Моделювання роботи цієї схеми

Виберемо в меню пункти

Рис. 18

На кнопці моделювання

«1» - START

«0» - STOP

Під час моделювання схеми індикатори відобразять відповідні значення:

Рис. 19

Перевіримо, чи впливає опір індикаторів напруги на набуті значення. Натиснемо кнопку моделювання  у положення «0».

Індикатор часу внизу екрану припинив відлік; а це означає, що моделювання зупинене:

Рис. 20

Двічі: клацнемо на індикатору напруги (V1) і виберемо вкладку Value. Змінимо, як показано, опір на 1 Kом:

Рис. 21

Як бачимо, показники всіх індикаторів напруги трохи змінилися. Зараз вони показують значення 3,536 В і 34.66 мВ. У першому випадку індикатори: показували 9,706 і 0,095 В. Зміни можуть бути як істотними, так і незначними (це залежить від вашої схеми).

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1_2 (Приклад моделювання)

Вимірювання параметрів електричних схем за допомогою мультіметру

У цій роботі навчаємося створювати прості електричні схеми та моделювати варіації зміни значення струмів і напруги в схемі. Кожен сеанс моделювання в даній роботі проводиться тільки для одного значення джерела постійної напруги.

ЗАВДАННЯ навчитися створювати прості електричні схеми, та моделювати зміну їх параметрів за допомогою пакету прикладних програм Electronics Workbench

Створити за допомогою Electronics Workbench наступну схему

Рис. 1.

Вимірювати напругу і струм можна також за допомогою приладу Multimeter (Мультіметр).

Щоб додати мультіметр до схеми, оберемо піктограму Instruments та натиснемо піктограму Multimeter

Рис. 2.

Мультіметр буде «прив’язаний» до курсору миші. За аналогією з попередньою роботою «перетягнемо» мультіметр до нашої схеми.

Нам необхідно виміряти значення струму на резисторі R1 та напругу на резисторі R2 . Програма Electronics Workbench не дозволяє ввести в схему одночасно два мультіметри. Тому ми збережемо нашу схему двічі (наприклад, файли model_1.ewb таmodel_2.ewb ) і будемо моделювати на кожній схемі окремо.

Моделюємо виміри значення струму на резисторі R1

Слід звернути увагу на розташування знаків «+ плюс» та «- мінус» на контактах вимірника. Якщо струм входить в «плюс» і виходить з «мінуса», на екрані відобразиться позитивне значення.

Вимірник струму, слід включити послідовно з компонентом, через який вимірюватиметься струм. При вимірюванні напруги вимірник підключаємо паралельно компоненту, на якому вимірюватиметься напруга.

Рис. 3.

Таким чином, при такому підключенні, індикатор струму покаже позитивне значення.

Щоб Проглянути функції пристрою, двічі клацнемо по ньому. Відкриється вікно з інформацією:

Рис. 4

Як бачимо, за допомогою даного пристрою можна вимірювати струм, напругу, опір і рівень напруги в децибелах, можна також вибрати режим АС або DC. На монохромному екрані не просто розрізнити, який режим був вибраний.

Пристрій має опір 1 нОм, якщо вимірює струм, і 1 Гом, якщо вимірює напругу. Пристрій при вимірюванні опору пропускає струм10 нА через підключений компонент, а потім прочитує напругу на цьому компоненті.

Якщо послідовний опір в 1 нОм або паралельному опорі в 1 Гом істотно впливає на схему, слід врахувати це під час аналізу. У нижній частині вікна можна вказати параметри помилки для пристрою. Якщо поточне значення буде виходити з вказаного діапазону, вимірювач відобразить повідомлення про помилку.

Налаштуємо вимірник на вимірювання струму, натиснувши кнопку A.

Ми готові до моделювання. Натиснемо на кнопку початку/закінчення моделювання  (положення 1).

Рис. 5

З’ясуємо, чи можна змінювати настройки вимірника під час моделювання.

Налаштуємо вимірник на вимірювання напруги, натиснувши кнопку V.

Рис. 6

Натиснемо на кнопку початку/закінчення моделювання   (положення 1).

Рис. 7

За допомогою мультіметрів можна вимірювати значення як при постійному, так і при змінному струмі будь-якої форми.

Не забудьте зупинити моделювання.

Натиснемо на кнопку початку/закінчення моделювання   (положення 0).

Моделюємо виміри значення напруги на резисторі R2

Нам необхідно виміряти значення напруги на резисторі R2.

Відкриваємо файл model_2.ewb та вводимо в схему вимірник.

Рис. 8

Натиснемо на кнопку початку/закінчення моделювання   (положення 1).

Рис. 9

Не забудьте зупинити моделювання.

Натиснемо на кнопку початку/закінчення моделювання   (положення 0).

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1 (приклад схеми для завдання 1)

Створити за допомогою Electronics Workbench наступну схему

Рис. 1.

ЗАВДАННЯ

Визначити величину напруги на вузлах і силу струму через резистор R1

ВИКОНАННЯ

1. Включити у схему індикатори напруги і струму.

2. Виконати моделюванн

Рис. 2. Результати моделювання

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2 (приклад схеми для завдання 2)

Створити за допомогою Electronics Workbench наступну схему

Рис. 1.

ПІДКАЗКА

Рис. 2.

ЗАВДАННЯ

Визначити величину напруги на вузлах і силу струму через резистор R1

ВИКОНАННЯ

1. Включити у схему індикатори напруги і струму.

Рис. 3.

2. Виконати моделюванн

Рис. 4.

Загальна інформація про напівпровідники

Класифікація напівпровідникових електронних приладів

Напівпровідникові прилади розділяють по їх функціональному призначенню, а також по кількості електронно-діркових переходів.

Електронно-дірковий перехід це проміжний перехідний шар між двома областями напівпровідника, одна з яких має електронну провідність (n - типу), а інша – діркову (р - типу). Вся сукупність напівпровідникових приладів розділяється на ті, що не мають переходів, з одним, двома і більш переходами (рис 1)

Рис. 1

Застосування приладів, що не мають переходів засноване на використанні фізичних процесів, що відбуваються в об'ємі напівпровідникового матеріалу. Прилади, в яких використовується залежність електричного опору напівпровідника від температури, називаються термісторами. До цієї групи приладів входять терморезистори (їх опір на декілька порядків падає при збільшенні температури), а також позисторы (їх опір збільшується із збільшенням температури). Терморезистори і позисторы застосовуються для вимірювання і регулювання температури, в ланцюгах автоматики і так далі

Як нелінійні опори застосовуються напівпровідникові прилади, в яких використовується залежність опору від величини прикладеної напруги. Такі прилади називаються варисторами. Їх застосовують для захисту електричних ланцюгів від перенапруження, в ланцюгах стабілізації і перетворення фізичних величин.

Фоторезистор, це прилад, у фото чутливому шарі якого при опромінюванні світлом виникає надмірна концентрація електронів, а їх опір зменшується.

Велику групу представляють напівпровідникові прилади з одним р-n переходом і двома виводами для включення в схему. Їх загальна назва – діоди.

Розрізняють діоди випрямні, імпульсні і універсальні. До цієї групи відносяться стабілітрони (вони застосовуються для стабілізації струмів і напруги за рахунок значної зміни диференціального опору пробитого р-n переходу). Варікапи (ємкість їх р-n переходу залежить від величини прикладеної напруги), фото і світлодіоди і тому подібне

Напівпровідникові прилади з двома і більш р-n переходами, трьома і більш виводами називаються транзисторами. Дуже велика кількість транзисторів, що розрізняються по функціональних і іншим властивостям, розділяють на дві групи – біполярні і польові. До цієї ж групи приладів (з трьома і більш р-n переходами) можна віднести прилади перемикання – тиристори.

Самостійну групу приладів представляють інтегральні мікросхеми (ІМС).

ІМС – це виріб, що виконує певну функцію перетворення або обробки сигналу (посилення, генерація, АЦП і так далі) Вони можуть містити десятки і сотні р-n переходів і інших електрично сполучених елементів. Всі інтегральні мікросхеми діляться на два класи, що сильно відрізняються один від одного :

- напівпровідникові ІМС;

- гібридні ІМС.

Напівпровідникові ІМС представляють напівпровідниковий кристал, в товщі якого виконуються діоди, транзистори, резистори і інші елементи. Вони мають високий ступінь інтеграції, малу масу і габарити.

Основу гібридної ІМС представляє пластина діелектрика, на поверхні якої у вигляді плівок нанесені компоненти схеми і з'єднання (в основному пасивні елементи).

Окрім ділення по кількості р-n переходів і функціональному призначенню напівпровідникові прилади розділяються по величинах потужності, що гранично допускається, і частоти (см. рис. 2.)

Рис. 2

Електронно-дірковий перехід

У чистому напівпровіднику, при температурі вище за абсолютний нуль за шкалою Кельвіна генерується два види рухомих носіїв зарядів – електрон і дірка. За наявності таких носіїв напівпровідника набуває здатність проводити електричний струм. Електропровідність, обумовлена тільки генерацією пар електрон-дірка, називається власною. Кількісно вона може бути визначена виразом

Форм. 1

де:

 ; K – заряд електрона; n і p – концентрація рухомих електронів і дірок, причому n=p;   – рухливість носіїв.

Концентрація рухомих носіїв заряду залежить від температури, тому

Форм. 2

де: А – константа; Т - температура по Кельвіну; W – ширина забороненої зони;  – постійна Больцмана.

Провідність напівпровідників істотно змінюється при додаванні домішці. Так, якщо валентність приміси більше валентності напівпровідника (наприклад атоми фосфору), то концентрація електронів істотно (на 10 – 20 порядків) збільшується. Тому кількісно провідність може бути обчислена виразом

Форм. 3

де n_n – концентрація носіїв домішок.

Така домішка називається донорською, провідність – електронною, а напівпровідник – напівпровідником n – типу.

При додаванні домішці, валентність якої менше валентності напівпровідника (наприклад, атоми бору), в тілі напівпровідника різко збільшується концентрація дірок. Тому

Форм. 4

де: Р_Р - концентрація носіїв домішки.

Така домішка називається акцепторною, провідність - дірковою, а напівпровідник - напівпровідником p - типу.

Металургійна межа між напівпровідниками двох типів називається електронно-дірковим або p-n переходом. Це основний робочий елемент напівпровідникових електронних приладів. Виділимо наступні його властивості.

1. За відсутності зовнішнього електричного поля біля кордону p-n переходу утворюється об'ємні заряди електронів в p області і дірок в n області. Перепад потенціалу зарядів утворює потенційний бар'єр   причому

Форм. 5

де:   концентрація іонізованих атомів в напівпровіднику;   температурний потенціал, при Т=3000 к 

У безпосередній близькості від межі переходу утворюється шар напівпровідника збідненого носіями зарядів. Провідність цього шару мала і його називають таким, що замикає. Опір р-n переходу визначається товщиною замикаючого шару.

2. При зворотному включенні Р-n переходу (мінус до Р області, плюс до n області) замикаючий шар розширюється. Опір р-ппереходу збільшується (до 104 Ом). Практично вся напруга зовнішнього джерела подає на цьому опорі, збільшуючи висоту потенційного бар'єру   причому

Форм. 6

Цей бар'єр перешкоджає дифузійним струмам, зменшуючи їх до нуля (залежно від величини   ). Значення дрейфових струмів залишається тим самим або декілька зростає залежно від теплового режиму напівпровідника.

3. При прямому включенні р-n переходу (плюс до р області, мінус до n області), що замикає шар зменшується. Опір р-n переходу падає (до п100 Ом). Тепер падіння напруги зустрічно потенційному бар'єру   причому

Форм. 7

Це приводить до збільшення дифузійних струмів, які називають прямими, і позначають Iпр.

Таким чином, р-n перехід володіє односторонньою провідністю. Це основна властивість цілого класу напівпровідникових електронних приладів, званих діодами.

Нагадаємо, що діод це напівпровідниковий електронний прилад з одним р-n переходом і двома виводами. Умовне графічне позначення діода приведене на рис. 3 а.

Рис. 3

Діоди точкові та площинні / планарні

Діоди точкові

Діод являє собою двохелектродний напівпровідниковий прилад, який має однин p-n-перехід. Однин вивід (анод) підключений до області напівпровідника р-типу, а другий (катод) до області провідністю n-типу. При підключенні напруги додатної полярності до аноду, а від’ємної до катоду перехід зміщується в прямому напрямку і діод відкривається. Через нього починає протікати електричний струм. При зміні полярності діод закривається і струм через нього не проходить.

Рис. 4

Діоди поділяють на точкові та площинні або планарні (від англійського plane).

Точкові діоди мають p-n-перехід з малою товщиною і площиною, тому розраховані на малі струми і невеликі напруги, але завдяки малим розмірам переходу вони мають малу власну ємність, що дозволяє використовувати їх в широкому діапазоні частот.

Площинні діоди мають дуже велику площину і товщину p-n-переходу, що дозволяє їх застосовувати для кіл низьких частот при наявності значного струму і великої напруги.

Напівпровідникові діоди класифікуються:

1) за призначенням: випрямні, високочастотні та надвисокочастотні (ВЧ-і СВЧ-діоди), імпульсні, напівпровідникові стабілітрони (опорні діоди), тунельні, звернені, варикапи та ін;

2) за конструктивно - технологічних особливостей: площинні і точкові;

3) за типом вихідного матеріалу: германієві, кремнієві, арсенід - галієві та ін

У точковому діоді використовується платівка германію або кремнію з електропровідністю n-типу (рис.5), товщиною 0,1 ... 0,6 мм іплощею 0,5 ... 1,5 мм²; з платівкою стикається загострена «затримка» (голка) з нанесеною на неї домішкою. При цьому з голки в основний напівпровідник дифундують домішки, які створюють область з іншим типом електропровідності. Таким чином, близько голки утворюється мініатюрний р-n - перехід напівсферичної форми.

Рис. 5 – Конструкція точкових діодів

Площинні діоди

Площинні діоди виготовляються методами сплаву (cплавлення) або дифузії (рис. 6).

До платівки германію n-типу вплавляються при температурі близько 500 °С краплю індію (рис. 6, а) яка, сплавляючись з германієм, утворює шар германію р-типу. Область з електропровідністю р-типу має більш високу концентрацію домішки, ніж основна пластинка, і тому є емітером. До основної платівці германію і до Індію припаюють вивідні затримки, зазвичай з нікелю. Якщо за вихідний матеріал взято германій р - типу, то в нього вплавляються сурму і тоді виходить емітерна область n-типу.

Дифузійний метод виготовлення р-n-переходу заснований на тому, що атоми домішки дифундують в основний напівпровідник (рис. 6, б). Для створення р-шару використовують дифузію акцепторного елемента (бору або алюмінію для кремнію, індію для германію) через поверхню вихідного матеріалу.

Рис. 6 – Конструкція площинних діодів, виготовлених сплавним (а) і дифузійним методом (б)

Біполярні транзистори

Транзистори - це електронні прилади, призначені для посилення і перетворення сигналів. Найбільш поширені транзистори з двома р-n переходами і трьома виводами. Їх називають біполярними, оскільки в роботі використовуються носії обох знаків.

Структурна схема транзистора приведена на рис. 7. Переходи ділять монокристал напівпровідника на три області, причому середня область має тип електропровідності, протилежний крайнім. Середню область називають базою, одну з крайніх областей емітером, а іншу колектором.

Рис. 7

Як матеріал для виготовлення транзисторів використовують германій або кремній.

Залежно від типу електричної провідності крайніх областей існують транзистори р-n-р або n-р-n структури. На рис. 8 а приведено схемне позначення транзистора р-n-р, а на рис. 8 б - транзистора n-р-n типу.

Рис. 8 –

Розглянемо роботу транзистора n-р-n в активному режимі. У ланцюг джерела колекторної напруги - Е_К - транзистор включають послідовно з резистором R_К. На вхід транзистора подається Е Р С -   , що управляє роботою (рис. 9 а). При такому включенні емітер є загальною точкою вхідного і вихідного ланцюгів. Тому воно називається включенням із загальним емітером.

Рис. 9

За відсутності напруги   р-n переходи знаходяться в стані рівноваги. Струми через них рівні нулю.

Зовнішні джерела включають так, щоб на емітерному переході була пряма напруга (плюс джерела   поданий на базу, мінус - на емітер), а на колекторному переході - зворотне (плюс джерела Е_К - на колектор, мінус - на емітер). Зазвичай   Тому

Форм. 8

Під впливом прямої напруги Uбэ починається посилена дифузія електронів з емітера в базу, утворюючи струм емітера Iэ. Оскільки база транзистора виконується тонкою, основна частина електронів досягає колекторного переходу, не потрапляючи в центри рекомбінації. Ці електрони захоплюються полем, що прискорює, закритого колекторного переходу з потенціалом і втягуються в область колектора.

Форм. 9

Струм електронів, що потрапили з емітера в колектор, замикається через зовнішній ланцюг і джерело Е_К. Лише невелика частина електронів рекомбінує в базі з дірками. Ця частина зменшує струм колектора на величину   . тобто

Форм. 10

де   - коефіцієнт передачі струму емітера.

Заряд рекомбінованих електронів залишається в базі. Для компенсації цього заряду з джерела Еб в базу поступають дірки. Тому струмом бази є струм рекомбінації

Форм. 11

Струм колектора, визначуваний виразом (10), залежить від напруги Uбэ і називається керованим. Окрім керованого струму, через закритий колекторний перехід протікає зворотний струм Iкбо, обумовлений дрейфом власних носіїв заряду. З урахуванням цього

Форм. 12

а

Форм. 13

Виразимо струм емітера з останнього виразу

Форм. 14

Підставляючи це значення у вираз для струму колектора, отримуємо:

Форм. 15

де   - коефіцієнт передачі струму бази   ; Iкэо – зворотний струм транзистора.

Оскільки Iкэо зазвичай нехтує малий, справедливо наближена рівність

Форм. 16

Воно показує, що якщо струм бази змінити на величину   , то струм колектора зміниться на величину   тобто в   раз більшу. У цьому і полягає суть посилення.

До основних параметрів біполярних транзисторів відносяться середні і максимально допустимі значення струмів колектора і бази, максимальні значення напруги Uкэ; Uбэ; Uкб; коефіцієнт передачі струму бази   , максимально допустима частота і потужність і тому подібне

Кожен транзистор по схемі з ОЕ описується сімействами вихідних і вхідних характеристик (рис. 9 б і 9 в відповідно). Вихідною вольтамперною характеристикою транзистора називається залежність струму колектора від напруги Uкэ тобто   , знята при постійному струмі бази Iб = const.

На вихідній характеристиці можна виділити три характерні ділянки. Перша ділянка лежить в області малих значень   При такій напрузі колекторний перехід виявляється відкритим. Транзистор працює в режимі насичення. Струм колектора різко змінюється із зміною напруги 

Напруга відсікає круту ділянку лежить в межах   Перша ділянка використовується в імпульсній техніці при реалізації ключового режиму транзистора.

Велику частину характеристики займає II, полога ділянка. На цій ділянці струм колектора майже не залежить від напруги   . Її значення практично повністю визначається струмом бази ( рис. 9 в.). Транзистор працює в активному режимі, забезпечуючи посилення сигналу. Невеликий нахил пологої ділянки обумовлений тим, що із зростанням   збільшується потенційний бар'єр закритого колекторного р-n переходу, розширюється його замикаючий шар за рахунок товщини бази. У тоншій базі менше вірогідність рекомбінації, тому значення   а значить і   збільшується.

Різке збільшення струму   на III ділянці характеристики викликається явищем електричного пробою.

Вхідною вольтамперною характеристикою транзистора називається залежність струму бази   від напруги   при постійній напрузі   . При   обидва переходи в транзисторі працюють під прямою напругою.

Струми колектора і емітера складаються в базі. Вхідна характеристика транзистора, в цьому випадку, є ВАХ два p-n переходів, включених паралельно.

При   колекторний перехід закривається. Транзистор переходить в активний режим роботи. Струм бази в цьому режимі визначається виразом (11). Тому вхідна характеристика транзистора будується як пряма гілка ВАХ одного (емітерного) переходу.

Польові транзистори

Польові транзистори підрозділяються на два типи: з р-n переходом і МДП-типа.

Розріз структури польового транзистора з р-n переходом приведений на рис. 10 а.

Шар напівпровідника з провідністю р-типа називається провідним каналом. Він має два виходи в зовнішній ланцюг: И – витік, С – стік.

Шари напівпровідника з провідністю n – типу сполучені між собою і мають вивід в зовнішній ланцюг, званий затвором С. Полярність включення джерел напруги приведена на рис. 10 а.

На рис. 10 б приведено схемне позначення транзистора з р каналом, а на рис. 10 в – з n каналом.

Рис. 10

Коли напруга, що управляє   по каналу тече струм, значення якого залежить від напруги   . Ця залежність приведена на мал. 10 г. Напруга   рівномірно розподілена по довжині каналу. Вона викликає зворотнє зміщення р-n переходів, причому найбільша зворотна напруга прикладена до області стоку, а в області витоку переходи знаходяться в рівноважному стані (рис.11 а).

Рис. 11

На рис. 11 а, б заштрихована площа імітує область замикаючого шару р-n переходу.

Із збільшенням напруги   область подвійного замикаючого шару збільшується (пунктирна лінія на мал. 11 а), звужуючи провідний канал і збільшуючи його опір. Тому залежність   має нелінійний характер. При деякому значенні   межі р-n переходу змикаються і зростання струму   при подальшому збільшенні   припиняються (полога ділянка характеристики рис.10 г).