LS-Sb89584

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ. ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЙ ДИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

2.1. Зависимость ВАХ диодов от температуры

Увеличение температуры при поддержании неизменного тока через диод приводит к уменьшению падения напряжения на диоде.

Следует построить семейство графиков ВАХ кремниевого диода, в зависимости от температуры, используя схему рис. 2.1, а.

После построения чертежа схемы и ее сохранения выполняется переход в режим расчета по постоянному току по команде Анализ > Передаточные характеристики по постоянному току. В открывшемся диалоговом окне задания на расчет (см. рис. 2.2) в строке Менять 1 в ячейке Имя указывается имя варьируемого параметра V1, а в ячейке Диапазон – его максимальное значение, минимальное и шаг.

Вгруппе полей, объединенных заголовком Температура, устанавливается линейный – Linear – метод изменения температуры и задается ее максимальное, минимальное значение и шаг изменения в градусах Цельсия (° С),

например: 100, 20, 40.

Втаблицу с параметрами, используемыми при выводе результатов моделирования, записываются данные для графика функции ID1 = f (VD1).

При нажатии кнопки Запуск на экран выводится семейство кривых ВАХ при нескольких значениях температуры (см. рис. 2.3).

11

Рис. 2.2

I, мА

I0, U1, T1 I0, U2, T2 I0, U3, T3

I0

U, В

Рис. 2.3

С помощью полученных графиков при заданном токе I0 (ток задается преподавателем) рассчитывается изменение напряжение на диоде с изменением температуры на 1 оС: ∆V ⁄ ∆T при I = const.

При активной пиктограмме наносятся значения координат выбранных точек. Нужная точка отличается нажатием левой клавиши мыши при

12

совмещении с точкой перекрестия маркера и буксировке маркера в удобное место для фиксации координат.

2.2. Однополупериодный диодный выпрямитель

Простейшим примером использования выпрямительных свойств диодов является схема, представленная на рис. 2.1, б. Преобразование переменного тока в постоянный по направлению ток осуществляется с помощью диода.

При действии положительного полупериода входного напряжения диод включен в прямом направлении, его сопротивление r << R1 и форма выходно-

го сигнала повторяет форму входного сигнала. При действии отрицательного полупериода диод включен в обратном направлении, его сопротивление Rобр

>> R1 и выходное напряжение практически равно нулю.

Величина Rобр оценивается ориентировочно отношением Uобр к току насыщения Iобр. Для диода 1N4148 обратный ток составляет Iобр ≈ 7·10–9 А.

При Uобр = 5 В величина сопротивления диода в обратном направлении рав-

на Rобр = 5 / 7·10–9 ≈ 700·106 Ом.

При построении схемы (см. рис. 2.1, б) источник синусоидального сигнала V1 вводится из меню

Component > Analog Primitives > Waveform Sources > Voltage Sources.

После фиксации источника V1 на схеме открывается диалоговое окно задания параметров. В строке VALUE для источника задается сигнал Sin (0, 5V, 1k), где первая цифра в скобках – постоянная составляющая, 5V – амплитуда сигнала, 1k – частота.

Создание схемы завершается простановкой узлов и сохранением схемы. Построение переходных характеристик выполняется при выборе меню Анализ > Переходные процессы. Задание параметров моделирования осуществляется в открывшемся диалоговом окне согласно данным, приве-

денным в табл. 2.1.

Встроке Диапазон времени указывается длительность временного интервала по оси X. Обычно этот интервал времени выбирается равным двум периодам входного сигнала (2 ms).

Встолбце X Expression отмечается переменная T, а в столбце X Range указывается максимальное время по оси X, обычно равное значению Диапа-

13

зон времени. В ячейках столбца Y Expression отмечаются выводимые на график функции:

V(V1) – напряжение источника сигнала;

V(R1) – напряжение на выходе схемы;

V(D1) – падение напряжения на диоде.

В графе Y Range устанавливаются границы отображения этих функций, определяемые по максимальному и минимальному значению.

Результат моделирования переходного процесса на каждом элементе схемы приведен на рис. 2.4. Необходимо определить, которая из характеристик соответствует каждому элементу схемы.

V, В

Т, с

Рис. 2.4

Моделирование начинается при нажатии кнопки Запуск или при нажатии клавиши F2. Закрытие режима анализа и возврат в окно схемы выполняется нажатием клавиши F3 или закрытием соответствующего окна.

14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3.

ВХОДНАЯ И ПЕРЕДАТОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Биполярный транзистор (БТ) – это полупроводниковый прибор с тремя областями чередующихся типов проводимости и двумя p-n-переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы. Для n-p-n-транзисторов средняя р-область – базовая (Б) имеет проводимость, противоположную крайним n-областям: эмиттерной (Э) и коллекторной (К) (рис. 3.1, а).

Ic

К(n)

Б(p)

Ie

Рис. 3.1

При использовании транзистора в режиме усиления управляющий переход база-эмиттер (Б-Э) смещен в прямом направлении, т. е. открыт, а управляемый переход база-коллектор (Б-К) – в обратном, т. е. закрыт. Электроны из эмиттера через открытый переход инжектируются в область базы. При достаточно малой ширине базы небольшое количество инжектируемых электронов рекомбинирует с дырками в базе, создавая базовый ток Ib.

Основная часть инжектируемых электронов не успевает рекомбинировать с носителями в области базы и достигает коллекторного перехода. Происходит перенос электрических зарядов через базу из эмиттерной области в коллекторную. Эмиттерный ток Ie равен сумме базового тока Ib (входной) и

коллекторного тока Iс (выходной):

Ie = Ib + Ic

16

Токи Ie, Ib, Ic связаны соотношениями:

Ic = α× Ie ,

где α – коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор, α = 0,95 ... 0,99,

Ic = β× Ib ,

где β – основной усилительный параметр транзистора, показывающий во сколько раз ток Ic больше Ib:

Ie = Ic + Ib = β× Ib + Ib = (1 + β)Ib .

3.1.Исследование характеристик p-n-p-транзистора

Схема включения транзистора, по которой проводится измерение его входной и передаточной характеристик, представлена на рис. 3.1, б.

Для обеспечения рабочего режима транзистора по постоянному току к его базе через токоограничивающий резистор R1 подключается источник постоянного напряжения V1, открывающий переход Б-Э, а к коллектору – источник напряжения V2, запирающий переход Б-К.

Транзистор заданного преподавателем типа, например, 2N2102ON назначается по команде

Компонент > Analog Primitives > Active Devices > NPN.

Входная характеристика отражает зависимость базового (входного) тока транзистора Ib от входного напряжения, равного напряжению на переходе Б-Э (V1 = Vbe): Ib = f(V1), передаточная – зависимость коллекторного (выход-

ного) тока Ic от входного напряжения: Ic = f(V2).

Для построения графиков входной и передаточной характеристик в схеме (см. рис. 3.1, б) варьируется напряжение Б-Э перехода транзистора через определенный интервал при нескольких значениях напряжения V2.

Переход в режим построения характеристик осуществляется по команде

Анализ > Передаточные характеристики по постоянному току.

В открывшемся диалоговом окне задания на расчет (см. рис. 3.2) в строке Менять 1 в ячейке Имя указывается имя варьируемой переменной V1, а в ячейке Диапазон – диапазон ее изменения – максимальное значение напряжения, минимальное и шаг. В строке Менять 2 в ячейке Метод указывается способ изменения значения переменной ‒ List, в ячейке Имя указывается имя варьируемой переменной V2, а в ячейке Диапазон ‒ значения, принимаемые переменной.

17

Рис. 3.2

В нижней части окна указываются имена переменных, откладываемых по горизонтальной (X Expression) и вертикальной (Y Expression) осям графика. Для графика входной характеристики это, соответственно, напряжение между базой и эмиттером Vbe и ток базы Ib. Для графика передаточной функции это напряжение Vbe и ток коллектора Ic. При использовании данного типа транзистора в ячейке X Range для напряжения Vbe рекомендуется установить пределы отображения 0.85V, 0.55V. Для токов Ib, Ic в ячейке

Y Range рекомендуется установить пределы 150uA, 0 и 30mA, 0 соответственно.

Построение графиков выполняется при нажатии кнопки Запуск диалогового окна. Приблизительный вид характеристик изображен на рис. 3.3. Кривые соответствуют различным значениям напряжения на переходе К-Э,

т. е. V2.

На каждом из построенных графиков (см. рис. 3.3) по заданному преподавателем значению входного напряжения Vbe1 транзистора и приращению напряжения ∆Vbe отмечаются координаты двух точек при использовании ре-

жима электронного курсора (нажатием кнопки F8 или выбором пиктограммы

). В нижней части каждого графика указываются следующие значения:

18

−координаты маркеров (под заголовком Left – для левого маркера и Right – для правого);

−разности координат (под заголовком Delta), т. е. приращение токов ∆I и напряжений ∆U;

−отношение приращений (под заголовком Slope – наклон).

Измеренные значения координат заносятся в табл. 3.1.

Ib, Ic

3.2. Исследование характеристик p-n-p-транзистора

Аналогично методике, изложенной в 3.1, необходимо провести исследование входных и передаточных характеристик p-n-p-транзистора. Исследуемая схема приведена на рис. 3.3, модель транзистора следует выбрать из библиотеки Ком-

поненты > Analog Primitives > Active

Рис. 3.3

19

devices > pnp. Для транзистора такого типа и указанной полярности источников питания значения Vbe, Ib и Ic лежат в отрицательной области, что сле-

дует учитывать при задании диапазонов значений параметров, выводимых на графики.

3.3.Задание

Спомощью полученных данных по приведенным ниже формулам рассчитать:

– статическое rbe и динамическое rbe~ входные сопротивления транзи-

стора:

– коэффициенты передачи тока из эмиттера в коллектор α, статический и динамический коэффициенты усиления тока Β и β:

Β= Iс ,

Ib

β= Iс ;

Ib

–крутизну S передаточной характеристики в области выбранной рабочей точки (измеряется в Сименсах – См):

S = β× ∆Ib .

∆Ube

Если воспользоваться понятием крутизны входной характеристики транзистора:

то можно сказать, что крутизна передаточной характеристики равна крутизне входной характеристики, помноженной на коэффициент усиления тока.

Расчетные данные сводятся в табл. 3.2.

20