3. Варикапи

Код завдання: літера В – варикап, цифра – номер початкових даних (табл. 3.1).

Завдання. Розрахунок вольт-фарадних характеристик p-n переходу

Мета роботи: розрахувати та проаналізувати вольт-фарадну характеристику варикапа та схему управління бар’єрною ємністю.

Задано:

– схема заміщення електронно-діркового переходу на високих частотах

(рис. 3.1, а);

– початкові дані (табл. 3.1).

Система рівнянь:

С = С_диф + С_бар

де С₀ – бар’єрна ємність ЕДП при U=0;

С – ємність ЕДП;

І₀ – зворотній тепловий струм ЕДП;

– температурний потенціал ЕДП (при Т=27 ºС = 0,026В);

m – коефіцієнт неідеальності ЕДП;

τ_пр – час переносу заряду через базу;

γ – коефіцієнт нелінійності зміни кривої С_бар= f(U).

в

Рис. 3.1. Моделі діода:

а – схема заміщення; б – вольт-фарадні характеристики; в – аналітична

Таблиця 3.1.

Параметри моделі	Варіанти
	1	2	3	4	5	6	7
І0, нА	1,15	4,0	0,58	2,8	0,11	1,8	1,3
С0, пФ	130	82	41	276	164	96	140
, В	0,71	0,75	0,7	0,72	0,65	0,68	0,78
m	1,23	1,56	1,15	1,2	1,25	1,3	1,16
	0,33	0,28	0,3	0,2	0,33	0,38	0,26
τпр., нс	39	320	8,3	22	1,2	220	13
Uзв.макс., В	200	220	300	340	250	150	180
Іпр.макс., мА	100	500	10	150	700	80	110

Виконати:

• розрахувати залежність ємностей ЕДП від напруги в діапазоні значень від –U_{зв.макс.} до 0, і від 0 до U_{пр.макс}, яке визначити за заданого I_{пр.макс.} з формули:

І_{пр макс.}= І₀ ( – 1)

• результати розрахунку представити в табличній формі. Навести приклад розрахунку для С_диф та С_бар в одній точці;

• побудувати графіки вольт-фарадної характеристики для С_диф та С_бар ЕДП;

• на графіку С_бар = f(U_зв.) знайти ділянку, яка допускає лінійну апроксимацію, й визначити діапазон значень робочої напруги та коефіцієнт перекриття ємністю ;

• накреслити та пояснити схему управління бар’єрною ємністю на лінійній ділянці ВАХ, розрахувати її елементи та діапазон напруги управління.

В звіті представити:

• вихідні дані за вказаним варіантом завдання;

• формулювання завдання;

• принципову схему моделі варикапу;

• пояснення елементів моделі;

• рівняння для розрахунків;

• результати розрахунків в табличній формі;

• приклад розрахунків окремих точок С_диф та С_бар;

• графіки ВФХ ;

• електричну схему підключення варикапа та призначення елементів;

• висновки.

В висновках:

– пояснити відмінності у фізичній природі С_диф та С_бар та залежності їх значень від напруги;

– проаналізувати параметри варикапа та знайти у довіднику [ 5 ] варикап, параметри, якого відповідають заданому.

– пояснити, як управляють ємністю варикапа (схему управління).

Додаток

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЙНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ІНСТИТУТ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ

Домашня контрольна робота

з дисципліни „Основи дискретної схемотехніки”

Варіант № Т1211

Виконав: студент 2-го курсу групи

Прийняв:

КИЇВ 2012

Біполярні транзистори. Нелінійні схеми заміщення БТ.

Мета контрольної роботи: розрахувати ВАХ біполярного транзистора за заданою нелінійною моделлю, побудувати графіки вхідної та вихідної ВАХ та знайти графоаналітичним методом h-параметри для заданої робочої точки, пояснити фізичні процеси в БТ.

Дано:

– Класична модель Еберса-Молла біполярного n-p-n транзистора (БТ) для статичного режиму зі спільним емітером (СЕ) (рис.1).

– Параметри (табл. 1).

– Система рівнянь.

Рис. 1. Електрична схема моделі зі СЕ

Таблиця 1

Параметри моделі з таблиці 1.2	Варіант 1
мкА	5,15
αі	0,71
ІК макс, мА	100
UК макс, В	50

Розрахункові формули

І₁ = І_Е0 ( - 1) при U_КЕ=0 (1)

І₂ = І_К0 ( - 1) при U_БЕ=0 (2)

де I_ЕО , I_КО – зворотні теплові струми емітерного і колекторного переходів;

- температурний потенціал (при Т=27°С = 0,026 В).

U_БК=U_КЕ-U_БЕ

Струми електродів транзистора:

І_К+І_Б-І_Е=0

І_Е = І₁-α_іІ₂ (3)

І_К = αІ₁-І₂

І_Б = IE – IK = (1-α)І₁ + (1-α_і)І₂, (4)

де α =

Між І_Бмакс та І_Кмакс існує залежність

Завдання:

Розрахувати та проаналізувати статичні характеристики нелінійної моделі біполярного транзистора при підключенні зі спільним емітером.

1. Накреслити схему підсилювача зі СЕ та схему, де транзистор замінений схемою заміщення. Визначити місце знаходження моделі в підсилювачі зі СЕ.

2. Отримати рівняння вхідних і вихідних вольт-амперних характеристик транзистора з спільним емітером:

використовуючи задану систему рівнянь статичного режиму БТ з СЕ.

3. а) Розрахунок вхідних ВАХ.

Розрахувати три ВАХ для U_КЕ = 0В, , U_{КЕ макс}.

Напругу U_БЕ змінювати від 0 до U_{БЕ макс} (для гілки прямого струму),

Напруга U_{БЕ макс} визначається струмом І_{Б макс}.

б) Розрахунок вихідних ВАХ.

Розрахувати три ВАХ, для яких I_Б дорівнюватиме I_К0, .

Напругу U_КЕ змінювати від 0 до U_{КЕ макс} .

4. Результати розрахунків представити у табличній формі. Привести приклад розрахунку для однієї точки вхідної та вихідної ВАХ.

5. Накреслити графіки вхідної та вихідної ВАХ.

6. Відмітити на ВАХ області режимів відсічки, активного та насичення.

7. Для вибраної робочої точки активного режиму розрахувати h-параметри транзистора.

8. Проаналізувати відповідність розрахованих ВАХ моделі процесам в структурі реального транзистора в статичному режимі.

Виконання:

1. Схема підсилювача зі спільним емітером (СЕ):

Рис. 2

Схема, де транзистор замінений схемою заміщення:

2. Для отримання ВАХ підставимо струми I₁ та I₂ із рівнянь (1) та (2) в співвідношення (3) та (4)

Враховуючи _i I_{КП0 = н} I_{ЕП0 ,}а також _i = _н= , I_ЕП0 I_КП0 = І₀, запишемо рівняння для вхідних і вихідних ВАХ.

Вхідні ВАХ: . (5)

Підставляючи числові параметри та враховуючи, що , отримуємо:

Вихідні ВАХ: (7)

Підставляючи числові параметри отримуємо:

(8)

Розрахунок вхідних ВАХ

Проводимо для трьох U_КЕ: U_КЕ1=0 В, U_КЕ2=-25 В, U_КЕ3=-50 В

,

де

(9)

(10)

Для знаходження підставимо у формулу 6 максимальне значення І_Б max та 50 В.

Розрахунок вхідних ВАХ проводимо за формулою 6, якщо напругу змінювати від 0 до = .

Результати розрахунку заносимо у табл. 2.

Таблиця (2)

UБЕ, В		0	0,2	0,5	0,6
IБ, mА	UКЕ2=0	6,18е-14	1,323е-10	1,310е-5	0,0006
	UКЕ1=25В	3,09е-14	6,614е-11	6,55е-6	0,0003
	UКЕ2=50В	3,09е-14	6,614е-11	6,55е-6	0,0003

UБЕ, В		0,7	0,72	0,74	0,76	0,78	0,8	0,82	0,84	0,86
IБ, mА	UКЕ2=0	0,028	0,060	0,130	0,280	0,603	1,298	2,794	6,014	12,95
	UКЕ1=25В	0,014	0,030	0,065	0,140	0,301	0,649	1,397	3,007	6,475
	UКЕ2=50В	0,014	0,030	0,065	0,140	0,301	0,649	1,397	3,007	6,475

Приклад розрахунку однієї точки:

Струм І_Б при 25 В та В буде:

Графік вхідної ВАХ

U_КЕ = 25В

І_Б, мА

U_КЕ = 0

U_КЕ = 50В

U_БЕ , В

Розрахунок вихідних ВАХ

Проводимо згідно з формулою (10) для трьох вхідних струмів:

, ,

Таблиця (3)

UКЕ, В		0	0,01	0,02	0.04	0.06	0.08
ІК, mА	IБ1=0,604mA	0.301	15.69	26.59	39.09	44.89	47.58
	IБ2=0,302mA	0.139	7.29	12.35	18.15	20.84	22.10
	IБ3=5.15*10 mA	1.39e-12	7.45e--11	1.26e-10	1.85e-10	2.13e-10	2.26e-10

UКЕ, В		0,1	0,12	0,5	1
ІК, mА	IБ1=0,604mA	48.83	49.41	49.91	49.91
	IБ2=0,302mA	22.68	22.95	23.18	23.18
	IБ3=5.15*10 mA	2.32e-10	2.34e-10	2.36e-10	2.36e-10

Для розрахунку однієї точки вихідної ВАХ у формулу підставляємо координати цієї точки .

Для mA , В та В

В ихідні ВАХ

Виберемо точку А на лінійній ділянці вхідних вихідних характеристик з координатами:

=

U_КЕ = 0,3 В

Розрахуємо h-параметри транзистора за моделлю Еберса-Молла:

Висновок:

Література

для виконання ДКР

1. О. І. Ладик, О. М. Лебедєв. Основи дискретної схемотехніки, навчальний посібник. – К., НТУУ «КПІ», 2006 р.

2. Эберс, Молл. «Характеристики плоскосных полупроводниковых триодов при больших сигналах», «Радиолокация», № 4.

3. Ebers J., Moll J.,Proc. IRE, 42, № 12, 1761-1762

(December 1954).

4. И. П. Степаненко. Основы микроэлектроники, Сов. радио. 1980, с. 442.

5. В. А. Лавриненко. Полупроводниковые приборы, К. – Техніка, 1988.

18