Как найти крутизну характеристики

Московский авиационный институт (государственный технический университет)

Лабораторная работа «Исследование характеристик полевого транзистора» Утверждено кафедрой 408 как учебно-методическое руководство

Москва

Полевой транзистор (ПТ) содержит три
полупроводниковые области одного и
того же типа проводимости, называемые
соответственно истоком, каналом и
стоком, а также управляющий электрод
– затвор.

В полевом транзисторе используется
движение носителей заряда только одного
знака (основных носителей), которые из
истока через канал движутся в сток.
Электрическое поле напряжения,
приложенного между затвором и истоком,
изменяет проводимость канала и,
следовательно, ток через канал. Это
управляющее током электрическое поле
направлено перпендикулярно движению
носителей зарядов и может быть названо
поперечным. Носители зарядов движутся
в канале от истока к стоку под действием
продольного электрического поля,
создаваемого напряжением между стоком
и истоком.

В данной работе используется полевой
транзистор с управляющим p-n
переходом и каналом n-
типа, схематическое изображение которого
приведено на рисунке 1.

В полевых транзисторах с управляющим
p-n переходом
в качестве затвора используется область
противоположного типа проводимости по
отношению к каналу, образующая с ним
p-n переход,
который в рабочем режиме имеет обратное
включение. Напряжение на затворе изменяет
толщину обедненного слоя управляющего
p-n переход
и тем самым изменяет толщину проводящей
части канала, а, следовательно, проводимость
канала и ток через него.

Полевые транзисторы различаются также
по типу проводимости канала: транзисторы
с каналом p- или n-
типа.

Рисунок 1. Схематическое изображение
полевого транзистора с управляющим p-n
переходом и каналом n-
типа.

Описание установки

Исследование характеристик ПТ транзистора
осуществляется с помощью характериоскопа,
позволяющего получить на экране семейства
ВАХ п/п транзисторов. В состав лабораторной
установки входят также транзистор и
разъем с тремя проводами. Транзистор
припаян к плате с 3 выводами. К среднему
выводу присоединен затвор транзистора.
К выводу, окрашенному в красный цвет,
присоединён сток. Плата с транзистором
вставляется в разъём с тремя проводами.
Рекомендуется вставлять плату таким
образом, чтобы красный вывод стока
соответствовал красному (розовому)
проводу. Белый провод при этом будет
соответствовать затвору транзистора,
а чёрный провод оказывается соединённым
с истоком.

Штекеры проводов подсоединяются к
гнёздам характериоскопа .

Порядок проведения работы

Включите
питание прибора ручкой “SCALE
ILLUM”
и
установите удобный
уровень освещенности шкалы. Время
прогрева прибора не менее
5 минут.

1. Снимите семейство выходных ВАХ в схеме
с общим истоком.

Для снятия семейства выходных ВАХ
в схеме с общим истоком поставьте
переключатель “OFF“
в нейтральное положение и подключите
транзистор следующим образом:

• исток
  (черный провод) к клемме Е;

• затвор
  (белый провод) к клемме В;

• сток
  (красный провод) к клемме С.

После подсоединения транзистора
установите на
приборе CHARACTERISCOPE
ручки управления в сле­дующие
положения:

• переключатель
  “НОR
  .VOLTS“
  в положение (0,5 –
  1,0) В/дел;

• переключатель
  “VERT.
  CURRENT “в
  положение – (0.5 – 1) мА/дел.;

• переключатель
  “BASE
  STEPS“
  в положение “6”;

• тумблер
  “STEP
  POL”
  в
  положение ” – “;

• кнопка
  “ONE
  CURVE”
  отжата;

• переключатель
  “STEP AMPLITUDE”
  в положение (.1-
  .2) В;

• переключатель
  “COLLECTOR
  SUPPLY” в
  положение – “+АС“.

После того, как будут выставлены
необходимые чувствительности, полярности
и количество шагов, можно включить
изображение, переведя переключатель
“OFF“
в соответствующие положение 
или . В
результате на экране должно появиться
семейство ВАХ (смотрите рисунок 2). Каждая
кривая семейства соответствует
соответствующему постоянному значению
входного напряжения на гнезде “B”.

После этого необходимо произвести
балансировку. Балансировка осуществляется
вращением ручки “OFFSET“.
При вращении ручки “OFFSET“
семейство кривых синхронно перемещается
по экрану. Для балансировки нужно
добиться такого положения, когда верхняя
кривая остановится (при этом она будет
соответствовать U_ЗИ =
0); начало этой кривой (яркая точка)
является началом координат при построении
графика ВАХ. После балансировки
откорректируйте чувствительность
вертикального отклонения (переключателем
“VERT.
CURRENT ”
)
и шаг входного напряжения (переключателем
“STEP AMPLITUDE”)
так, чтобы семейство ВАХ занимало
как можно большую часть экрана
характериоскопа а нижняя кривая как
можно ближе к нулевому току. Перерисуйте
семейство выходных ВАХ на миллиметровку
в масштабе достаточно крупном для
дальнейших вычислений (1 клетка на экране
осциллографа ≤ 1см).

Рисунок 2. Семейство выходных характеристик
ПТ.

На семействе выходных ВАХ проведите
нагрузочную прямую, определите нагрузочное
сопротивление R_Н и
выберите рабочую точку А.

2. Постройте сток-затворные характеристики
на основании выходных ВАХ для трех
значений выходного напряжения U_СИ.
Способ графического построения
сток-затворных характеристик приведен
в Приложении.

Определите U_ЗИ
НАС, продлив построенные
зависимости до пересечения с осью 0 –
U_ЗИ.

3. Рассчитайте параметры исследуемого
полевого транзистора по его характеристикам
(смотрите Приложение):

а) Крутизну сток-затворной характеристики:

S=(ΔI_C)/(ΔU_ЗИ),
мА/В при ΔU_СИ=0
(U_СИ=const);

б) Внутреннее дифференциальное
сопротивление:

r_i
= (ΔU_СИ)/(ΔI_C),
Ом при ΔU_ЗИ
=0 (U_ЗИ
=const);

4. Рассчитайте параметры исследуемого
полевого транзистора в режиме усилителя
малого сигнала:

а) Предельный коэффициент усиления по
напряжению

K_U=S·
r_i.

б) Коэффициент усиления по напряжению
K_UГ
графически с использованием нагрузочной
прямой по формуле (смотрите Приложение):

K_UГ
= (ΔU_СИ)/(ΔU_ЗИ)=
(ΔU_ВЫХ)/(ΔU_ВХ).

б) Коэффициент усиления по напряжению
K_UА
аналитически с учетом внутреннего
сопротивления по формуле:

K_UА
= S·
.

в) Сравните K_U,
K_UГ
и K_UА.

Приложение

Выберите три значения выходного
напряжения U_си:
одно – соответствующее району перегиба
ВАХ при U_зи=0,
второе – соответствующее выбранной
рабочей точке А (U_си2),
третье – вблизи максимального значения
U_си
(смотрите рисунок П-1).

Рисунок П-1. Построение сток-затворных
характеристик на основании выходных
ВАХ для постоянного значения выходного
напряжения U_СИ.

Рассмотрим построение сток-затворной
характеристики при U_си1.
Пересечения прямой U_си=const
с семейством выходных ВАХ обозначим
точками 1,2,…,6. Определим в этих точках
значения тока стока I_с
и перенесем эти значения на график I_с
(U_зи),
учитывая, что значения U_зи
соответствуют параметру на выходных
ВАХ. Соединим эти точки на графике I_с
(U_зи)
и таким образом получим сток-затворную
характеристику при U_си1.
Аналогичным образом построим сток-затворные
характеристики при U_си2
и U_си3.
Рабочая точка лежит на сток-затворной
характеристике, соответствующей U_си2.

2. Определение крутизны сток-затворной характеристики.

Для определения крутизны сток-затворной
характеристики проведем на семействе
выходных ВАХ прямую через рабочую точку
А и найдем значения тока коллектора
в точках пересечения этой прямой с
характеристиками, соответствующими
U_зи2
и U_зи3.

Рисунок П-2. Определение крутизны
сток-затворной характеристики.

Приращение тока стока найдем как ΔI_C=
I_C(U_зи2)
– I_C(U_зи3),
а приращение входного напряжения
ΔU_ЗИ
= U_зи2
– U_зи3.

В этом случае

S=(ΔI_C)/(ΔU_ЗИ),
мА/В

3. Определение внутреннего дифференциального сопротивления.

Для определения внутреннего
дифференциального сопротивления
проведем на семействе сток-затворных
характеристик прямую через рабочую
точку А (смотрите рисунок П –
3) и найдем значения тока коллектора в
точках пересечения этой прямой с
характеристиками, соответствующими
U_си2
и U_си3.

Приращение тока стока найдем как ΔI_C=
I_C(U_си3)
– I_C(U_си2),
а приращение выходного напряжения
ΔU_СИ
= U_си3
– U_си2.

В этом случае

r_i
= (ΔU_СИ)/(ΔI_C),
Ом.

Рисунок П-3. Определение внутреннего
дифференциального

сопротивления.

4. Расчет коэффициента усиления по напряжению ku графически.

Для определения коэффициента усиления
по напряжению K_U
на семействе выходных ВАХ найдем
значения приращения выходного напряжения
ΔU_СИ
(смотрите рисунок П – 4), соответствующее
точкам пересечения нагрузочной прямой,
проходящей через рабочую точку А,
с характеристиками, соответствующими
U_зи2
и U_зи3.

Приращение входного напряжения ΔU_ЗИ
определим по формуле:

ΔU_ЗИ
= U_зи2
– U_зи3,

а коэффициент усиления по напряжению
K_U
по формуле:

K_UГ
= (ΔU_СИ)/(ΔU_ЗИ)=
(ΔU_ВЫХ)/(ΔU_ВХ).

Рисунок П-4. Расчет
коэффициента усиления по напряжению
K_U
графически.

ОТЧЕТ

по лабораторной работе
студент:

группа:

дата:

тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

1. Схема включения транзистора с общим
   истоком.

1. Семейство выходных ВАХ полевого
   транзистора.

1. Семейство сток-затворных ВАХ полевого
   транзистора.

1. Параметры полевого транзистора по ВАХ.

Крутизна сток-затворной характеристики:
S=(ΔI_C)/(ΔU_ЗИ)=

Внутреннее дифференциальное сопротивление:
r_i =
(ΔU_СИ)/(ΔI_C)=

1. Параметры полевого транзистора в режиме
   усилителя малого сигнала.

Предельный коэффициент усиления по
напряжению

K_U=S·
r_i=

Коэффициент усиления по напряжению
«графический»:

K_UГ
= (ΔU_СИ)/(ΔU_ЗИ)=

Коэффициент усиления по напряжению
«аналитический»:

K_UА
= S·
=

11

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 9 августа 2019 года; проверки требуют 2 правки.

Крутизна́ переда́точной характери́стики (также называемая пряма́́я проводимость, переда́точная проводимость, тра́нспроводимость) активного электронного прибора — биполярного транзистора, полевого транзистора, электронной лампы или сложного схемотехнического узла — величина, характеризующая действие управляющего электрода (базы, затвора, управляющей сетки) на управляемый прибором ток.

Крутизна  — дифференциальный параметр, численно равный отношению изменения выходного тока к вызвавшему его изменению управляющего напряжения :

В общем случае крутизна реальных приборов и устройств зависит от величины выходного тока (и, соответственно, от управляющего напряжения). Как правило, крутизна указывается в заданной рабочей точке, при фиксированном напряжении на электродах — в условиях, когда прибор работает в режиме управляемого источника тока.

Размерность крутизны (единица тока на единицу напряжения) совпадает с размерностью электрической проводимости, в СИ — сименс, сокращение См^[1].

Идеальный источник тока, управляемый напряжением[править | править код]

Крутизна (передаточная проводимость)  — единственная характеристика идеального источника тока, управляемого напряжением (ИТУН) и не зависит от величины тока. Выходной ток ИТУН связан с входным напряжением соотношением:

^[1].

Входной и выходной импедансы ИТУН равны бесконечности, это означает, что при любом входном напряжении входной ток равен нулю и выходной ток не зависит от напряжения на выходе.

Идеальный ИТУН физически нереализуем, ближайший реальный эквивалент идеального ИТУН — операционный усилитель тока, управляемый напряжением^[en], или операционный усилитель крутизны^[2] — линейный источник биполярного (и втекающего, и вытекающего) тока, управляемый дифференциальным напряжением. Типичный прибор этого типа передаёт в нагрузку ток −10…+10 мА при изменении входного напряжения в пределах −100…+100 мкВ, что соответствует постоянной крутизне в 100 См^[3].

Биполярные транзисторы[править | править код]

Крутизна биполярного транзистора характеризует изменения тока коллектора при изменении напряжения база-эмиттер в окрестности выбранной рабочей точки^[4]. В силу экспоненциального характера зависимости от крутизна биполярного транзистора прямо пропорциональна :

,

где  — температурный потенциал, прямо пропорциональный абсолютной температуре и при 25 °С равный примерно 26 мВ^[4][5].

Так, для тока коллектора 1 мА крутизна кремниевого транзистора равна примерно 40 мCм, для тока 1 А — примерно 40 См и так далее. Прямая пропорциональность между крутизной и током — уникальное свойство биполярного транзистора, не наблюдаемое в электронных приборах иных типов.

Полевые транзисторы малой мощности[править | править код]

Предельный ток стока полевого транзистора (ток насыщения) пропорционален не экспоненте, а квадрату эффективного управляющего напряжения (разнице между напряжением затвор-исток и пороговым напряжением)^[6]. Поэтому крутизна транзистора пропорциональна эффективному управляющему напряжению:

^[7],

где  — некоторый коэффициент, имеет размерность А/В².

Фактическая крутизна маломощных дискретных транзисторов измеряется единицами или десятками мСм. Не зависящая от выбора рабочей точки величина  — удельная крутизна полевого транзистора — определяется геометрическими размерами канала, удельной ёмкостью затвора и подвижностью носителей заряда в канале^[8]. Последняя, в свою очередь, убывает с ростом температуры кристалла. Относительный коэффициент крутизны — удельная крутизна условного транзистора, ширина и длина затвора которого равны — составляет примерно 20…60 мкА/В² у дискретных n-канальных транзисторов и 100…120 мкА/В² у низковольтных интегральных n-канальных транзисторов. Относительный коэффициент крутизны p-канальных приборов примерно в 2…3 раза ниже из-за меньшей подвижности носителей заряда в канале^[9].

Мощные полевые транзисторы[править | править код]

В мощных полевых транзисторах квадратическая модель зависимости тока от управляющего напряжения действует только в области малых токов. В области больших токов эта зависимость принимает характер, близкий к линейному, с примерно постоянной крутизной характеристики ^[10]. Паспортные её значения обычно приводятся в спецификациях для тока стока, равному половине предельно допустимого. Для высоковольтных (1 кВ и выше) транзисторов крутизна не превышает 1 См; у транзисторов, рассчитанных на меньшие напряжения, крутизна измеряется единицами или десятками См. Низковольтные транзисторы разработки XXI века, рассчитанные для работы при токах стока в сотни А, имеют крутизну в несколько сотен См в номинальном режиме; динамическая крутизна, измеряемая при коротких импульсах тока, может превышать тысячу См^[11].

Вакуумные триоды[править | править код]

Расчётная крутизна вакуумного триода характеризует управляющее действие сетки на ток анода^[13]; в лампах с несколькими сетками крутизна, по умолчанию, характеризует действие первой управляющей сетки. В первом приближении крутизна описывается сложной формулой, согласно которой крутизна

• возрастает с увеличением длины катодно-сеточного узла^[14];
• возрастает с уменьшением расстояния между сеткой и катодом^[14];
• в области отрицательных управляющих напряжений крутизна медленно возрастает по мере увеличения потенциала сетки, достигая максимума в окрестности нулевого напряжения сетки относительно катода. В области положительных управляющих напряжений крутизна плавно спадает из-за утечки части тока эмитированных электронов с катода на сетку^[15];
• кроме того, крутизна нелинейно возрастает с увеличением накала (температуры катода)^[15].

По мере старения лампы (падении эмиссионной способности катода) её крутизна медленно и необратимо уменьшается, с пропорциональным ростом внутреннего сопротивления; коэффициент усиления по напряжению остаётся практически неизменным^[16]. Во всех режимах три параметра — крутизна , выходное сопротивление и предельный коэффициент усиления напряжения связаны соотношением:

,

известным как уравнение параметров триода^[17] (в иностранных источниках называется «формула ван дер Бейла»).

Типичное значение крутизны приёмно-усилительных ламп малой мощности в номинальных режимах составляет примерно 5…10 мCм, предельное — порядка 50…100 мCм^[14]. Характеристики мощных приёмно-усилительных ламп укладываются примерно в те же рамки (6V6 — 4 мCм, EL84 — 11 мCм, 6С33С — 40 мCм). Дальнейшее увеличение крутизны отдельной лампы технологически невозможно, но крутизну каскада можно увеличить, применив параллельное включение триодов, так как при этом складываются анодные токи при том же самом изменении напряжения сеток^[14].

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Батушев, В. А. Электронные приборы. — М.: Высшая школа, 1969. — 608 с.
• Улахович, Д. А. Основы теории линейных электрических цепей. — БХВ-Петербург, 2009. — 816 с. — ISBN 9785977500838.
• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Том I. — 12-е изд.. — М.: ДМК-Пресс, 2007. — 832 с. — ISBN 5940741487.
• Blencowe, M. Designing High-Fidelity Valve Preamps. — Lulu, 2016. — ISBN 9780956154538.