Лабораторная установка для динамического измерения входных и выходных характеристик полупроводникового транзистора

Полезная модель относится к измерительной технике и учебно-научному лабораторному оборудованию в области измерения и контроля электрофизических параметров полупроводниковых транзисторов. Установка может быть использована для проведения учебно-научных лабораторных работ.
Известно устройство для моделирования входных характеристик транзистора (см. SU №1049932, кл. G06G 7/62, опубл. 23.10.1983), содержащее переменный резистор, первый транзистор, коллектор которого соединен с базой второго транзистора, коллектор которого соединен с эмиттером первого транзистора. При этом в целях повышения точности моделирования параллельно переходу база-эмиттер второго транзистора включен термокомпенсирующий резистор и во входную цепь подключен термокомпенсированный дополнительный транзистор. Установка может быть использована для исследования влияния высокой температуры на работоспособность полупроводниковых транзисторов путем имитационного моделирования.
Аналоговое устройство для воспроизведения характеристик транзистора по патенту SU №1126977 (кл. G06G 7/48, опубл. 30.11.1984), используемое для моделирования и расчета статических характеристик различных объектов управления, содержит последовательно соединенные первый источник напряжения и разделительный диод, схему сравнения, сумматор на базе операционного усилителя, и два ограничительных резистора.
Недостатками вышеописанных известных устройств являются невозможность исследования реальных параметров полупроводниковых транзисторов, т.к. устройства только моделируют работу и характеристики реальных транзисторов.
Известно устройство для измерения крутизны характеристики полевых транзисторов (см. SU №1081574, кл. G01R 31/26, опубл. 23.03.1984), содержащее клеммы для подключения источника, затвора и стока полевого транзистора (ПТ), источник опорного напряжения, элемент сравнения, управляемый генератор, интегратор, частотомер и переключатель. При этом, первый неподвижный контакт переключателя через цепь калибровки соединен с клеммой стока ПТ и через последовательно соединенные нагрузку и источник напряжения стока с общей шиной и клеммой стока. Второй неподвижный контакт переключателя соединен с клеммой затвора ПТ и к первому выходу источника напряжения затвора, второй выход которого соединен с общей шиной. Причем, первый вход элемента сравнения подключен к стоковой клемме, а второй вход к выходу источника опорного напряжения, а выход к управляющему входу управляемого генератора. Первый выход управляемого генератора соединен с общей шиной, а второй выход с входом частотомера и через интегратор с подвижным контактом переключателя.
Известное решение позволяет измерять только характеристики полевых транзисторов, при этом отсутствует возможность наглядно представить входные и выходные характеристики транзистора в виде семейств ВАХ на дисплее внешнего или встроенного измерительного прибора.
Кроме того, известны характериограф для транзистора, разработанный В. Иноземцевым (см. В. Иноземцев, Характериограф для транзистора // Радио, № 12, 1990 г., с. 78-79.), и упрошенный вариант прибора (см. В. Иноземцев, Характериограф для транзистора: упрошенный вариант прибора // Радио, № 6, 1994 г., с. 43-44), содержащий генератор ступенчатого базового тока, двухполупериодный выпрямитель, исследуемые биполярные транзисторы разной структуры, и переключатель между ними. Фиксированные значения токов базы исследуемых транзисторов получают благодаря последовательному включению в цепь базы различных комбинаций «весовых» резисторов (кратных какому-то значению – весу). Включение «весовых» резисторов осуществляется под управлением цифрового счетчика импульсов, который считывает импульсы задающего генератора прямоугольных импульсов 100 Гц, частота и фаза которого задается пульсирующим напряжением от двухполупериодного выпрямителя переменного питающего напряжения в 50 Гц, который так же подается в основную измерительную цепь, содержащую исследуемый транзистор. Таким образом, в этом устройстве синхронизация организовано от цепи питания.
Исследовательские возможности известного устройства ограничены только выходными характеристиками биполярных транзисторов, при этом требуется подбор «весовых» значений резисторов в цепи базы для транзисторов разной мощности.
Ближайшим аналогом заявленного устройства является лабораторная установка ФЭЛ-18 «Изучение принципов работы полупроводникового транзистора» от НПО учебной техники «ТулаНаучПрибор» (см. http://physexperiment.narod.ru/methodics/fel18.pdf), содержащая генератор синусоидального напряжения, генератор ступенчатого напряжения, однополупериодный выпрямитель, исследуемый биполярный транзистор, подстроечный резистор и переключатель. При этом исследуемый транзистор соединен в цепь установки по схеме с общим эмиттером, то есть эмиттер транзистора подключен к общей шине через резистор 100 Ом. Выход генератора ступенчатого сигнала подключен в цепь базы транзистора через подстроечный резистор. Выход генератора синусоидального сигнала соединен в цепь коллектора транзистора через диод, служащий в качестве однополупериодного выпрямителя и резистора 1 кОм. Переключатель служит для выбора режима измерения: режим измерения входных или выходных характеристик. Первый неподвижный контакт переключателя соединен с базой транзистора, а второй неподвижный контакт соединен с коллектором, подвижный контакт соединен с X-входом осциллографа, на Y-вход которого подается сигнал с эмиттера транзистора.
К недостаткам известной лабораторной установки можно отнести невозможность управляемой или жесткой синхронизации разных частей устройства, отсутствие возможности быстрой замены исследуемого транзистора, допустимость работы только с биполярными транзисторами и необходимость в наличии подстроечного резистора в цепи базы исследуемого транзистора.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, выражается в создании прибора несложной конструкции и универсального назначения, позволяющего исследовать характеристики как биполярных, так и полевых транзисторов.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в создании компактной установки в виде модульного блока-приставки к осциллографу для просмотра и демонстрации как входных, так и выходных характеристик, как биполярных, так и полевых транзисторов обеих структур – универсального характериографа транзистора.
Для решения поставленной задачи лабораторная установка для динамического измерения входных и выходных характеристик полупроводникового транзистора, выполненная в виде независимого модульного блока, включает в себя достоинства последних аналогов и лишена их недостатков, для чего, содержит в своем составе основную измерительную цепь, состоящую из сопротивления, включенного в выходную цепь исследуемого транзистора, причем, цепь выполнена с возможностью подключения к исследуемому транзистору, и генераторов пилообразного и ступенчатого напряжений. При этом генератор ступенчатого напряжения выполнен на основе цифро-аналогового преобразователя, который преобразует цифровой код с цифрового счетчика, считывающего импульсы задающего генератора прямоугольных напряжений. Импульсы генератора прямоугольных сигналов одновременно преобразуются в пилообразный сигнал в транзисторном интеграторе, что обеспечивает синхронную работу обоих основных частей устройства. Кроме того, имеется дополнительная возможность переключения в основную измерительную цепь, как входную цепь транзистора, так и выходную.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, создание универсального прибора, который позволяет исследовать характеристики как биполярных, так и полевых транзисторов, обеспечение надежности устройства лабораторной установки в совокупности с эргономикой и простотой использования для проведения научных исследований и в учебном процессе в курсах физики и электроники.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами: на фигуре 1 показана функциональная схема установки, где 1 – задающий генератор прямоугольных импульсов, 2 – формирователь пилообразного напряжения, 3 и 5 – согласующие усилители, 4 – формирователь ступенчатого напряжения, 6 – магазин токоограничивающих сопротивлений, 7 – основная измерительная цепь с исследуемым транзистором на сменной клемме; на фигуре 2 - принципиальные электрические схемы: задающего генератора прямоугольных сигналов (А) и генератора пилообразного сигнала на базе транзисторного интегратора (Б); на фигуре 3 - принципиальная электрическая схема формирователя ступенчатого сигнала на базе цифрового счетчика импульсов и цифроаналогового преобразователя; на фигуре 4 - принципиальная электрическая схема основной измерительной цепи с переключателем режима измерения выходных или входных характеристик и клеммой для быстрой смены исследуемых транзисторов; на фигуре 5 - принципиальная электрическая схема согласующих усилителей с возможностью переключения коэффициента усиления и полярности выходного сигнала (допустимы и другие исполнения).
Лабораторная установка для динамического измерения входных и выходных характеристик полупроводникового транзистора работает следующим образом.
Основным задающим генератором является генератор прямоугольных сигналов 1, собранный на базе таймера, например, NE 555 (см. фиг. 2 А), со сравнительно высокой частотой около 600 Гц. При этом импульсы задающего генератора прямоугольных импульсов подаются на входы формирователя пилообразного напряжения 2 и цифрового счетчика импульсов формирователя ступенчатого напряжения 4, что обеспечивает, гарантированно, синхронизацию работы всего устройства (см. фиг. 1).
6
3
5
Формирователь пилообразного напряжения 2 представляет собой транзисторный интегратор, (см. фиг. 2 А) сопротивление R интегрирующей RC, цепочки которого включен в коллекторную цепь транзистора, а конденсатор C включен параллельно цепи, состоящей из последовательно соединенных сопротивления R и перехода коллектор-эмиттер транзистора.
Генератор ступенчатого сигнала (см. фиг. 3) представляет собой цифровой формирователь ступенчатого напряжения 4, состоящий из цифрового счетчика импульсов и цифроаналогового преобразователя (ЦАП). В формирователе ступенчатого напряжения ЦАП с большой точностью формирует на своем выходе ступенчатое напряжение под управлением цифровых сигналов из выходов цифрового счетчика, который считывает импульсы задающего генератора. Каждому импульсу задающего генератора соответствует импульс генератора пилообразного напряжения и одна ступенька напряжения на выходе генератора ступенчатого напряжения, таким образом, уже в конструкции заявленного прибора заложена жесткая синхронизация работы всех основных частей устройства.
Для работы прибора в различных режимах, например, наблюдение входных или выходных характеристик или наблюдение характеристик транзисторов разной структуры и принципа действия, используются согласующие усилители 3, 5 с переменными коэффициентами усиления и возможностью переключения полярности выходного сигнала. Таким образом, на фигуре 5 приведено возможное исполнение согласующих усилителей 3, 5, показанных на фигуре 1. При этом слово «возможное» допускает и другое исполнение этих усилителей с сохранением их функций. Переключатель SA2 служит для переключения полярности выходного сигнала, а SA3 - коэффициента усиления. При этом, схема магазина токоограничивающих сопротивлений 6 ввиду очевидности не приводится.
Для смены режима работы, то есть, наблюдение и снятие выходных или входных характеристик, возможно быстрое переключение в основную измерительную цепь 7 как выходной цепи, так и входной цепи исследуемого транзистора (см. фиг. 1).
На фигуре 4 изображена схема основной измерительной цепи, содержащей последовательно соединенные сопротивления R16 цепи транзистора (выходной и входной цепи), которые можно быстро сменить переключателем SA1. Здесь же схематически показана возможность быстрой смены транзисторов с помощью быстроразъёмной клеммы.
Конструктивные особенности собранного несложного устройства является залогом его надежности в работе. Синхронизация всех основных частей устройства, заложенная в его конструкцию, освобождает потенциальных пользователей устройства от необходимости производить сложную и, возможно, длительную процедуру настройки. Отсутствие в составе устройства редких и сложных для изготовления частей делает его себестоимость небольшой, не снижая при этом потребительские качества. Легкий вес, компактность и универсальность прибора определяют перспективу устройства для использования в научно-учебном процессе учебных заведений.