WFiIS LABORATORIUM Z ELEKTRONIKI Imię i nazwisko: 1. 2. TEMAT: ROK GRUPA ZESPÓŁ NR ĆWICZENIA Data wykonania: Data oddania: Zwrot do poprawy: Data oddania: Data zliczenia: OCENA CEL ĆWICZENIA Pomiar charakterystyk statycznych tranzystora JFET oraz badanie własności sterowanego dzielnika napięcia. WSTĘP TEORETYCZNY Tranzystory JFET są elementami półprzewodnikowymi, lecz różnią się od tranzystorów bipolarnych tym, że sterowane są polem elektrycznym. Działają na zasadzie sterowania przepływem ładunku. Są to elementy posiadające trzy końcówki, w których przewodzenie między poszczególnymi końcówkami zależy od liczby nośników znajdujących się pomiędzy nimi, a to natomiast zależy od napięcia przyłożonego na bazie tranzystora. Na schematach tranzystory JFET oznaczamy w taki sposób: gdzie D- to dren, G bramka, a S źródło. Dla tranzystora można wyznaczyć dwa rodzaje charakterystyk: przejściową Id = f( UGS) oraz wyjściową zależność Id = f( U), gdzie I d to prąd drenu, U GS napięcie na złączu bramka-źródło i U napięcie Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 1
Dane technologiczne tranzystora 2N4416: U = 30V GD U = 30V UGS = 30V moc: P = 300mW prąd drenu: I ( U = 0 V, U = 15 V) = 5...15mA d GS prąd bramki: I ( U = 20 V, U = 0 V) = 0,1nA g GS napięcie odcięcia: U ( U = 15 V, I = 1 na) = 1... 5,5V P d transkonduktancja: gm MIN (400 MHz) = 4mA V Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 2
OPRACOWANIE POMIARÓW 1.1 Zmierzono charakterystykę przejściową Id = f( UGS). Poniżej przedstawiono dane pomiarowe: I [ ] g ma U [ V] GS 12,700 0,00 11,600-0,21 10,960-0,38 10,050-0,60 9,160-0,81 8,370-1,00 7,550-1,20 6,760-1,40 5,980-1,60 5,180-1,81 4,480-2,00 3,840-2,20 3,160-2,40 2,550-2,60 1,960-2,80 1,420-3,00 0,920-3,20 0,540-3,40 0,240-3,60 0,060-3,80 0,006-4,00 0,000-4,10 W celu wyznaczenia maksymalnego nachylenia wykresu użyto siedmiu pierwszych pomiarów. Następnie skorzystano ze wzoru: g m1 ΔId 12, 7mA 7,55mA 5,15mA ma = = = = 4, 29 ΔU 0 V ( 1,2 V) 1,2V V GS Na poniższym wykresie przedstawiono zależność prądu drenu od napięcia panującego na złączu bramka-źródło. Zaznaczono na nim prostą regresji dla pierwszych siedmiu pomiarów. Jest ona opisana następującym przepisem: y = 4, 2269x+ 12,592 Nachylenie prostej regresji to wartość transkonduktancji, można więc zapisać: ma gm2 = 4, 23 V Można obliczyć względną różnicę otrzymanych wyników pochodzących z różnych metod. 4, 29 4, 23 Δ g m 1 = 0,01 = 1% 4, 29 Z powyższego wyniku można wyciągnąć wniosek, że rozbieżność wartości wyznaczonych dwiema metodami jest rzędu 1%. Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 3
zależność Id=f(UGS) 16 Id [ma] 14 y = 4,2269x + 12,592 12 10 8 6 4 2 UGS [V] 0-5,0-4,0-3,0-2,0-1,0 0,0 1,0 wykres zależności prądu drenu w funkcji napięcia bramka-źródło Z powyższego wykresu można odczytać także wartość napięcia odcięcia ( I = 0A ): UP = 4,1V Z drugiej strony jeżeli chodzi o wyznaczenie prądu nasycenia ( U = 0V ) to: I d sat= 12,7mA GS d Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 4
1.2 W tym podpunkcie wyznaczono charakterystykę wyjściową, czyli zależność Id = f( U). W tabeli znajdującej się poniżej zestawiono wyniki otrzymane w czasie pomiaru dla kilku wartość U GS. I [ ] g ma U [ ] V UGS = 0V UGS = 1V UGS = 1, 5V 0,0 0,00 0,00 0,00 0,2 0,75 0,32 0,07 0,4 1,44 0,56 0,09 0,6 2,04 0,71 0,10 0,8 2,56 0,80 0,10 1,0 2,98 0,84 0,10 1,2 3,32 0,87 0,11 1,4 3,60 0,90 0,11 1,6 3,79 0,91 0,11 1,8 3,92 0,92 0,11 2,0 4,00 0,93 0,11 2,2 4,08 0,94 0,12 2,4 4,13 0,95 0,12 2,6 4,17 0,95 0,12 2,8 4,20 0,96 0,12 3,0 4,22 0,96 0,12 3,2 4,24 0,97 0,12 3,4 4,25 0,97 0,12 3,6 4,27 0,98 0,12 3,8 4,28 0,98 0,12 4,0 4,28 0,98 0,12 4,2 4,29 0,98 0,12 4,4 4,30 0,98 0,12 4,6 4,30 0,98 0,12 4,8 4,30 0,98 0,12 5,0 4,31 0,98 0,12 Należało wyznaczyć napięcia kolana dla poszczególnych wartości skorzystano ze wzoru: UK = UGS UP U GS. W tym celu Dane zebrano w tabeli poniżej: U [ ] GS V UK[ V ] 0 4,1-1 3,1-1,5 2,6 Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 5
Poniższy wykres ilustruje otrzymane wyniki. 5 Id [ma] zależność Id=f(U) 4 3 2 1 0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 U [V] Prąd drenu osiąga najwyższe wartości dla napięcia U = 0V, pośrodku dla napięcia U = 1V, a dla ostatniego U = 1, 5V. Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 6
1.3 Charakterystyka przejściowa dla obu biegunów U poniżej.. Wyniki zebrano w tabeli I [ ] g ma U [ ] V UGS = 0V UGS = 1V UGS = 1, 5V -1,0-5,79-2,90-1,86-0,9-4,38-2,53-1,58-0,8-3,54-2,18-1,31-0,7-3,00-1,84-1,06-0,6-2,53-1,52-0,84-0,5-2,06-1,21-0,64-0,4-1,62-0,93-0,46-0,3-1,19-0,66-0,30-0,2-0,78-0,42-0,17-0,1-0,38-0,20-0,07 0,0 0,00 0,00 0,00 0,1 0,37 0,17 0,04 0,2 0,74 0,33 0,07 0,3 1,09 0,46 0,08 0,4 1,42 0,57 0,09 0,5 1,75 0,65 0,09 0,6 2,01 0,72 0,10 0,7 2,27 0,76 0,10 0,8 2,52 0,80 0,10 0,9 2,74 0,83 0,10 1,0 2,94 0,85 0,10 zależność Id=f(U) Id [ma] 4 3 2 1 0-1,5-1,0-0,5 0,0-1 0,5 1,0 1,5-2 -3-4 -5-6 -7 U [V] Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 7
W pierwszej ćwiartce wykresu znajdującego się na poprzedniej stronie pierwszy wykres odnosi się do napięcia U = 0V, drugi dla U = 1V, a ostatni U = 1, 5V. Dodatkowo w tym podpunkcie wyznaczono wartość R MIN ΔU = Δ I d R MIN ze wzoru: Dla pierwszych dwóch pomiarów (tabela na poprzedniej stronie) otrzymano wartość R MIN = 70Ω. Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 8
1.4 Charakterystyka przejściowa dla układu zlinearyzowanego. Układ, na którym wykonywano pomiary został przedstawiony poniżej. R R MIN. W poprzednim podpunkcie Warunkiem poprawnej pracy układu jest: obliczono R MIN = 70Ω, a więc aby spełnić powyższy warunek przyjęto R = 10kΩ. Poniżej znajduje się tabela, w której zawarto pomiary: I [ ] g ma U [ ] V UGS = 0V UGS = 1V UGS = 1, 5V -1,0-3,85-2,73-2,31-0,9-3,47-2,47-2,06-0,8-3,08-2,21-1,82-0,7-2,69-1,94-1,59-0,6-2,30-1,66-1,35-0,5-1,92-1,38-1,12-0,4-1,53-1,10-0,88-0,3-1,11-0,81-0,64-0,2-0,77-0,53-0,40-0,1-0,38-0,24-0,17 0,0 0,00 0,00 0,00 0,1 0,38 0,33 0,31 0,2 0,77 0,62 0,54 0,3 1,11 0,91 0,79 0,4 1,54 1,20 1,03 0,5 1,93 1,50 1,25 0,6 2,31 1,70 1,50 0,7 2,71 2,01 1,73 0,8 3,10 2,23 1,98 0,9 3,50 2,54 2,21 1,0 3,88 2,79 2,44 Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 9
zależność Id=f(U) 5 4 3 2 1 Id [ma] 0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5-1 -2-3 -4-5 U [V] Pierwszy wykres odnosi się do napięcia U = 0V, drugi dla U = 1V, a ostatni do U = 1, 5V. Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 10
2 W tym punkcie należało zbudować i zmierzyć charakterystyki dzielnika napięcia. Układ wykorzystany w pomiarach znajduje się na poniższym rysunku. Do realizacji układu posłużono się warunkiem R R1 R, R = 100kΩ i R MIN 1 = 10kΩ. Pierwszą z charakterystyk można opisać zależnością U = f( U ) dla U = 1, 5V. Poniżej znajdują się zebrane pomiary. OUT IN ster Uster = 1, 5[ V] U [ ] IN V UIOUT[ mv ] -2,0-76,44-1,9-72,68-1,8-68,99-1,7-65,31-1,6-61,65-1,5-57,95-1,4-54,26-1,3-50,60-1,2-46,91-1,1-43,22-1,0-39,53-0,9-35,87-0,8-32,18-0,7-28,49-0,6-24,82-0,5-21,13-0,4-17,43-0,3-13,73-0,2-10,06-0,1-6,37 0,0-2,72 0,2 4,65 0,4 12,02 0,6 19,42 0,8 26,79 1,0 34,16 1,2 41,57 1,4 48,99 1,6 56,36 1,8 63,73 2,0 71,17 Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 11
zależność Uout=f(Uin) Uster=-1,5V 80 60 40 20 Uout [mv] 0-2,5-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5-20 -40-60 -80-100 Uin [V] Następną charakterystyką jest U = f( U ) dla U 2V OUT ster IN =. Poniżej tabela z wynikami. UIN = 2V U [ ] ster V UIOUT [ mv ] 0,0 45,29-0,2 47,63-0,4 50,19-0,6 53,01-0,8 56,18-1,0 59,75-1,2 63,88-1,4 68,69-1,6 74,42-1,8 81,30-2,0 89,89-2,2 100,86-2,4 115,51-2,6 136,22-2,8 167,58-3,0 219,58-3,2 306,07-3,4 428,87-3,6 570,93-3,8 719,43-4,0 869,49-4,2 1016,76-4,4 1160,28-4,6 1296,96-4,8 1421,60-5,0 1529,20-5,2 1606,40-5,4 1640,60-5,6 1640,40 Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 12
zależność Uout=f(Uster) Uin=2V 1800 1600 1400 1200 Uout [mv] 1000 800 600 400 200 0-6 -5-4 -3-2 -1 0 Uster [V] 3 Przełącznik analogowy W tym punkcie należało skonstruować przełącznik analogowy oraz zaobserwować sygnał na wyjściu podczas, gdy na wejście układu podawano sygnał trójkątny. Poniżej znajduje się obraz z ekranu oscyloskopu przedstawiający efekt pracy układu. Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 13
WNIOSKI Otrzymane charakterystyki tranzystora zgadzają się z teoretycznymi przewidywaniami. Dzięki wyznaczeniu charakterystyki przejściowej można było określić wartość napięcia odcięcia, które w naszym przypadku wynosi UP = 4,1V. Na podstawie wykresu charakterystyki określono również wartość transkonduktancji g m ma 4, 22 V =. W kolejnym punkcie dokonano linearyzacji układu przez wpięcie do układu (pomiędzy bramkę i dren) rezystora R, co spowodowało powstanie sprzężenia zwrotnego. Zakładając rezystancję R R otrzymano liniowe, wygładzone charakterystyki MIN wyjściowe dla badanego układu. Pomiaru dokonano również jak w przypadku poprzednim dla różnych wartości napięcia sterowania. ZAŁĄCZNIKI [1] dane pomiarowe otrzymane na laboratorium; Tranzystor JFET Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 14