99451

Электроника: лабораторный практикум на персональном компьютере. Использование учебной версии программы Micro-Cap

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Полупроводниковые диоды. Биполярные транзисторы. Ключи на биполярных транзисторах. Усилитель на биполярном транзисторе. Стабилизаторы напряжения. Операционные усилители. Учебное пособие содержит теоретические материалы, касающиеся принципа работы основных элементов и базовых схем электронной техники, и описание лабораторных работ, выполняемых на персональном компьютере с помощью программы «Micro-Cap».

Русский

2016-09-18

6.03 MB

0 чел.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

Утверждаю:

Проректор по учебной работе

профессор ______П.Б. Акмаров

«____»__________2012 г.

ЭЛЕКТРОНИКА: ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

НА ПЕРСОНАЛЬНОМ КОМПЬЮТЕРЕ

Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлениям

«Агроинженерия»  и  «Теплоэнергетика и теплотехника»

дневной и заочной форм обучения

В.А. Куликов

П.Н. Покоев

Ижевск

ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА

2012

УДК 621.38(084.2)

ББК З2.85яб

      Э 45

Методические указания составлены на основе Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и программы дисциплины «Электротехника и электроника».

Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, протокол  №    от           2012 г.

Рецензент

С.И. Юран - доктор техн. наук, профессор кафедры

автоматизированного электропривода

Составители:

В. А. Куликов - доктор техн. наук, профессор кафедры ТОЭ,

П.Н. Покоев - ст. преподаватель кафедры ТОЭ

Э 45  Электроника: лабораторный практикум  на персональном компьютере:учебное пособие /В. А. Куликов, П.Н. Покоев. – Ижевск: ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2012. – 110 с.

Учебное пособие содержит теоретические материалы, касающиеся принципа работы основных элементов и базовых схем электронной техники, и описание лабораторных работ, выполняемых на персональном компьютере с помощью программы «Micro-Cap».

Предназначены для студентов направления «Агроинженерия» и «Теплоэнергетика и теплотехника».  Могут быть полезны при выполнении курсовых и дипломных проектов и магистерских диссертаций в плане освоения техники моделирования электронных схем.

© Куликов В.А., Покоев П.Н., сост., 2012

© ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА 2012

Введение

Компьютерное моделирование электронных схем существенно упрощает процедуру и сокращает сроки разработки новых изделий. При этом сокращаются затраты на макетирование: во многих случаях отпадает необходимость в многократном макетировании вариантов схем, так как их свойства могут быть исследованы с помощью компьютера.

ПрограммаMicro-Cap разработана фирмойSpectrumSoftware и обладает следующими возможностями:

  • позволяет производить анализ электронных схем по постоянному току (расчет постоянных напряжений и токов в цепях схемы), по переменному току (расчет диаграмм Боде), расчет реакции на ступенчатое воздействие или импульс, спектральный анализ и др.;
  • имеется удобный графический редактор принципиальных схем, позволяющий быстро вводить и редактировать схемы на экране монитора;
  • в состав программы входит библиотека компонентов, включающая в себя наиболее популярные цифровые и аналоговые интегральные схемы и компоненты типа диодов, биполярных, полевых и МОП-транзисторов и т. д.;
  • модели (макромодели) компонентов, применяемые в программе, могут быть представлены в виде принципиальных электрических схем или в текстовом форматеSPICE, используемом другими моделирующими программами;
  • имеется возможность производить анализ при вариации параметров элементов схемы и статистический анализ по методу Монте-Карло;
  • по заданным критериям может быть выполнена оптимизация схемы по методу Пауэлла;
  • результаты моделирования могут выводиться в виде графиков или таблиц в текстовой форме, имеются сервисные возможности обработки графиков;
  • принципиальные схемы и результаты анализа могут быть сохранены в форматах, применяемых в других моделирующих программах и графических редакторах.

Для использования всех возможностей программыMicro-Cap необходим компьютер средней производительности: процессор не хужеPentiumII; ОЗУ объемом не менее 64 Мб; операционная системаWindows 95/98/ME илиWindows 2000/NT4/XP/7.

Программа удобна для первоначального освоения схемотехнического моделирования электронных схем и весьма эффективна при изучении основ электроники и схемотехники.

В методических указаниях приводятся примеры моделирования относительно простых схем, изучаемых в дисциплине «Электроника, микропроцессорные средства и техника связи». Целью ставится не только изучение свойств схем, но и освоение основных приемов работы с моделирующей программой.

Освоение программы существенно упрощается, если обучающийся владеет приложениямиOffice операционной системыWindows, так как  вMicro-Cap используется похожий интуитивный интерфейс.

При составлении схем и проведении моделирования с помощьюMicro-Cap необходимо иметь в виду, что значения величин могут приводиться без указания размерностей. При этом кратные доли обозначаются большими или малыми латинскими буквами:

F илиf

фемто

Рили р

пико

N илиn

нано

Uилиu

микро

Mилиm

милли

Kили к

кило

MEG или meg

мега

10

G илиg

гига

Тилиt

тера

Например, напряжение 1В может быть записано как 1, сопротивление 1МОм – как 1МEG, емкость 1мкФ – как 1U и т. д. В качестве разрядного разделительного знака вMicroCap используется точка.

Лабораторные работы ориентированы на использование учебной версии программыMicro-Cap, которую можно найти на сайте компании-разработчика www.spectrum-soft.com.

Для более детального освоения программы рекомендуется прочитать книгу Разевиг В. Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. –  М.: Горячая линия. – Телеком, 2003. – 368 с.

Работа 1

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Цель работы: изучение принципа работы, свойств и применений полупроводниковых диодов.

1.1 Теоретические сведения

1.1.1 Законы электричества в полупроводниках

В полупроводниках существуют два типа свободных носителей – электроны проводимости и дырки, которые могут направленно перемещаться под действием двух типов сил – электрического поля и градиента концентрации, поэтому в уравнении для плотности тока присутствуют четыре компонента:

- плотности дрейфового тока электронов и дырок

,(1.1.1)

, (1.1.2)

гдеq – заряд электрона или дырки;n,p – концентрации электронов и дырок; - подвижность электронов и дырок – коэффициенты пропорциональности, которые характеризуют количество носителей, проходящих через единицу площади полупроводника при единичной концентрации и единичной напряженности электрического поля;Е – напряженность электрического поля;

- плотности диффузионного тока электронов и дырок

,  (1.1.3)

,            (1.1.4)

где , - коэффициенты диффузии электронов и дырок – количество носителей, проходящих через единицу площади полупроводника при единичном градиенте их концентрации; ,  - градиенты концентрации электронов и дырок.

Таким образом, полное уравнение для плотности тока в полупроводнике имеет вид

.(1.1.5)

Принцип действия полупроводниковых приборов обычно основан на использовании не более чем двух компонентов уравнения (1.1.5). Если используют дрейфовые компоненты, то прибор называютдрейфовым, если диффузионные – диффузионным.

1.1.2P-n- переход в равновесном состоянии

P-n-переход образуется в зоне контакта двух полупроводниковых областей с проводимостьюn-иp-типа. Различаютсясимметричные инесимметричныепереходы.

В несимметричных переходах концентрации атомов примесей – доноров вn-области и акцепторов вp-области – отличаются. Соответственно, в областях отличаются концентрации основных носителей.

Чаще используются несимметричные переходы.

Рассмотрим срез кристаллической решетки несимметричногоp-n-перехода, в котором укажем только атомы примесей и соответствующие им примесные носители (рис. 1.1).

В теле полупроводниковых областей каждому атому примеси соответствует один подвижный носитель. В зоне перехода за счет градиента концентрации электроны изn-области, а дырки изp-области диффундируют в другую область и, встречаясь, рекомбинируют. В результате в зоне контакта образуется обедненный носителями слой толщинойW с повышенным сопротивлением, который и образуетp-n- переход.

,  - ионизированные атомы примесей доноров и акцепторов;

,  - электроны проводимости и дырки

Рисунок 1.1 –Несимметричныйp-n- переход

За счет объемных зарядов ионов примесей в зоне перехода возникает внутреннее электрическое полеЕ. Это поле препятствует бесконечной диффузии основных носителей через переход. Устанавливается баланс (равновесие) сил, обусловленных градиентом концентрации и внутренним электрическим полем, действующих на электроны проводимости и дырки. В результате ток  через переход не течет.

Можно рассуждать по-другому. Диффузия основных носителей через переход создает диффузионный ток плотностью

.(1.1.6)

Под действием внутреннего электрического поля через переход создается дрейфовый ток электронов и дырок в направлении, противоположном диффузионному току, с плотностью

.                                          (1.1.7)

Вравновесном состоянии перехода диффузионный и дрейфовый токи компенсируют друг друга, поэтому общий ток перехода равен нулю.

Как видно изрис. 1.1, несимметричный переход геометрически смещен в область с меньшей концентрацией атомов примесей (здесь – в областьp-типа). Эта область называетсябазойперехода, другая область –эмиттером.

1.1.3P-n-переход в неравновесном состоянии

Неравновесное состояние возникает при подключении к переходу внешнего источника электрической энергии.

Возможны два варианта подключения источника – прямое и обратное.

Прямое подключение (смещение)перехода показано нарис. 1.2.

Рисунок 1.2 –Прямое подключениеp-n-перехода

Поскольку переход обладает повышенным сопротивлением, то все напряжениеU внешнего источника прикладывается к нему. Внутри перехода создается дополнительное (внешнее) электрическое поле , направленное противоположно внутреннему полю  объемного заряда  и частично компенсирующее его. В результате снимается препятствие для диффузии основных носителей через переход. Так как концентрация основных носителей достаточно большая, возникает большой диффузионный ток через переход, который называетсяпрямым током  .

В несимметричном переходе прямой ток обеспечивается преимущественно носителями одного типа. В нашем случае – электронами, которые перемещаются из эмиттера в базу.  Эмиттер выступает источником носителей (создает эмиссию носителей), отсюда его название.

Обратное смещение перехода показано нарис. 1.3.

Рисунок 1.3 –Обратное подключениеp-n-перехода

Поле , создаваемое внешним напряжениемU, совпадает по направлению с внутреннимЕ и усиливает его действие. Диффузия основных носителей через переход становится невозможной. Протекает небольшойобратный ток, обусловленныйдрейфом неосновных носителей через переход – электронов изp- и дырок изn-области. Поскольку их концентрация существенно меньше концентрации основных носителей, то обратный ток перехода много меньше прямого тока. Отношение прямого и обратного токов может достигать шести порядков.

При прямом смещении толщина перехода   уменьшается за счет движения основных носителей из глубины полупроводника к переходу. При обратном смещении толщина увеличивается за счет оттока основных носителей вглубь полупроводника. Таким образом, существует зависимость толщины перехода от внешнего напряжения:W=f(U).

P-n переход обладает односторонней проводимостью. Это свойство называетсявентильным (выпрямительным) эффектом.

1.1.4 Вольт-амперная характеристика диода

Полупроводниковый диод кромеp-n-перехода содержит два контакта металл-полупроводник. Различаютвыпрямительные и омическиеконтакты.

Выпрямительные, какp-n-переход, обладают односторонней проводимостью и используются для изготовлениядиодов Шоттки, которые обладают повышенным быстродействием при открывании и закрывании.

В диодах наp-n-переходах используют омические контакты с малым электрическим сопротивлением, поэтому электрические свойства таких диодов полностью  определяются свойствамиp-n-перехода.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода устанавливает зависимость тока от напряжения. Теоретическое выражение для ВАХ имеет вид

,(1.1.8)

где - тепловой ток диода (ток насыщения);m=1…3 - поправочный коэффициент (для современных полупроводниковых приборовm ≈ 1,3);  - температурный потенциал. ПриТ=300 К; мВ.

График ВАХ показан нарис. 1.4.

При прямом смещении диода, если выполняется условие , например, мВ, то единицей в выражении (1.1.8) можно пренебречь. При обратном смещении, если , то ток диода принимает постоянное значение , т.е. насыщается.

Рисунок 1.4 –ВАХ диода

Теоретическая ВАХ хорошо совпадает с экспериментальной при прямом смещении диода. При обратном смещении не совпадает, так как не учитывает два эффекта. Первый эффект называется туннельным. При малой толщинеp-n-перехода и высокой степени легирования областей примесями при обратном смещении возникает «просачивание» электронов через переход непосредственно из валентной зоныp-области в зону проводимостиn-области, что ведет к увеличению обратного тока. Второй эффект связан с размножением носителей в области перехода при обратном смещении. Электроны, разгоняясь под действием электрического поля, сталкиваются с атомами кремния и выбивают дополнительные электроны, которые действуют также. В результате с увеличением обратного напряжения ток диода возрастает, а не остается постоянным. Нарис. 1.5 показан вид экспериментальной ВАХ диода при обратном смещении.

В точкеА увеличение обратного тока приобретает лавинообразный характер. Наступает обратимый пробой вследствие проявлений одного из описанных выше эффектов. В точкеВ за счет разогрева перехода обратимый пробой переходит в необратимый тепловой, и наступает катастрофический отказ диода.

Рисунок 1.5 – Обратная ветвь ВАХ диода

При выполнении расчетов схем с диодами теоретическая ВАХ неудобна, так как является достаточно сложной функцией. Используют более простые аппроксимирующие функции 1 и 2, представленные нарис 1.6.

Рисунок 1.6 – Апроксимация ВАХ диода

Удобно использовать функцию 2, которая определяется только одним параметром падением напряжения на открытом диоде. Для кремниевых маломощных диодов  В. Обычно используют значение 0,7 В.

Правила использования функции 2: если напряжение на диоде , то ток диода , диод закрыт и может быть заменен разрывом цепи; если диод открыт, то есть , то на диоде падает напряжение , и он может быть заменен идеальным источником напряжения (батареей) с напряжением . Таким образом, использование аппроксимирующей функции позволяет заменить диод, имеющий нелинейную ВАХ, более простым элементом с линейной характеристикой. Это позволяет использовать для расчета схем с диодами методы расчета линейных цепей, что существенно упрощает эти расчеты.

1.1.5 Параметры диода

Различаютрабочие ипредельные параметры.

Рабочие параметры характеризуют свойства диода в рабочих режимах. К ним относятся:

-  - прямое падение напряжения при заданном прямом токе (при отсутствии данных используют значение ;

-  - обратный ток при заданном обратном напряжении;

-  - дифференциальное сопротивление в прямом смещении при заданном прямом токе;

-  - емкость диода.  Складывается из трех компонентов – емкости выводов  (1…5 пф) диода, барьерной  и диффузионной  емкостей перехода.

Барьерная емкость проявляется при нулевом и обратном смещении перехода и представляет собой емкость междуn- иp-областями, разделенными обедненным слоем, который играет роль диэлектрика. Поскольку толщина обедненного слоя зависит от прикладываемого к переходу (диоду) обратного напряжения, то барьерная емкость также зависит от этого напряжения. Зависимость является обратно пропорциональной и используется в приборах, называемыхварикапами.

Диффузионная емкость проявляется при прямом смещении диода. При протекании прямого тока в базе перехода накапливается заряд носителей, инжектированных из эмиттера, которые не успевают мгновенно рекомбинировать. Если резко изменить полярность напряжения на диоде, то эти носители могут пройти через переход обратно в эмиттер. Образующийся при этом ток аналогичен емкостному току;

-  - время восстановления обратного сопротивления – время, в течение которого при изменении полярности напряжения на диоде с прямой на обратную рассасывается заряд носителей, накопленный в базе при протекании прямого тока;

-  - максимальная рабочая частота.

Предельные параметры характеризуют границы области работоспособности диода, выход за пределы которых выводит диод из строя:

-  - максимальный прямой ток;

-  - максимальное обратное напряжение;

-  - максимальная рассеивающая мощность;

- ,  - минимальная и максимальная температуры эксплуатации.

В процессе проектирования схемы при выборе диода предельные параметры всегда учитываются в первую очередь.

1.1.6 Однополупериодный выпрямитель на диоде

Выпрямители используются для преобразования переменного (двухполярного) напряжения в постоянное (однополярное). Схема однополупериодного выпрямителя представлена нарис. 1.7, а.

а)

б)

Рисунок1.7 –Однополупериодный выпрямитель

Выпрямитель содержит полупроводниковый диод , который включен между источником переменного синусоидального напряжения  и нагрузкой . При поступлении на вход выпрямителя положительной полуволны переменного напряжения  диод открыт (рис. 1.7, б). Через нагрузку протекает ток , и на выходе формируется положительная полуволна напряжения с амплитудой, меньшей амплитуды входного напряжения на величину . При отрицательной полуволне входного напряжения диод закрыт, тока в нагрузке нет, на выходе нулевое напряжение.

Для сглаживания пульсаций выходного напряжения на выходе выпрямителя устанавливают фильтр, например, емкостного типа (рис. 1.8, а).

а)

б)

Рисунок1.8 –Однополупериодный выпрямитель с емкостным фильтром

При положительной полуволне входного напряжения, когда входное напряжение превышает напряжение на выходе, диод  открывается, и конденсатор  фильтра заряжается от источника входного напряжения (интервалы  и  нарис.1.8, б). В течение остального времени диод находится в закрытом состоянии; питание нагрузки обеспечивается за счет заряда, накопленного конденсатором, при этом он разряжается, и выходное напряжение понижается. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше снижается выходное напряжение при разряде конденсатора, то есть меньше уровень пульсаций сглаженного напряжения на выходе.

1.2 Порядок выполнения лабораторной работы

1.2.1 Моделирование вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода

а)Построение схемы

Запустить программуMicro-Cap и составить схему, изображенную нарис. 1. 9.

Рисунок 1.9 –Схема для моделирования ВАХ диода

Для удобства размещения элементов на рабочем поле схем активировать опциюGrid (Сетка)  в панели инструментов. Далее,  поочередно активируя опцииGround (Общий провод) ,Battery (Источник напряжения) ,Diode (Диод)  иWireMode (Провод) , перенести элементы схемы на рабочее поле экрана и соединить между собой. При необходимости поворота элемента нужно его выделить, например, захватив в прямоугольник после нажатия  кнопкиSelectMode (Выделение элемента) , и, используя функции поворота или зеркального отображения, активируемые кнопками на панели инструментов, повернуть элемент в положение, удобное для размещения в схеме.

При введении в схему источника напряжения и диода программа открывает окна для ввода параметров указанных элементов, которые должны быть установлены пользователем.

Для источника напряжения в окнеValue укажем значение атрибутаPart=V1. Значения других атрибутов задавать не будем, так как они либо задаются при анализе, либо не используются.

Для диода используем модель$GENERIC, а затем скорректируем ее и введем параметры модели диода Д104А. Для этого в окнеValue укажем для атрибутаModel= значениеD104A. В поле параметров диода введем значения, соответствующие диоду Д104А:IS=5.81E-12,RS=8.1,N=1.15,TT=8.28NS,CJ0=41.2PF,VJ=0.71,M=0.33,FC=0.5,EG=1.11,XTI=3. Остальные параметры оставляем неизменными. (Физический смысл параметров модели диода можно найти в книге В. Д. Разевиг, указанной во введении.)

По окончании ввода схемы необходимо нажать кнопки , ,  для полного описания схемы на экране.

б)Построение ВАХ диода

Нажать в панели инструментов кнопкуAnalysis(Анализ) и выбрать вид анализаDC (Анализ по постоянному току). Открывается окноDCAnalysisLimits (Ограничения анализа) (рис. 1.10).Установить в окнеSweep (Охват) имя варьируемой переменнойVariable 1V1, и в окнеRange указать диапазон изменения напряжения источникаV1, например, 0.8V,0. В нижней части окнаDCAnalysisLimitsнеобходимо установить параметры графика ВАХ: номер графика (колонкаР) – 1; величину по горизонтали (XExpression) –V(1) – напряжение в точке 1; величину по вертикали (YExpression) –I(D1) – ток диода; диапазоны изменения величин по осям (XRange,YRange) –Auto. При изменении ограничений анализа, чтобы каждый раз не устанавливать диапазоны изменения величин по осям, можно один раз установить флажок в окнеAutoScaleRanges.

Запустить анализ кнопкойRun. На экране появится изображение ВАХ диода. Для вывода изображения на печать открыть окноFile  и нажать кнопкуPrintPreview для просмотра макета листа результатов анализа. Печать осуществляется нажатием кнопкиPrint.

Рисунок 1.10 –Окно панели ограничение анализа

Для перехода к окну схемы необходимо последовательно нажать кнопкиFile иClose или закрыть окно красной кнопкой.

Нарис.1.11 представлена ВАХ диода Д104А, смоделированная с помощью программы Micro-Cap. Ток указан в миллиамперах, напряжение – в вольтах.

Исходная схема и результаты моделирования могут быть сохранены в одном из следующих форматов:bmp,wmf,emf. Для этого необходимо скопировать активное окно программы в буфер обмена, последовательно используя кнопкиEdit,CopytoClipboard,Copythe, а затем

Рисунок 1.11 –ВАХ диода Д104А

вставить в файл, например, редактораWordPad. Для того чтобы диаграммы и графики, получаемые в результате моделирования, имели при копировании приемлемые размеры, целесообразно перед копированием уменьшить размер активного окна до ¼  экрана путем нажатия соответствующей кнопки на панели инструментов. Для копирования в буфер обмена ограничений анализа (рис.1.10) необходимо использовать средства операционной системыWindows – одновременно нажать кнопкиCtrl, Alt, PrtSc на клавиатуре.

1.2.2 Моделирование работы диода в динамическом режиме

а)  Построение схемы

Исследуем работу диода в динамическом режиме в схеме выпрямителя нарис. 1.12.

Для ввода источника синусоидального напряжения необходимо нажать кнопкуComponent и последовательно выбрать опцииAnalogPrimitives,WaveformSourсes,Sinesource. В появившемся после размещения источника на экране окнеSinesource необходимо задать имя модели (по усмотрению пользователя) и ввести значения частотыF и амплитудыA. УстановимF=2KHZ иА=10V.

Рисунок 1.12 –Схема для моделирования динамического режима диода

При вводе диода в списке моделей выберем диодD104A с параметрами модели, которые были установлены ранее.

При вводе резистора значение его сопротивления 3.6 кОм установим в атрибутеVALUE=3.6K.

б) Моделирование динамического режима

Для моделирования необходимо нажать кнопкуAnalysis и выбрать вид анализаTransient (Анализ переходных процессов). В открывшемся окне ограничений анализаTransientAnalysisLimits (рис. 1.13) необходимо установить временной интервал, на котором производится анализ. Для этого в окнеTimeRange укажем значение 1m (1 миллисекундa). Необходимо указать также максимальный шаг дискретизации по времениMaximumTimeStep(максимальное расстояние между расчетными точками на графиках), зададим 0.1U (0.1 микросекунды). Построим в одной системе координат два графика зависимостей напряжения в точках 1 и 2 схемы от времени. Для этого в нижней части окнаTransientAnalysisLimits укажем в колонкеР в двух строках 1, в колонкеXExpression – величинуТ (время), в колонкеYExpression в первой строке –V(1), во второй строке –V(2). Диапазоны изменения величин по осямXRange,YRange задаются автоматически –Auto.

Анализ запускается кнопкойRun.

Нарис. 1.14, а иб представлены результаты анализа на двух частотах источника синусоидального напряжения 2 кГц и 200 кГц соответственно. Изменение частоты производится путем двукратного нажатия на левую кнопку мыши после установки курсора на источник напряжения в схеме и  корректировки параметраF в окнеSinesource. Необходимо также скорректировать значения параметровTimeRange иMaximumTimeStep в окнеTransientAnalysisLimitsдля вывода графиков с необходимым числом периодов и необходимым разрешением.

Когда графики выводятся в черно-белом варианте, целесообразно пометить их маркерами. Для этого необходимо нажать кнопкуTokens(Знаки) на панели инструментов.

Рисунок 1.13 –Окно панели ограничения анализа

а)

б)

Рисунок 1.14 –Временные диаграммы выпрямителя

1.2.3 Моделирование работы однополупериодного

выпрямителя с фильтром

а) Построение схемы

Исследуем работу выпрямителя с фильтром по схеме нарис. 1.15.

Рисунок 1.15 –Схема выпрямителя с емкостным фильтром

Введем в схему нарис. 1.12 конденсатор емкостью 1 мкФ, для этого разместим на экране конденсатор и зададим в окнеCapacitor атрибутVALUE=1U.

б) Моделирование схемы

Выберем вид анализаTransient. В окнеTransientAnalysisLimits установим параметры анализа как в предыдущем случае и нажмем кнопкуRun.

а)

б)

Рисунок 1.16 –Временные диаграммы выпрямителя с емкостным фильтром

Нарис. 1.16, а иб представлены результаты анализа на частотах

200 Гц и 2 кГц.

1.2.4 Задание на моделирование

1. Изучить принцип работы диода и однополупериодного выпрямителя.

2. Воспроизвести примеры моделирования, приведенные выше, и объяснить результаты.

3. Исследовать влияние теплового токаIS и объемного сопротивления базыRS на форму ВАХ диода.

1.3 Требования к отчету и его содержание

Отчет выполняется на листах формата А4 и должен содержать:

- титульный лист, на котором указываются:

сверху:

Министерство сельского хозяйства РФ

Ижевская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра ТОЭ

в центре:

Название отчета

(Отчет по лабораторной работе № (номер работы)

по дисциплине Электроника)

в центре справа:

Выполнил студент гр. (номер группы)

(ФИО студента)

Принял (ФИО преподавателя)

внизу:

Город, год

- на последующих листах – цель работы и ее описание по пунктам; каждый пункт должен содержать название, исследуемую схему в редакторе программы Micro-Cap, ограничения анализа, результаты моделирования схемы, выводы.

1.4 Контрольные вопросы

1. Из каких компонентов складывается уравнение плотности тока в полупроводнике? Какие полупроводниковые приборы называют диффузионными и дрейфовыми?

2. Что такое симметричный и несимметричныйp-n-переходы? Объясните термины «база» и «эмиттер» перехода.

3. О каком равновесии идет речь, когда рассматривают равновесное и неравновесное состояния перехода?

4. Какой характер (диффузионный или дрейфовый) имеют прямой и обратный токиp-n-перехода? Какие носители обеспечивают прямой и обратный токи?

5. Запишите теоретическое выражение и нарисуйте график ВАХ диода. Объясните причины несоответствия теоретической ВАХ экспериментальной при обратном смещении диода.

6. Перечислите и поясните параметры диода.

7. Нарисуйте схему и поясните работу однополупериодного выпрямителя.

Работа 2

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Цель работы: изучение принципа работы, характеристик и параметров биполярного транзистора.

2.1 Теоретические сведения

2.1.1 Общие сведения о биполярных транзисторах

Биполярный транзистор (БТ) – это полупроводниковый прибор с двумя встречно включенными и взаимодействующимиp-n-переходами, предназначенный для усиления мощности электрических сигналов.

Существуют две структуры БТ –n-p-nиp-n-p. Соответствующие им последовательность расположения областей кристалла, электрические эквивалентные схемы и обозначения БТ на электрических принципиальных схемах показаны в табл. 2.1.

Таблица 2.1 – Структуры биполярного транзистора

Структуры БТ

n-p-n

p-n-p

Расположение областей кристалла

Электрические эквивалентные схемы

Обозначения БТ на схемах

БТ имеет три электрических вывода –эмиттер Э,база Б иколлектор К. Главное требование к геометрии состоит в обеспечении малой толщины базовой областиW– меньше 10 мкм. В противном случае взаимодействие переходов на уровне электронного облака не происходит, и усилительные свойства не проявляются.

Различают две базовые конструкции и соответствующие им технологии изготовления БТ.

СплавнойБТ показан нарис. 2.1, а. В толще кристалла германия с двух сторон путем вплавления индия сформированы две областиp-типа – эмиттера и коллектора. Между ними располагается база, проводимостьn-типа которой определяется исходной проводимостью кристалла германия. К зонам вплавления индия припаяны металлические проводники, которые образуют выводы эмиттера и коллектора. Электрическим выводом базы является нижняя (торцевая) поверхность кристалла.

а)

б)

Рисунок 2.1 –Конструкции сплавного биполярного транзистора

Вариант корпусирования БТ показан нарис. 2.1, б. Торцевой поверхностью кристалл устанавливается на основание из сплава меди и припаивается к нему. Через отверстия в основании введены изолированные от него два вывода – эмиттера и коллектора. Соответствующие выводы кристалла припаиваются к ним тонкими проводниками. Конструкция защищается крышкой, которая крепится к основанию сваркой по контуру. Как видно из рисунка, база транзистора электрически соединена с корпусом. Это является характерной особенностью сплавного БТ.

а)

б)

Рисунок 2.2 –Конструкции планарного биполярного транзистора

Планарный БТ принципиально отличается способом формирования областей с разным типом проводимости. Используется локальная ионная имплантация донорных и акцепторных примесей в кристалл. Процесс осуществляется последовательно во времени. В результате в кристалле формируются вложенные друг в друга «карманы» с разным типом проводимости.

Нарис. 2.2,а показан вариант БТ, используемого как одиночный прибор.

В кристалл кремнияn-типа последовательно введены акцепторная и донорная примеси. Выводы базы и эмиттера расположены с одной стороны, выводом коллектора является нижняя плоскость базового кристалла. Корпусирование кристалла осуществляется таким же образом, как  у сплавного БТ. При этом кристалл устанавливается на плоскость, что обеспечивает лучший теплоотвод к корпусу и позволяет изготавливать более мощные БТ. Коллектор планарного БТ электрически соединен с корпусом.

Нарис. 2.2, б показан вариант БТ, используемого в интегральных схемах (микросхемах). Отличительная особенность состоит в том, что коллекторная область в нем сформирована в виде карманаn-типа в теле базового кристалла кремния с проводимостьюp-типа. За счет этого БТ располагается в приповерхностном слое кристалла на глубине не более 50 мкм, а все его выводы БТ расположены с одной стороны. По этой причине БТ называют планарным (плоским).

В кристалле микросхемы обычно присутствует несколько БТ, поэтому возникает задача электрической изоляции их друг от друга и от других компонентов схемы. Изоляция осуществляется с помощью закрытых (обратно смещенных) переходов «коллектор-базовый кристалл». Для этого базовый кристалл, который называют подложкой, выводом П подключают к самому отрицательному потенциалу в схеме – как правило, к общему проводу.

Достоинствами планарных БТ в сравнении со сплавными являются:

- более высокая точность воспроизведения толщины базыW  и возможность изготовления транзисторов с базой супермалых толщин, что обеспечивает меньший разброс усилительных свойств и лучшее их проявление;

- за счет лучшего отвода тепла от кристалла обеспечивается возможность рассеяния большей электрической мощности;

- конструкция планарных БТ адаптирована для использования в интегральных схемах.

БТn-p-n типа работают на электронах, аp-n-p типа – на дырках. При этомn-p-n  транзисторы применяются значительно чаще, так как подвижность электронов выше, что обеспечивает потенциально более высокое их быстродействие.

2.1.2 Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов

Режим работы БТ определяют по состоянию эмиттерного (БЭ) и коллекторного (БК) переходов (открыты или закрыты). Поскольку переходов два и состояний тоже два, то различают четыре режима работы, которые представлены в табл. 2.2.

Схемы включения БТ. Для того чтобы осуществить с помощью БТ усиление сигнала, необходимы два источника электрической энергии – источник входного усиливаемого сигнала и источник питания, от которого отбирается мощность в нагрузку. Каждый источник имеет два вывода, в сумме – четыре, а выводов у БТ три, поэтому один из выводов БТ является общим для источников. Этот вывод определяет схему включения.

Таким образом, различают схемы собщей базой (ОБ),общим эмиттером(ОЭ) иобщим коллектором (ОК).

Таблица 2.2 – Режимы работы биполярного транзистора

Режим

Состояние переходов

Применение

БЭ

БК

1.Отсечка

закрыт

закрыт

Используется как один из режимов в цифровых схемах, например, логических элементах.

2.Активный

открыт

закрыт

Главный режим использования БТ, в котором проявляется его основное свойство – способность усиливать мощность электрического сигнала; применяется в аналоговых и цифровых схемах.

3.Насыщения

открыт

открыт

Используется как один из режимов в цифровых схемах.

4.Инверсный

закрыт

открыт

Как основной режим не используется, встречается как паразитный.

Примечание: В зарубежной литературе активный и инверсный режимы называют соответственно  как активный нормальный и активный инверсный в силу того, что физические процессы в БТ в этих режимах совпадают на качественном уровне.

На практике не всегда источники сигнала и питания подключаются непосредственно к  выводам БТ. Обычно присутствуют другие промежуточные элементы, например, резисторы, поэтому рассмотренным выше способом определения схемы включения пользоваться неудобно.

Имеется другой способ: вывод БТ, на который не подается усиливаемый и с которого не снимается усиленный сигналы, определяет схему включения. Оба способа при правильном применении дают одинаковый результат.

Для иллюстрации второго способа нарис. 2.3, а, б, в приведены все три схемы включения БТ, где указаны входное усиливаемое  и выходное усиленное  напряжения и направления прохождения сигнала через транзистор в процессе усиления.

В схеме нарис. 2.3, а с ОБ входной сигнал подается на эмиттер, выходной снимается с коллектора. (Отметим, что в схемах все напряжения подаются, снимаются и указываются относительно общего провода, который обозначается как одна обкладка конденсатора).  В схеме с ОЭ (рис. 2.3, б) входной сигнал подается на базу, а выходной снимается с коллектора; в схеме с ОК (рис. 2.3, в) входной сигнал также подается на базу, а выходной снимается с эмиттера.

а)

б)

в)

Рисунок 2.3 –Схемы включения биполярного транзистора

Таким образом, транзистором можно управлять со стороны эмиттера или базы и, соответственно, эти электроды могут являться входными, а выходной сигнал можно снимать с коллектора или эмиттера, и эти электроды могут использоваться как выходные. Со стороны коллектора транзистором управлять нельзя, и выходным его электродом не может быть база.

Наличие нескольких режимов работы и схем включения БТ обуславливает большое разнообразие вариантов его применения в электронных схемах.  Учитывая, что при этом свойства БТ и схем значительно отличаются, все это, в конечном итоге, определило возможность создания схем, выполняющих самые разные функции, и широкое применение БТ и электроники на БТ в целом в различных областях деятельности человека.

2.1.3 Принцип работы биполярного транзистора в отсечке

Рассмотрим работу БТn-p-n типа в схеме ОБ нарис. 2.4.

Под действием источников  и  эмиттерный и коллекторный переходы БТ смещены в обратном направлении. Диффузия основных носителей через переходы невозможна. Существуют небольшие обратные токи  и  переходов, обусловленные дрейфом неосновных носителей – дырокd из эмиттера и коллектора и электроновe из базы. Вклад электронов больше, что обусловлено несимметричностью переходов. База слабо легирована примесью по сравнению с эмиттером и коллектором, поэтому концентрация основных носителей в ней меньше, а неосновных больше, чем в других областях, так как произведение концентраций основных и неосновных носителей во всех областях одинаково.

Рисунок 2.4 –Схемавключения транзистора в режиме отсечки

Обратные токи эмиттера и коллектора являются параметрами БТ и указываются в справочной литературе.

2.1.4 Принцип работы биполярного транзистора в активном

режиме

Изменим в предыдущей схеме полярность включения источника  на противоположную. Тогда переход база-эмиттер смещается в прямом направлении и открывается, а переход база-коллектор по-прежнему остается в закрытом состоянии; БТ – в активном режиме (рис. 2.5).

Основные носители – электроны – из эмиттера диффундируют в базу, где небольшая их часть рекомбинирует с дырками. Другая (большая) часть достигает коллектора и полем источника  увлекается в коллектор.

Избыток электронов в коллекторе отводится по выводу коллектора на . При этом создается ток коллектора

Рисунок 2.5 –Схемавключение транзистора в активном режиме

Убыль дырок в базе вследствие рекомбинации восполняется за счет генерации пар электрон-дырка в зоне контакта вывода базы с полупроводником. При этом электроны уходят по выводу базы на , создавая ток базы . Убыль электронов в эмиттере восполняется за счет притока по выводу эмиттера от , при этом создается ток эмиттера .

Поскольку коллекторный переход остается в закрытом состоянии, то как в отсечке, также существует обратный ток , обусловленный движением неосновных носителей – электронов – из базы в коллектор (пунктирная стрелка). Обычно этот ток существенно меньше основного тока , создаваемого за счет диффузии электронов из эмиттера в базу, и не учитывается.

Таким образом, между токами БТ существуют соотношения:

  • - ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора. Это означает, что токи базы и коллектора, втекая в БТ, далее уходят в эмиттер;
  • - ток эмиттера больше тока базы и тока коллектора, взятых в отдельности;
  • - токи эмиттера и коллектора существенно превышают ток базы. Это обстоятельство позволяет в некоторых случаях пренебрегать током базы и принимать .

2.1.5 Эффект усиления мощности в активном режиме

Из принципа работы, представленного в предыдущем параграфе, не следует, что БТ является усилительным прибором: ток коллектора – выходной ток – меньше тока эмиттера – входного тока. Однако надо иметь в виду, что ранее, когда мы определяли БТ как усилительный прибор, то говорили об усилении мощности, а не тока.

Рассмотрим возможность усиления мощности электрического сигнала в схеме для активного режима нарис. 2.5. Для этого мысленно дополним схему нагрузкой – резистором, включенным в цепь коллектора, обозначив его как .

Поскольку нагрузка включается последовательно с закрытым коллекторным переходом, имеющим сопротивление 1…3 МОм, то она может быть достаточно высокоомной (например, десятки кОм) и не влиять при этом на ток коллектора.

При протекании тока коллектора в нагрузке выделяется мощность . Ток коллектора создается током эмиттера и примерно равен ему. В свою очередь, ток эмиттера создается за счет мощности, отбираемой от источника , которую можно считать входной мощностью БТ и найти в виде , где - сопротивление открытого эмиттерного перехода.

Если далее записать выражение для коэффициента усиления мощности – отношения мощности в нагрузке к входной мощности, то можно получить

.                                     (2.1.1)

Сопротивление эмиттера  для маломощных БТ составляет единицы-десятки ом и много меньше сопротивления нагрузки , следовательно, . Это означает, что БТ усиливает мощность электрического сигнала.

Из логики рассуждений следует, что при примерном равенстве входного и выходного токов, в конечном итоге, большое выходное и малое входное сопротивления БТ обеспечивают возможность усиления мощности электрического сигнала. Эти свойства БТ следует рассматривать как одни из самых важных в активном режиме. Также необходимо помнить, что мощность в нагрузке – это часть мощности, отбираемой от источника . Этот источник является источником питания коллекторной цепи или просто источником питания БТ.

2.1.6 Коэффициенты усиления тока

Из формулы (2.1.1) следует, что для получения наибольшего усиления мощности необходимо, чтобы отношение токов коллектора и эмиттера было как можно большим. Это отношение может быть использовано как критерий (параметр), характеризующий усилительные свойства БТ.

Отношение  называется статическим коэффициентом усиления тока в схеме с ОБ. Поскольку ток коллектора меньше тока эмиттера, то  меньше единицы и находится в диапазоне 0,9…0,999. Причем меньшие значения относятся к БТ первых конструкций, изготавливаемых по сплавной технологии. Для БТ, изготавливаемых по планарной технологии, коэффициент  составляет 0,99 и более единиц.

В схеме с ОЭ входным (управляющим) током является ток базы, а выходным (управляемым) – ток коллектора, поэтому для этой схемы используется другой параметр, характеризующий усилительные свойства, , который называется статическим коэффициентом усиления тока в схеме с ОЭ. Параметры  и В взаимосвязаны: , . Из последнего выражения по диапазону значений  можно найти диапазон для В: 9…999 единиц.

Коэффициенты усиления тока являются основными усилительными параметрами БТ и приводятся в справочной литературе. Поскольку схемы с ОЭ применяются значительно чаще, то предпочтение отдается параметру В.

Способами повышения коэффициента В являются: уменьшение степени легирования примесью области базы БТ и уменьшение толщины базовой области, что снижает вероятность рекомбинаций носителей в базе и ведет к уменьшению тока базы и увеличению тока коллектора.

Отметим, что выражения для коэффициентов усиления тока справедливы только для активного режима работы БТ.

2.1.7 Принцип работы биполярного транзистора в режиме

насыщения

По аналогии с активным режимом, рассматривая режим насыщения, следовало бы в схеме для режима отсечки поменять полярность источников  и . Однако на практике режим насыщения возникает в схеме для активного режима (рис. 2.5) при выполнении двух условий:

1) в цепи коллектора установлено токоограничивающее сопротивление;

2) управляющий ток эмиттера превышает некоторое расчетное значение , называемое током эмиттера насыщения.

Рассмотрим схему нарис. 2.6.

Пусть в исходном состоянии БТ находится в активном режиме. Протекают токи эмиттера  и коллектора . За счет тока коллектора на сопротивлении  происходит падение напряжения . Для цепи источника  выполняется равенство

.                                              (2.1.2)

При увеличении тока эмиттера увеличивается ток коллектора, падение напряжения  и уменьшается напряжение на коллекторном переходе . В некоторый момент это напряжение становится равным нулю и далее меняет свой знак на противоположный. Переход база-коллектор смещается в прямом направлении и, как только напряжение на нем достигает значения , переход открывается, и БТ входит в насыщение. Ток коллектора достигает своего максимального значения  - тока коллектора насыщения. Его значение можно найти, переписав выражение (2.1.2) для новых условий:

.                                           (2.1.3)

Отсюда . Таким образом, максимальное значение тока коллектора в схеме определяется внешней по отношению к БТ коллекторной цепью.

Рисунок 2.6 –Схема для пояснения режима насыщения

Определим значение тока эмиттера насыщения , при котором БТ переходит из активного режима в насыщение. Поскольку на границе между режимами выражение, связывающее токи коллектора и эмиттера через коэффициент альфа, еще остается справедливым, то ток можно найти из выражения .

Увеличение тока эмиттера сверх  ведет к увеличению степени насыщения БТ. Коллекторная цепь не успевает отводить все электроны из коллектора, поэтому в области коллектора появляется избыточный отрицательный заряд электронов, который препятствует их движению из базовой области. В результате в базе возрастает число рекомбинаций и, следовательно, увеличивается ток базы. Все приращение тока эмиттера сверх тока насыщения сопровождается таким же приращением тока базы.

Степень насыщения БТ характеризуется коэффициентом насыщения . Возможны варианты:  - БТ в активном режиме;  - БТ на границе между активным режимом и насыщением;  - БТ в насыщении.

2.1.8 Статические вольт-амперные характеристики биполярного

транзистора в схеме с общим эмиттером

В отличие от диода БТ имеет три вывода, которые при включении в схему вместе с другими  элементами образуют входную и выходную цепи. Поэтому для БТ снимают входные и выходные ВАХ.

В схеме с ОЭ входными величинами БТ являются напряжение база-эмиттер  и ток базы , выходными величинами – напряжение коллектор-эмиттер  и ток коллектора .

Входные ВАХ устанавливают взаимосвязь между входными величинами в виде . Для измерения характеристик используется схема нарис. 2.7.

Рисунок 2.7 –Схема для исследования ВАХ транзистора

С помощью источников ИП1 и ИП2 устанавливают ток базы  и напряжение . Вольтметр PV служит для измерения напряжений в точках схемы.  Значение тока базы рассчитывается по формуле .

Снимают две характеристики при  и . Первая соответствует режиму насыщения, вторая – активному режиму БТ. Характеристики представлены нарис. 2.8, а.

Входная ВАХ для режима насыщения идет круче, так как проводимость базовой области за счет высокой концентрации электронов, инжектированных из эмиттера, существенно выше, чем в активном режиме.

Выходные характеристики устанавливают взаимосвязь между выходными величинами БТ в виде . Для измерения тока коллектора дополнительно используют резистор . Ток коллектора рассчитывается по результатам измерения напряжений:  . Измерения ВАХ проводят последовательно для нескольких значений тока базы. ВАХ представлены нарис. 2.8, б.

а)

б)

Рисунок 2.8 –Входные (а) и выходные (б) ВАХ транзистора

Выходные характеристики имеют крутой и пологий участки. Крутой участок соответствует режиму насыщения, пологий – активному режиму. Наклон характеристик на пологом участке определяется двумя эффектами.

Первый эффект. Часть напряжения  прикладывается к переходу база-эмиттер в прямом направлении. При увеличении этого напряжения переход дополнительно приоткрывается, что ведет к увеличению тока базы и тока коллектора.

Второй эффект носит название эффекта модуляции толщины базы. Переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Его обедненный слой частично сосредоточен в базовой области БТ. Это ведет к уменьшению эффективной толщины базы БТ. При увеличении напряжения  толщина обедненного слоя возрастает, что ведет к еще большему уменьшению эффективной толщины базы, увеличению коэффициента усиления В и увеличению тока коллектора.

2.1.9 Малосигнальная физическая модель биполярного

транзистора в схеме с общим эмиттером

Модель БТ представляет собой электрическую схему, составленную из простых линейных компонентов, которая может быть использована взамен БТ при выполнении расчетов или анализа схем.

Для активного режима, как главного с точки зрения применения, разработаны малосигнальные модели, рассчитанные на применение в случаях, когда изменения напряжений и токов в БТ представляют собой малые приращения на фоне постоянных значений, определяющих так называемую рабочую точку. На практике малосигнальные модели  применяют для переменных сигналов во всем динамическом диапазоне их значений. В физических моделях каждый компонент отражает определенный физический процесс в БТ.

Малосигнальная физическая модель БТ для схемы с ОЭ представлена нарис. 2.9, а.

а)

б)

Рисунок 2.9 –Малосигнальная физическая модель БТ для схемы с ОЭ

Модель содержит три типа компонентов, параметры которых являются малосигнальными физическими параметрами БТ и определяются следующим образом.

1) Параметры зависимых источников напряжения  (моделирует влияние изменения напряжения  на изменение напряжения ) и тока  (моделирует усилительные свойства БТ):

-  - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению;

-  - малосигнальный коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ.

2) Резистивные:

- Ом - объемное сопротивление базовой области;

-  - дифференциальное сопротивление открытого эмиттерного перехода;

-   - дифференциальное сопротивление закрытого коллекторного перехода в схеме с ОЭ.

3) Емкостные:

-  - эквивалентная емкость коллекторного перехода в схеме с ОЭ.  пФ – барьерная емкость закрытого коллекторного перехода.

В некоторых случаях, например, когда анализ схемы с БТ производится в области низких частот и сопротивления резисторов в схеме имеют относительно небольшие значения, влиянием части компонентов в полной модели БТ нарис. 2.9,а пренебрегают. Применяют упрощенную малосигнальную модель нарис. 2.9, б.

2.1.10 Модель биполярного транзистора как линейного

четырехполюсника,h-параметры

Модель БТ как линейного четырехполюсника также относится к активному режиму и является малосигнальной. БТ представляют в виде четырехполюсника, например, так, как показано нарис. 2.10, а. Здесь и далее при описании малых приращений токов и напряжений для простоты будем опускать знак дифференциала.

Свойства БТ определяются системой линейных алгебраических уравнений, связывающих между собой величины . Исходя из принципа работы БТ, в качестве независимых выбирают величины .

а)

б)

Рисунок 2.10 –Модель БТ как линейного четырехполюсника

Тогда система уравнений записывается в виде

                                                                                   (2.1.4)

где  - постоянные коэффициенты, называемые -параметрами БТ.

Найдем -параметры из уравнений (2.1.4):

- - входное сопротивление БТ, измеренное при коротком замыкании на выходе;

- - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению, измеренный в режиме холостого хода на входе;

-  - коэффициент усиления тока, измеренный при коротком замыкании на выходе;

-  - выходная проводимость, измеренная в режиме холостого хода на входе.

Определив -параметры и их физический смысл, можно конкретизировать внутреннюю структуру четырехполюсника в виде схемы нарис. 2.10, б, которая в дальнейшем может быть использована вместо  реального БТ.

2.1.11 Графический метод определенияh-параметров

H-параметры могут быть найдены графически с использованием  ВАХ БТ. Рассмотрим порядок определения параметров для схемы с ОЭ. Перейдем от входных и выходных величин четырехполюсника нарис. 2.10,а к конечным приращениям входных и выходных величин БТ, используя соответствия, представленные в табл. 2.3.

Таблица 2.3 – Аналогия параметров четырехполюсника и транзистора

Величины четырехполюсника

Приращения величин БТ

а)

б)

Рисунок 2.11 –Пояснения для определения параметровh11 иh12

а)

б)

Рисунок 2.12 –Пояснения для определения параметровh21 иh22

Тогдаh-параметры определятся в виде:

; ; ; .

В соответствии с представленными выражениями параметр  может быть найден по входной ВАХ, соответствующей активному режиму работы БТ, как показано нарис. 2.11, а.

Параметр  определяется по двум входным характеристикам (рис. 2.11, б).

Параметры  и  находят по выходным характеристикам, используя графические построения, представленные нарис. 2.12, а иб соответственно.

Как видно,h-параметры зависят от значений токов базы и коллектора, поэтому целесообразно определять их вблизи рабочей точки БТ. Если рабочая точка неизвестна, графические построения производят в средней части входных и выходных характеристик.

2.1.12 Предельные параметры биполярного транзистора

Рассмотренные выше параметры БТ (физические и четырехполюсника) относятся к рабочим и характеризуют свойства БТ в рабочих режимах. Предельные параметры определяют граничные режимы БТ, превышение которых приводит к катастрофическому отказу. К ним относятся:

-  - обратное максимальное напряжение на переходе база-коллектор;

-  - обратное максимальное напряжение на переходе база-эмиттер;

-  - максимальное напряжение коллектор-эмиттер в полярности, соответствующей активному режиму, при заданном значении сопротивления резистора, включенного параллельно переходу база-эмиттер;

-  - максимальный ток коллектора в режиме насыщения;

-  - максимальная постоянная рассеиваемая мощность;

- ,  - диапазон температур эксплуатации.

Предельные параметры учитываются в первую очередь при выборе БТ в процессе проектирования схемы. Только после этого осуществляется подбор БТ по рабочим параметрам.

2.2 Порядок выполнения работы

2.2.1 Моделирование входных характеристик в схеме с общим эмиттером

а)Построение схемы

Входные характеристики устанавливают взаимосвязь между током базы и напряжением база–эмиттер при фиксированном напряжении коллектор–эмиттер. Обычно определяются для двух значений напряжения коллектор–эмиттер, соответствующих режиму насыщения и активному режиму. Определим характеристики для значений ноль вольт и четыре вольта.

Схема измерений, позволяющая выводить характеристики в виде графиков, представлена нарис. 2.13.

Рисунок 2.13 –Схема для моделирования характеристик транзистора

Выберем для исследований из базы данныхMicro-Cap  транзистор 2N2218. Для этого при вводе транзистора в схему в окнеNPN необходимо определить атрибутMODEL= в виде 2N2218. Здесь же можно считать параметры транзистора, используемые при компьютерном моделировании.

Ввод источника токаI1 производится путем нажатия кнопкиComponent и последовательного выбора опцийAnalogPrimitives,WaveformSourсes иISourсe. АтрибутVALUE= в окне параметровISourсe не устанавливаем, так как значения тока будут заданы далее при моделировании.

При вводе источника напряженияV1 также не задается значениеVALUE= в окнеBattery, так как оно определяется при анализе схемы.

б)Моделирование характеристик

Используем анализ по постоянному токуDC. В опциях окнаDCAnalysisLimits (рис. 2.14) зададим следующие параметры. В окнах, обозначенных  надписьюVariable 1, устанавливаемMethod=Auto, имя варьируемой переменнойName=I1, диапазон варьирования (в амперах)Range=0.01,0. В окнахVariable 2 -Method=Linear, имя варьируемой переменнойName=V1, диапазон варьирования (в вольтах)Range=4,0,4. (Формат диапазона: максимальное значение, минимальное значение, шаг. Для величиныI1 в формате диапазона значение шага не задается, так как программа определяет его автоматически, что задано в опцииMethod=Auto.)

Рисунок 2.14 –Вид окна панели ограничение анализа

Рисунок 2.15 –Входные ВАХ транзистора

При определении параметров графиков ВАХ в нижней части окнаDCAnalysisLimits указываем в одной строке: номер графикаР=1, величину по горизонтальной осиXExpression=Vbe(Q1) (напряжение база-эмиттер транзистораQ1), величину по вертикальной осиYExpression=Ib(Q1) (ток базы транзистораQ1), диапазоны изменения величин программа должна определить автоматически – задатьXRange=Auto,YRange=Auto. Запуск анализа производится кнопкойRun.

Входные характеристики транзистора представлены нарис. 2.15.

2.2.2 Моделирование выходных характеристик в схеме с общим

эмиттером

а)Построение схемы

Выходные характеристики устанавливают взаимосвязь между током коллектора и напряжением коллектор-эмиттер при фиксированном токе базы. В отличие от входных в выходных характеристиках может присутствовать произвольное количество графиков, соответствующих разным значениям тока базы. Обычно шаг изменения тока базы устанавливается фиксированным.

Для моделирования выходных характеристик используется представленная выше схема (рис. 2.13).

б)Моделирование выходных характеристик

Используется также анализ по постоянному токуDC. В окнеDCAnalysisLimits необходимо указать новые значения параметров (рис. 2.16). В строкеVariable1 устанавливаем:Method=Auto, имя переменнойName=V1, диапазон изменения переменнойRange=10,0. В строкеVariable2:Method=Linear, имя переменнойName=I1, диапазон изменения переменной (в миллиамперах)Range=0.5m, 0.0001m, 0.1m. Параметры графиков задаем в одной строке в нижней части окнаDCAnalysisLimits:Р=1,XExpression=Vce(Q1) (напряжение коллектор–эмиттер),YExpression=Ic(Q1) (ток коллектора),XRange=Auto,YRange=Auto. Нажимаем кнопкуRun.

Нарис. 2.17 представлено семейство выходных характеристик.

В случае, если необходимо вывести результаты анализа в численном виде, например, с целью последующего расчетаh-параметров транзистора, перед проведением анализа в окнеDCAnalysisLimits в строке параметров графиков необходимо нажать кнопку , следующую за кнопкой, определяющей цвет графика. В этом случае в памяти машины сохраняются результаты расчета точек каждого графика. Число точек задается в окнеNumberofpoints. По окончании анализа для вывода результатов на экран необходимо нажать такую же кнопку на панели инструментов экрана. Переход на предыдущий экран осуществляется кнопкамиFile,Clouse.

Выходные характеристики транзистора могут быть выведены на экран без использования схемы нарис. 2.13. Для этого в программеMicroCap в окнеNPN, которое открывается при выборе типа транзистора, необходимо нажать кнопкуPlot.

Рисунок 2.16 –Вид окна панели ограничение анализа

Рисунок 2.17 –Выходные ВАХ транзистора

2.2.3 Задание на моделирование

1. Изучить принцип работы биполярного транзистора и его статические вольт-амперные характеристики в схеме с общим эмиттером.

2. Воспроизвести примеры моделирования и объяснить результаты.

3. Исследовать влияние коэффициента усиления по токуBF транзистора на выходные характеристики.

2.3 Содержание отчета

Составьте отчет по лабораторной работе, в котором изложите цель работы, по пунктам: название, исследуемую схему в редакторе программы Micro-Cap, ограничения анализа, результаты моделирования схемы, выводы.

2.4 Контрольные вопросы

1. Как располагаются между собой области полупроводника в БТn-p-n иp-n-p типов? Какое требование к геометрии БТ предъявляется?

2. Нарисуйте и поясните конструкции сплавного и планарного БТ. Перечислите их достоинства и недостатки.

3. По какому критерию определяют режим работы БТ? Какие режимы используют на практике?

4. Какими критериями определяется схема включения БТ? Какие электроды БТ могут быть входными и выходными для сигналов?

5. Поясните принцип работы БТ в отсечке. Какие носители создают обратные токи эмиттера и коллектора?

6. Поясните принцип работы БТ в активном режиме. Как соотносятся между собой токи эмиттера, базы и коллектора?

7. За счет каких свойств возникает эффект усиления мощности в БТ?

8. Какими параметрами характеризуются усилительные свойства БТ? Какие значения оно имеют?

9. В какой схеме и при каких условиях возникает режим насыщения БТ?

10. Поясните принцип работы БТ в насыщении.

11. Что такое коэффициент насыщения и какие значения он может принимать?

12. Нарисуйте и поясните схему для снятия ВАХ БТ с общим эмиттером. Нарисуйте графики входных и выходных ВАХ.

13. Нарисуйте схему малосигнальной физической модели БТ и поясните ее составляющие.

14. Как определяютсяh-параметры БТ? Нарисуйте схему модели БТ как линейного четырехполюсника.

15. Для каких режимов БТ применяются малосигнальная физическая и модель БТ в виде линейного четырехполюсника?

16. Как графически определяютh-параметры БТ?

17. Перечислите и поясните предельные параметры БТ.

Работа 3

КЛЮЧИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Цель работы: изучение принципа работы, свойств и модификаций ключей на биполярных транзисторах по схеме с общим эмиттером.

3.1 Теоретические сведения

3.1.1 Общие сведения о ключах

Ключ– это электронное устройство, предназначенное для коммутации (замыкания и размыкания) электрической цепи. Из всего многообразия ключей в цифровой технике наибольшее распространение получили ключи, функциональная схема которых представлена нарис. 3.1, а.

а)

б)

Рисунок. 3.1 –Функциональные схемы электронных ключей

Ключ содержит источник питания , резистор , управляемый ключевой элемент , входную цепь, подключаемую к источнику управляющего напряжения , и выход, с которого снимается выходное напряжение . Под действием управляющего напряжения, которое может принимать два значения –низкого   иливысокого  уровней, ключевой элемент может находиться в разомкнутом или замкнутом состояниях. Первое состояние называютзакрытым состоянием ключа, второе –открытым. В закрытом состоянии цепь источника питания ключа разомкнута, и на выходе присутствует высокий уровень напряжения ; в открытом состоянии цепь замкнута, и за счет малого сопротивления ключевого элемента по сравнению с сопротивлением  на выходе наблюдается низкий уровень напряжения  В.

В реальных схемах ключей в качестве ключевого элемента применяют биполярный транзистор. Простейший ключ на БТ показан нарис. 3.1, б. При низком уровне напряжения на входе  В БТ находится в отсечке, ключ закрыт, на выходе присутствует высокий уровень напряжения ; при высоком уровне  на входе  БТ находится в насыщении, ключ открыт, на выходе присутствует низкий уровень  В. Таким образом, простейший ключ осуществляет инверсию выходного напряжения по отношению к входному. В цифровых схемах, где низким и высоким уровнями напряжений кодируют ноль и единицу, ключ выполняет логическую функцию НЕ.

3.1.2 Способы обеспечения закрытого состояния ключа

Различают три способа закрывания ключа.

Способ 1. Закрытое состояние обеспечивается путем отключения базы БТ от источника входного сигнала (рис. 3.2, а).

а)

б)

в)

Рисунок 3.2 – Способы обеспечения закрытого состояния ключа

Обратный ток  коллекторного перехода протекает через эмиттерный переход в прямом направлении и приоткрывает его. В результате БТ пребывает в микротоковом активном режиме. Присутствует дополнительный компонент тока коллектора , являющийся результатом усиления тока . Общий ток коллектора составляет .

Если коэффициент усиления В БТ достаточно большой и обратный ток  имеет относительно большое значение (например, БТ работает при высокой температуре), то ток коллектора в закрытом ключе может оказаться соизмеримым с током в открытом состоянии ключа. Это означает, что будут неразличимыми низкий и высокий уровни напряжений на выходе. Таким образом, надежность закрывания ключа оказывается низкой. По этой причине способ не применяется в практической схемотехнике.

Способ 2. Для отвода обратного тока коллектора из базы, минуя эмиттерный переход, используют специальную цепь, называемуюцепьюсмещения и образованную резистором  и дополнительным источником напряжения отрицательной полярности  (рис. 3.2, б). Параметры цепи выбирают из условия

.                                              (3.1.1)

В этом случае весь обратный ток коллектора будет протекать по цепи смещения, напряжение на базе будет равно нулю, переход БЭ закрыт, и ток коллектора закрытого ключа будет равен только . Ключ надежно закрыт.

Недостатком способа является необходимость использования дополнительного источника питания, что существенно затрудняет разводку проводов, в особенности в интегральных схемах. Поэтому для микросхем разработан третий способ закрывания.

Способ 3. Его рассматривают как промежуточный между первым и вторым способами. Для закрывания ключа параллельно переходу база-эмиттер устанавливается резистор  (рис. 3.2, в). Если сопротивление резистора выбрано небольшим по сравнению с сопротивлением закрытого эмиттерного перехода, то большая часть обратного тока коллектора  будет протекать через этот резистор, минуя эмиттерный переход. Меньшая часть  будет протекать через переход и усиливаться. В результате общий ток коллектора будет составлять  и может быть приемлемым для закрытого состояния ключа.

3.1.3 Открытое состояние ключа

Рассмотрим простейший ключ нарис. 3.3, а. Пусть в исходном состоянии на вход подан низкий уровень напряжения  В. БТ находится в отсечке, ключ закрыт.

Будем постепенно увеличивать входное напряжение.

Пока  В переход база-эмиттер БТ закрыт и БТ остается в отсечке. Как только входное напряжение становится больше 0,7 В, эмиттерный переход открывается, напряжение на нем фиксируется на этом уровне, и начинается нарастание тока базы БТ:

.                                          (3.1.2)

Транзистор переходит в активный режим, ток коллектора увеличивается пропорционально току базы в соответствии с выражением . Напряжение на выходе ключа понижается: .

При напряжении  на выходе меньшем напряжения на базе на величину  В переход база-коллектор открывается, БТ переходит в режим насыщения, и выходное напряжение фиксируется на уровне, определяемом в соответствии срис. 3.3, б выражением В. Это низкий уровень напряжения на выходе ключа. Ток коллектора достигает своего максимального значения –тока коллектора насыщения

                                        (3.1.3)

и далее увеличиваться не может.

При дальнейшем увеличении входного напряжения увеличивается ток базы и возрастает степень насыщения БТ, которая характеризуетсякоэффициентомнасыщения

,                                              (3.1.4)

где  -ток базы насыщения. Для обеспечения гарантированного (надежного) насыщения БТ в открытом состоянии ключа минимальное значение коэффициента насыщения выбирают на уровне .

а)

б)

Рисунок 3.3 – Схема простейшего ключа

3.1.4 Процесс открывания (включения) ключа

Пусть в исходном состоянии на вход ключарис. 3.3, а подан низкий уровень напряжения  В. Напряжение на базе равно входному напряжению, поэтому БТ находится в отсечке и ключ закрыт. Токи базы и коллектора равны нулю. На выходе ключа – высокий уровень напряжения  (см.рис. 3.4, а).

а)

б)

Рисунок 3.4 –Временные диаграммы ключа

В момент  напряжение на входе скачком возрастает до высокого уровня . Напряжение на базе  мгновенно увеличиться не может, так как к базе подключены емкости закрытых эмиттерного и коллекторного переходов, на заряд которых требуется определенное время.

В момент   напряжение  достигает уровня , и переход

база-эмиттер открывается. Появляется ток базы

.                                  (3.1.5)

БТ переходит в активный режим. Из эмиттера в базу начинают поступать электроны, заряд электронов  в базе  нарастает. Пропорционально заряду увеличивается ток коллектора  и уменьшается напряжение  на выходе ключа.

В момент  ток коллектора достигает своего максимального значения , а напряжение на выходе ключа – минимального значения . Переход база-коллектор открывается, и БТ входит в насыщение. Заряд электронов в базе, соответствующий этому моменту, называетсяграничным – .

В момент  заряд в базе достигает максимального значения , и процесс открывания ключа завершается. Заряд в базе, превышающий , называетсяизбыточным.

На временных диаграммах переходного процесса открывания ключа (рис. 3.4, а) можно выделить три временных интервала, соответствующих разным физическим процессам и режимам работы БТ:

-  -время задержкифронта включения БТ (происходит заряд паразитных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов, режим отсечки);

-  -время фронтанарастаниятока коллектора (нарастает ток коллектора, активный режим);

-  -время накопленияизбыточного зарядав базе (в базе накапливается избыточный заряд неосновных носителей, режим насыщения).

Длительность открывания ключа (времявключения), таким образом, можно представить как сумму трех временных интервалов:

.                                          (3.1.6)

На практике учитывают только время фронта , так как интервал  у современных транзисторов мал, а к моменту наступления интервала  выходное напряжение ключа достигает своего установившегося значения, и его величина не влияет на задержку прохождения сигнала через ключ.

3.1.5 Процесс закрывания (выключения) ключа

Рассмотрим временные диаграммы нарис. 3.4, б.

В исходном состоянии на вход ключа подан высокий уровень напряжения . Ключ открыт, БТ находится в насыщении. На базе – напряжение . Протекают открывающий ток базы  и ток коллектора насыщения . В базе накоплен максимальный заряд неосновных носителей , инжектируемых из эмиттера. На выходе ключа присутствует низкий уровень напряжения .

В момент  напряжение на входе скачком уменьшается до низкого уровня  В. Поскольку заряд неосновных носителей в базе мгновенно рассасаться не может, то БТ продолжает оставаться в режиме насыщения и на базе сохраняется напряжение . В результате ток в цепи базы меняет направление на противоположное и принимает значение

.                             (3.1.7)

Под действием токов базы и коллектора заряд в базе начинает рассасываться.

В момент  уровень заряда достигает граничного значения , и БТ переходит в активный режим. Пропорционально заряду в базе начинает уменьшаться ток коллектора и увеличиваться напряжение на выходе ключа.

К моменту  заряд в базе полностью рассасывается. Ток коллектора достигает минимального уровня, соответствующего закрытому состоянию ключа, который можно принять равным нулю. Напряжение на выходе увеличивается до . БТ переходит в отсечку.

Далее происходит разряд паразитных емкостей коллекторного и эмиттерного переходов, который завершается в момент , и процесс закрывания ключа заканчивается.

Как при включении, на временных диаграммах присутствуют три временных интервала:

-  -времярассасывания избыточного заряда в базе (режим насыщения БТ);

-  -время спадатокаколлектора (активный режим);

-  -время восстановлениязакрытогосостоянияключа (режим отсечки).

Время выключения записывается в виде

.                                  (3.1.8)

На практике в расчет берут только  и , так как к моменту начала интервала  выходное напряжение ключа принимает установившееся значение и дальше не изменяется.

3.1.6 Способы повышения быстродействия ключа. Ключ

с форсирующим конденсатором в цепи базы

Как видно из диаграммрис. 3.4, а, б, для уменьшения времени включения ключа необходимо уменьшать длительность фронта нарастания тока коллектора . Это достигается путем увеличения открывающего тока базы : накопление заряда в базе  происходит быстрее и быстрее достигается уровень .

Для уменьшения времени выключения необходимо уменьшать время рассасывания избыточного заряда  и время спада . Первое возможно за счет снижения степени насыщения БТ перед началом выключения, то есть за счет снижения открывающего тока базы ,  а также за счет увеличения закрывающего тока базы . Второе также обеспечивается путем увеличения тока .

Таким образом, для повышения быстродействия ключа временная диаграмма тока базы должна выглядеть так, как показано нарис. 3.5.

Рисунок 3.5 –Желаемые временные диаграммы ключа

До момента  ключ закрыт. На время включения с момента  до момента  подается большой открывающий ток базы , форсирующий процессы открывания. По окончании открывания ток базы уменьшается до минимально необходимого для поддержания БТ в насыщении уровня . Это обеспечивает минимальную степень его насыщения перед началом закрывания ключа, которое в общем случае неизвестно во времени.

На время выключения с момента  до момента  в базу подается большой закрывающий ток  и обеспечивается быстрое выключение ключа.

Желаемая диаграмма изменения тока базы наилучшим образом реализуется в схеме ключа с форсирующим конденсатором в цепи базы БТ (рис. 3.6, а).

а)

б)

Рисунок 3.6 –Схема ключа с форсирующим конденсатором

При открывании ключа в момент  (рис. 3.6, б) напряжение на входе скачком изменяется от низкого уровня до высокого. Конденсатор начинает заряжаться током , который из-за малого сопротивления цепи заряда оказывается достаточно большим. Процесс включения ключа форсируется. По мере заряда конденсатора ток базы уменьшается. Если емкость конденсатора подобрана правильно, то окончание его заряда совпадает с моментом окончания процесса включения ключа. Далее ток базы  определяется только резистором .

На этапе выключения, когда напряжение на входе скачком уменьшается до низкого уровня, напряжение заряженного конденсатора минусом прикладывается к базе, и конденсатор разряжается по низкоомному пути через эмиттерный переход. Возникает большой закрывающий ток , форсирующий процесс выключения ключа.

Применение форсирующего конденсатора позволяет повысить быстродействие ключа примерно на порядок.

3.1.7 Ключ с нелинейной обратной связью. Транзистор Шоттки

Схема ключа представлена нарис. 3.7, а.

При низком уровне напряжения на входе  В диоды  и  закрыты, БТ находится в отсечке, ключ закрыт. Закрытое состояние обеспечивается благодаря резистору .

При повышении напряжения на входе одновременно увеличивается напряжение в точке «а» и как только это напряжение достигает уровня  В, диод  и переход база-эмиттер БТ открываются. БТ переходит в активный режим, появляется ток коллектора, напряжение на выходе ключа  начинает уменьшаться. Пока это напряжение остается больше напряжения в точке «а», диод  закрыт и не оказывает влияния на работу схемы. Как только  становится равным , диод открывается, и выходное напряжение фиксируется на уровне

В           (3.1.9)

(рис. 3.7, б). Ключ – в открытом состоянии. При этом переход база-коллектор БТ находится под нулевым смещением и закрыт, а сам БТ остается в активном режиме.

а)

б)

Рисунок 3.7 –Схема ключа с нелинейной обратной связью

Благодаря активному режиму БТ в открытом состоянии ключа на этапе выключения отсутствует интервал рассасывания избыточного заряда из базы (), поэтому уменьшается время выключения ключа.

Недостатком ключа является повышенное значение напряжения низкого уровня на выходе. Для снижения этого напряжения вместо двух диодов на основеp-n-перехода используют один диод Шоттки, который включают параллельно коллекторному переходу БТ (рис. 3.8, а). Комбинация БТ и диода Шоттки получила названиетранзистора Шоттки (рис. 3.8, б).

а)

б)

Рисунок 3.8 –Эквивалентная схема(а) и обозначение транзистора Шоттки (б)

По сравнению с диодом на основеp-n-перехода диод Шоттки имеет меньшее падение напряжения в открытом состоянии:  В. Поэтому в ключе при открывании, когда напряжение на выходе понижается, первым открывается диод Шоттки, и напряжение на нем и коллекторном переходе фиксируется. При этом переход база-коллектор, несмотря на прямое смещение, остается закрытым, так как напряжения не достаточно для его открывания. Следовательно, БТ в открытом состоянии ключа пребывает в активном режиме. Напряжение низкого уровня на выходе ключа составляет

В,                  (3.1.10)

что меньше, чем в предыдущей схеме.

3.1.8 Работа ключа на емкостную нагрузку

Емкостьнагрузки представляет собой суммарную паразитную емкость, образованную емкостью соединительных проводов, посредством которых нагрузка подключается к выходу ключа, и емкостью самой нагрузки. Типичные значения емкости, например, в схемах с логическими элементами составляют единицы – десятки пикофарад.

Исследуем работу ключа на БТ (рис. 3.9) на емкостную нагрузку, считая транзистор идеально быстродействующим.

Рисунок 3.9 – Схема ключа с емкостной нагрузкой

В исходном состоянии ключевой элемент  разомкнут, и транзистор  находится в отсечке. Емкость  заряжена до напряжения источника питания .

В момент  (рис. 3.10, а) ключевой элемент замыкается, переход база-эмиттер транзистора мгновенно открывается, и транзистор переходит в активный режим. Емкость начинает разряжаться коллекторным током транзистора. Выходное напряжение ключа уменьшается.

а)

б)

Рисунок 3.10 – Временные диаграммы процесса замыкания и размыкания ключа

Эквивалентная схема цепи разряда показана нарис. 3.11, а. Здесь БТ представлен идеальным источником тока  с бесконечно большим внутренним сопротивлением, так как переход база коллектор закрыт и БТ со стороны коллектора имеет большое сопротивление. Используя метод эквивалентных источников, эквивалентная схема может быть приведена к виду нарис. 3.11,б,  где . Это цепь первого порядка, поэтому изменение напряжения на выходе ключа происходит по закону спадающей экспоненты

.                                (3.1.11)

Здесь - постоянная времени, характеризующая длительность переходного процесса. За время  процесс завершается на 95%. Это время принимают за полную длительность переходного процесса ключа.

Поскольку ток коллектора в активном режиме выбирается больше тока коллектора насыщения, то асимптота  экспоненты  имеет отрицательный знак, что учтено нарис. 3.11, б.

а)

б)

в)

Рисунок 3.11 – Схемы замещения ключа

В момент  напряжение на конденсаторе  достигает уровня  В, при котором открывается переход база-коллектор БТ и он входит в насыщение. Напряжение на выходе ключа фиксируется на данном уровне. Процесс включения заканчивается. Как видно, включение завершается раньше, чем происходит полный цикл переходного процесса, определяемый формулой (3.1.11), поэтому  и зависит от тока коллектора в активном режиме. Чем больше ток коллектора, тем меньше время включения ключа и тем меньше влияние емкости нагрузки на быстродействие.

В момент  ключевой элемент  размыкается,  транзистор переходит в режим отсечки и отключается от конденсатора . Конденсатор начинает заряжаться от уровня  до уровня напряжения источника  в соответствии с эквивалентной схемой нарис. 3.11, в и законом

.                           (3.1.12)

В момент  процессы заряда емкости и выключения ключа завершаются. Длительность выключения составляет .

Как видно, быстродействие ключа на БТ при работе на емкостную нагрузку определяется этапом заряда емкости нагрузки (этапом выключения ключа), так как длительность переходного процесса в этом случае оказывается наибольшей.

Для уменьшения времени выключения необходимо уменьшать сопротивление резистора , однако при этом возрастает ток, потребляемый ключом в открытом состоянии, что нежелательно.

Вместо резистора устанавливают дополнительный БТ, который работает в противофазе с основным (рис. 3.12). В этом случае, когда идет процесс выключения ключа, основной БТ  находится  в отсечке, а дополнительный  пребывает в активном режиме и имеет малое сопротивление со стороны эмиттера. Это обеспечивает быстрый заряд емкости нагрузки.

Для противофазного управления транзисторами используют дополнительный управляющий каскад на БТ. Схема ключа из трех транзисторов получила названиесложногоинвертора.

Рисунок 3.12 – Улучшенный вариант электронного ключа

3.2 Порядок выполнения работы

3.2.1 Моделирование амплитудной передаточной характеристики (АПХ) простейшего ключа

а)Построение схемы ключа

Построим схему простейшего ключа нарис. 3.13. Используем транзистор  из предыдущей работы 2N2218. Установим источник напряженияV2 на 10 В. При вводе источникаV1 атрибутVALUE= не задаем, так как входное напряжение ключа в процессе анализа будет изменяться в пределах, определяемых далее.

Рисунок 3.13 – Схема для моделирования АПХ ключа

б)Моделирование АПХ

Определяем вид анализа –DC. В окнеDCAnalysisLimits задаем в строкеVariable 1:Method=Auto, имя переменнойName=V1, диапазон изменения переменной и шагRange=5, 0, 0.01, в строке параметров графика:Р=1,XExpression=V(3) (напряжение в точке 3),YExpression=V(1) (напряжение в точке 1),XRange=Auto,YRange=Auto. Нажимаем кнопкуRun.

Результат моделирования представлен нарис. 3.14.

Рисунок 3.14 – Амплитудно-передаточная характеристика ключа

3.2.2Моделирование динамического режима простейшего ключа

а)Построение схемы

Создадим схему (рис. 3.15).

Рисунок 3.15 – Схема для моделирования динамического режима ключа

Для этого в предыдущей схеме заменим источник напряженияV1 на генератор импульсов. Необходимо установить курсор на источникV1, выделить источник нажатием левой кнопки мыши и клавишейDel на клавиатуре удалить его из схемы. Затем нажать кнопкуPulseSource   на панели инструментов экрана и перенести элемент на место удаленного в схеме источника или выбрать элемент из набора предлагаемых после нажатия кнопокComponents,AnalogPrimitives,WaveformSources.

В появившемся окнеPulseSource необходимо определить параметры выходного сигнала генератора импульсов. Для этого определить атрибутMODEL=PULSE и в нижней части окна установить значения низкого уровня напряженияVZERO=0, высокого уровня напряжения (в вольтах)VONE=5, задержку импульсаР1=0, длительность задержки импульса и фронтаР2=0, длительность задержки импульса, фронта и длительность импульса (в микросекундах)Р3=10U, длительность задержки импульса, фронта, длительность импульса и спадаР4=10U, длительность периода следования импульсовР5=20U. Нажать кнопкуОК.

б)Моделирование

Выберем вид анализаTransient(анализ переходных процессов). В окнеTransientAnalysisLimits (рис. 3.16) установим параметры: временной интервал анализаTimeRange=20U, максимум временного шагаMaximumTimeStep=1N. В нижней части окна укажем параметры временных диаграмм для напряжений на входеV(3), на базеV(2) и на коллектореV(1), выводимых в одной системе, и тока базыIb(Q1), выводимого в другой системе координат. Дляэтоговпервойстрокезадаем:

Р=1,XExpression=Т,Y Expression=V(3),X Range=Auto,Y Range=Auto;

вовторойстроке:

Р=1,X Expression=Т,Y Expression=V(2),X Range=Auto,Y Range=Auto;

втретьейстроке:

Р=1,X Expression=Т,Y Expression=V(1),X Range=Auto,Y Range=Auto;

вчетвертойстроке:

Р=2,X Expression=Т,Y Expression=Ib(Q1),X Range=Auto,Y Range=Auto.

Устанавливаем также разный цвет графиков нажатием цветных кнопок.

Рисунок 3.16 – Вид окна панели анализа переходных процессов

Запускаем программу кнопкойRun. Для копирования графиков в черно-белом варианте помечаем их маркерами, нажав кнопкуTokens. Результаты анализа представлены нарис. 3.17.

Рисунок 3.17 – Результаты анализа динамического режима ключа

3.2.3 Моделирование динамического режима ключа с

форсирующим конденсатором

а)Построение схемы

Введем в схеме ключа на рис. 12 в цепь базы транзистора форсирующий конденсатор емкостью 100 пФ (рис. 3.18).

Рисунок 3.18 – Схема для моделирования ключа с форсирующим конденсатором

а)Моделирование

Повторим анализ, выполненный для схемы на рис. 12, используя те же ограничения в окнеTransientAnalysisLimits.

Результаты анализа представлены нарис. 3.19.

Рисунок 3.19 – Результаты анализа ключа

Как видно, введение конденсатора существенно повышает быстродействие ключа.

Для более детального просмотра графиков в определенных местах может быть использован режим увеличения изображения. Для этого при нажатой кнопкеScaleMode (F7), используя мышь, необходимо захватить в прямоугольник участок графика, который должен быть увеличен. Тогда размеры захваченного участка увеличиваются до размеров экрана, и детали интересующего фрагмента могут быть просмотрены более тщательно. Увеличение изображения графика может быть произведено несколько раз. При очередном запуске программы моделирования исходное состояние графика восстанавливается.

3.2.4 Задание на моделирование

1. Изучить принцип работы ключа на биполярном транзисторе в статических состояниях и в режиме переключений.

2. Воспроизвести примеры моделирования и объяснить результаты.

3. Исследовать влияние сопротивления резистораR1 в схеме рис. 12 на длительность процессов переключений.

3.3 Содержание отчета

Составьте отчет по лабораторной работе, в котором изложите цель работы, по пунктам: название, исследуемую схему в редакторе программы Micro-Cap, ограничения анализа, результаты моделирования схемы, выводы.

3.4 Контрольные вопросы

1. Что такое ключ? Какой ключ используется в цифровых устройствах и для чего?

2. Перечислите и поясните способы закрывания ключа на БТ.

3. Укажите токи в схеме ключа в открытом состоянии. Поясните термины «ток базы насыщения» и «ток коллектора насыщения».

4. Из каких интервалов складывается время включения ключа? В каком режиме находится БТ на каждом интервале?

5. Из каких интервалов складывается время выключения ключа? В каком режиме находится БТ на каждом интервале?

6. Назовите способы повышения быстродействия ключа. Поясните работу ключа с форсирующим конденсатором в цепи базы.

7. Нарисуйте схему и поясните работу ключа с нелинейной обратной связью. Что такое транзистор Шоттки и в чем состоит его главное преимущество по сравнению с БТ?

8. Как емкость нагрузки влияет на быстродействие ключа? Как можно снизить это влияние?

Работа 4

УСИЛИТЕЛЬ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Цель работы: изучение принципа работы и параметров усилителя на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером.

4.1 Теоретические сведения

4.1.1 Схема, назначение элементов и принцип работы усилителя

Схема усилителя представлена нарис. 4.1.

Рисунок 4.1Схема усилителя напряжения

Здесь  - эквивалентные параметры источника сигнала;  - эквивалент нагрузки;  - цепь смещения, обеспечивающая активный режим работы БТ;  - нагрузка БТ по постоянному току;  - резистор термостабилизации рабочей точки;  - разделительные конденсаторы, исключающие взаимное влияние усилителя, источника сигнала и нагрузки по постоянному току;  - конденсатор, подключающий эмиттер БТ к общему проводу по переменному сигналу и обеспечивающий вместе с конденсатором  передачу всего входного переменного сигнала на управляющий переход база-эмиттер БТ.

Принцип работы усилителя иллюстрируетсярис. 4.2.

При нулевом входном напряжении  цепью смещения на базу БТ подается постоянное начальное напряжение , под действием которого открывается переход база-эмиттер и БТ поддерживается в активном режиме. Протекают постоянные начальные токи базы  и коллектора . На коллекторе присутствует начальное напряжение

.

Выходное напряжение равно нулю, так как конденсатор  не пропускает постоянный ток с коллектора на выход.

Рисунок 4.2 – Временные диаграммы сигналов усилителя

При положительной полуволне входного усиливаемого сигнала  напряжение на базе увеличивается относительно начального значения. Токи базы и коллектора БТ также увеличиваются относительно своих начальных значений, а напряжение на коллекторе уменьшается. Конденсатор  пропускает переменную составляющую напряжения с коллектора, и на выходе формируется отрицательная полуволна усиленного сигнала.

При отрицательной полуволне входного сигнала  напряжение на базе уменьшается относительно начального значения. Соответственно уменьшаются токи базы и коллектора, а напряжение на коллекторе увеличивается. На выходе формируется положительная полуволна напряжения.

Усиление напряжения в усилителе происходит, с одной стороны, за счет усиления тока в БТ, а с другой стороны, за счет достаточно больших сопротивлений  и , на которых формируется переменная составляющая выходного напряжения при протекании переменного тока коллектора.

Как видно из временных диаграмм, усилитель по схеме с ОЭ является инвертирующим: при положительной полуволне входного переменного напряжения на выходе формируется отрицательная полуволна и наоборот.

4.1.2 Порядок построения эквивалентной схемы усилителя

для переменного сигнала

При построенииэквивалентной схемы усилителя учитывают следующее:

1. Сопротивление конденсаторов переменному сигналу много меньше сопротивления других компонентов схемы, поэтому его считают равным нулю, и конденсаторы в эквивалентной схеме заменяют перемычками.

2. Источник питания  считают идеальными источниками напряжения с нулевым внутренним сопротивлением, поэтому по переменному сигналу шина питания эквипотенциальна общему проводу и в эквивалентной схеме ее соединяют с общим проводом.

3. Вместо реального БТ используют малосигнальную физическую модель или модель в виде линейного четырехполюсника. Используем упрощенную малосигнальную модель (рис. 2.9, б), полагая, что условия для ее применения выполняются.

Нарис. 4.3, а  представлена эквивалентная схема усилителя на БТ с ОЭ, полученная путем применения указанных выше правил. Здесь и далее токи и напряжения представляют собой малые приращения соответствующих величин.

Для упрощения схемы резисторы цепи смещения  могут быть отнесены к источнику сигнала. Используя преобразования по методу эквивалентных источников, получаем новые значения параметров источника сигнала  и .  Эквивалентная схема принимает видрис. 4.3, б.

а)

б)

Рисунок 4.3 – Эквивалентная схема усилителя для переменного тока

4.1.3  Параметры усилителя для переменного сигнала

Найдем параметры усилителя через параметры компонентов эквивалентной схемы нарис. 4.3, б.

1.Входное сопротивление. Определяется выражением . Представим входное напряжение как сумму падений напряжений на элементах  и : . Учитывая, что входной ток – это ток базы, получаем

.                                          (4.1.1)

Если в схеме усилителя отсутствует конденсатор , то в эквивалентной схеме последовательно с сопротивлением  появляется сопротивление . Тогда входное сопротивление определится в виде

.                                   (4.1.2)

Во многих случаях хорошее приближение при расчете входного сопротивления дает упрощенная формула .

Найденное сопротивление является входным сопротивлением транзистора со стороны базы. Для того, чтобы найти общее входное сопротивление усилителя, необходимо учесть резисторы цепи смещения как параллельные входному сопротивлению транзистора:

.                                        (4.1.3)

2.Выходное сопротивление. Определяется при отключенной нагрузке в соответствии с выражением . Поскольку выходная цепь усилителя в эквивалентной схеме отделена от входной цепи идеальным источником тока  с бесконечно большим сопротивлением, то входная цепь не влияет на выходное сопротивление. Тогда выходное сопротивление будет определяться только сопротивлением , то есть

.                                                 (4.1.4)

Экспериментально выходное сопротивление можно определить, используя два последовательно подключаемых к выходу резистора нагрузки разного номинала  и  и соответствующие им два значения выходного напряжения  и .  Представляя выход усилителя в виде эквивалентного источника напряжения с параметрами  и , можно составить систему уравнений

                                     (4.1.5)

и, разрешив ее, найти .

3.Коэффициент усиления по напряжению. Без учета параметров источника сигнала его определяют в виде . Найдем коэффициент усиления с учетом сопротивления источника сигнала: .

Выходное напряжение усилителя для принятого в эквивалентной схеме направления тока коллектора можно записать в виде . Напряжение источника сигнала представляет собой сумму напряжений на его внутреннем сопротивлении  и входном сопротивлении усилителя : . Тогда коэффициент усиления по напряжению запишется в виде

.                                            (4.1.6)

Минус в формуле показывает, что усилитель является инвертирующим.

В частном случае, когда  (условие согласования источника сигнала и усилителя по напряжению) и  при отсутствии в схеме  формула (4.1.5) упрощается до вида

.                                    (4.1.7)

Если на выходе усилителя выполняется условие согласования по напряжению, то есть , то последняя формула сводится к виду

.                                                (4.1.8)

4.Коэффициент усиления по току. Преобразуем эквивалентный источник напряжения на входе усилителя в эквивалентный источник тока. Выходную цепь усилителя также представим эквивалентным источником тока. Получаем другой вариант эквивалентной схемы усилителя(рис. 4.4).

Рисунок. 4.4 –Вариант эквивалентной схемы усилителя

Коэффициент усиления по току найдем в виде . Рассматривая фрагменты эквивалентной схемы как делители тока, запишем , отсюда ток источника , ток нагрузки . Подставляя последние выражения в формулу для коэффициента усиления по току, получаем

.                             (4.1.9)

Как следует из формулы (4.1.9), максимально возможное значение коэффициента равно  и достигается при выполнении условий согласования по току на входе  и выходе  усилителя. В этом случае весь ток  источника втекает в базу БТ, а весь ток коллектора  протекает через нагрузку.

5.Коэффициент усиления по мощности. Может быть найден как произведение коэффициентов усиления по напряжению и току

,                                        (4.1.9)

если эти коэффициенты определены при неизменных условиях согласования источника сигнала с усилителем и усилителя с нагрузкой.

Как следует из проведенного анализа, усилитель по схеме с ОЭ обладает усилением по напряжению, току и мощности. Этим он отличается от усилителей на БТ с ОБ и ОК и поэтому применяется наиболее часто.

4.2 Порядок выполнения работы

4.2.1 Настройка начальной рабочей точки

а)Построение схемы

Соберем схему (рис. 4.5). Используем транзистор 2N2218 из базы программы. Напряжение питанияV1 установим равным 12V. Параметры генератораV2 выберем равнымиF=1KHZ,А=10М.

Рисунок 4.5 –Схема для моделирования работы усилителя

б)Установка начальной рабочей точки

Запустим динамический анализ по постоянному токуDynamicDC. При этом в узлах схемы появляются значения напряжений постоянного тока, соответствующие режиму покоя (рис. 4.6).

Рисунок 4.6 –Окно динамического анализа по постоянному току

Чтобы транзистор был в активном режиме и работал в классе А, необходимо на коллекторе установить напряжение, примерно равноеV2/2, т. е. около 6 В. Подстройка может быть произведена изменением значения сопротивленияR2. Для этого необходимо навести курсор на число 12К и двумя нажатиями на левую кнопку мыши активировать режим редактирования его значения. Устанавливая новые значения сопротивления, подобрать номиналR2, при котором напряжение на коллекторе имеет приемлемое значение. Пусть нас устраивает значениеR2=11K, при котором напряжение на коллекторе составляет 6.859 В (рис. 4.7).

Рисунок 4.7 – Результат установки параметров начальной рабочей точки

Выйдем из режима динамического анализа нажатием на панели инструментов кнопкиNodeVoltage (Напряжение узла) .

4.2.2 Определение параметров усилителя по переменному току

Найдем коэффициенты усиления по напряжению и току, входное и выходное сопротивление схемы и коэффициент гармоник. Для этого проведем анализ переходных процессовTransient. В окнеTransientAnalysisLimits зададим параметры: временной интервал  анализа, равный периоду работы генератораV2 –TimeRange=1m; максимум временного шагаMaximumTimeStep=1U. Выведем в виде отдельных графиков напряжения на входеV(5) и выходеV(6) усилителя и входнойI(C1) и выходнойI(C3) токи. Для этого в нижней части окнаTransientAnalysisLimits укажем

в первой строке:

Р=1,X Expression=Т,Y Expression=V(5),X Range=Auto,Y Range=Auto;

вовторойстроке:

Р=2,X Expression=Т,Y Expression=V(6),X Range=Auto,Y Range=Auto;

втретьейстроке:

Р=3,X Expression=Т,Y Expression=I(С1),XRange=Auto,Y Range=Auto;

вчетвертойстроке:

Р=4,X Expression=Т,Y Expression=I(С2),X Range=Auto,Y Range=Auto.

Запустим анализ кнопкойRun.

На экран выводятся графики указанных величин (рис. 4.8).

Для расчета коэффициентов усиления и входного сопротивления необходимо знать действующие или амплитудные значения напряжений и токов. Найдем амплитудные значения. Для этого воспользуемся возможностями программы определять мгновенные значения величин с помощью кнопкиTagMode  на панели инструментов.

Нажав кнопку, подводим курсор к точке на графике, параметры которой необходимо определить, нажимаем левую кнопку мыши, отводим курсор в свободное место графика, где может быть размещена надпись, и отпускаем кнопку мыши. Надпись содержит информацию о координатах выбранной точки в формате (X,Y) (см.рис. 4.8).

Определение коэффициентов усиления и входного сопротивления производится расчетным путем по данным графиков. Коэффициент усиления по напряжению

;

коэффициент усиления по току

;

входное сопротивление

.

Рисунок 4.8 – Результаты анализа усилителя по переменному тку

Параметры могут быть определены в программеMicroCap. Для этого в окнеTransientAnalysisLimits в колонкеYExpression вместо одной конкретной величины необходимо задать формулу, определяющую соответствующий параметр, напримерV(6)/V (5). Тогда в результате анализа на экран будет выведен график зависимости параметра (в данном случае коэффициента усиления схемы по напряжению) от времени.

Выходное сопротивление может быть найдено с использованием анализаTransferFunction (малосигнальная передаточная функция, рассчитываемая в режиме анализа по постоянному току) в опцииAnalysis. После запуска анализа открывается окноTransferFunction, в котором необходимо указать выходную величинуOutputExpression=V(1) (напряжениеV(6) указывать нельзя, т. к. расчет ведется на основе анализа по постоянному току) и источник воздействующего сигнала (в данном случаеV2)InputSourceName=V2. После запуска вычисления путем нажатия кнопкиCalculate в строкеOutputImpedance появляется результат анализа 4680.86 Ом.

Для определения коэффициента гармоник воспользуемся оператором обработки сигналов при построении графиковHARM(u) – расчет гармоник сигналаu. В режиме анализаTransient в окнеTransientAnalysisLimits в колонкеYExpression запишем выражениеHARM(V(6)). При этом время анализаTimeRange необходимо задать равным периоду основной гармоники сигнала (в данном случае 1m). Зададим также количество точек в спектре сигнала путем установки опцииNumberofPoints =11, и в окнеTransientAnalysisLimits  в строке, где записан операторHARM(V(6)), нажмем кнопку  записи в память результатов расчета амплитуды гармоник. В результате анализа получим спектр выходного сигнала усилителя,  представленный нарис. 4.9.

Рисунок4.9 – Спектр выходного сигнала усилителя

Для того чтобы считать амплитуды гармоник из памяти, в окне результатов моделированияTransientAnalysis необходимо нажать кнопку . Тогда открывается окно протокола моделирования, в котором в конце текстовой части в виде таблицы приводятся численные результаты моделирования – амплитуды гармоник в зависимости от частоты (см. таблицу):

f            harm(v(6))

                                                      (Hz)

0.000K      0.163

1.000K      1.464

2.000K      0.099

3.000K      0.044

4.000K      0.032

5.000K      0.025

6.000K      0.021

7.000K      0.017

8.000K      0.015

9.000K      0.013

                                                  10.000K      0.012

Используя формулу для расчета коэффициента гармоник

,

где   –  амплитуда основной (первой) гармоники (на частоте 1 кГц); , …  –  амплитуды последующих гармоник, рассчитаем значение коэффициента гармоник:

.

Для получения значения в процентах умножаем на 100 %, результат – 8.3 %.

На практике при расчете  обычно ограничиваются 4, 5 гармониками, следующими за основной.

4.2.3 Моделирование амплитудно-частотной (АЧХ) и

фазочастотной (ФЧХ) характеристик

Исследуем усилитель нарис. 4.7.

Для запуска анализа необходимо войти в окноAnalysis и запустить анализ частотных характеристикAC. В окнеACAnalysisLimits необходимо установить диапазон частотFrequencyRange=1E8,1 (формат: максимальная частота, минимальная частота в Гц) и внизу указать в первой строке параметров графиков:

Р=1,X Expression=F,Y Expression=db(V(6)),X Range=Auto,Y Range=Auto;

вовторойстроке:

Р=2,X Expression=F,Y Expression= ph(V(6)),X Range=Auto,Y Range=Auto.

После запуска анализа на экран выводится результат в виде двух графиков АЧХ и ФЧХ (рис. 4.10).

Рисунок 4.10 – АЧХ и ФХЧ усилителя

По АЧХ, в частности, может быть определена полоса усиливаемых частот.

4.2.4 Задание на моделирование

1. Изучить принцип работы усилителя на биполярном транзисторе с общим эмиттером.

2. Воспроизвести примеры моделирования и объяснить результаты.

3. Исследовать влияние конденсатора С2 на усилительные свойства схемы.

4.3 Содержание отчета

Составьте отчет по лабораторной работе, в котором изложите цель работы, по пунктам: название, исследуемую схему в редакторе программы Micro-Cap, ограничения анализа, результаты моделирования схемы, выводы.

4.4 Контрольные вопросы

1. Нарисуйте схему и поясните назначение элементов усилителя на БТ с общим эмиттером.

2. Поясните принцип работы усилителя на БТ с общим эмиттером.

3. Что такое эквивалентная схема усилителя для переменного сигнала и какие допущения принимают при ее построении?

4. Нарисуйте эквивалентную схему усилителя для переменного сигнала и выведите выражение для входного сопротивления.

5. Чем определяется выходное сопротивление усилителя для переменного сигнала?

6. Выведите выражения для коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности.

Работа 5

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы: изучение принципа работы, характеристик и параметров стабилизаторов напряжения на биполярных транзисторах.

5.1 Теоретические сведения

5.1.1 Классификация и система параметров стабилизаторов

напряжения

Стабилизатор напряжения (СН) предназначен для поддержания на выходе постоянного напряжения при колебаниях входного напряжения и тока (сопротивления) нагрузки. Различают СН параметрические, компенсационные с непрерывным регулированием (компенсационные) и компенсационные с импульсным регулированием (импульсные).

Впараметрических  СН стабилизация напряжения осуществляется за счет применения специального элемента с нелинейной ВАХ. Например, используют стабилитроны, которые на рабочем участке ВАХ имеют малое дифференциальное сопротивление.

Вкомпенсационных СН дополнительно используется общая отрицательная обратная связь по напряжению. Принцип стабилизации основан на автоматической компенсации отклонения сигнала, пропорционального выходному напряжению, от уровня уставки, задаваемой, например, параметрическим стабилизатором. Компенсация производится непрерывно во времени.

Вимпульсных СН также реализуется принцип компенсации отклонений, но этот процесс осуществляется дискретно во времени (через определенные временные интервалы).

Параметрами СН являются:

-выходное стабилизированноенапряжение ;

-температурныйкоэффициент выходногонапряжения  . Здесь  изменение выходного напряжения, обусловленное изменением температуры на ;

-коэффициент стабилизации напряжения . Характеризует качество работы СН при изменении входного напряжения;

-выходноесопротивление . Характеризует качество СН при изменении тока (сопротивления) нагрузки;

- рабочийдиапазон входных напряжений , ;

-максимальный выходной ток ;

-диапазон температур эксплуатации , .

5.1.2 Параметрический стабилизатор напряжения

В параметрических СН в качестве элемента стабилизации обычно используютстабилитрон, который представляет собой диод, работающий на обратной ветви ВАХ в режиме обратимого пробоя (рис. 5.1).

Рисунок 5.1 – Обратная ветвь ВАХ стабилитрона

Основными параметрами стабилитрона являются: напряжение стабилизации  при заданном токе стабилитрона ; дифференциальное сопротивление на рабочем участке ВАХ ; минимальный и максимальный рабочие токи  и .

Схема простого параметрического СН представлена нарис. 5.2, а.

а)

б)

Рисунок 5.2 – Параметрический стабилизатор

СН содержит стабилитрон и балластный резистор . К выходу параллельно стабилитрону подключена нагрузка . На вход подается положительное напряжение, большее напряжения стабилизации стабилитрона. В схеме протекают токи, как показано на рисунке. При этом ток балластного резистора равен сумме токов стабилитрона и нагрузки: . Поскольку нагрузка включена параллельно стабилитрону, то выходное напряжение СН определяется его напряжением стабилизации: . На резисторе  падает избыток входного напряжения.

Рассмотрим принцип работы СН.

Пусть сопротивление нагрузки постоянно, а входное напряжение изменяется, например, уменьшается. Тогда уменьшается ток балластного резистора . Благодаря малому дифференциальному сопротивлению стабилитрона по сравнению с сопротивлением нагрузки изменение тока  сопровождается таким же изменением (уменьшением) тока стабилитрона, а ток нагрузки останется неизменным. Следовательно, напряжение в нагрузке не изменяется.

Пусть входное напряжение постоянно, а сопротивление нагрузки изменяется, например, уменьшается. При этом происходит перераспределение тока балластного резистора между стабилитроном и нагрузкой: ток стабилитрона уменьшается, а ток нагрузки возрастает. Выходное напряжение остается неизменным.

Найдем основные параметры стабилизатора через параметры компонентов схемы.

1. Выходное напряжение, как показано выше, равно напряжению стабилизации стабилитрона:

.                                           (5.1.1)

2. Коэффициент стабилизации можно определить, используя эквивалентную схему параметрического СН для переменного сигнала, показанную нарис. 5.2, б. Схема представляет собой делитель напряжения, поэтому изменение напряжения на выходе можно найти по формуле

.

Подставляя  в выражение для коэффициента стабилизации и учитывая, что обычно выполняется неравенство , получаем

.                                          (5.1.2)

Как видно из формулы, увеличение коэффициента стабилизации можно получить путем увеличения  и уменьшения . Однако первое мало эффективно, так как при увеличении сопротивления балластного резистора необходимо увеличивать входное напряжение , чтобы сохранить неизменным входной (рабочий) ток стабилизатора.

3. Выходное сопротивление СН определяется при отключенной нагрузке. Если считать, что входное напряжение подается от идеального источника напряжения, то при определении выходного сопротивления в эквивалентной схеме для переменного сигнала компоненты  и  оказываются включенными параллельно друг другу. Поскольку  из них существенно меньше, то оно и определяет выходное сопротивление СН:

.                                              (5.1.3)

Таким образом, все основные параметры простого параметрического СН определяются исключительно свойствами стабилитрона, следовательно, выбору стабилитрона при проектировании СН должно уделяться особое внимание.

Как видно из принципа работы, максимальный ток нагрузки параметрического СН не может превышать максимальный ток стабилитрона . Для увеличения выходного тока используют усилитель на основе БТ с ОК (рис. 5.3).

Рисунок 5.3 – Схема стабилизатора с усилителем тока

В этой схеме выходной ток простого параметрического СН на элементах  и  является током базы , а ток нагрузки – током эмиттера  БТ. Поэтому достигается увеличение тока нагрузки в  раз.

Выходное напряжение СН с усилителем тока составляет . Коэффициент стабилизации такой же, как у простого стабилизатора, а выходное сопротивление равно сопротивлению БТ со стороны эмиттера для переменного сигнала: .

Параметрические СН используются в маломощных источниках питания с выходным током до 15…20 мА, а также в качестве источников опорного напряжения в компенсационных и импульсных СН.

5.1.3 Компенсационный стабилизатор напряжения

Компенсационный СН содержит схему с отрицательной обратной связью по напряжению. В состав также  входит параметрический стабилизатор, который формирует необходимое для работы опорное напряжение.

Структурная схема компенсационного СН представлена нарис. 5.4.

СН содержит управляемыйрегулирующий элемент (РЭ) на биполярном транзисторе с ОК, усилитель сравнения (УС) напряжения , пропорционального выходному напряжению стабилизатора, и опорного напряжения . Напряжение  формируется делителем на резисторах, .

Рисунок 5.4 – Структурная схема компенсационного стабилизатора

напряжения

Если выходное напряжение СН по какой-либо причине отклоняется от номинального, то изменяется напряжение  и возникает разбаланс между этим напряжением и опорным . Пропорционально разбалансу УС изменяет управляющий ток РЭ (ток базы БТ). В результате изменяются токи эмиттера БТ и нагрузки СН таким образом, что отклонение выходного напряжения от номинального компенсируется.

Благодаря действию обратной связи, в схеме автоматически поддерживается равенство напряжений . Исходя из этого, используя формулу для выходного напряжения делителя, можно найти значение выходного напряжения стабилизатора:

.                                     (5.1.4)

В отличие от параметрического в компенсационном СН возможна регулировка выходного напряжения путем изменения сопротивлений делителя , . Делитель согласует заданный уровень выходного напряжения стабилизатора с уровнем опорного напряжения. Стабильность выходного напряжения компенсационного СН не может быть выше стабильности опорного напряжения.

Нарис. 5.5 представлена электрическая принципиальная схема компенсационного СН.

представляет собой РЭ,  и  образуют УС. При этом эмиттер  является первым входом УС, на который подается опорное напряжение , а база - вторым входом, на который подается пропорциональное выходному напряжение . Таким образом,  для опорного напряжения включен по схеме с ОБ, а для напряжения  - по схеме с ОЭ. Опорное напряжение формируется параметрическим СН на стабилитроне  и резисторе , который для повышения стабильности напряжения питается с выхода компенсационного СН. Резисторы  и  образуют согласующий делитель напряжения.

Рисунок 5.5 – Принципиальная схема компенсационного стабилизатора

напряжения

Рассмотрим последовательно работу схемы при изменении сопротивления нагрузки и входного напряжения.

Пусть входное напряжение СН остается постоянным, а сопротивление нагрузки уменьшается. Это ведет к уменьшению выходного напряжения  и  напряжения . Падение напряжения на переходе база-эмиттер  уменьшается, что приводит к уменьшению токов базы и коллектора  . Поскольку ток  резистора  остается постоянным, то уменьшение  ведет к увеличению ток базы  регулирующего транзистора . Последнее приводит к увеличению тока эмиттера  и тока нагрузки . Уменьшение напряжения на выходе СН компенсируется.

Рассмотренный алгоритм регулирования может быть представлен последовательным графом

,   (5.1.5)

в котором видны две противоположные тенденции в изменении выходного напряжения . В идеальном СН эти тенденции за счет обратной связи полностью компенсируют друг друга.

Пусть сопротивление нагрузки остается постоянным, а входное напряжение СН уменьшается. Тогда уменьшаются токи  и . Соответственно уменьшается ток нагрузки  и выходное напряжение . Далее вступает в действие отрицательная обратная связь, как показано выше, и напряжение на выходе остается неизменным. Граф изменений величин в этом случае может быть представлен последовательностью

.               (5.1.6)

Определим основные параметры компенсационного СН.

1. Выходное напряжение можно найти по опорному напряжению, как это было выполнено для структурной схемы. При этом необходимо учитывать падение напряжения  на переходе база-эмиттер  :

.                                   (5.1.7)

2. При оценке коэффициента стабилизации будем полагать, что изменения входного напряжения проходят на выход СН следующим образом. Изменение  входного напряжения создает изменение тока  через резистор . На такое же значение изменяются ток  коллектора   и ток  стабилитрона . При этом изменяются опорное и выходное напряжения СН: ; . Производя подстановки последних выражений в выражение для коэффициента стабилизации, получаем

.                                  (5.1.8)

Как видно из формулы (5.1.8), коэффициент стабилизации может быть увеличен за счет увеличения  и уменьшения дифференциального сопротивления стабилитрона . Первое может быть достигнуто при уменьшении тока базы  . Поскольку этот ток связан с током нагрузки выражением , то при фиксированном токе нагрузки уменьшение  достигается  за счет увеличения коэффициента В . По этой причине в качестве регулирующего БТ в схеме СН часто используют составные транзисторы с большим коэффициентом В.

3. Выходное сопротивление СН найдем, используя выражение для выходного сопротивления схемы, охваченной отрицательной обратной связью по напряжению:

.                                           (5.1.9)

Здесь  - выходное сопротивление без обратной связи, которое в данном случае является выходным сопротивление  со стороны эмиттера ;  - петлевое усиление в контуре, образованном регулирующим элементом и цепью обратной связи. Для компенсационного СН петлевое усиление можно найти в виде произведения , где   - коэффициент передачи согласующего делителя напряжения;  - коэффициент усиления УС;  - коэффициент усиления РЭ.

Для уменьшения выходного сопротивления СН необходимо увеличивать коэффициент усиления УС. Это достигается за счет увеличения коэффициента В  и далее за счет увеличения .

5.1.4 Защита компенсационного стабилизатора от короткого

замыкания

При коротком замыкании на выходе в схеме СН нарис. 5.5 ток регулирующего БТ увеличивается до уровня, превышающего предельное значение, что выводит БТ из строя. Защита реализуется путем введения в схему нелинейной отрицательной обратной связи по току (рис. 5.6, а).

а)

б)

Рисунок 5.6 – Схема стабилизатора с защитой от короткого замыкания

Обратная связь реализуется с помощью дополнительного БТ  и резистора , включенного в цепь последовательно с регулирующим БТ и нагрузкой. Как только ток нагрузки возрастает до максимально допустимого уровня , переход база-эмиттер транзистора защиты  открывается, и он переходит из отсечки в активный режим. Появляется ток коллектора . За счет этого нарастание токов базы  и эмиттера, регулирующего БТ , прекращается. Следовательно, ток нагрузки  СН ограничивается на указанном уровне.

Таким образом, действие обратной связи по току проявляется только при значениях тока нагрузки, близких максимально допустимому. Нарис.5.6, б представлена нагрузочная характеристика СН с защитой.

5.1.5 Структурная схема импульсного стабилизатора

напряжения

Недостатком компенсационного СН является низкий коэффициент полезного действия (КПД). Это обусловлено работой регулирующего БТ в активном режиме. В компенсационном СН БТ включен последовательно с нагрузкой (рис. 5.7, а). Токи БТ и нагрузки примерно одинаковы, поэтому . Для обеспечения активного режима необходимо, чтобы . Поскольку на входе СН присутствуют пульсации напряжения, то среднее значение напряжения  существенно больше  и составляет 2,5…3 В. Если выходное напряжение  В, то КПД будет составлять 0,67…0,625 или 67…62,5 % соответственно.

С целью повышения КПД в импульсных СН регулирующий БТ переводят в ключевой режим. Основную часть времени БТ пребывает в насыщении или отсечке. В первом случае на нем падает небольшое напряжение, а во втором случае ток БТ равен нулю. В результате на регулирующем БТ рассеивается минимальная мощность, и КПД СН существенно повышается.

Структурная схема импульсного СН представлена нарис. 5.7, б.

СН содержит РЭ, реализованный в виде ключа на транзистореp-n-p – типа, НЭ – накопительный элемент, который используется для накопления энергии, когда  ключ открыт, и для питания нагрузки, когда ключ закрыт, ШИМ – широтно-импульсный модулятор, вырабатывающий импульсы напряжения для управления ключом РЭ, и согласующий делитель напряжения на резисторах  и .

а)

б)

Рисунок 5.7 – Структурная схема импульсного стабилизатора напряжения

При отклонении выходного напряжения  СН от номинального напряжение   на выходе делителя отклоняется от уровня . При этом изменяется длительность импульсов на выходе блока ШИМ при постоянном периоде их следования и изменяется среднее время пребывания ключа в открытом состоянии. Соответственно изменяется среднее значение тока коллектора  таким образом, что изменения выходного напряжения компенсируются. В импульсном СН в соответствии с алгоритмом работы всегда на выходе присутствуют пульсации напряжения с частотой переключений ключа. Уровень этих пульсаций зависит от схемной реализации ШИМ и может быть небольшим, например, не более десятков милливольт на фоне единиц-десятков вольт постоянного выходного напряжения.

Вместо ШИМ в импульсных СН могут применяться частотно-импульсные (ЧИМ) или релейные (РМ) модуляторы. Первые вырабатывают импульсы постоянной длительности открывающие ключ, но с изменяемой частотой (периодом) их следования. Во вторых одновременно могут изменяться длительность импульсов и период их следования.

5.2 Порядок выполнения работы

5.2.1 Моделирование амплитудной передаточной характеристики (АПХ) компенсационного стабилизатора

а) Построение схемы стабилизатора

Рассмотрим схему нарис. 5.8.

Источник напряженияV1 моделирует входное напряжение схемы. УстановимV1=16V. РезисторR6 является эквивалентом нагрузки. В качестве стабилитрона выберем абстрактный диод. Для ввода диода необходимо нажать кнопкуComponents и последовательно активировать опцииAnalogPrimitives,PassiveComponents,Zener. Модель диода обозначена в окнеZener как$GENERIC. Скорректируем напряжение пробоя диода при обратном смещении и установим значениеBV=5V.

Используем транзисторы 2N2218.

Рисунок 5.8 – Стабилизатор напряжения

б)Моделирование АПХ

Используем анализ по постоянному токуDC. В окнеDCAnalysisLimits необходимо указать диапазон изменения входного напряжения. Для этого в строкеVariable 1 установить:Method=Auto,Name=V1,Range=16,0,0.1. В нижней части окна задать параметры графика АПХ:Р=1,XExpression=V(1),YExpression=V(6),XRange=Auto,YRange=Auto. Запустить анализ кнопкойRun.

На экране появляется график зависимостиV(6)=f(V(1)) (рис. 5.9). Для определения минимального допустимого входного напряжения стабилизатора найдем и обозначим параметры точки излома АПХ, используя кнопкуTagMode на панели инструментов. Первое значение 10.753 В соответствует координате по горизонтали и принимается как искомая величина, второе значение 8.549 В соответствует координате по вертикали  и является выходным напряжением стабилизатора в рабочем режиме.

Таким образом, стабилизатор нарис. 5.8 работает в диапазоне входного напряжения более 10.8 вольта и вырабатывает на выходе напряжение примерно 8.5 вольта.

Рисунок 5.9 – Амплитудная передаточная характеристика стабилизатора

5.2.2 Определение параметров стабилизатора

Определим более точно выходное напряжение стабилизатора при указанном выше входном напряжении 16 вольт и нагрузке 4.7 килоом. Для этого сразу после закрытия окна результатов анализа по постоянному току необходимо на панели инструментов нажать кнопкуNodeVoltage (Напряжение узла) . На схеме появляются напряжения в узлах схемы (рис. 5.10). В частности, на выходе схемы (в точке 6) видим напряжение 8.75 вольта.

Рисунок 5.10 – Окно анализа по постоянному току

Найдем коэффициент стабилизации схемы, определяемый в виде

, где  – изменение напряжения на выходе стабилизатора, обусловленное изменением напряжения на входе . Возможности программы позволяют определить наклон АПХ в видеSlope=. Перепишем формулу для коэффициента стабилизации в виде

,

удобном для использования при известном значении наклонаSlope.

Наклон АПХ определяется в окне результатов моделирования при использовании двух перемещаемых курсоров в виде перекрестий линий, сопровождающихся показаниями координат их местоположения на графике.  Курсоры могут быть точно установлены в заданные точки как по осиY, так и по осиX. Воспользуемся управлением по осиX. Для этого нажимается кнопкаGotoX (Идти в точку Х)  и на экране появляется дополнительное окноGotoX, где нужно указать координату левого или правого курсора и нажать соответствующую кнопку (Left илиRight). По окончании перемещения курсоров экрана окно закрыть кнопкойClose. При этом в нижней части экрана выводятся координаты точек по осям в колонкахLeft (Левая) иRight (Правая). В колонкеDelta (Разность) приводится разница координат точек по осям, а в колонкеSlope (Наклон) в первой строке указывается наклон АПХ, рассчитанный по точкам пересечения, а во второй строке – единичное значение.

Для перемещения курсоров в рабочую часть АПХ можно использовать мышь. Курсор мыши выводится в точку АПХ, где должен находиться, например, левый курсор экрана, затем нажимается левая кнопка мыши, и курсор экрана занимает положение курсора мыши. Для перемещения правого курсора экрана необходимо использовать правую кнопку мыши. Установим левый курсор экрана в точку Х=12, а правый – в точку Х=16 (см.рис. 5.11). Считаем показанияSlope=16.865m и выполним расчет коэффициента стабилизации:

.

Рисунок 5.11 –К определению коэффициента стабилизации

Определим выходное сопротивление стабилизатора. Поскольку стабилизатор имеет защиту от короткого замыкания, то первоначально необходимо установить его рабочий диапазон по току нагрузки. Для этого целесообразно смоделировать нагрузочную характеристику, которая с учетом принятых в схеме обозначений может быть записана в виде функции

.

Подключим к выходу вместо резистора нагрузкиR(6) источник токаISource в направлении выходного тока стабилизатора (рис. 5.12) и смоделируем выходную ВАХ приV(1)=16V так, как это производилось для транзистора в работе 2 при определении входных характеристик.

Запустим анализDC и в окнеDCAnalysisLimits укажем диапазон изменения тока источникаI1. Для этого в строкеVariable 1 необходимо установить:Method=Auto,Name=I1,Range=40m,0. В нижней части окна зададим параметры графика ВАХ:Р=1,XExpression=I(I1),YExpression=V(6),XRange=Auto,YRange=Auto и запустим анализ кнопкойRun. На экране появится нагрузочная характеристика стабилизатора (рис. 5.13).

Рисунок 5.12 – Окно панели ограничения анализа

Рисунок 5.13 – Нагрузочная характеристика стабилизатора

Используя кнопкуGotoX (Идти в точку Х) ,  установим курсоры экрана в точки Х=10m (Левый) и Х=12m (Правый), которые находятся в рабочей зоне ВАХ стабилизатора. Считаем показанияSlope=-3.011 Ом. Модуль этого значения представляет собой выходное сопротивление стабилизатора:  Ом.

5.2.3 Задание на моделирование

1. Изучить принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения.

2. Воспроизвести примеры моделирования и объяснить результаты.

3. Исследовать влияние напряжения стабилизации (обратного напряжения пробояBV) стабилитронаD1 на выходное напряжение стабилизатора.

5.3 Содержание отчета

Составьте отчет по лабораторной работе, в котором изложите цель работы, по пунктам: название, исследуемую схему в редакторе программы Micro-Cap, ограничения анализа, результаты моделирования схемы, выводы.

5.4 Контрольные вопросы

1. Как классифицируются СН и какими параметрами определяются их свойства?

2. Нарисуйте схему и поясните работу параметрического СН.

3. Нарисуйте эквивалентную схему параметрического СН и запишите выражения для коэффициента стабилизации и выходного сопротивления.

4. Какой параметр стабилизатора улучшается при включении в схему параметрического стабилизатора усилителя тока?

5. Нарисуйте схему и поясните работу компенсационного стабилизатора на БТ.

6. Выведите выражения для коэффициента стабилизации и выходного сопротивления компенсационного СН.

7. Как обеспечивается защита компенсационного СН от короткого замыкания?

8. Нарисуйте структурную схему импульсного СН и поясните его работу.

9. В чем состоит преимущество импульсного СН перед компенсационным?

Работа 6

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Цель работы: изучение принципа работы и применений операционных усилителей.

6.1 Теоретические сведения

6.1.1 Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления и дифференциальным входом, выполненный в виде интегральной микросхемы. Такой усилитель обладает высоким коэффициентом усиления  в полосе частот от нуля до сотен килогерц, высоким входным  и малым выходным  сопротивлением. Для упрощения расчетов схем с использованием ОУ часто прибегают к идеализации его параметров, считая ,  и .

Рисунок 6.1 – Условное графическое обозначение операционного усилителя

Условное обозначение ОУ показано нарис. 6.1. Он имеет два входа и один выход. Один из входов  являетсяинвертирующим и обозначен кружком, другой вход -неинвертирующий. При подаче напряжения  на инвертирующий вход выходное напряжение  изменяется с противоположным входному знаком (в противофазе); если входное напряжение  подано на неинвертирующий вход – изменение выходного напряжения совпадает по знаку (по фазе) с входным. При отсутствии обратной связи входные напряжения усиливаются в соответствии с выражением , то есть ОУ является дифференциальным (вычитающим) усилителем.

Питание ОУ обеспечивается двумя источниками, которые подключаются относительно общего провода схемы, как показано нарис. 6.1.

В связи с тем, что коэффициент  усиления ОУ достаточно большой (104…106), схемы на ОУ работают в линейном режиме только при введении отрицательной обратной связи (ООС). При введении положительной обратной связи (ПОС) схемы обладают нелинейными свойствами и могут выполнять функции компаратора напряжения, генератора импульсных сигналов и другие.

6.1.2 Схемы включения операционных усилителей

При введении ООС различают две основные схемы включения ОУ – инвертирующую и неинвертирующую.

В инвертирующем усилителе ОУ охвачен параллельной ООС по напряжению (рис. 6.2). Обратная связь реализуется с помощью резисторов  и . Входной сигнал подается на инвертирующий вход.

Рисунок 6.2 – Инвертирующий усилитель

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен и разность напряжений между входами ОУ в силу большого коэффициента усиления может быть принята равной нулю, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли: . Это означает, что все входное напряжение схемы  прикладывается к резистору . Поэтому входной ток  определяется выражением .

Если исходить из допущения, что входы ОУ не потребляют тока, то можно заключить, что ток резистора , с одной стороны, равен току резистора , то есть , а с другой стороны, определяется выходным напряжением схемы в соответствии с выражением .

Тогда, произведя подстановки, выходное напряжение инвертирующего усилителя можно найти в виде:

.                                        (6.1.1)

Как видно, коэффициент усиления схемы определяется отношением сопротивлений, образующих ООС:

                                             (6.1.2)

и не зависит от коэффициента усиления ОУ , поэтому его стабильность определяется только стабильностью резисторов.

Рисунок 6.3 – Неинвертирующий усилитель

В неинвертирующейсхемевключения (рис. 6.3) ОУ охвачен последовательной ООС по напряжению с помощью резисторов  и . Входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.  Напряжение обратной связи , формируемое резисторами, в свою очередь, подается на инвертирующий вход и может быть найдено по формуле для расчета делителя напряжения как

.                                          (6.1.3)

При большом собственном коэффициенте усиления ОУ , поэтому выходное напряжения усилителя определяется выражением

.                                         (6.1.4)

Из формулы (6.1.4) видно, что, как и в схеме инвертирующего усилителя, коэффициент усиления по напряжению

                                             (6.1.5)

зависит только от сопротивления резисторов.

6.1.3 Выполнение математических операций с применением

операционных усилителей

Первоначально ОУ применялись только для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных устройствах, когда численному значению какой-либо физической величины, участвующей в расчете, соответствует значение напряжения в электронном вычислительном устройстве. В этом случае все вычисления фактически выполняются над напряжениями. Рассмотрим, каким образом аппаратно реализуются наиболее часто встречающиеся математические операции.

Основной схемой, которая применяется для построения вычислительных устройств, является схема с инвертирующим включением ОУ (рис. 6.2). Эту схему часто называют компенсационной, так как в ней напряжение  на инвертирующем входе ОУ поддерживается близким к нулю за счет взаимной компенсации напряжений входного и обратной связи. Поэтому инвертирующий вход ОУ называют потенциально нулевой точкой схемы.

Компенсационная схема, в том виде как она изображена нарис. 6.2, осуществляет математическую операцию умножения входного напряжения на постоянный коэффициент. Это видно, если записать выражение (6.1.1) в виде

.                                         (6.1.6)

Инверсию (минус) в формуле (6.1.6) легко устранить, если последовательно включить два усилителя по схеме (рис. 6.2) и в одном из них задать единичный коэффициент усиления.

На базе компенсационной схемы реализуется операция суммирования напряжений (рис. 6.4). Здесь, как и в базовой схеме, существует потенциально нулевая точка (), а сумма входных токов равна току через резистор, подключенный к выходу : .

Рисунок 6.4 – Суммирующий усилитель

Если расписать токи, как для схемырис. 6.2, то получим

и далее

,                       (6.1.7)

где ; . Видно, что суммирование осуществляется с индивидуально задаваемыми коэффициентами при входных напряжениях.

При необходимости число суммируемых напряжений может быть увеличено путем подключения дополнительных входных резисторов к потенциально нулевой точке схемы.

Выполнение операций интегрирования и дифференцирования напряжения по времени осуществляется в схемах нарис. 6.5, а иб.

а)

б)

Рисунок 6.5 – Интегрирующий (а) и дифференцирующий (в) усилители

В первой схеме, определяя токи в виде ,  и приравнивая их, получаем дифференциальное уравнение

.

Проинтегрировав по времени левую и правую части уравнения, находим выходное напряжение:

,                                      (6.1.8)

где . Как видно, выходное напряжение пропорционально интегралу входного напряжения по времени. Например, если входное напряжение постоянно и не равно нулю, то выходное напряжение интегратора изменяется по линейному закону. Это свойство схемы, в частности, используется в генераторах линейно нарастающих напряжений в различных устройствах.

Для второй схемы (рис. 6.5, б) можем записать ,  и далее сразу найти выходное напряжение в виде

,                                       (6.1.9)

где . Здесь выходное напряжение пропорционально производной входного напряжения по времени.

Спектр вычислительных устройств на ОУ значительно шире. Вместо резисторов компенсационной схемы применяются не только конденсаторы, но и, например, нелинейные элементы, такие, как диоды. Экспоненциальный вид ВАХ диода позволяет создавать устройства экспонирования и логарифмирования напряжений.

Линейные схемы с ОУ также широко используются в измерительной технике и других областях электроники. Все это рассматривается в рамках отдельной дисциплины «Схемотехника аналоговых устройств».

6.1.4 Компаратор напряжения на основе операционного усилителя

Компаратор – это устройство для сравнения напряжений по уровню. Промышленность выпускает специализированные микросхемы компараторов. Однако во многих случаях в качестве компаратора возможно применение ОУ.

Наиболее часто используется схема нарис. 6.6, а.  В схеме нет обратной связи, на входах ОУ установлены резисторы, которые выполняют защитную функцию, ограничивая входной ток при больших входных напряжениях.

На входы компаратора подаются два сравниваемые по уровню напряжения, одно из которых называется входным , а другое опорным . Опорное напряжение обычно задается постоянным (положительным или отрицательным), например, с помощью стабилизатора напряжения, а входное изменяется во времени.

а)

б)

в)

Рисунок 6.6 –Компаратор напряжения

На входы компаратора подаются два сравниваемые по уровню напряжения, одно из которых называется входным , а другое опорным . Опорное напряжение обычно задается постоянным (положительным или отрицательным), например, с помощью стабилизатора напряжения, а входное изменяется во времени.

Возможны два варианта подачи входного и опорного напряжений. Так, нарис. 6.6, а  входное напряжение подается на неинвертирующий, опорное на инвертирующий входы компаратора. В другом случае наоборот – входное напряжение подается на инвертирующий, а опорное на неинвертирующий входы.

Рассмотрим работу схемы нарис. 6.6, а, которая поясняется диаграммой – амплитудной передаточной характеристикой (АПХ), изображенной нарис. 6.6, б. Пока входное напряжение меньше опорного, разность напряжений на входах ОУ  имеет отрицательный знак. За счет большого коэффициента усиления  ОУ находится в насыщении при отрицательном уровне напряжения на выходе, который на АПХ обозначен как .

При превышении входным напряжением уровня опорного напряжения разность напряжений  становится положительной, поэтому выходное напряжение ОУ также положительно, и уже при небольшом значении  ОУ насыщается. Выходное напряжение принимает постоянное значение . Уровни  и  соответственно называются низким и высоким. Они близки по значению к отрицательному и положительному напряжениям питания ОУ.

Нарис. 6.6, в изображена АПХ при другом варианте подачи входного и опорного напряжений на входы компаратора.

Компараторы напряжения, работая по входу с аналоговыми, а по выходу с цифровыми сигналами, широко используются в аналого-цифровой схемотехнике в качестве устройств связи между аналоговыми и цифровыми схемами.

6.1.5 Релаксационный генератор (мультивибратор) на основе

компаратора напряжения

Схема генератора представлена нарис. 6.7, а, временные диаграммы, поясняющие работу – нарис. 6.7, б.

а)

б)

Рисунок 6.7 – Релаксационный генератор

Генератор содержит компаратор на ОУ , времязадающую цепь ООС  на элементах ,  и цепь ПОС на резисторах , , которая служит для формирования опорного напряжения, пропорционального выходному.

Пусть в первый момент после включения питания конденсатор  разряжен, и за счет дестабилизирующих факторов на выходе компаратора сразу же устанавливается высокий уровень напряжения . На неинвертирующий вход подается положительное опорное напряжение

,                                       (6.1.10)

что обеспечивает устойчивое статическое состояние компаратора.

Конденсатор  выходным током компаратора  через резистор  начинает заряжаться. Напряжение на инвертирующем входе компаратора растет по закону экспоненты

                                (6.1.11)

с постоянной времени, определяющей длительность переходного процесса, .

В момент  напряжение  достигает опорного , и компаратор переключается. На выходе устанавливается отрицательный низкий уровень напряжения , и вместе с ним резко понижается опорное напряжение до значения

.                                   (6.1.12)

Начинается разряд и далее перезаряд конденсатора через резистор . Напряжение на нем, то есть на инвертирующем входе компаратора, понижается по закону

,                     (6.1.13)

и в момент  вновь достигает уровня опорного (). Компаратор вновь переключается, на выходе устанавливается высокий уровень , а опорное напряжение принимает значение . Начинается очередной этап перезаряда конденсатора; напряжение на конденсаторе растет:

.              (6.1.14)

Этап завершается в момент , когда напряжение  достигает . Далее процессы перезаряда конденсатора и переключения компаратора циклически повторяются.

Как видно, полупериоды выходного импульсного напряжения в схеме определяются длительностью этапов перезаряда конденсатора . Для того, чтобы рассчитать длительность отрицательного импульса на выходе, подставим в формуле (6.1.13) вместо  величину напряжения, при котором завершается интервал, и вместо  укажем длительность интервала . Тогда, разрешив полученное уравнение относительно времени, найдем

.                                      (6.1.15)

Таким же образом, подставляя в левую часть формулы (6.1.14) конкретное достигаемое напряжение в потенциально нулевой точке схемы , найдем длительность положительного импульса на выходе схемы:

.                                      (6.1.16)

Можно показать, что схема генерирует импульсные сигналы со скважностью 2, то есть . Для того, чтобы изменить соотношение между длительностями отрицательного и положительного импульсов, необходимо обеспечить разные пути заряда и разряда конденсатора. Для этого вместо одного резистора  параллельно устанавливают два и последовательно с каждым включают диоды в противоположных направлениях.

6.2 Порядок выполнения работы

6.2.1 Моделирование инвертирующего усилителя

а) Построение схемы

Исследуем схему нарис. 6.8, а, в которой реализована параллельная отрицательная обратная связь (ООС) по напряжению. Выберем из базы программыMicroCap операционный усилительLF155 со встроенными источниками питания. При этом источники питанияV2 иV3 в основном окне программы не отображаются, но могут быть просмотрены в окнеPowerSupplies, которое открывается соответствующей  кнопкой внизу экрана (рис.6.8, б).

Для источника синусоидального напряженияV1 укажем частотуF=1KHZ и амплитудуA=1V.

После ввода схемы упорядочим в направлении слева направо обозначения элементов схемы и номера узлов. ДляэтогопоследовательновыберемопцииEdit,Change,Rename components,Top to Bottom.

а)

б)

Рисунок 6.8 –Схема для моделирования инвертирующего усилителя

б)Моделирование

В режиме анализаTransient на временном интервале 2 мс снимем временные диаграммы в узлах 3, 4, 5 схемы (рис. 6.9).

Рисунок 6.9 – Временные диаграммы усилителя

Не трудно видеть, что усилитель является инвертирующим и коэффициент усиления по напряжению составляет 2 единицы. Из анализа диаграмм вытекает также другое важное свойство схемы – напряжение в точке 4 много меньше входного и выходного напряжений, что позволяет считать его равным нулю.

Определим диаграммы Боде (АЧХ и ФЧХ) схемы усилителя. Для этого проведемAC – анализ на интервале частот от 0.1 до 107герц. Получим АЧХ и ФЧХ, представленные нарис. 6.10.

Рисунок 6.10 – АЧХ и ФХЧ усилителя

Видно, что усилитель работает в диапазоне частот от 0 герц до единиц мегагерц, являясь усилителем постоянного и переменного тока.

6.2.2 Моделирование неинвертирующего усилителя

а)Построение схемы

Рисунок 6.11 –Схема для моделирования неинвертирующего усилителя

Путем изменения соединений элементов преобразуем схему нарис. 6.8, а в схему нарис. 6.11, в которой реализована последовательная ООС по напряжению, и вновь упорядочим элементы и узлы.

б)Моделирование

В режимахTransient иАС определим временные диаграммы, АЧХ и ФЧХ (рис. 6.12, 6.13) как для схемы инвертирующего усилителя.

Рисунок 6.12 – Временные диаграммы усилителя

Из временных диаграмм видно, что усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению 3 единицы и является неинвертирующим. Полоса усиливаемых частот примерно соответствует полосе инвертирующего усилителя.

Рисунок 6.13 – АЧХ и ФХЧ усилителя

6.2.3 Моделирование релаксационного генератора

а)Построение схемы

Соберем схему на ОУLF155, представленную нарис. 6.14, а, содержащую отрицательную на элементах С1,R3 и положительную на резисторахR1,R2 ОС, и упорядочим элементы схемы и узлы.

а)

б)

Рисунок 6.14 –Схемы для моделирования релаксационного генератора

б)Моделирование

Выполним анализ переходных процессов в режимеTransient на временном интервале 800  мс. Нарис. 6.15 представлены временные диаграммы напряжений в точках 3, 4 и 4.

На интервале от 0 до 320 мс происходит относительно медленный запуск генератора. Далее генератор работает в автоколебательном режиме, генерируя сигнал прямоугольной формы, что является следствием действия положительной обратной связи.

Для того чтобы ускорить запуск генератора, возможны два варианта действий. Первоначально необходимо уменьшить временной шаг (Maximum Time Step) до 0.1…1 мкс между расчетными точками на временных диаграммах, что устанавливается в окне ограничений анализа (Transient Analysis Limits). Если действие окажется неэффективным, в схему необходимо ввести ключевой элемент, запускаемый на короткое время в начале анализа. Таким элементом может служить МДП-транзистор. Для управления транзистором нужен дополнительный генератор одиночного импульса (импульсный генератор). Схема включения МДП-транзистора и дополнительного генератора показана нарис. 6.14, б.

Рисунок 6.15 – Временные диаграммы генератора

6.2.4 Задание на моделирование

1. Изучить принцип работы схем на операционных усилителях с отрицательной и положительной обратной связью.

2. Воспроизвести примеры моделирования и объяснить результаты.

3. В схеме инвертирующего усилителя исследовать влияние коэффициента усиления на диапазон усиливаемых частот.

6.3 Содержание отчета

Составьте отчет по лабораторной работе, в котором изложите цель работы, по пунктам: название, исследуемую схему в редакторе программы Micro-Cap, ограничения анализа, результаты моделирования схемы, выводы.

5.4 Контрольные вопросы

1. Что такое операционный усилитель? Какой операционный усилитель называют идеальным?

2. Нарисуйте схему инвертирующего включения операционного усилителя и поясните основные ее свойства.

3. Нарисуйте схему неинвертирующего включения операционного усилителя и поясните основные ее свойства.

4. Нарисуйте схемы устройств, выполняющих математические операции умножения напряжения на постоянный коэффициент, суммирования, интегрирования и дифференцирования напряжений, и поясните их работу.

5. Нарисуйте схему и поясните его работу релаксационного генератора на операционном усилителе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Гусев, В. Г.Электроника и микропроцессорная техника : учеб. для вузов/В. Г. Гусев, Ю. М.Гусев.– М. : Высш. шк., 2005. – 790 с.

2.Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: учеб. пособие.–3-е изд., перераб. и доп./В.И. Лачин, Н.С.Савелов.– Ростов н/Д: Феникс, 2002. – 576 с.

3.Степаненко, И.П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов/И.П.Степаненко.– М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. – 488c.

4.Алексенко, А.Г. Основы микросхемотехники. – 3-е изд., перераб. и доп./ А.Г.Алексенк.– М.: Инимедиастайл, 2002. – 448 с

5.Грабовски, Б.Краткий справочник по электронике / Б. Грабовски: пер. с фр. – М.: ДМК Пресс, 2004. – 416 с.

6.Опадчий, Ю.Ф.Аналоговая и цифровая электроника. (Полный курс): учебник для вузов/ Ю.Ф. Опадчий., О.П. Глудкин, А.И Гуров. – М.: Горячая линия. – Телеком, 2001. – 768 с.

7.Разевиг, В. Д. Схемотехническое моделирование с помощьюMicro-Cap 7/В.Д.Разевиг.-М.: Горячая линия. – Телеком, 2003. – 368 с.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ……………………………………………………………

3

Работа 1.Полупроводниковые диоды……………………

5

1.1. Теоретические ведения …………………………………..

5

1.2. Порядок выполнения лабораторной работы ……………..

13

1.3. Требования к отчету и его содержание …………………..

19

1.4. Контрольные вопросы ……………………………………..

20

Работа 2.Биполярные транзисторы ……………………..

21

3.1. Теоретические сведения …………………………………..

21

3.2. Порядок выполнения работы …………………...................

38

3.3. Содержание отчета …………………………………………

42

3.4. Контрольные вопросы ……………………………………..

42

Работа 3.Ключи на биполярных транзисторах .………...

43

4.1. Теоретические сведения …………………………………...

43

4.2. Порядок выполнения работы ……………………………...

56

4.3. Содержание отчета …………………………………………

61

4.4. Контрольные вопросы ……………………………………..

61

Работа 4.Усилитель на биполярном транзисторе……...

62

6.1. Теоретические сведения …………………………………..

62

6.2. Порядок выполнения работы …………………...................

68

6.3. Содержание отчета …………………………………………

75

6.4. Контрольные вопросы …………………………………….

75

Работа 5.Стабилизаторы напряжения…………………...

76

6.1. Теоретические сведения …………………………………..

76

6.2. Порядок выполнения работы …………………...................

86

6.3. Содержание отчета …………………………………………

91

6.4. Контрольные вопросы ……………………………………..

91

Работа 6.Операционные усилители…………….………..

92

6.1. Теоретические сведения …………………………………..

92

6.2. Порядок выполнения работы …………………...................

101

6.3. Содержание отчета …………………………………………

107

6.4. Контрольные вопросы ……………………………………..

107

Список литературы………………………………….……………..

108

Учебное издание

ЭЛЕКТРОНИКА: ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

НА ПЕРСОНАЛЬНОМ КОМПЬЮТЕРЕ

Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлениям

«Агроинженерия»  и  «Теплоэнергетика и теплотехника»

дневной и заочной форм обучения

Составители:

Куликов Виктор Александрович

Покоев Петр Николаевич

Редактор И.М. Мерзлякова

Технический редактор Е.Ф. Николаева

Компьютерный  набор В.А. Куликов

Подписано в печать ______________2012 г.

Формат 60х84/16. Усл.печ. л. – 6,39. Уч.-изд. л. –5,5.

Тираж 100 экз. Заказ №____

ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА

426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 11


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

60629. Тіла. Речовини. Молекули 85.5 KB
  Мета: формувати елементарні поняття тіло речовина молекула; вміння розрізняти тіла і речовини в природі; формувати вміння моделювати будову твердих рідких і газоподібних речовин виконувати досліди за інструкцією...
60631. СЕМЬЯ – ОСНОВА ОБЩЕСТВА. ВОЗРОЖДЕНИЕ ДУХОВНО-НРАВСТВЕННЫХ СЕМЕЙНЫХ ЦЕННОСТЕЙ 50.5 KB
  Немаловажным является и вопрос здоровья брачующихся комментарий медицинского работника Т в. Роман Комментарий юриста: говорит о том что гражданский брак в современном названии это просто сожительство...