Под редакцией С.М. Ершова

Электронные и микроэлектронные приборы

Методические указания к лабораторным работам

Под редакцией С.М. Ершова

Санкт-Петербург

Составители:

С.М. Ершов, к.т.н., доц.; И.В. Шитов, к.т.н., доц.; Ю.В. Петров, к.т.н., доц.; Л.Л. Полосин, д.т.н., проф.; С.Н.Аникин

УДК 621.382.002.56

Э45

Электронные и микроэлектронные приборы: Метод. указания к лабораторным работам. /С.М. Ершов, И.В. Шитов, Ю.В. Петров, Л.Л. Полосин, С.Н. Аникин/ Под ред. С.М. Ершова. – Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2004. 37 с.

Методические указания содержат сведения, необходимые студентам для выполнения цикла лабораторных работ по электронным и микроэлектронным приборам.

Предназначены для студентов дневного отделения, слушающих курс „Электронные и микроэлектронные приборы”.

Утверждено

редакционно-издательским

советом университета

Рецензент к.т.н., доц. В. Н. Яночкин

© БГТУ, Санкт-Петербург, 2004

Перечень лабораторных работ, проводимых в лаборатории 423А.

1. Исследование полупроводниковых диодов.

2. Исследование полупроводниковых стабилитронов.

3. Статические характеристики и параметры биполярного транзистора в схеме с общей базой.

4. Статические характеристики и параметры биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.

5. Усилительный и ключевой режимы биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.

6. Статические характеристики и параметры полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

7. Усилительный режим полевого транзистора с управляющим p-n- переходом.

8. Исследование светоизлучающих полупроводниковых приборов и опто­электронных пар.

9. Исследование операционного усилителя.

10. Исследование интегральных микросхем.

I. Общие положения.

1. При подготовке к лабораторной работе студент должен:

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;

– 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 в лаборатории студент должен:

2.1. Ознакомиться с лабораторной установкой, обратив особое внимание (раздел II):

– на включение установки;

– на пределы измерений и род измерения;

– разобраться с ценой 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:

– заполняются таблицы;

– строятся экспериментальные зависимости;

– приводятся осциллограммы;

– записываются произведенные вычисления;

– делаются выводы по работе.

II. Описание лабораторной установки.

В состав лабораторной установки входят:

1. Блок включения стенда.

2. Двухполярный блок питания БП-15.

3. Блок питания БП-30.

4. Блок питания БП-5.

5. Макет "Полупроводники – микросхемы".

6. Генератор низкочастотный.

7. Осциллограф.

1. 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.

2. Блок питания БП-15 обеспечивает двухполярное напряжение до 15 В. Включение блока производится с помощью тумблера "Сеть", при этом загорается светодиод над тумблером. На лицевую панель блока выведены ручка потенциометра, позволяющая менять напряжение от 0 до 15 В, и вольтметр. Блок имеет электронную защиту от перегрузок и коротких замыканий, которая обеспечивает высокую надежность работы блока. При увеличении тока нагрузки свыше 1 А цепь разрывается и загорается светодиод "Перегрузка" на лицевой панели. Теперь для повторного включения блока необходимо его выключить на 5 секунд, а затем снова включить.

3. Блок питания БП-30 обеспечивает однополярное напряжение до 30 В. Включение блока производится с помощью тумблера "Сеть", при этом загорается светодиод над тумблером. На лицевую панель блока выведены ручка потенциометра, позволяющая менять напряжение от 0 до 30 В, и вольтметр. Блок имеет электронную защиту от перегрузок и коротких замыканий, которая обеспечивает высокую надежность работы блока. При увеличении тока нагрузки свыше 1 А цепь разрывается и загорается светодиод "Перегрузка" на лицевой панели. Теперь для повторного включения блока необходимо его выключить на 5 секунд, а затем снова включить.

4. Блок питания БП-5 обеспечивает однополярное напряжение до 5 В. Включение блока производится с помощью тумблера "Сеть", при этом загорается светодиод над тумблером. На лицевую панель блока выведены ручка потенциометра, позволяющая менять напряжение от 0 до 5 В, и вольтметр. Блок имеет электронную защиту от перегрузок и коротких замыканий, которая обеспечивает высокую надежность работы блока. При увеличении тока нагрузки свыше 1 А цепь разрывается и загорается светодиод "Перегрузка" на лицевой панели. Теперь для повторного включения блока необходимо его выключить на 5 секунд, а затем снова включить.

5. Макет 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 I_пр < I_{пр.макс} (см. приложение), например, 15–30 мА. Измерить напряжение на диоде для несколь­ких значений прямого тока, например, I_{пр.макс}/2, I_{пр.макс}/4, I_{пр.макс}/8 и т.д. Данные записать в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Тип диода: I_{пр.макс}=

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 U_обр, измерить ток I_обр. Напряжение на диоде задавать с таким расчетом, чтобы │U_обр│<│U_{обр.макс}│ (см. приложение). Данные записать в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Тип диода: U_{обр.макс}=

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 R_пр, R_обр и дифференциальные сопротивления диодов для двух значений прямого тока (малого и большого):

R_дифф.= dU/dI при I=I_{пр.макс}/2; I=I_{пр.макс}/10

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

R_рn = φ_т/I, где φ_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 U_ип = 0;

– в гнезде "Осц" при U_ип > 0;

– в гнезде "Осц" при U_ип < 0.

5. Сделать выводы по работе (в выводах объяснить разницу в характеристиках двух диодов; сравнить значения рассчитанных сопротивлений R_пр, R_обр, R_дифф с R_рn; объяснить полученные осциллограммы). Сравнить полученные характеристики исследуемого диода со справочными данными.

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 I_пр ≤ I_{пр.макс}. Затем задать ряд значений тока I_пр и измерить падение напряжения на стабилитроне (см. п.1.2 работы №1). Данные записать в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Тип стабилитрона: I_{пр.макс}=

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

1.4. Установить питание U_ип ≥ U_стаб таким, что I_обр стабилитрона не превышал I_{обр.макс} ≤ P_рас/U_стаб. Данные записать в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Тип стабилитрона: I_{обр.макс}= U_стаб= P_рас=

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

Рис.2.2. Примерный вид характеристики

Рис.2.3. Схема для определения коэффициента стабилизации

R_огр = (100 – 500) Ом; R_н = (1 – 3) кOм

ИП – БП15; V1 – на блоке питания

Предел измерения V2 – 15 В

3. Исследовать стабилизирующие свойства одного из стабилитронов:

3.1. Для рабочего участка характеристики стабилитрона рассчитать дифференциальное сопротивление:

R_дифф = dU/dI.

3.2. Собрать схему для определения коэффициента стабилизации (рис.2.3), выбрав R_огр > R_дифф.

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

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

Таблица 2.3

Тип стабилитрона: U_стаб=

3.5. Рассчитать коэффициент стабилизации:

К_стаб = [(U_ип'– U_ип)/U_ип]/[(U_н'– U_н)/U_н].

4. Сделать выводы по работе, ответив на вопросы:

– где находится рабочий участок стабилитрона;

– чему равно U_стаб;

– подтверждает ли опыт стабилизирующие свойства исследуемого прибора?

Сравнить полученные характеристики со справочными данными для исследуемого 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 I_э(U_эб) при U_кб1, U_кб2, U_кб3;

– выходные I_к(U_кб) при I_э1, I_э2, I_э3;

– передачи тока I_к(I_э) при U_кб1, U_кб2, U_кб3;

– обратной передачи по напряжению U_эб(U_кб) при I_э1, I_э2, I_э3.

1.1. Собрать схему для измерения характеристик транзистора (рис.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

1.2. Выбрать три значения напряжения на коллекторе U_кб1, U_кб2, U_кб3 таким образом, чтобы U_кб1>0 (около нуля), U_кб3< U_{кб.макс}, U_кб1<U_кб2<U_кб3; где U_{кб.макс} – максимально допустимое значение напряжения на коллекторе (см. приложение).

1.3. Установить на коллекторе напряжение U_кб3 и задать ток эмиттера
I_э.макс ≤ P_к.макс/U_кб3.

1.4. Изменяя ток эмиттера I_э от 0 до I_э.макс (5 значений), измерить ток кол­лектора I_к и напряжение на эмиттере U_эб. Данные измерений при U_кб3=const занести в табл. 3.1.

Таблица 3.1

U_{кб.макс}=

Тип транзистора: I_к.макс=

P_к.макс=

1.5. Повторить эксперимент при других значениях напряжения на коллек­торе U_кб1, U_кб2 и занести полученные данные в табл. 3.1.

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:

h_11б = dU_эб / dI_э при U_кб = const;

h_12б = dU_эб / dU_кб при I_э = const;

h_21б = dI_к / dI_э при U_кб = const;

h_22б = dI_к / dU_кб при I_э = const.

4. Записать выводы по работе. Сравнить полученные характеристики со справочными.

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 I_б(U_бэ) при U_кэ1, U_кэ2, U_кэ3;

– выходные I_к(U_кэ) при I_б1, I_б2, I_б3;

– передачи тока I_к(I_б) при U_кэ1, U_кэ2, U_кэ3;

– обратной передачи по напряжению U_бэ(U_кэ) при I_б1, I_б2, I_б3.

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

Рис.4.1. Схемы для снятия характеристик транзистора n-p-n типа (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

1.2. Установить напряжение на коллекторе U_кэ1, не превышающее U_{кэ.макс} (см. приложение). Увеличивая напряжение U_ип1 от нулевого значения, получить коллекторный ток I_к.макс=P_к/U_кэ и измерить ток I_б. Округлить значение I_б в меньшую сторону до значения, кратного 50 мкА или 100 мкА. Определенный таким образом диапазон изменения тока базы от нуля до I_б разделить на несколько (4–5) равных участков с границами I_б1, I_б2, I_б3, I_б4, I_б5.

1.3. При постоянном U_кэ3, изменяя ток базы I_б от 0 до I_б.макс (5 значений), измерить ток коллектора I_к и напряжение на базе U_бэ. Данные измерений занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1

U_{кэ.макс}=

Тип транзистора: I_к.макс=

P_к.макс=

1.4. Повторить эксперимент при других значениях напряжения на коллекторе U_кэ1, U_кэ2 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:

h_11э = dU_бэ / dI_б при U_кэ = const;

h_12э = dU_бэ / dU_кэ при I_б = const;

h_21э = dI_к / dI_б при U_кэ = const;

h_22э = dI_к / dU_кэ при I_б = const.

5. Записать выводы по работе (в выводах отметить, где находится рабочая область транзистора, область отсечки, область насыщения; объяснить влияние U_кэ на I_к, h_21э и U_бэ). Сравнить полученные характеристики со справочными.

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

R_н = (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 "Статические характеристики и параметры биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером", выбрать напряжение питания U_ип2 с учетом U_ип2 < U_{кэ.макс} и два значения сопротивления нагрузки R_н. Приближенно рассчитать ток коллектора насыщения и ток базы насыщения (2 значения):

I_кн = U_ип2 / R_н,

I_бн = I_кн / h_21э.

На выходной характеристике транзистора построить линии нагрузки (рис.5.2,а): I_к = (U_ип2 – U_кэ)/R_н.

3. Установить U_кэ = U_ип2. Задавая ток базы I_б в пределах от 0 до (1,5–2)∙I_бн, измерить ток коллектора I_к, напряжение на базе U_бэ и напряжение на коллекторе U_кэ. Результаты занести в табл. 5.1.

Таблица 5.1

U_{кэ.макс} =

Тип транзистора: I_к.макс =

P_к.макс =

4. Эксперимент повторить для двух значений сопротивления нагрузки R_н.

Рис.5.2. Примерный вид характеристик:
а) линия нагрузки, б) характеристика передачи

5. Построить зависимость I_к(I_б) (рис.5.2,б), U_кэ(U_бэ). Определить из графиков I_кн и U_кн. Для области линейного режима вычислить коэффициенты передачи тока, напряжения, мощности:

K_I = dI_к/dI_б;

K_U = dU_кэ/dU_бэ;

K_P = K_I ∙K_U.

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 I_б.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 U_кэ(U_бэ). 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 I_б = I_б.опт и максимально искаженном выходном сигнале;

– при смещении напряжения на базе в сторону отсечки (при уменьшении U_ип1) (I_б < I_б.опт);

– при смещении напряжения на базе в сторону насыщения (при увеличении U_ип1) (I_б > I_б.опт);

– при уменьшении U_ип2;

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

8. При номинальном напряжении U_ип2 и токе базы I_б.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 U_кн, I_бн; сравнить экспериментальные и рассчитанные значения этих параметров; объяснить по осциллограммам, почему при увеличении входного сигнала происходит двухстороннее ограничение; почему при изменении U_ип1 выходной сигнал ограничивается сверху или снизу). Сравнить полученные характеристики со справочными.

Лабораторная работа №6. Статические характеристики и параметры полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

1. Снять семейства статических характеристик транзистора:

– стоко-затворную I_с(U_зи) при U_си1, U_си2, U_си3;

– стоковую I_с(U_си) при U_зи1, U_зи2, U_зи3, U_зи4.

1.1. Собрать схему для измерения характеристик транзистора (рис.6.1).

Рис.6.1. Схема для измерения характеристик полевого транзистора

R1 = (6 – 10) кОм

R2 = (1 – 2) кОм

ИП1 – БП15

ИП2 – БП15

Пределы измерений:

mA2 – (1,5 – 3,0) мА

V1 – (1,5 – 3,0) В

V2 – осциллограф в режиме ЭВ (25 В)

1.2. При нулевом напряжении затвора (U_ип1 = 0) увеличивать напряжение U_ип2 = U_си до значения, при котором начальный ток стока I_с.нач не превышает значения P_с.макс/U_си. Округлить полученное напряжение U_си до меньшего, удобного значения U^*_си и разделить диапазон изменения U_си на (4–5) интервалов с границами U_си1, U_си2, U_си3, U_си4, U_си5=U^*_си.

1.3. Установить напряжение на стоке U_си4 или U_си5. Определить напряжение отсечки транзистора U_зи.отс, для чего, изменяя напряжение на затворе, найти значение U_зи, при котором I_с = 0.

1.4. Изменяя напряжение на затворе от 0 до U_зи.отс (4 значения), измерить ток стока I_c. Данные записать в табл. 6.1.

Таблица 6.1

U_{си.макс}=

Тип транзистора I_с.макс=

P_с.макс=

1.5. Повторить эксперимент при других значениях напряжения на стоке U_си1, U_си2, U_си3.

2. Построить по полученным данным стоково-затворную и стоковую характеристики транзистора (рис.6.2). Если на стоковой характеристике восходящий (линейный) участок и область насыщения выявляются неотчетливо, то необходимо повторить эксперимент, установив напряжение на стоке меньше, чем U_си1.

Рис.6.2. Примерный вид характеристик

3. Вычислить крутизну характеристики, сопротивление и коэффициент усиления транзистора при U_си < U_си.нас и при U_си > U_си.нас:

S = dI_c / dU_зи при U_си = const;

r_c = dU_си / dI_c при U_зи = сonst;

μ = S∙r_c.

4. Записать выводы по работе (в выводах объяснить, при каких значениях напряжения на стоке U_си > U_си.нас или U_си < U_си.нас прибор работает в режиме усиления и почему).

Сравнить полученные характеристики со справочными.

Лабораторная работа №7. Усилительный режим полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

1. Собрать схему для исследования усилительного режима полевого транзис­тора (рис.7.1).

2. По паспортным данным и характеристикам, полученным в предыдущей работе, выбрать напряжение питания стока U_си<U_{си.макс}, например, 15 В.

Рис.7.1. Схема для исследования усилительного режима полевого транзистора

R_с = (5 – 15) кОм

R_з = 10 кОм

C1 = (1 – 10) мкФ

C2 = (1 – 10) мкФ

F_г = (1 – 5) кГц

3. Построить линию нагрузки I_с = (U_ип2 – U_си)/R_с и приближенно оценить ток стока насыщения I_с.нас и напряжение U_си.нас.

4. Задать напряжение на затворе от 0 до U_зи.отс изменением U_ип1 и измерить ток стока I_с и напряжение U_си для двух значений резистора нагрузки R_с. Значение R_с1≈(U_ип–U_си.нас)/I_с.нас, где U_си.нас для случая U_зи=0; R_с2=(2–3)∙R_с1. Результаты занести в табл. 7.1.

Таблица 7.1

5. Построить графики I_c=f(U_зи) и U_cи=f(U_зи) при R_с1 и R_с2 (рис.7.2).

Рис.7.2. Примерный вид характеристик

6. Для области линейного режима по U_cи=f(U_зи) для двух значений нагрузки R_с1 и R_с2 вычислить K_у=∆U_си/∆U_зи.

7. На линейном участке передаточной характеристики для R_с1 выбрать рабочую точку усилителя. На вход «Ген» подать сигнал со звукового генератора, выход усилителя соединить с входом «Y» осциллографа и наблюдать выходной сигнал в линейном, а также в нелинейном режиме при увеличении амплитуды входного сигнала и изменении положения рабочей точки.

8. Сделать выводы о проделанной работе:

– сравнить усилительные свойства биполярного и полевого транзисторов;

– объяснить принцип усиления полевого транзистора;

– объяснить, почему появляются нелинейные искажения выходного сигнала;

– объяснить зависимость K_у от R_с.

Лабораторная работа №8. Исследование полупроводниковых светоизлучающих приборов и оптоэлектронных пар.

1. Снять вольт-амперные характеристики (ВАХ) двух светодиодов I(U):

1.1. Собрать схему для измерения прямой ветви ВАХ светодиода (рис.8.1,а).

1.2. Изменяя ток через светодиод от 0 до I_{пр.макс}, измерить U_пр. Данные запи­сать в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Тип диода: I_{пр.макс}=

1.3. Построить ВАХ обоих светодиодов (рис.8.2,а).

1.4. Отметить на характеристиках напряжение и ток, при которых начи­нается излучение.

2. Исследовать характеристики резисторной оптопары:

2.1. Собрать схему для исследования резисторной оптопары (рис.8.1,б и рис.8.3,а).

Рис.8.1. Схемы для исследования светодиодов (а), резисторной оптопары (б),
диодного (в) и транзисторного (г) оптронов:

R1 = (0,5 – 2) кОм

R2 = (0,5 – 2) кОм

ИП1 – БП15

ИП2 – БП30 (БП15)

V2 – вольтметр БП15

Пределы измерений:

mA1 – (15 – 30) мА

mA2 – (0,75 – 30) мА

V1 – (0,75 – 1,5) В

V2 – на блоке питания

VK – электронный вольтметр

Рис.8.2. Примерный вид характеристик светодиодов (а), резисторной оптопары (б, в), диодного (г) и транзисторного (д) оптронов

2.2. Снять зависимость выходного тока I_вых от входного I_вх при U_ип2=10 В.

2.3. Рассчитать световое сопротивление фоторезистора R_св = U_вых / I_вых.

2.4. Все данные занести в табл. 8.2 и построить график R_св(I_вх) (рис.8.2,б):

Таблица 8.2

Тип прибора: I_{вх.макс}= U_{обр.макс}=

U_ип2 = 10 В I_{вых.макс}= Р_{вых.макс}=

2.5. Снять зависимость выходного тока от выходного напряжения при I_вх=15 мА. Данные занести в табл. 8.3 и построить график I_вых(U_вых) (рис.8.2,в):

Таблица 8.3

Тип прибора I_вх = 15 мА

3. Исследовать характеристики диодного оптрона:

3.1. Собрать схему для исследования диодного оптрона (рис.8.1,в и рис.8.3,б).

3.2. Снять зависимость выходного тока I_вых от входного I_вх при U_ип2=10 В.

3.3. Все данные занести в табл. 8.4 и построить график I_вых(I_вх) (рис.8.2,г):

Таблица 8.4

Тип прибора: I_{вх.макс}=

U_ип2 = 10 В U_{вых.макс}=

3.4. Рассчитать коэффициент передачи тока К_I = I_вых / I_вх

4. Исследовать характеристики транзисторного оптрона:

4.1. Собрать схему для исследования транзисторного оптрона (рис.8.1,г и рис.8.3,б).

4.2. Снять зависимость выходного напряжения от входного тока при U_ип2=10 В (зависимость имеет вид функции включения)

4.3. Все данные занести в табл. 8.5 и построить график U_вых(I_вх) (рис.8.2,д):

Таблица 8.5

Тип прибора: I_{вх.макс}= I_{вых.макс}=

U_ип2 = 10 В U_{вх.обр.макс}= U_{вых.макс}=

Р_{вых.макс}=

4.4. Записать входной ток включения и остаточное выходное напряжение.

Рис.8.3. Схемы включения резисторной оптопары ОЭП-13 (а), диодного оптрона АОД129А и транзисторного оптрона АОТ110Б (б)

5. Сделать выводы по работе (в выводах объяснить полученные зависимости).

Лабораторная работа №9. Исследование операционного усилителя.

1. Вставить печатную плату с ИМС операционного усилителя (ОУ) в разъем XT9 на наборном поле стенда. Подключить двухполярное напряжение U_ип = ± 15 В к клеммам U1 на наборном поле, задействовав два блока питания БП‑15. При этом набор питающих напряжений от клемм U1 к выводам операционного усилителя уже произведен внутри стенда и дальнейшей коммутации этих напряжений проводами на наборном поле не требуется. По этой причине, а также чтобы не загромождать схемы исследований, разводка питающих напряжений условно не показана.

Рис.9.1. Схемы для исследования инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) усилителей

2. Собрать схему для исследования инвертирующего усилителя (рис.9.1,а) с заданным преподавателем коэффициентом усиления:

2.1. Рассчитать значения сопротивлений R1 и R2 для обеспечения требуемого коэффициента усиления (табл. 9.1).

Таблица 9.1

2.2. Провести балансировку ОУ, использовав для этого переменный потен­циометр R_б=20 кОм. Для сбалансированного усилителя при U_вх = 0 должно выполняться условие: U_вых = 0.

2.3. Подать на инвертирующий вход ОУ гармонический входной сигнал частотой 1 кГц и амплитудой U_вх=(10/K_у) В.

2.4. Подать сигнал с генератора и на вход синхронизации осциллографа.

2.5. Зарисовать осциллограммы на входе и выходе ОУ и оценить по ним полученный в схеме коэффициент усиления, а также показать наличие инверсии сигнала.

3. Собрать схему для исследования неинвертирующего усилителя (рис.9.1,б) при K_у=20, выбрав соответствующие значения сопротивлений R1 и R2:

3.1. Собрать делитель напряжения R3, R4, R5

(R4 = 1 кОм; R3 = R5 = (8,2–12) кОм).

3.2. Выход делителя соединить с неинвертирующим входом.

3.3. Провести балансировку ОУ, использовав для этого переменный потен­циометр R_б=20 кОм. Для сбалансированного усилителя при U_вх = 0 должно выполняться условие: U_вых = 0.

3.4. Построить амплитудную характеристику ОУ (рис.9.2,а). Для этого нужно, подавая на неинвертирующий вход ОУ постоянное напряжение, измерять уровень постоянного напряжения на выходе схемы.

3.5. Полученные данные занести в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Рис.9.2. Примерный вид амплитудной характеристики (а) и амплитудно-частотной характеристики (б) операционного усилителя

4. Собрать схему для исследования частотных свойств ОУ (рис.9.3,а):

4.1. Изменяя частоту входного сигнала ОУ с K_у=20 до 100 кГц и сохраняя постоянной его амплитуду (U_вх = 0,1 В), измерить по осциллографу амплитуду выходного сигнала.

4.2. Повторить измерения для ОУ с K_у=100 при меньшем уровне входного сигнала примерно в 5 раз.

4.3. Все данные занести в табл. 9.3 и построить амплитудно-частотную характеристику усилителя (рис.9.2,б).

Таблица 9.3

Рис.9.3. Схемы для исследования частотных свойств инвертирующего усилителя (а) и активного фильтра НЧ (б)

5. Собрать схему для исследования активного фильтра НЧ (рис.9.3,б), использовав R1=1 кОм, C=(0,01–0,1) мкФ. Изменяя частоту входного сигнала схемы, снять амплитудно-частотную характеристику фильтра. Полученные данные занести в табл. 9.4.

Таблица 9.4

U_вх=

6. Сделать выводы по выполненной работе.

Лабораторная работа №10. Исследование интегральных микросхем.

1. Снять амплитудную характеристику U_вых(U_вх) элемента ИЛИ-НЕ трех серий ИМС: 155 (ТТЛ), 555 (ТТЛШ), 176 (КМОП).

1.1. Собрать схему для снятия характеристик ИМС (рис.10.1).

Рис.10.1. Схемы для исследования ИМС К155ЛЕ1, К555ЛЕ1 (а) и ИМС К176ЛЕ5 (б)

R1 = (1 – 2) кОм

R2 = 20 кОм

R3 = (80 – 150) Ом

ИП1 – БП15

ИП2 – БП15

ИП3 – БП30

Пределы измерений:

mA – (0,75 – 1,5) мА

V1 – (7,5 – 15) В

V2 – ЭВ (25 В)

1.2. Напряжение питания U_ип устанавливается перед включением ИМС в панель и при измерениях остается постоянным (для К155ЛЕ1 и К555ЛЕ1 U_ип= +5 В, для К176ЛЕ5 U_ип= +9 В). Обратить внимание, что питание ИМС К176ЛЕ5 и задание входного сигнала осуществляется от разных источников питания согласно схеме исследований.

1.3. Изменяя напряжение входного сигнала от 0 до U_ип, измерить напряже­ние на выходе ИМС. Данные записать в табл. 10.1:

Таблица 10.1

Тип ИМС:

1.4. По данным измерений построить амплитудные характеристики для каждой серии ИМС (рис.10.2). Определить и занести в табл. 10.2:

– уровни логических нуля U ⁰ и единицы U ¹;

– величины запирающей U_пз и отпирающей U_по статических помех;

– логический перепад U_л = U ¹ – U ⁰;

– помехоустойчивость К_п = U_ип / U_л.

Таблица 10.2

Рис.10.2. Амплитудная характеристика

2. Определить потребляемую мощность ИМС на основе измерения потребляемого тока в двух состояниях схемы: логического нуля – ток I ⁰_пот0 и логической единицы – ток I ¹_пот. При измерении потребляемого тока уровень выходного сигнала не измеряется. Состояние схемы задается входным сигналом согласно табл. 10.2. Результаты измерений занести в табл. 10.3.

Таблица 10.3

Средняя потребляемая мощность Р_пот вычисляется при известном напряжении источника питания как среднее значение мощности, потребляемой ИМС в состоянии логического нуля Р ⁰_пот и логической единицы Р ¹_пот:

Р_пот = (Р ⁰_пот + Р ¹_пот)/2 = U_ип∙(I ⁰_пот + I ¹_пот)/2.
Контрольные вопросы к лабораторным работам

1. Исследование полупроводниковых диодов.

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 изображение, буквенное обозначение, маркиров­ка и применение диода.

2. Исследование полупроводниковых стабилитронов.

2.1. Объяснить на полученном графике, где находится рабочий участок характеристики стабилитрона. Назвать и объяснить основные парамет­ры стабилитрона.

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

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

2.4. Условное графическое, буквенное обозначение и маркировка стаби­литрона.

3, 4. Статические характеристики и параметры биполярного транзистора

(схемы с общей базой и общим эмиттером).

1. Объяснить принцип усиления биполярного транзистора. Схемы включе-ния 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 изображение, буквенное обозначение транзисторов p-n-p и n-p-n типов.

6. Сравнить параметры транзисторов в схемах с общими базой и эмиттером.

5. Усилительный и ключевой режимы биполярного транзистора

в схеме с общим эмиттером.

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?

6. Статические характеристики и параметры полевого транзистора

с управляющим p-n-переходом.

1. Устройство и принцип действия транзистора.

2. Каковы величины напряжения запирания и насыщения в эксперименте? Как объясняется насыщение?

3. Объяснить, как вычислялись параметры транзистора по характерис­тикам. Сравнить значения параметров при малых и больших напряже­ниях на стоке. Объяснить различие.

4. Показать на выходных характеристиках область активного режима.

5. Сравнить статические коэффициенты усиления биполярного и полевого транзисторов. Объяснить различие.

6. Условное графическое и буквенное обозначение, маркировка и приме­нение транзистора.

7. Усилительный режим полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

1. Показать на графике области отсечки, линейного усиления и насыщения.

2. Сравнить экспериментальные и теоретические значения коэффициента усиления. Объяснить физически влияние величины резистора нагрузки на усиления.

3. По осциллограммам объяснить влияние положения исходной рабочей точки и амплитуды входного сигнала на вид выходного сигнала. Показать искажения, обусловленные отсечкой и насыщением.

4. Сравнить усилительные свойства полевых и биполярных транзисторов. Когда более целесообразно применять те или другие?

8. Исследование светоизлучающих полупроводниковых приборов и

оптоэлектронных пар.

1. Назначение, принцип действия, условное обозначение и области приме­нения светодиода.

2. Что определяет цвет свечения светодиода. Привести примеры.

3. Назначение, принцип действия, условное обозначение и области приме­нения оптрона ОЭП. Объяснить ход характеристики.

4. Принцип действия, условное обозначение оптрона АОД. Чем он отличается в лучшую сторону от оптрона ОЭП?

5. Назначение, принцип действия, условное графическое обозначение оптрона АОТ.

6. Области применения оптрона АОТ и возможности управления включе­нием.

7. Дать физическое объяснение зависимости для оптрона АОТ.

9. Исследование операционного усилителя.

1. Объяснить, как достигается заданный коэффициент усиления в схеме с операционным усилителем.

2. Как в схеме реализуется отрицательная обратная связь с инвертиро­ванием сигнала и без него?

3. Объяснить частотное ограничение на работу схем с операционными усилителями.

4. Объяснить частотную характеристику активного фильтра низких частот и влияние элементов схемы на вид характеристики.

5. Объяснить вид амплитудной характеристики. Помнить, каким образом можно определить коэффициент усиления по этой характеристике.

10. Исследование интегральных микросхем.

1. Для чего используется таблица истинности? От чего зависит количест­во строк и столбцов в ней?

2. Решить обратную задачу путем подачи на вход двух комбинаций входных переменных X для произвольной схемы. Нарисовать ее условное графическое обозначение.

3. Показать на амплитудной характеристике уровни логических нуля и единицы для различных серий ИМС. Что такое положительная и отрицательная логика?

4. Сравнить помехоустойчивость ИМС различных серий.

5. Сравнить энергопотребление различных серий ИМС и объяснить раз­личие с привлечением упрощенных схем базовых элементов.

Приложение

Таблица П1

Основные паспортные данные исследуемых приборов