Электроника. Виртуальные лабораторные работы. Методические указания

схемного редактора по сравнению с большинством других, где сначала надо разместить компоненты, а уже потом их соединять, здесь линии могут проводиться даже без наличия других элементов.

1.7После того, как проводники подключены к компоненту, он может перемещаться по рабочему полю проекта (листу схемы) двумя способами. Если нажата кнопка Rabberbending (активизирован режим «резинка»), то при перемещении компонента провода тянутся за ним не отрываясь. Если она не нажата (режим не активизирован), то компонент перемещается один, а провода остаются на месте. Вид этой кнопки или зависит от версии пакета. Режим «резинка» можно также активизировать комбинацией клавиш CTRL-Shift-R.

1.8Для нанесения текста на лист схемы, а также для присвоения имен узлам (проводникам) схемы следует нажать кнопку меню с буквой Т, кликнуть курсором на точку, где должен быть текст, ввести его в поле ввода, отредактировать (изменить шрифт, размер, цвет текста) при необходимости и нажать ОК.

1.9Пользуясь приведенными указаниями по работе со схемным редактором, создайте схему, приведенную на рис. 1. Кнопки для помещения в схему источника напряжения VD и диода D1 есть в строке горизонтального («кнопочного») меню. Можно воспользоваться выпадающим меню: Component – Analog Primitives – Waveform Sources – Current Source; Component – Analog Primitives – Passive Components – Diode. Узлу подключения анода диода присвоено имя Vin.

Вменю, которое связано с источником тока (появляется, если кликнуть по нему), задана величина тока, используемая в режиме анализа по постоянному току (DC Analysis), равная 1 мА. Это значение не критично и может выбираться произвольно, поскольку в процессе моделирования ток будет изменяться. В качестве модели диода во время аудиторного выполнения работы, когда все студенты моделируют одинаковые схемы, выбирается модель 1N914. Это очень широко распространенный диод, модель которого присутствует в большинстве версий Micro-CAP и других программ моделирования.

Рис. 1. Схема для снятия ВАХ диода в прямом включении

Задание 2. Построение ВАХ диода в прямом включении Порядок выполнения:

2.1 Для упрощения выполнения лабораторной работы имеется готовый файл lab1_diod.cir.

31

Во всех программах моделирования (симуляции) электронных схем наряду с прочими обязательно имеется три основных вида анализа. Это анализ по постоянному току (DC), в котором моделируются различные взаимные зависимости токов, напряжений, их производных и т.п.; анализ переходных процессов (Transient), в котором моделируются зависимости различных величин от времени, а также малосигнальный анализ по переменному току (АС), в котором моделируются зависимости различных параметров от частоты, находятся коэффициенты передачи, входные и выходные импедансы схем. Анализ переходных процессов используется также для нахождения рабочей точки (Operational Point) элементов. Кроме того, на основании данных этого анализа выполняется Фурье-анализ сигналов, определяются их спектральные характеристики. При малосигнальном анализе все элементы описываются своими упрощенными линейными моделями, параметры которых определяются вблизи рабочих точек, которые в свою очередь, определяются с помощью других видов анализа. В этом задании производится построение зависимости тока через прямосмещенный p-n-переход диода от напряжения на переходе, исследование температурной зависимости этой ВАХ и построение зависимости дифференциального сопротивления диода от величины напряжения на переходе.

2.2 Анализ DC включается через меню Analysis или по нажатию комбинации клавиш ALT-3. После его активизации появляется диалоговое окно задания параметров анализа (рис. 2). Можно строить зависимости от двух переменных (параметрические семейства). Есть две строки окон для задания параметров переменных: Variable 1 и Variable 2. В этом задании будет одна независимая переменная – напряжение источника V1. Имя источника выбирается из списка в окне Name. Диапазон изменения напряжения задается в следующем окне Range в формате: максимальное значение, минимальное значение, шаг изменения. В этом примере задано изменение напряжения от 0 В до 1 В с шагом 5 мВ. Температура анализа 27°С. Масштабирование графика автоматическое – поставлена метка в окошко Auto Scale Ranges. Внизу окна – таблица параметров графиков. Числа в колонке Р показывают в каком порядке по вертикали выводятся графики. Если в этом поле нет числа, как во второй строке таблицы, то график не выводится на экран. Если в нескольких строках одинаковые числа в этой колонке, то все соответствующие им кривые выводятся на одном графике.

32

Рис. 2. Окно задания параметров построения ВАХ диода

Внизу окна – таблица параметров графиков. Числа в колонке Р показывают в каком порядке по вертикали выводятся графики. Если в этом поле нет числа, как во второй строке таблицы, то график не выводится на экран. Если в нескольких строках одинаковые числа в этой колонке, то все соответствующие им кривые выводятся на одном графике. По оси Х откладывается выбранная нами переменная 1 – напряжение источника V1, что обозначается как DCINPUT1. Поскольку диапазон изменения тока очень большой, то график строится в логарифмическом масштабе по оси Х. Для этого нажимается левая кнопка в строке (показана синим). Правее ее кнопка для задания формата масштаба по оси Y. По оси Y откладывается ток через переход диода i(d1). Это указывается в колонке Y Expression таблицы. Напряжение на диоде изменяется слабо, поэтому масштаб линейный. Еще правее кнопка выбора цвета графика. Пользовательские масштабы по осям задаются в правых колонках таблицы: X Range и Y Range. Был выбран автоматический способ масштабирования, поэтому эти поля не заполняются, числа туда вводятся автоматически. После заполнения всех полей диалогового окна нажимается кнопка Run. Должен появиться график ВАХ диода, похожий на рис. 3. Возврат из окна графика в окно задания параметров анализа (при любом виде анализа) – по нажатию F9. Возврат из окна графика в окно схемного редактора – по нажатию F3.

33

Рис. 3. ВАХ диода в прямом включении

2.3 Следующий график ВАХ (рис. 4) строится аналогично, но в меньшем диапазоне изменения напряжения источника (от 0 В до 1 В с шагом 50 мВ), поэтому масштабы по обеим осям линейные. Главное отличие от предыдущего графика в том, что ВАХ диода строится для 3-х значений температуры (-30°С, 27°С, 70°С). Эти данные вводятся в окно области задания температурных параметров в виде списка (List). Масштабы графиков задаются не автоматически (убирается метка из окна Auto Scale Ranges), а вручную вводятся в окна X Range и Y Range, как показано на рис. 4.

34

Рис. 4. Окно задания параметров построения ВАХ диода при 3-х значениях температуры 27, 70, -30 градусов Цельсия

2.4 Следующий график (рис.6) показывает зависимость дифференциального сопротивления диода, то есть dVD/dID от величины тока через диод. Для нахождения производной используется встроенная функция DD(x), где х – переменная, изменяющаяся по оси Х. Список встроенных функций можно увидеть, если кликнуть на заголовок колонки Y Expression. Настройки анализа показаны на рис. 5.

Рис. 5. Окно задания параметров построения зависимости дифференциального сопротивления диода от приложенного напряжения в прямом направлении

Диапазон напряжений, используемый в расчетах графиков, выбран от 0 В до 1В, но для вычисления производной диапазон переменной и лучшей информативности представления результата можно установить более узкий от 0,45 В до 0,95 В. При этом галочка Auto scale ranges должна быть неактивна, так как в

35

противном случае программа масштаб выберет автоматически, в соответствии с настройками DC анализа.

Рис. 6. Зависимость дифференциального сопротивления диода от приложенного к нему напряжения в прямом направлении

Задание 3. Построение ВАХ диода в обратном включении Порядок выполнения:

3.1 Для упрощения выполнения лабораторной работы имеется готовый файл lab1_zener.cir. Схема для исследования обратной ветви ВАХ диода показана на рис. 7. В этом случае анализируется зависимость тока через диод от величины приложенного напряжения обратной полярности, запирающего диод до наступления пробоя (лавинного или туннельного). На схеме под обозначением V1 показан универсальный источник напряжения, который может использоваться во всех видах анализа: как генератор импульсных сигналов различной формы, генератор малого переменного сигнала для АС анализа, а также как независимый источник при анализе по постоянному току.

36

Рис. 7. Схема для снятия ВАХ диода в обратном включении

3.2 Вид диалогового окна при снятии обратной ветви ВАХ диода показан на рис. 8. Поскольку напряжение прикладывается в обратном направлении, то и ток через диод протекает при пробое в обратном направлении, об этом указывает знак «-» перед выражением i(d1) при построении графика. Предварительно проводится моделирование в широком диапазоне изменения напряжения с увеличенным шагом (чтобы ограничить объем запоминаемой информации) для приближенной оценки напряжения пробоя (в интервален от 100 до 101 В), так как в данном случае оно составляет не менее 100 В (справочное значение для диода типа 1N914). Это значение достаточно условно и зависит от величины тока, при котором измеряется напряжение пробоя. Напряжение пробоя и ток, при котором оно измеряется, являются параметрами SPICE модели диода. Напряжение пробоя также зависит от температуры, поэтому анализ проводится при 3-х ее значениях. После предварительного анализа проводится детальное исследование ВАХ в окрестности напряжения пробоя с малым шагом моделирования (рис. 9).

Рис. 8. Окно задания параметров для снятия обратной ветви ВАХ диода

37

3.3 Вид полученных диаграмм показан на рис. 9. Наклон ВАХ в области пробоя характеризуется дифференциальным сопротивлением. В этом задании используется другой метод его определения. Сначала следует перейти в курсорный режим, нажав кнопку или в зависимости от версии программы. Затем, двигая один из курсоров левой, а другой курсор правой клавишей мыши, надо разместить их на линейном участке ВАХ на некотором расстоянии друг от друга, как показано на рис. 8. Внизу под графиком появится информация о координатах обоих курсоров, о разности координат, а также о наклоне кривой между ними (Slope). Этот наклон в данном случае и характеризует производную dI/dV, то есть величину дифференциальной проводимости. Она составляет, как можно видеть, примерно 200-300 мСм (mS). В англоязычной литературе наряду с обозначением S встречаются также нестандартные обозначения: mhO, Ω-1. Обратная величина есть дифференциальное сопротивление. Оно составляет примерно 4 Ом. Для перемещения между кривыми на графике в курсорном режиме используются кнопки клавиатуры со стрелками «вверх» и «вниз». Активная кривая выделяется серым цветом, а значение соответствующего ей параметра графика отображается в его заголовке. В данном случае это ВАХ при температуре

27°С.

Рис. 9. ВАХ диода в области лавинного пробоя

38

Содержание отчета по лабораторной работе №1

По заданиям 2 и 3

1.Графики ВАХ для заданной модели диода в линейном масштабе.

2.Параметры аналитического выражения прямой ветви ВАХ диода, включая оценку величины коэффициента, характеризующего неидеальность p-n перехода.

3.Температурный коэффициент напряжения на прямо-смещенном p-n переходе диода.

4.Величина дифференциального сопротивления диода при напряжении

0,9В.

5.Напряжение лавинного или туннельного (Зенеровского) пробоя диода при выбранной величине начального тока пробоя.

6.Температурный коэффициент напряжения пробоя.

7.Дифференциальное сопротивление диода в области пробоя.

Контрольные вопросы

1.Электронно-дырочный переход при прямом и обратном напряжении.

2.Температурные свойства диода. Влияние температуры на ВАХ диода.

3.Уровни энергии. Виды электропроводности.

4.Основные параметры полупроводниковых диодов. Виды диодов и их назначение.

5.Рабочий режим диода.

6.Изобразить схему измерения дифференциального сопротивления диода. Пояснить методику измерений и расчетов.

7.Применение полупроводникового p-n-перехода в режиме Зенеровского пробоя.

8.Чем ограничивается допустимое обратное и прямое напряжение на переходе?

9.Основные типы полупроводниковых диодов.

10.Изобразить схему выпрямителя на полупроводниковом диоде. Пояснить процесс выпрямления тока. Объяснить необходимость применения сглаживающего конденсатора на выходе схемы выпрямителя.

11.Изобразить схему параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне (диоде Зенера). Пояснить механизм поддержания постоянной величины выходного напряжения.

39

Лабораторная работа 2 Построение вольтамперных характеристик биполярного транзистора

Цель работы:

- освоение анализа по постоянному току и построение вольтамперных характеристик (ВАХ) биполярного транзистора.

Задание 1. Построение входной характеристики биполярного транзистора Порядок выполнения:

1.1 Для упрощения выполнения лабораторной работы имеется готовый файл lab2_vh.cir. Схема для снятия входной характеристики биполярного транзистора модели BC547C показана на рис. 10.

Рис. 10. Схема исследования входной характеристики биполярного транзистора

В этом задании производится построение зависимости входного тока базы прямо-смещенного p-n-перехода база-эмиттер биполярного транзистора при трех величинах напряжения коллектор-эмиттер 0В, 5В и 10В (источник напряжения V2).

Для выполнения построения входных характеристик необходимо открыть файл lab2_vh.cir. Анализ DC включается через меню Analysis или по нажатию комбинации клавиш ALT-3. После его активизации появляется диалоговое окно задания параметров анализа (рис. 10). Можно строить зависимости от двух переменных (параметрические семейства). Есть две строки окон для задания параметров переменных: Variable 1 и Variable 2. В этом задании будет одна независимая переменная – напряжение источника V1. Имя источника выбирается из списка в окне Name. Диапазон изменения напряжения задается в следующем окне Range в формате: максимальное значение, минимальное значение, шаг изменения. Для перехода база-эмиттер задано изменение напряжения генератора V1 от 0.5В до 0.7В с шагом 1 мВ. Масштабирование графика автоматическое – поставлена метка в окошко Auto Scale Ranges. Внизу окна – таблица параметров графиков. Числа в колонке Р показывают в каком порядке по вертикали выводятся графики. Если в этом поле нет числа, как во второй строке таблицы, то график не выводится на экран. Если в нескольких строках одинаковые числа в этой колонке, то все соответствующие им кривые выводятся на одном графике. Моделирование выполняется при одном значении температуры 27°С.

40