методичка. методичка по лабам Основы электроники. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине Основы электроники
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
Транзисторы с изолированным затвором. На Рисунке 10. приведена структура полевого транзистора с изолированным затвором.  Рисунок 10. - Разрез структуры МДП-транзистора с индуцированным каналом: 1-область стока; 2- металлизация затвора; 3 - подложка; 4-область истока; 5- диэлектрик; 6-область канала. В чистом или слабо легированном кремнии (подложке) диффузией созданы сильно легированные области противоположного по сравнению с подложкой типа проводимости. Это области стока и истока. Металлический электрод затвора изолирован от подложки слоем диэлектрика толщиной 0,15-0,3 мкм. В основном используются два типа диэлектрика: диэлектрик на основе окислов кремния, или МОП - транзисторы (металл - окисел-полупроводник) и двухслойный диэлектрик на основе окисла кремния и нитрида кремния, или МДП - транзисторы (металл - диэлектрик-полупроводник). МОП - транзисторы иногда используются в схемах усилителей, но большее применение они находят в цифровых схемах. Если приложить напряжение к структуре металл-диэлектрик - полупроводник, то из-за большой разницы удельных сопротивлений диэлектрика и полупроводника электрическое поле будет существовать только в диэлектрике. Поэтому в полупроводнике вблизи границы раздела образуется поверхностный заряд. На управление величиной этого заряда поперечным электрическим полем основан принцип действия транзисторов с изолированным затвором. Транзисторы с изолированным затвором делятся на две группы: 1)со встроенным каналом (канал создается при изготовлении); 2)с индуцированным каналом (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам). На Рисунке 11 показано условное изображение полевого транзистора с изолированным затвором.  Рисунок 11. - Схематическое изображение полевых транзисторов с изолированным затвором. Существенным преимуществом транзисторов с изолированным затвором является высокое входное сопротивление, достигающее значений от 10 ГОм до 100 ТОм (у транзисторов с управляющим p-n переходом Rвх=1ГОм). Рассмотрим принцип работы этих приборов. Транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом. В отличие от транзистора с управляющим p-n переходом в транзисторе со встроенным каналом ток стока будет создаваться как при положительной, так и при отрицательной полярности на его затворе. При подаче на затвор отрицательного напряжения, это напряжение будет компенсировать положительный заряд, сосредоточенный на границе раздела диэлектрик - полупроводник, и оттеснять основных носителей заряда (электроны) из приповерхностной зоны. В прилегающей к диэлектрику поверхности канала, в результате ухода свободных зарядов, образуется обедненный слой. При этом проводимость канала уменьшается. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению тока стока. Такой режим работы транзистора называют режимом обеднения. Если подать на затвор положительное напряжение, то на металлической поверхности затвора будут создаваться заряды положительного знака, а у прилегающей к диэлектрику поверхности канала будет накапливаться отрицательный заряд, увеличивая первоначальную проводимость канала. Это ведет к увеличению тока стока. Такой режим транзистора называется режимом обогащения. Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно изменять ток стока. Полевые транзисторы с изолированным затвором с встроенным каналом работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Транзистор с изолированным затвором с индуцированным каналом. В этом транзисторе токопроводящий канал создается при подаче на затвор определенной полярности и значения напряжения. Без подачи напряжения сопротивление сток-исток очень велико и соответствует сопротивлению двух включенных диодов при нулевом смещении. Если же подать положительное напряжение на затвор, которое будет превышать пороговую величину, то в приповерхностном слое основания (зона между стоком и истоком) начнется движение электронов из области истока к области стока. Слой, через который будет происходить движение зарядов, называется индуцированным каналом. Так как индуцированный канал создается только при подаче на затвор положительного напряжения, то транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения, в отличие от транзистора со встроенным каналом. Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называют пороговым напряжением Uзипор. Обычно пороговое напряжение полевых транзисторов с индуцированным каналом лежит в пределах Uзипор = 1 - 6 В. Основные параметры полевых транзисторов. Основными параметрами, характеризующими полевой транзистор как нелинейный элемент, являются: -коэффициент усиления по напряжению Ku=dUси/dUзи при Ic= const; -крутизна (определяется по передаточной характеристике) s=dIс/dUзи при Uси= const; -дифференциальное выходное (внутреннее Ri) сопротивление Rвых=Ri=dUси/dIc при Uзи= const; -дифференциальное сопротивление участка затвор-сток Rзс=dUзс/dIс. Это сопротивление учитывает обратную связь между выходом и входом полевого транзистора. Входное сопротивление Rвх полевого транзистора очень велико, так как значение тока затвора Iз очень мало. Значение параметра Ri можно определить при работе транзистора в режиме насыщения как котангенс угла наклона выходной характеристики, Крутизна s передаточной характеристики отражает степень влияния входного напряжения на выходной ток. Этот параметр транзистора лежит в пределах 1 - 5 мА/В. Усилительный каскад по схеме с ОИ. Полевые транзисторы могут работать в схеме включения с общим истоком, с общим стоком или с общим затвором. Наиболее распространенной является схема с общим истоком. Усилительные каскады на полевых транзисторах управляются напряжением, приложенному или к запертому p-n переходу (в транзисторах с управляющим p-n переходом) или между электрически изолированным затвором и подложкой (в транзисторах с изолированным затвором). Ток затвора в усилительных каскадах на полевых транзисторах достаточно мал. Для транзисторов с управляющим p-n переходом этот ток не превышает 10 нА. Для транзисторов с изолированным затвором этот ток на несколько порядков меньше. Для транзисторов с управляющим p-n переходом входное сопротивление на низких частотах составляет десятки МОм, а для транзисторов с изолированным затвором достигает 10^12-10^15 MОм. С повышением частоты входное сопротивление существенно уменьшается из-за наличия емкостей затвор - исток и затвор - сток. При построении аналоговых усилителей на полевых транзисторах наибольшее распространение, как было сказано выше, получила схема каскада с общим истоком. При этом в ней, как правило, применяются или полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, или МДП - транзисторы со встроенным каналом. При анализе усилительных каскадов на полевых транзисторах оперируют с крутизной характеристики и током Iнач, которые соответствуют нулевому напряжению на затворе относительно истока, то есть Uзи=0. При расчете используют следующие приближенные соотношения, описывающие характеристики полевых транзисторов: Iс=Iснач (1-Uзи/Uзиотс); S=dIс/dUзи=sнач( 1 -Uзи/Uзиотс); |sнач|=2Iснач/Uзиотс. В этих формулах: Iс -текущее значение тока стока, Iснач -начальный ток стока при напряжении отсечки Uзиотс, sнач- крутизна характеристики при напряжении отсечки Uзиотс, Uзи -текущее значение напряжения затвор-исток, s- текущая крутизна. Через резистор утечки R2 отводится на шасси очень малый ток утечки затвора. Резистор RЗ обеспечивает необходимое обратное смещение, поднимая потенциал истока выше потенциала затвора. Кроме того, этот резистор обеспечивает также стабильность режима усилителя по постоянному току. RЗ - нагрузочный резистор, который может иметь очень большое сопротивление (более 1,5МОм). Развязывающий конденсатор С2 в цепи истока устраняет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R1. При подаче сигнала на вход усилителя изменяется ток стока, вызывая в свою очередь изменение выходного напряжения на стоке транзистора. Во время положительного полупериода входного сигнала напряжение на затворе увеличивается в положительном направлении, обратное напряжение смещения перехода затвор - исток уменьшается и, следовательно, увеличивается ток Iстока полевого транзистора. Увеличение Iстока приводит к уменьшению выходного (стокового) напряжения, и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И наоборот, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует положительный полупериод выходного сигнала. Порядок проведения работы: В процессе выполнения работы необходимо выполнить следующие эксперименты: 1А. Расчёт характеристик биполярного транзистора . В схеме (Рисунок 12) провести измерения тока коллектора Iк для каждого значения Eк и Еб и заполнить Таблицу 1А. По данным таблицы построить график зависимости Iк от Eк. Построить нагрузочную прямую по постоянному току на выходной характеристике транзистора. По графику определить рабочую точку и записать её значение. Таблица 1А.
 Рисунок 12. – Эксперимент 1А. 1Б. Определение коэффициента усиления транзистора, включённого по схеме с ОЭ. Соберите схему (Рисунок 13). Зарисуйте полученную осциллограмму и по ней определите коэффициент усиления каскада по напряжению. Данные функционального генератора для схемы на Рисунке 13: - частота 25кГц - напряжение 10мВ.  Рисунок 13. – Эксперимент 1Б. 1В. Определение коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с ОБ. Соберите схему (Рисунок 14). Зарисуйте осциллограмму и определите по ней коэффициент усиления каскада. Данные функционального генератора для схемы на Рисунке 14: - частота 10кГц - напряжение 10мВ.  Рисунок 14. – Эксперимент 1В. 2А. Определение коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с ОИ. Соберите схему (Рисунок 15). Зарисуйте осциллограмму и определите по ней коэффициент усиления каскада. Данные функционального генератора для схемы на Рисунке 15: - частота 1кГц - напряжение 20мВ. Упражнения и задачи: Задача 1. Дано: Rвх=250 Ом, R1= 9кОм, R2=3 кОм, Rк= 200 Ом, Rн=50 Ом. Транзистор BC182. Найти β.  Рисунок 15. – Эксперимент 2А.  Рисунок 16. – к Задаче 1. Контрольные вопросы: Какие типы транзисторов Вы знаете? В чём заключаются их принципиальные отличия? От чего зависит ток коллектора биполярного транзистора? Объясните суть передаточных характеристик полевых транзисторов. Поясните принцип усиления в транзисторном каскаде. Какое условие необходимо выполнить, чтобы перевести транзистор в режим отсечки? Какую роль играют параллельно соединённые резистор и конденсатор в цепи эмиттера? Какова разность фаз между входными и выходными синусоидальными сигналами в усилителе с ОЭ, ОБ, ОИ? На чём основан принцип термостабилизации рабочей точки транзисторного каскада? В чём заключаются достоинства схемы усилителя с ОЭ? с ОБ? С ОИ? По чему даёт усиление схема с ОЭ? с ОБ? с ОИ? Лабораторная работа №3. Исследование на Workbench характеристик операционного усилителя Цель: 1. Измерение входных токов операционного усилителя (ОУ). 2. Оценка величин среднего входного тока и разности входных токов ОУ. 3. Измерение напряжения смещения ОУ. 4. Измерение дифференциального входного сопротивления ОУ. 5. Вычисление выходного сопротивления ОУ. 6. Измерение скорости нарастания выходного напряжения ОУ. 3.1 Краткие сведения из теории Операционный усилитель – это усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный вход и один общий выход. ОУ – это аналоговая интегральная микросхема, снабженная пятью вы- водами. Два вывода ОУ используются в качестве входных, один - является вы- ходным и еще два вывода используются для подключения источника питания. Условно-графические изображения ОУ приведены на рисунке 3.1  Рисунок 3.1 - Условно-графическое изображение ОУ в электронных схемах. С учетом фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выводов (вход 1) называется неинвертирущим, а другой (вход 2) - инвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используют для введения в операционный усилитель внешних отрицательных обратных связей. Выходное напряжение Uвых связано с входными напряжениями Uвх1 и Uвх2 соотношением: Uвых= К(Uвх1 -Uвх2 ), где К – собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению. Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на два его входа (синфазный входной сигнал). Коэффициент усиления КУО в ОУ должен стремиться к бесконечности, однако на практике он ограничивается значением 105-106 или 100-120 дБ. В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+ЕП, - ЕП). Средний вывод этого источника является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне 3-18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ. Реальные ОУ строятся на основе двух- или трехкаскадных усилителей постоянного тока. Структурная схема трехкаскадного ОУ приведена на рисунке 12.2. Она включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления. Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно служит эмиттерный повторитель, обеспечивающий требуемую нагрузочную способность всей схемы, или усилитель мощности класса АВ. Поскольку коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя близок к единице, необходимое значение КUОУ операционного усилителя достигается с помощью дополнительных усилительных каскадов, включаемых между дифференциальным каскадом и эмиттерным повторителем. Согласующий каскад служит для согласования выходного сигнала дифференциального усилителя с выходным каскадом ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряжению, а также согласование фаз сигналов. Интегральный операционный усилитель характеризуется рядом параметров, описывающих этот компонент с точки зрения качества выполнения им своих функций. Среди параметров, обычно приводимых в справочных данных, основными являются следующие. Средний входной ток Iвх. В отсутствие сигнала на входах ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе.  Рисунок 3.2 – Структурная схема трехкаскадного ОУ Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе КУ - показа- тель ОУ, определяющий насколько хорошо выполняет ОУ основную функцию - усиление входных сигналов. У идеального усилителя коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности. Коэффициент усиления напряжения схе- мы усилителя на ОУ (рисунок 12.4) вычисляется по формуле: Kу = R2/R1. Напряжение смещения Uсм - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю. На- пряжение смещения Uсм можно вычислить, зная выходное напряжение при от- сутствии напряжения на входе и коэффициент усиления: Uсм =∆Uвых / Kу . Входное сопротивление Rвх. Различают две составляющие входного со- противления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротив- ление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и "землей"). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ на- ходится обычно в пределах 10 кОм - 10 МОм. Входное сопротивление по син- фазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазно- го напряжения к вызванному приращению среднего входного тока : Rвхсф = ∆Uвхсф /∆Iвхср. Дифференциальное входное сопротивление существует между входами ОУ и может быть определено по формуле: Rвхдиф = ∆Uвх /∆Iвх где ∆Uвх - изменение напряжения между входами ОУ, ∆Iвх - изменение входного тока. Выходное сопротивление Rвых в интегральных ОУ составляет 20-2000 Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, осо- бенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки. Схе- ма для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходно- го сопротивления приведена на рисунке 12.5. Скорость нарастания выходного напряжения Vuвых равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нараста- ния определяется интервалом времени, в течение которого выходное напряже- ние ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений. Vuвых = Uвых / tуст . Схема для измерения скорости нарастания выходного напряжения пока- зана на рисунке 12.6. Измерения проводятся при подаче импульса в виде ступени на вход ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) с общим ко- эффициентом усиления от 1 до 10. 3.2 Порядок проведения экспериментов Эксперимент 1. Измерение входных токов. Откройте файл с 11_001 со схемой, изображенной на рис.12.3. Включите схему. Измерьте входные токи ОУ. По результатам измерений вычислите сред- ний входной ток Iвх и разность входных токов ОУ. Результаты занесите в раз- дел "Результаты экспериментов".  Рисунок 3.3 – Схема для измерения входных токов ОУ Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения. Откройте файл с11_002 со схемой, изображенной на рисунке 12.4. Вклю- чите схему. Запишите показания вольтметра в раздел "Результаты эксперимен- тов". По результатам измерения, вычислите напряжение смещения Uсм , ис- пользуя коэффициент усиления схемы на ОУ. Результаты вычислений также  занесите в раздел "Результаты экспериментов". Рисунок 3.4 – Схема для измерения напряжения смещения ОУ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||