Sb95887

указанных схем. В схеме рис. 2.3 для всех диодов следует задать модель 1N4148, элементы схемы V1 и R1 задаются аналогично схеме рис. 2.1.

2.2. Исследование характеристик стабилитрона и выпрямителя на его основе

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, использующие особенность обратной ветви вольт-амперной характеристики на участке пробоя изменяться в широком диапазоне изменения токов при сравнительно небольшом отклонении напряжения (см. рис. 1.1). Это свойство используется при создании специальных устройств – стабилизаторов напряжения.

ВАХ стабилитрона исследуются для схемы рис. 2.4 по методике, изложенной в 1.2. В качестве модели диода следует выбрать 1N3879, R1 = 16 Ом, напряжение источника постоянного напряжения V1 = 100 В.

R1

V1

D1

Рис. 2.4 Рис. 2.5

Необходимо построить обратную ветвь ВАХ и определить значение напряжения стабилизации. Далее необходимо исследовать влияние стабилитрона на характеристики диодного выпрямителя. Для этого необходимо построить схему, изображенную на рис. 2.5, и промоделировать переходные процессы в ней (Analysis > Transient).

Схему на рис. 2.5 необходимо исследовать для нескольких значений амплитуды напряжения на источнике синусоидального напряжения V1 (60…120 В с шагом 10 В). Для этого в меню задания параметров моделирования переходных процессов следует нажать кнопку Stepping. На экране появится меню (рис. 2.6), в котором в строке Step what следует указать имя варьируемого параметра – амплитуду синусоидального сигнала sin.va. На следующих строках отмечаются пределы его изменения: From (от) 60 В, To (до) 120 В, Step (шаг) 10 В. В графе Step it следует подтвердить

11

выбор варьируемой переменной выделением Yes. Ввод значений варьируемого параметра заканчивается нажатием кнопки ОК.

Рис. 2.6

Необходимо записать в протокол амплитудные значения напряжения на каждом из элементов схемы для каждого значения амплитуды напряжения на синусоидальном источнике. Сравнить результаты с результатами, полученными в 2.1. По результатам сравнения необходимо сделать выводы.

2.3. Задание

Построить графики, характеризующие процессы, которые были изучены в ходе выполнения лабораторной работы. На графиках выделить характеристики, соответствующие каждому элементу исследуемой схемы.

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, b – в англоязычных обозначениях) имеет проводимость, противоположную крайним n-областям: эмиттерной (Э, e – в англоязычных обозначениях) и коллекторной (К, c – в англоязычных обозначе-

ниях) (рис. 3.1, а).

При использовании транзистора в режиме усиления управляющий переход база–эмиттер (БЭ) смещен в прямом направлении, т. е. открыт, а управляемый переход база–коллектор (БК) – в обратном, т. е. закрыт. Электроны

12

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.

Рис. 3.1

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 Ib (входной) и коллекторного Iс (выходной) токов:

Ie Ib Ic .

Токи Ie, Ib, Ic связаны соотношениями:

Ic Ie ,

где коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор α = 0.95...0.99, и

Ic Ib Ic Ib ,

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

Ie Ic Ib Ib Ib (1 )Ib .

3.1. Исследование характеристик n−p−n-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 номиналом 100 кОм подключается источник постоянного напряжения V1 номиналом 20 В, открывающий переход БЭ, а к коллектору – источник напряжения V2 номиналом 10 В, запи-

13

рающий переход БК. Транзистор заданного типа, например 2N3904, выбирает-

ся из библиотеки: Component > Analog Primitives > Active Devices > NPN.

Входная характеристика отражает зависимость базового (входного) тока транзистора Ib от входного напряжения, равного напряжению на переходе БЭ (V1 = Vbe): Ib = f(V1); передаточная – зависимость коллекторного (выходного) тока Ic от входного напряжения: Ic = f(V2). Для построения графиков входной и передаточной характеристик в схеме (см. рис. 3.1, б) варьируется напряжение БЭ перехода транзистора через определенный интервал при нескольких значениях напряжения V2.

Переход в режим построения характеристик осуществляется по команде Analysis > DC. В открывшемся диалоговом окне задания на расчет (см. рис. 1.3) в строке Variable 1 в ячейке Name указывается имя компонента схемы с варьируемым параметром V1, а в ячейке Range – диапазон его изменения: максимальное значение напряжения, минимальное его значение и шаг. 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 такими параметрами являются напряжение Vbe и ток коллектора Ic. Границы диапазона изменения напряжения Vbe (X Range) составляют 0.5…0.9 В; базового тока Ib (Y Range) транзистора Q1 – 0…200 мкА; коллекторного тока Ic (X Range) транзистора Q1 – 0…50 мА.

На каждом из построенных графиков (рис. 3.2) по заданному преподавателем значению входного напряжения Vbe1 транзистора и приращению напряжения Vbe отмечаются координаты двух точек при использовании режима электронного курсора (нажатием клавиши F8 или выбором пиктограм-

мы ).

14

Ib, Ic

V21 V22

В нижней части каждого графика указываются следующие значения:координаты маркеров (Left – для левого и Right – для правого);

разности координат (Delta), т. е. приращения токов I и напряжений V;отношение приращений (под заголовком Slope – наклон). Измеренные значения координат заносятся в протокол. Данные значения

впоследствии будут использованы для расчета параметров транзистора.

3.2. Исследование характеристик p–n–p-транзистора

Аналогично методике, изложенной в 3.1, необходимо исследовать входные и передаточные характеристики p−n−p-транзистора. Исследуемая схема приведена на рис. 3.3, модель транзистора следует выбрать из библиотеки

Component > Analog Primitives > Active devices > PNP. Для транзистора такого типа и указанной полярности источников питания значения Vbe, Ib и Ic лежат в отрицательной области, что следует учитывать при задании диапазонов значений параметров, выводимых на графики.

3.3.Задание

Спомощью полученных данных для каждого типа транзисторов по приведенным далее формулам рассчитать:

– статическое rbe и динамическое rbe~ входные сопротивления транзи-

стора:

rbe Vbe ,

Ib

15

rbe~ Vbe ;

Ib

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

Iс ,

Ib

Iс ;Ib

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

SIb .Vbe

Если воспользоваться понятием крутизны входной характеристики транзистора:

Sвх Ib 1 ,

Vbe rbe~

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

Лабораторная работа № 4

СЕМЕЙСТВО ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА. КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

4.1. Семейство выходных характеристик биполярного транзистора

Выходные характеристики отображают зависимость входного тока транзистора от Ic от выходного напряжения Vce при различных значениях тока

16

запирающего переход КБ. Для построения семейства выходных характеристик при каждом из заданных значений тока базы в схеме на рис. 4.1 варьируется напряжение Vce (в заданных пределах через определенный интервал).

Источник тока выбирается по команде Component > Analog Primitives > Waveform Sources > I sources с заданной величиной VALUE 150 мкA.

Транзистор заданного преподавателем типа выбирается из библиотеки Component > Analog Primitives > Active Devices > NPN. Например: 2N3904.

Анализ запускается с использованием раздела меню Analysis > DC. В окне задания параметров на расчет в строке Variable 1 указывается имя варьируемого параметра схемы V1 (напряжение источника), а в ячейке Range – диапазон и шаг (10, 0, 0.1 В), в строке Variable 2 указывается имя варьируемого элемента схемы I1 (ток базы, Ib), а в ячейке Range – максимальное, минимальное значения и шаг (150, 30, 40 мкА). По оси X откладывается напряжение КЭ транзистора Vce (Q1), по оси Y – ток коллектора Ic (Q1). При нажатии кнопки Run выполняется построение графиков зависимости тока коллектора Ic от напряжения КЭ Vce (рис. 4.2). Каждая из приведенных на графике кривых, построенная в координатах (Vce, Ic), соответствует некоторому значению базового тока Ib, задаваемому переменной 2 (Variable 2 в окне задания параметров анализа).

На графике выходной характеристики при заданном токе Ib для заданного напряжения Vce с помощью активной пиктограммы наносятся значе-

ния координат первой выбранной точки. На графике другой выходной характеристики при токе (Ib+ Ib) для того же заданного напряжения Vce наносятся значения координат второй выбранной точки. Величины Ib, Ib, Vce задаются преподавателем. По полученным при измерении данным определяются статический и динамический коэффициенты усиления транзистора. Значения параметров транзистора B и β, рассчитанные по выходным характеристикам, сравниваются с аналогичными, полученными по входной и передаточной характеристикам.

17

ность временного интервала по оси Х. Как правило, она равна двум периодам входного сигнала – 2 мс. Вывод результатов моделирования осуществляется в соответствии с данными табл. 4.2. В режиме анализа токов и напряжений в схеме (Dynamic DC) исследовать влияние напряжений источников на режим работы транзистора. В табл. 4.2 V(V1) – напряжение источника сигнала;Vce(Q1) − напряжение на выходе схемы; Ib(Q1) – ток базы транзистора Q1.

Таблица 4.1

Для анализа влияния уровня сопротивления R2 на уровень выходного сигнала необходимо включить опцию Stepping (см. рис. 2.6). В строке Step what указывается имя элемента с варьируемым параметром R2. На следующих строках отмечаются пределы его изменения: From (от) 300 Ом, To (до) 1,5 кОм, Step 300 Ом (выбрать значение, достаточное для выполнения задания). В графе Step it следует подтвердить выбор варьируемой переменной включением кнопки Yes. Ввод значений варьируемого параметра заканчивается нажатием кнопки ОК. Построение графиков выполняется при нажатии кнопки Run в окне задания параметров на моделирование переходного процесса. На графиках выходного сигнала Vce(Q1) в интервале действия входного сигнала, открывающего транзистор, следует отметить значение напряжения КЭ для каждого из значений R2.

4.3.Задание

Всхеме рис. 4.3 для каждого из заданных значений R2 по полученному значению Vce(Q1) определить падение напряжения на резисторе

19

V (R2) V2 Vce (Q1) и коллекторный ток транзистора Ic I (R2) V (R2)R2 . Полученные данные следует свести в табл. 4.3. Также следует занести в протокол полученное значение базового тока Ib.

На основе данных табл. 4.3 построить график выходной характеристики транзистора: Ic = f (Vce). По построенному графику следует определить минимально допустимое значение сопротивления резистора в коллекторной цепи, при котором транзистор находится в режиме насыщения.

Лабораторная работа № 5 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

С УПРАВЛЯЮЩИМ ПЕРЕХОДОМ

Полевой транзистор (ПТ) – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающих через проводящий канал, управляемый электрическим полем. Управление потоком основных носителей зарядов в канале осуществляется с помощью выпрямляющего электрического перехода, смещенного в обратном направлении. ПТ с управляющим переходом имеет два омических перехода в области полупроводника, по которой проходит управляемый и регулируемый поток основных носителей заряда и один или два управляющих p–n- перехода, смещенных в обратном направлении. Область в полупроводнике, в которой регулируется поток основных носителей заряда, называют проводящим каналом. Электрод ПТ, через который в проводящий канал входят носители заряда, называется истоком (И, Sourse, S) и обозначается точкой на эквивалентной схеме в среде MicroCap. Электрод ПТ, через который из канала выходят носители заряда, называется стоком (С, Drain, D). Электрод ПТ, на который подают сигнал – затвор (З, Gate, G).

5.1. Исследование передаточной характеристики ПТ

Передаточная характеристика ПТ отражает зависимость тока стока IС от напряжения между затвором и истоком VЗИ. Исследование проводится для схемы, представленной на рис. 5.1. Используется транзистор с затвором на основе p–n-перехода и каналом n-типа 2N4393, который находится в библио-

20