плоскостные транзисторы, представляющие собой монокристалл полупроводника, в котором две области с  Рис.1. Транзисторы p-n-p и n-p-n типа. проводимостью одного типа разделены областью с проводимостью противоположного типа. Таким образом, могут быть получены структуры p-n-p и n-p-n типа (рис. 1). Средняя область называется базой (Б), а две другие, крайние – эмиттером (Э) и коллектором (К). Между областями с разными типами проводимости образуются p-n переходы.  Рис. 2 Обозначение транзистора на электрических схемах а) p-n-p б)n-p-n P-n переход, образующийся между эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом (ЭП); переход, образующийся между базой и коллектором, называют коллекторным переходом (КП). Эмиттер осуществляет инжекцию (т.е. введение) неосновных носителей зарядов в базу, а коллектор–экстракцию (сбор) носителей. Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют электропроводность р-типа относятся к p-n-p–типу. Если же база р–типа, а коллектор и эмиттер n-типа, то это транзистор n-p-n-типа (рис. 1). Так, если коллектор транзистора p-n- p-типа подключается к отрицательному полюсу источника, то коллектор транзистора n-p-n-типа к положительному. В условных графических изображениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода (рис. 2) По технологии изготовления транзисторы делятся на сплавные, планарные, а также диффузионно-сплавные, мезапланарные и эпитаксиально-планарные (рис.3). Конструктивно биполярные транзисторы оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах (рис.4). По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы.  Рис.3. Конструктивное оформление биполярного транзистора Физические процессы в биполярном транзисторе. В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция. Рассмотрим p-n переход эмиттер-база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении p-n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения инжектированных дырок по базе описывается следующим уравнением:  (1)Процесс переноса инжектированных носителей через базу – диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения – диффузионная длина Lp. Поэтому, если необходимо, чтобы инжектировнные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины Lp. Это условие является необходимым для реализации транзисторного эффекта – управление током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи. В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинированных основных носителей в базе через внешний контакт должны подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером. С помощью данной экспериментальной установки изучается работа полупроводникового транзистора, включенного по наиболее часто применяемой на практике схеме - схеме с общим эмиттером (рис. 6). При таком включении входным электродом является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом является коллектор. Для схемы с общим эмиттером основным параметром биполярного транзистора является дифференциальный коэффициент передачи тока базы β, которым называется приращение тока коллектора dIк к вызвавшему его приращению тока базы Iб при постоянном напряжении на коллекторе (при нагрузки в цепи коллектора).  (2)Коэффициент β показывает также коэффициент приращения по току биполярного транзистора с схеме с общей базой. Величина β равна нескольким десяткам или сотням. Между коэффициентами передачи токов эмиттера β и  Рис. 4. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером и его входные и выходные характеристики. базы α существует связь:  (3)Для значения α= 0,96 коэффициент β= 0,96/(1-0,96) = 24, если α = 0,99, то β =100. Из остальных h-параметров важное значение имеют входное дифференциальное сопротивление транзистора: h 11э = ΔUбэ /Δ Iб, Uкэ=const (4) и выходная дифференциальная проводимость h22э = Δ Iк /ΔUкэ, Iб= const (5) Для схемы с ОЭ входное сопротивление единицы составляет единицы кОм, а выходная проводимость - 10-4 -10-5 Общие сведения о режимах работы транзистора в усилительных каскадах. Рис. 8.  Рис. 5. Режимы усиления класса «А» и В: а передаточная ВАХ; б временные диаграммы коллекторного тока для режимов кл. «А» и кл. «В»; в временные диаграммы входного напряжения при разных положениях РТ Режимы усиления выделены в несколько классов. Для усилителей наиболее распространенными классами усиления являются классы А, В, С, Д. На рис. 9, б даны временные диаграммы коллекторного тока в режимах усиления класса «А» и «В». Форма коллекторного тока дает представление об уровне нелинейных искажений в выходном сигнале усилителя в зависимости от класса усиления. В режиме класса «А» форма коллекторного тока почти идеальная, то есть уровень нелинейных искажений в выходном сигнале усилителя будет практически незаметен. Такая совершенная форма выходного тока возможна лишь в том случае, если рабочая точка задана на квазилинейном участке ВАХ (в данном случае это точка РТ): положение РТ выбирают так, чтобы амплитуда переменной составляющей выходного тока была меньше тока покоя. В режиме класса»А» ток через транзистор течет непрерывно в течение всего периода изменения входного сигнала. Для оценки времени протекания тока через транзистор вводится понятие угла отсечки коллекторного тока «» это половина интервала времени, в течение которого через транзистор течет ток. Угол отсечки коллекторного тока выражен обычно в градусах или радианах. В режиме класса «А» угол отсечки коллекторного тока 180о. К недостатку рассмотренного режима следует отнести низкий коэффициент полезного действия (КПД < 0,5), так как в этом режиме велик коллекторный ток покоя Iкп. Из-за низкого КПД режим класса «А» рекомендуется использовать в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах. В режиме класса «В» (на рис. 5,) форма коллекторного тока далека от идеальной, то есть уровень нелинейных искажений, по сравнению с режимом класса «А», резко возрос. Но КПД усилителя достаточно высокий, так как ток покоя сильно уменьшился, поэтому режим класса «В» рекомендуется использовать в двухтактных выходных усилителях средней и большой мощности, надо отметить, что в чистом виде этот режим используется редко. Чаще в качестве рабочего режима используется промежуточный режим режим класса «АВ» в котором меньше нелинейные искажения. Угол отсечки коллекторного тока в режиме класса «В» в идеальном случае 90 о, а в режиме класса «АВ» < 90 о. В режиме класса «С» ток покоя равен нулю, угол отсечки меньше, чем в режиме класса «В». Режим класса «С» рекомендуется использовать в мощных резонансных усилителях, где нагрузкой является резонансный контур. В режиме класса «Д» транзистор находится в двух устойчивых состояниях открыт-закрыт, то есть режим класса «Д» это ключевой режим. В классе А начальное положение рабочей точки на нагрузочной прямой и амплитуда входного (управляющего) тока выбираются так, чтобы рабочая точка не выходила за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы (отрезок АВ, ограниченный токами Iк1 и IК3, на рис. 8, б). При работе в классе А ток коллектора не прекращается (транзистор всегда открыт) (рис. 8, а). Работа усилителя в классе А характеризуется минимальными нелинейными искажениями и невысоким к. п. д. Режим усиления класса А применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения, а выходная мощность и к. п. д. не имеют решающего значения. В классе А работают все каскады усилителей напряжения и маломощные выходные каскады. Схема резистивного усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе. Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ, является одним из наиболее распространенных асимметричных усилителей. Принципиальная схема такого каскада, выполненная на дискретных элементах, изображена на рис. 10.  Рис. 6. Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером В этой схеме резистор Rк, включенный в главную цепь транзистора, служит для ограничения коллекторного тока, а также для обеспечения необходимого коэффициента усиления. При помощи делителя напряжения R1R2 задается начальное напряжение смещения на базе транзистора VT, необходимое для режима усиления класса А. Цепь RэСэ выполняет функцию эмиттерной термостабилизации точки покоя; конденсаторы С1 и С2 являются разделительными для постоянной и переменной составляющих тока. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, так как емкость Сэ значительна. Анализ работы каскада на постоянном токе производят с помощью эквивалентной схемы (рис. 6.), в которой транзистор заменен Т-образной схемой замещения. В этой эквивалентной схеме все физические процессы, происходящие в транзисторе, учитываются при помощи малосигнальных Н- При подаче на вход усилителя напряжения сигнала неизменной амплитуды при различных частотах выходное напряжение в зависимости от частоты сигнала будет изменяться, так как сопротивление конденсаторов C1, C2 на разных частотах различно. Зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала получило название частотной характеристики усилителя (амплитудно-частотной характеристики, АЧХ). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||