Электроника. Виртуальные лабораторные работы. Методические указания

Рис. 11. Окно задания параметров DC-анализа построения входной характеристики биполярного транзистора при напряжении коллектор-эмиттер 0В

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 – входной ток базы транзистора ib(Q1), что обозначается как DCINPUT1. Поскольку диапазон изменения тока не очень большой, то график строится в линейном 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 базы транзистора Q1 в исследуемой схеме. Это указывается в колонке Y Expression таблицы. Напряжение на переходе ба- за-эмиттер изменяется слабо – логарифмически, 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 графика входной характеристики биполярного транзистора, похожий на рис. 12. 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.

41

Рис. 12. Входная характеристика биполярного транзистора при напряжении коллектор-эмиттер 0В

Для построения зависимостей входного тока базы биполярного транзистора от приложенного к переходу база-эмиттер напряжения при двух значениях напряжения коллектор-эмиттер необходимо выполнить DC анализ с пошаговым изменением величины напряжения источника смещения коллекторэмиттерного перехода. Для этого необходимо установить иные пределы изменения напряжения источника V1. Для перехода база-эмиттер задано изменение напряжения от 0.5В до 1.2В с шагом 1 мВ. Для источника напряжения V2 в Variable 2 задать Method с автоматическим выбором значений Auto и указать для источника смещения коллектор-эмиттерного перехода V2 значение Range в окне задания величин 10, 5, 5 что соответствует напряжению коллекторэмиттер 5В и 10В (шагом изменения 5В соответственно). Моделирование выполняется при одном значении температуры 27°С.

42

Рис. 13. Окно задания параметров DC-анализа для построения входной характеристики биполярного транзистора при напряжении коллектор-эмиттер 5 и 10В

После заполнения всех полей диалогового окна нажимается кнопка Run. Должен появиться график входной характеристики биполярного транзистора, похожий на рис. 14. 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.

43

Рис. 14. Входные характеристики биполярного транзистора с напряжением коллектор-эмиттер 5 и 10В

В отчете необходимо представить не только полученные результаты моделирования, но и привести анализ полученных зависимостей с указанием причин отличий во входных характеристиках.

1.2 Следующий график входной характеристики, при изменении температуры перехода транзистора строится аналогично, но только для напряжения коллектор-эмиттер 5В и при двух значениях температуры 27°С и 70°С. Эти данные вводятся в окно области задания температурных параметров Temperature в виде Method списка List и указания в окне Range 27,70. Напряжение на переходе база-эмиттер должно изменяться в пределах от 0.5В до 1.2 В.

Задание 2. Построение семейства выходных характеристик биполярного транзистора

Порядок выполнения.

2.1 Для построения семейства выходных характеристик биполярного транзистора необходимо воспользоваться файлов lab2_vih.cir. Схема для снятия выходных характеристик биполярного транзистора модели BC547C показана на рис. 15.

44

Рис. 15. Схема исследования выходной характеристики биполярного транзистора

Семейство выходных характеристик (зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер) строится в зависимости от входного базового тока, который задается в схеме генератором тока I1. Для питания транзистора используется источник напряжения V1. ток коллектора транзистора Q1 обозначен как ic. Напряжение источника V1 должно изменяться в допустимых для исследуемого транзистора (для BC547C максимальное напряжение коллекторэмиттер заявлено не более 50 В), поэтому предлагается ограничить диапазон изменения напряжения на коллекторе от 0В до 30 В, а шаг изменения для качественного построения зависимостей выбрать не очень большим, например, около 1-2В. Входной ток базы, для маломощных транзисторов с высоким коэффициентом усиления по току в схеме с общим эмиттером h21э, обычно не превышает нескольких десятков/сотен микроампер. Поэтому в Variable 2 ток генератора тока I1 достаточно изменять в пределах от 0 мкА до 250 мкА. Поскольку для наглядности необходимо получить семейство выходных характеристик, то необходимо выбрать такой шаг изменения входного базового тока (тока генератора I1), чтобы получить минимум пять-семь выходных характеристик в семействе. Возможный вариант настроек DC анализа показан на рис. 16.

Рис. 16. Окно задания параметров DC-анализа построения семейства выходных характеристик биполярного транзистора

45

Следует отметить, что рекомендации по заданию пределов изменений тока базы и напряжения на коллекторе в заданиях 1 и 2 справедливы только для исследуемого типа транзистора. При изменении модели и/или мощностных свойств транзистора пределы задания величин в исследовании необходимо выбирать в соответствии со справочными характеристиками транзистора. Ни при каких условиях не допускается превышение паспортных предельно допустимых величин, так как это неминуемо приведет к выходу транзистора из строя в реальной схеме.

Содержание отчета по лабораторной работе №2

По заданиям 1 и 2

1.Графики полученных ВАХ для заданной модели транзистора в линейном масштабе.

2.Объяснение полученных результатов.

3.Выводы по результатам проведенных исследований.

Контрольные вопросы

1.Какой из h-параметров биполярного транзистора характеризует действие встроенной цепи обратной связи? К чему приводит наличие этой встроенной цепи?

2.Изобразить схему измерения дифференциальной выходной проводимости биполярного транзистора структуры n-p-n. Пояснить методику проведения измерений и расчетов.

3.Пояснить причины снижения усилительных свойств биполярного транзистора с ростом частоты. Почему схема с общей базой и схема с общим эмиттером

различаются по способности реализовать частотные свойства транзистора?

4.Изобразить схему измерения h-параметров биполярного транзистора. Пояснить методику измерений и расчетов величин.

5.Почему биполярные транзисторы в схеме с общей базой имеют лучшие частотные свойства, чем в схеме с общим эмиттером?

6.Как определить выходное сопротивление транзистора для известного тока коллектора?

7.Почему биполярные транзисторы имеют ограниченные частотные свойства (снижается коэффициент усиления)?

8.Как определить входное сопротивление транзистора для известного тока базы?

9.Поясните причины смещения входной характеристики биполярного транзистора при ненулевом напряжении на переходе коллектор-эмиттер.

10.Пояснить характер зависимости входного сопротивления биполярного транзистора от входного тока в схеме с общим эмиттером.

46

Лабораторная работа 3 Построение вольтамперных характеристик полевого транзистора с изоля-

цией канала p-n-переходом и ознакомление с анализом схем по переменному току

Цель работы:

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

Задание 1. Построение проходной характеристики и семейства выходных характеристик полевого транзистора

Порядок выполнения:

1.1 Для упрощения выполнения лабораторной работы имеется готовый файл lab3_proh.cir. Схема для снятия входной характеристики биполярного транзистора модели 2N5518 показана на рис. 17.

Рис. 17. Схема исследования проходной характеристики полевого транзистора

В этом задании производится построение зависимости выходного тока (тока стока) полевого транзистора от смещения затвор-исток и определяется среднее значение крутизны проходной характеристики. Исследование выполняется при фиксированном напряжении сток-исток 20В (источник напряжения Vds). Смещение затвор-исток задается источником Vgs.

Для выполнения построения входных характеристик необходимо открыть файл lab3_proh.cir. Анализ DC включается через меню Analysis или по нажатию комбинации клавиш ALT-3. После его активизации появляется диалоговое окно задания параметров анализа (рис. 18). В этом задании будет одна независимая переменная – напряжение источника Vgs. 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 затвор-исток задано изменение напряжения генератора Vgs от 0В до -3В с шагом 0.1 В. 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 выво-

47

дятся графики. Моделирование выполняется при одном значении температуры

27°С.

Рис. 18. Окно задания параметров DC-анализа построения проходной характеристики полевого транзистора

Внизу окна – таблица параметров графиков. Числа в колонке Р показывают в каком порядке по вертикали выводятся графики. По оси Х откладывается выбранная нами переменная 1 – напряжение смещения затвор-исток Vgs(J1), что обозначается как DCINPUT1. Выводится только одна переменная – ток стока транзистора id (d – сокращение от англ. drain – сток), что указано в окне Y Expression как id(J1). Должен быть выбран автоматический способ масштабирования X и Y, поэтому необходимо установить Auto Scale Ranges. После заполнения всех полей диалогового окна нажимается кнопка Run. Должен появиться график проходной характеристики полевого транзистора. 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.

По полученному графику необходимо определить среднее значение крутизны проходной характеристики (другое название – характеристика прямой передачи).

1.2 Для построения семейства выходных характеристик полевого транзистора необходимо выполнить DC анализ с пошаговым изменением величины напряжения источника смещения перехода сток-исток. Для упрощения можно воспользоваться готовым файлом lab3_vih.cir.

Для исследования необходимо установить пределы изменения напряжения источника Vgs от 0В до 3В с шагом 0.1 В. Для источника напряжения Vds в Variable 2 задать Method с автоматическим выбором значений Auto и указать для источника смещения перехода сток-исток Vds значение Range в окне задания величин 25, 0, 0.1, что соответствует пределам изменения напряжения стокисток от 0В до 25В (шаг изменения 0.1В). Моделирование выполняется при од-

48

ном значении температуры 27°С. Пример окна задания DC анализа показан на рис. 19.

Рис. 19. Окно задания параметров DC-анализа для построения семейства выходных характеристик полевого транзистора

После заполнения всех полей диалогового окна нажимается кнопка Run. Должен появиться семейство выходных характеристик полевого транзистора. 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.

По полученным зависимостям нужно определить дифференциальное выходное сопротивление транзистора и дифференциальную выходную проводимость при токе стока около 0.5 мА.

В отчете необходимо представить не только полученные результаты моделирования, но и привести анализ полученных зависимостей с указанием причин отличий входных характеристик.

Задание 2. Ознакомление с методами анализа схем по переменному току Порядок выполнения.

2.1 Для исследования каскада на полевом транзисторе по переменному току необходимо воспользоваться файлов lab3_uk.cir. Схема для исследования показана на рис. 20. Схеме представляет собой каскад усиления на транзисторе J1 по схеме с общим истоком и автоматическим смещением затвора с помощью резистора в цепи истока R3. Затвор подтянут к общему проводу схемы для подачи смещения резистором R2. Нагрузкой транзистора по постоянному току выступает резистор R2, через который подается питание на сток транзистора. Нагрузкой каскада выступает резистор R4. Для подачи и снятия сигнала используется конденсаторная связь по входу С1, а по выходу С2. Роль источника сигнала выполняет генератор синусоидального напряжения V1. Питается каскад от источника Vds с постоянным напряжением 20 В.

49

Рис. 20. Схема усилительного каскада на полевом транзисторе с изоляцией канала p-n-переходом

Для построения амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик каскада нужно воспользоваться анализом по переменному току. В меню Analysis выбрать AC или нажать Alt+F2. Откроется окно задания параметров AC анализа, показанное на рис. 21.

Рис. 21. Окно задания параметров AC-анализа каскада для построения ампли- тудно-частотной и фазо-частотной характеристик

В окне Frequency Range задаются пределы анализа по частоте. В нашем случае ограничимся диапазоном частот от 10 Гц до 100 МГц, для чего в окне Frequency Range запишем 1E8, 10, так как в MicroCap сначала указывается верхнее значение, а затем через запятую нижнее. Для качественного расчета нужно выбрать достаточно точек. Предлагается брать Number of Points не менее 200-500 чтобы график частотных характеристик не имел изломов. Температуру исследования Temperature можно оставить комнатную 27°С.

Вывод графиков задается аналогично настройкам DC анализа, поэтому подробно останавливаться на этих настройках не будем. По оси X необходимо установить переменную F – частота. Поскольку графика частотных характери-

50