Ершов С.М. Электронные и микроэлектронные приборы - файл n1.doc

Ершов С.М. Электронные и микроэлектронные приборы
скачать (131 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc351kb.22.06.2004 21:57скачать

n1.doc

  1   2   3


Министерство образования Российской Федерации

Балтийский государственный технический университет «Военмех»

Кафедра радиоэлектронных систем управления
Электронные и микроэлектронные приборы

Методические указания к лабораторным работам
Издание второе, исправленное и дополненное

Под редакцией С.М. Ершова

Санкт-Петербург

2004

Составители: С.М. Ершов, канд. техн. наук, доц.; И.В. Шитов, канд. техн. наук, доц.; Ю.В. Петров, канд. техн. наук, доц.; Л.Л. Полосин, д-р техн. наук, проф.; С.Н. Аникин
УДК 621.382.002.56

Э45
Э
Э45
лектронные
и микроэлектронные приборы: Методические указания к лабораторным работам. Изд. 2-е, испр. и доп. / Сост.: С.М. Ершов, И.В. Шитов, Ю.В. Петров и др.; Под ред. С.М. Ершова; Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2004. 27 с.

Содержат описания 10 лабораторных работ по одноименному курсу, общие требования к их выполнению, необходимые справочные данные и список рекомендуемой литературы.

Предназначены для студентов всех специальностей дневного и вечернего отделений.

УДК 621.382.002.56

Рецензент канд. техн. наук, доц. В. Н. Яночкин


Утверждено

редакционно-издательским

советом университета




© Составители, 2004

© БГТУ, 2004

Общие требования
1. При подготовке к лабораторной работе.

1.1. Ознакомиться с устройством, принципом действия и характерис­тиками исследуемого прибора.

1.2. Ознакомиться с содержанием и порядком проведения исследований по настоящим указаниям.

1.3. Подготовить формуляр отчета (протокол), который должен содержать:

– титульный лист по установленной форме, включающий в себя:

название работы и состав бригады студентов, выполняющих работу;

– цель работы;

– схему (схемы) для проведения исследований;

– ожидаемые характеристики;

– таблицы для измеренных значений токов и напряжений;

– основные паспортные данные исследуемого прибора (при этом необходимо основное внимание обратить на предельные значения напряжений, токов и мощностей) (см. приложение).

1.4. Продумать методику снятия зависимостей и наблюдения осциллограмм. Просмотреть по схеме, каким образом изменяется величина напряжения или тока, являющаяся аргументом, как задаются величины, являющиеся параметрами характеристик, и каким образом отсчитывается исследуемая величина напряжения или тока.

2. При проведении работы.

2.1. Ознакомиться с лабораторной установкой:

– обратить особое внимание на включение установки; на пределы измерений и род измерения;

– определить цену деления каждого измерительного прибора;

– уяснить органы регулировки всех токов и напряжений (исходным является крайнее положение ручек потенциометров (вращение против часовой стрелки), когда регулируемое напряжение минимально).

2.2. Убедиться в том, что исследуемая схема собрана правильно, а резисторы, ограничивающие токи, позволяют при максимальном напряжении источников питания иметь токи меньше максимальных по паспортным данным.

2.3. Получив разрешение, включить питание. Экспериментально определить пределы изменения задаваемых и исследуемых величин, причем их значения должны быть меньше предельно допустимых.

2.4. Если в работе специально не оговорено, то самостоятельно определить число отсчетов, позволяющее правильно воспроизвести исследуемую зависимость (как правило, 5 – 7). При быстром изменении параметра или в окрестностях особых точек отсчеты нужно брать чаще.

2.5. Провести исследования согласно содержанию и порядку выполне­ния лабораторных работ.
3. По окончании исследований в отчете:

– заполнить таблицы;

– построить экспериментальные зависимости;

– привести осциллограммы;

– записать произведенные вычисления;

– сделать выводы по работе.
Описание лабораторной установки
В состав лабораторной установки входят блок включения стенда, двухполярный блок питания БП-15, блок питания БП-30, блок питания БП-5, макет "Полупроводники – микросхемы", генератор низкочастотный, осциллограф.

Блок включения предназначен для подключения к нему источников питания, измерительных приборов, а также генератора и осциллографа. Включение блока производится с помощью тумблера "Сеть" на лицевой панели блока. Лампа над тумблером указывает на наличие питания в блоке.

Включение каждого блока питания производится с помощью тумблера "Сеть", при этом загорается светодиод над тумблером. Блоки имеют электронную защиту от перегрузок и коротких замыканий, которая обеспечивает высокую надежность их работы. При увеличении тока нагрузки свыше 1 А цепь разрывается и загорается светодиод "Перегрузка" на лицевой панели. Для повторного включения блока необходимо его выключить на 5 секунд, а затем снова включить.

Блок питания БП-15 обеспечивает двухполярное напряжение до 15 В. На лицевую панель блока выведены ручки потенциометров, позволяющие менять напряжение от 0 до 15 В, и вольтметры.

Блок питания БП-30 обеспечивает однополярное напряжение до 30 В. На лицевую панель блока выведены ручка потенциометра, позволяющая менять напряжение от 0 до 30 В, вольтметр и амперметр.

Блок питания БП-5 обеспечивает однополярное напряжение 5 В. На лицевой панели блока расположен стрелочный индикатор амперметра.

Макет "Полупроводники – микросхемы" для проведения экспериментальных исследований позволяет исследовать различные схемы, собранные на полупроводниковых приборах, а также цифровые и аналоговые микросхемы. Макет выполнен в виде самостоятельного устройства настольного типа. Он имеет набор постоянных и переменных резисторов, емкостей, диодов, светодиодов, номиналы которых указаны, органы управления и коммутации.
Лабораторная работа №1
Исследование полупроводниковых диодов
1. Снять вольт-амперные характеристики (ВАХ) I(U) двух диодов: германиевого Д7 и кремниевого Д226.

1.1. Собрать схему для снятия прямой ветви ВАХ диода (рис.1.1,а).



Рис. 1.1. Схемы для снятия прямой (a) и обратной (б) ветвей ВАХ диода: R1 = (0,1 – 1,0) кОм; ИП – БП15. Пределы измерений: mA (пр.ветвь) – (15–30) мА; mA (обр.ветвь) –
0,75 мА; V (пр.ветвь) – 1,5 В; V (обр.ветвь) – 15 В




1.2. Изменяя напряжение на диоде, установить прямой ток Iпр < Iпр.макс (см. приложение), например 15–30 мА. Измерить напряжение на диоде для несколь­ких значений прямого тока, например, Iпр.макс/2, Iпр.макс/4, Iпр.макс/8 и т.д. Данные записать в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Тип диода: Iпр.макс=

Uпр, В



















Iпр, мА



















1.3. Собрать схему для снятия обратной ветви ВАХ диода, поменяв полярность его включения (рис.1.1,б).

1.4. Изменяя напряжение на диоде от 0 до Uобр, измерить ток Iобр. Напряжение на диоде задавать с таким расчетом, чтобы │Uобр│<│Uобр.макс│ (см. приложение). Данные записать в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Тип диода: Uобр.макс=

Uобр, В



















Iобр, мА



















2. Построить ВАХ обоих диодов (рис.1.2).



Рис.1.2. Примерный вид ВАХ



Рис. 1.3. Схема для исследования преобразо­вания диодом синусоидальных колебаний: R1=(1–2) кОм; R2 = (100 – 300) Oм; C1 = (1,0 – 10,0) мкФ


3. Вычислить сопротивления Rпр, Rобр и дифференциальные сопротивления диодов для двух значений прямого тока (малого и большого):

Rдифф.= dU/dI при I=Iпр.макс/2; I=Iпр.макс/10

и сравнить полученные значения с дифференциальным сопротивлением р-n- перехода:

Rрn = ?т/I, где ?т – тепловой потенциал (26 мВ).

4. Исследовать преобразование синусоидального сигнала диодом Д226:

4.1. Собрать схему для проведения исследований (рис.1.3). К гнезду "Ген" подключить выход генератора синусоидальных колебаний низкой частоты. Установить частоту колебаний генератора 1–5 кГц.

4.2. Зарисовать осциллограммы:

– в гнезде "Ген" (на выходе генератора);

– в гнезде "Осц" при Uип = 0;

– в гнезде "Осц" при Uип > 0;

– в гнезде "Осц" при Uип < 0.

5. Сделать выводы по работе (в выводах объяснить разницу в характеристиках двух диодов; сравнить значения рассчитанных сопротивлений Rпр, Rобр, Rдифф с Rрn; объяснить полученные осциллограммы). Сравнить полученные характеристики исследуемого диода со справочными данными.
Контрольные вопросы
1. Что такое p-n-переход? Образование p-n-перехода. Схема p-n-перехода.

2. Прямое и обратное смещение p-n-перехода. Теоретическая характеристика диода.

3. Показать, какая из характеристик относится к кремниевому, а какая к германиевому диоду, и объяснить, в чем разница и чем она обусловлена.

4. Объяснить слабую зависимость обратного тока от напряжения. Как обратный ток зависит от температуры?

5. Объяснить по осциллограммам выпрямительное свойство диода. Схема простого выпрямителя.

6. Условное графическое и буквенное обозначения, маркиров­ка и применение диода.
Лабораторная работа №2
Исследование полупроводниковых стабилитронов
1. Снять вольт-амперные характеристики (ВАХ) I(U) двух стабилитронов:

1.1. Собрать схему для измерения прямой ветви ВАХ стабилитрона (рис.2.1,а).



Рис.2.1. Схемы для снятия прямой (а) и обратной (б) ветвей ВАХ: R1 = (0,5 – 1,0) кОм;

ИП – БП15. Пределы измерений: mA – 15 мА; V (пр.ветвь) – 1,5 В; V (обр.ветвь) – 15 В




1.2. Изменяя напряжение на стабилитроне, установить Iпр ? Iпр.макс. Затем задать ряд значений тока Iпр и измерить падение напряжения на стабилитроне (см. п.1.2 работы №1). Данные записать в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Тип стабилитрона: Iпр.макс=

Uпр, В



















Iпр, мА



















1.3. Собрать схему для измерения обратной ветви ВАХ стабилитрона, поменяв полярность включения стабилитрона (рис.2.1,б).

1.4. Установить питание Uип ? Uстаб таким, чтобы Iобр стабилитрона не превышал Iобр.макс ? Pрас/Uстаб. Данные записать в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Тип стабилитрона: Iобр.макс= Uстаб= Pрас=

Uобр, В



















Iобр, мА



















2. Построить ВАХ обоих стабилитронов (рис.2.2) и отметить на них Uстаб при Iст.ном = 10 мА (паспортное значение).





Рис.2.2. Примерный вид

характеристики

Рис.2.3. Схема для определения коэффициента стабилизации: Rогр = (100 – 500) Ом; Rн = (1 – 3) кOм; ИП – БП15; V1 – на блоке питания. Предел измере-
ния V2 – 15 В

3. Исследовать стабилизирующие свойства одного из стабилитронов:

3.1. Для рабочего участка характеристики стабилитрона рассчитать дифференциальное сопротивление:

Rдифф = dU/dI.

3.2. Собрать схему для определения коэффициента стабилизации (рис.2.3), выбрав Rогр > Rдифф.

3.3. Установить напряжение источника питания таким образом, чтобы попасть на рабочий участок характеристики, т.е. Uип должно быть больше напряжения стабилизации Uстаб на 30–50%. Измерить напряжение на нагрузке Uн = Uстаб.

3.4. Изменяя напряжение источника питания Uип на 20% сначала в сторону увеличения, а затем уменьшения от номинала, измерять напряжение Uн. Результаты измерений записать в табл. 2.3.
Таблица 2.3

Тип стабилитрона: Uстаб=

Uип, В



















Uн, В



















3.5. Рассчитать коэффициент стабилизации:

Кстаб = [(Uип'– Uип)/Uип]/[(Uн'– Uн)/Uн].

4. Сделать выводы по работе, ответив на вопросы:

– где находится рабочий участок стабилитрона;

– чему равно Uстаб;

– подтверждает ли опыт стабилизирующие свойства исследуемого прибора?

Сравнить полученные характеристики со справочными данными для исследуемого стабилитрона.
Контрольные вопросы
1. Объяснить на полученном графике, где находится рабочий участок характеристики стабилитрона. Назвать и объяснить основные парамет­ры стабилитрона.

2. Объяснить физические процессы в приборе на рабочем участке характе­ристики.

3. Схема включения стабилитрона и принцип стабилизации. Как стабили­зация подтверждается на практике?

4. Условное графическое и буквенное обозначения и маркировка стаби­литрона.
Лабораторная работа №3
Статические характеристики и параметры биполярного транзистора

в схеме с общей базой (ОБ)
1. Снять четыре семейства характеристик транзистора в схеме с ОБ:

– входные Iэ(Uэб) при Uкб1, Uкб2, Uкб3;

– выходные Iк(Uкб) при Iэ1, Iэ2, Iэ3;

– передачи тока Iк(Iэ) при Uкб1, Uкб2, Uкб3;

– обратной передачи по напряжению Uэб(Uкб) при Iэ1, Iэ2, Iэ3.

1.1. Собрать схему для измерения характеристик транзистора (рис.3.1).

1.2. Выбрать три значения напряжения на коллекторе Uкб1, Uкб2, Uкб3 таким образом, чтобы Uкб1>0 (около нуля), Uкб3< Uкб.макс, Uкб1<Uкб2<Uкб3; где Uкб.макс – максимально допустимое значение напряжения на коллекторе (см. приложение).

1.3. Установить на коллекторе напряжение Uкб3 и задать ток эмиттера
Iэ.макс ? Pк.макс/Uкб3.

1.4. Изменяя ток эмиттера Iэ от 0 до Iэ.макс (5 значений), измерить ток кол­лектора Iк и напряжение на эмиттере Uэб. Данные измерений при Uкб3=const занести в табл. 3.1.



Рис.3.1. Схема для снятия характеристик транзистора в схеме с ОБ: R1 = (1,0 – 1,5) кОм; ИП1 – БП15; ИП2 – БП15. Пределы измерений: mA1 – (7,5 – 15) мА; mA2 – (7,5 – 15) мА; V1 – осциллограф в режиме электрон­ного вольтметра (ЭВ), (2,5 В); V2 – на блоке питания
БП15




1.5. Повторить эксперимент при других значениях напряжения на коллек­торе Uкб1, Uкб2 и занести полученные данные в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Uкб.макс=

Тип транзистора: Iк.макс=

Pк.макс=

Iэ, мА

Uкб1=

Uкб2=

Uкб3=

Iк, мА

Uэб, мВ

Iк, мА

Uэб, мВ

Iк, мА

Uэб, мВ






















2. Построить по табл. 3.1 четыре семейства характеристик (рис.3.2).



Рис.3.2. Примерный вид характеристик
3. Выбрать точку в области активного режима транзистора и рассчитать h-параметры:

h11б = dUэб / dIэ при Uкб = const;

h12б = dUэб / dUкб при Iэ = const;

h21б = dIк / dIэ при Uкб = const;

h22б = dIк / dUкб при Iэ = const.

4. Записать выводы по работе. Сравнить полученные характеристики со справочными.
Контрольные вопросы
1. Объяснить принцип усиления биполярного транзистора. Схемы включения транзисторов разных типов (p-n-p и n-p-n).

2. Показать на выходных характеристиках области режимов: активного, насыщения, отсечки.

3. Назвать вычисленные h-параметры и показать, как они определяются по статическим характеристикам.

4. Объяснить входную характеристику транзистора. Объяснить зависимость входного тока от напряжения на коллекторе.

5. Условное графическое и буквенное обозначения транзисторов p-n-p и n-p-n типов.

6. Сравнить параметры транзисторов в схемах с общими базой и эмиттером.
Лабораторная работа №4
Статические характеристики и параметры биполярного транзистора

в схеме с общей эмиттером (ОЭ)
1. Снять четыре семейства характеристик транзистора n-p-n типа:

– входные Iб(Uбэ) при Uкэ1, Uкэ2, Uкэ3;

– выходные Iк(Uкэ) при Iб1, Iб2, Iб3;

– передачи тока Iк(Iб) при Uкэ1, Uкэ2, Uкэ3;

– обратной передачи по напряжению Uбэ(Uкэ) при Iб1, Iб2, Iб3.

1.1. Собрать схему для измерения характеристик транзистора (рис.4.1,а).

1.2. Установить напряжение на коллекторе Uкэ1, не превышающее Uкэ.макс (см. приложение). Увеличивая напряжение Uип1 от нулевого значения, получить коллекторный ток Iк.макс=Pк/Uкэ и измерить ток Iб. Округлить значение Iб в меньшую сторону до значения, кратного 50 мкА или 100 мкА. Определенный таким образом диапазон изменения тока базы от нуля до Iб разделить на несколько (4–5) равных участков с границами Iб1, Iб2, Iб3, Iб4, Iб5.


Рис.4.1. Схемы для снятия характеристик транзистора n-p-n (а) и p-n-p типа (б):

R1 = (20–30) кОм; ИП1 – БП15; ИП2 – БП15. Пределы измерений: mA1–0,75 мА; mA2–15 мА;
V1 – осциллограф в режиме ЭВ (2,5 В); V2 – на блоке питания БП30

1.3. При постоянном Uкэ3, изменяя ток базы Iб от 0 до Iб.макс (5 значений), измерить ток коллектора Iк и напряжение на базе Uбэ. Данные измерений занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Uкэ.макс=

Тип транзистора: Iк.макс=

Pк.макс=

Iб, мкА

Uкэ1=

Uкэ2=

Uкэ3=

Iк, мА

Uбэ, мВ

Iк, мА

Uбэ, мВ

Iк, мА

Uбэ, мВ






















1.4. Повторить эксперимент при других значениях напряжения на коллекторе Uкэ1, Uкэ2 и полученные данные занести в табл. 4.1.

2. Измерить семейства статических характеристик транзистора p-n-p типа, изменив полярности напряжений и приборов (рис.4.1,б).

3. Построить по таблицам семейства характеристик транзисторов (рис.4.2).



Рис.4.2. Примерный вид характеристик
4. Выбрать точки в областях активного режима транзисторов и рассчитать h-параметры:

h11э = dUбэ / dIб при Uкэ = const;

h12э = dUбэ / dUкэ при Iб = const;

h21э = dIк / dIб при Uкэ = const;

h22э = dIк / dUкэ при Iб = const.

5. Записать выводы по работе (в выводах отметить, где находится рабочая область транзистора, область отсечки, область насыщения; объяснить влияние Uкэ на Iк, h21э и Uбэ). Сравнить полученные характеристики со справочными.
Контрольные вопросы
1. Объяснить принцип усиления биполярного транзистора. Схемы включения транзисторов разных типов (p-n-p и n-p-n).

2. Показать на выходных характеристиках области режимов: активного, насыщения, отсечки.

3. Назвать вычисленные h-параметры и показать, как они определяются по статическим характеристикам.

4. Объяснить входную характеристику транзистора. Объяснить зависимость входного тока от напряжения на коллекторе.

5. Условное графическое и буквенное обозначения транзисторов p-n-p и n-p-n типов.

6. Сравнить параметры транзисторов в схемах с общими базой и эмиттером.
Лабораторная работа №5
Усилительный и ключевой режимы биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ)
1. Собрать схему для исследования усилительных свойств транзистора (рис.5.1).



Рис.5.1. Схема для исследования
усилительных свойств транзистора: R1 = (10 – 40) кОм; Rн = (0,1 – 10) кОм; C1 = (1,0 – 10,0) мкФ; ИП1 – БП15; ИП2 – БП30. Пределы измерений: mA1 – 0,75 мА; mA2 – (15 – 30) мА; V1 – осциллограф в режиме ЭВ (25 В); V2 – осциллограф в режиме ЭВ (25 В)

2. По характеристикам транзистора, полученным в работе №4, выбрать напряжение питания Uип2 с учетом Uип2 < Uкэ.макс и два значения сопротивления нагрузки Rн. Приближенно рассчитать ток коллектора насыщения и ток базы насыщения (2 значения):

Iкн = Uип2 / Rн, Iбн = Iкн / h21э.

На выходной характеристике транзистора построить линии нагрузки (рис.5.2,а): Iк = (Uип2Uкэ)/Rн.


Рис.5.2. Примерный вид характеристик: а – линия нагрузки, б – характеристика передачи
3. Установить Uкэ = Uип2. Задавая ток базы Iб в пределах от 0 до (1,5–2)∙Iбн, измерить ток коллектора Iк, напряжение на базе Uбэ и напряжение на коллекторе Uкэ. Результаты занести в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Uкэ.макс =

Тип транзистора: Iк.макс =

Pк.макс =

Iб, мкА

Iк, мА

Uбэ, мВ

Uкэ, В













4. Эксперимент повторить для двух значений сопротивления нагрузки Rн.

5. Построить зависимости Iк(Iб) (рис.5.2,б), Uкэ(Uбэ). Определить из графиков Iкн и Uкн. Для области линейного режима вычислить коэффициенты передачи тока, напряжения, мощности:

KI = dIк/dIб; KU = dUкэ/dUбэ; KP = KI KU.

6. Выбрать рабочую точку усилителя на линейном участке характеристики передачи (примерно на его середине). Вывести усилитель на линейный режим работы, подав для этого на базу транзистора такое напряжение, при котором ток базы будет оптимальным Iб.опт (при данном токе базы наблюдается максимальный размах неискаженного выходного напряжения). Подать на вход (гнездо "Ген") сигнал от звукового генератора. Величину сигнала выбрать по характеристике Uкэ(Uбэ). Частота колебаний генератора 0,5–1 кГц.

7. Зарисовать осциллограммы на входе усилителя (гнездо "Ген") и на выходе усилителя (гнездо "Осц"):

– в линейном режиме при Iб = Iб.опт и максимально искаженном выходном сигнале;

– при смещении напряжения на базе в сторону отсечки (при уменьшении Uип1) (Iб < Iб.опт);

– при смещении напряжения на базе в сторону насыщения (при увеличении Uип1) (Iб > Iб.опт);

– при уменьшении Uип2;

– при увеличении амплитуды входного сигнала (возникает двухстороннее ограничение выходного сигнала).

8. При номинальном напряжении Uип2 и токе базы Iб.опт увеличить амплитуду входного сигнала примерно в 10 раз. Наблюдать и зарисовать осцилло­грамму последовательности трапецеидальных (почти прямоугольных) импульсов.

9. Сделать выводы по работе (в отчете записать значения Uкн, Iбн; сравнить экспериментальные и рассчитанные значения этих параметров; объяснить по осциллограммам, почему при увеличении входного сигнала происходит двустороннее ограничение; почему при изменении Uип1 выходной сигнал ограничивается сверху или снизу). Сравнить полученные характеристики со справочными.

Контрольные вопросы
1. Показать на полученных графиках области отсечки и насыщения. Сравнить расчетные и экспериментальные параметры этих режимов.

2. Сравнить расчетный и экспериментальный коэффициенты усиления транзистора. Объяснить влияние величины резистора нагрузки на усиление.

3. Объяснить с использованием полученных осциллограмм влияние положения исходной рабочей точки и амплитуды входного сигнала на вид выходного сигнала. Показать искажения, обусловленные отсечкой и насыщением.

4. Дать качественное и количественное объяснение зависимости величины напряжения насыщения коллектора от тока базы.

5. Как влияет величина коллекторного напряжения на усилительные свойства транзистора?
Лабораторная работа №6
  1   2   3


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации