Электроника. Виртуальные лабораторные работы. Методические указания
.pdfстик часто строятся в логарифмическом масштабе, то для удобства отображения графиков по оси X выбирается логарифмический масштаб. По оси Y первого графика 1 для построения амплитудно-частотной характеристики задается выражение dB(v(vout)). Vout в схеме обозначен выходной узел, а v(…) указывает на то, что мы выводим напряжение в этом узле. Оператор dB(…) указывает на математическое преобразование над выводимой величиной – в данном случае перевод в децибелы. По оси Y во втором графике 2 выводится фазочастотная характеристика ph(v(vout)), поэтому указан оператор ph(…).После заполнения всех полей диалогового окна нажимается кнопка Run. Должен появиться графики частотных характеристик каскада на полевом транзистор. 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 необходимо определить верхнюю граничную частоту и фазовые искажения каскада по условию спада коэффициента усиления относительно области средних частот на 3 дБ.
Содержание отчета по лабораторной работе №3
По заданиям 1 и 2
1.Графики полученных ВАХ для заданной модели.
2.Частотные характеристики усилительного каскада на полевом транзисторе с изоляцией канала p-n-переходом.
3.Объяснение полученных результатов.
4.Выводы по результатам проведенных исследований.
Контрольные вопросы
1.Изменится ли крутизна полевого транзистора при изменении тока стока?
2.В чем преимущества полевых транзисторов перед биполярными?
3. Пояснить причины снижения усиления каскада на полевом транзисторе в области высоких частот.
4. Почему полевые транзисторы предпочтительны для построения малошумящих усилителей и усилителей диапазона высоких частот?
5. Изобразить схему включения с общим истоком, полевого транзистора с изоляцией канала p-n-переходом и каналом p-типа. Пояснить назначение резисторов в схеме.
6. Как определить крутизну характеристики прямой передачи полевого транзистора?
7. Пояснить принцип работы полевого транзистора с изоляцией канала p-n- переходом.
8. Зависит ли крутизна характеристики прямой передачи полевого транзистора от тока стока? Чем определяется ток затвора полевого транзистора?
9. Почему полевые транзисторы имеют ограниченные частотные свойства (снижается коэффициент усиления)?
10. Как определить выходное сопротивление транзистора для известного тока стока?
51
11. Почему полевые транзисторы в схеме с общим затвором имеют лучшие частотные свойства, чем в схеме с общим истоком?
12. Как определить входное сопротивление полевого транзистора? Зависит ли оно от температуры?
13. Какой из S-параметров полевого транзистора характеризует проходную проводимость? Какие свойства транзистора она определяет?
14. Изобразить схему измерения дифференциальной выходной проводимости полевого транзистора с каналом p-типа. Пояснить методику проведения измерений и расчетов.
15. Поясните причины роста тока стока при увеличении температуры перехода полевого транзистора.
16. Изобразить схему измерения крутизны характеристики прямой передачи полевого транзистора с каналом n-типа. Пояснить методику проведения измерений и расчетов.
17. Поясните причины роста тока утечки затвора при увеличении температуры перехода полевого транзистора.
52
Лабораторная работа 4 Построение вольтамперных характеристик полевого транзистора с изоли-
рованным затвором и индуцированным каналом. Анализ работы схемы на транзисторе в ключевом режиме
Цель работы:
- построение вольтамперных характеристик (ВАХ) полевого транзистора и освоение методов анализа временных характеристик схемы на транзисторе в ключевом режиме.
Задание 1. Построение проходной характеристики и семейства выходных характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом
Порядок выполнения:
1.1 Для упрощения выполнения лабораторной работы имеется готовый файл lab4_proh.cir. Схема для снятия входной характеристики биполярного транзистора модели IRF820 показана на рис. 22.
Рис. 22. Схема исследования проходной характеристики полевого транзистора в изолированным затвором и индуцированным каналом
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 600В (источник напряжения Vds). Смещение затвор-исток задается источником Vgs.
Для выполнения построения входных характеристик необходимо открыть файл lab4_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. 23). 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 3.6В до 4.7В 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-
53
дятся графики. Моделирование выполняется при двух значениях температуры
27 и 70°С.
Рис. 23. 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(VT1). 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) для двух значений температуры в окрестности термостабильной точки (месте пересечения двух характеристик при ненулевом токе стока).
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 lab4_vih.cir.
Для источника напряжения Vds в Variable 1 задать Method с автоматическим выбором значений Auto и указать для источника смещения перехода стокисток Vds значение Range в окне задания величин 100, 0, 0.1, что соответствует пределам изменения напряжения сток-исток от 0В до 100В (шаг изменения 0.1В). Для исследования необходимо в Variable 2 задать Method Linear установить пределы изменения напряжения источника Vgs от 3.6В до 4.6В с шагом 0.1
54
В. Моделирование выполняется сначала при одном значении температуры 27°С, а затем исследование повторяется для температуры 70°С (окно Range в разделе Temperature). Пример окна задания DC анализа для температуры 27°С показан на рис. 24.
Рис. 24. Окно задания параметров DC-анализа для построения семейства выходных характеристик полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом для температуры 27°С
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 0.15 А.
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 lab4_key.cir. Схема для исследования показана на рис. 25. Схеме представляет собой каскад усиления на транзисторе VT1 по схеме с общим. Затвор подтянут к общему проводу схемы резистором R2 10 кОм. Нагрузкой транзистора по постоянному току выступает резистор R3 400 Ом, через который подается питание на сток транзистора. Нагрузкой каскада выступает резистор R4. Для подачи и снятия сигнала используется гальваническая связь через эквивалент выходного сопротивления источника импульсно-
55
го сигнала R1 100 Ом, а по выходу подключена нагрузка R4 2 кОм. Роль источника сигнала выполняет генератор импульсного напряжения V1. Питается каскад от источника Vds напряжением 600 В.
Рис. 25. Схема ключевого каскада на полевом транзисторе с изолированным затвором и индуцированным каналом
Для построения переходной характеристики каскада нужно воспользоваться временным анализом. В меню Analysis выбрать Transient или нажать Alt+F1. Откроется окно задания параметров Transient анализа, показанное на рис. 26.
Рис. 26. Окно задания параметров Transient анализа каскада для построения переходной характеристики каскада
В окне Time Range задаются пределы анализа по времени. В нашем случае ограничимся диапазоном 100 мкс, для чего в окне Time Range запишем 100us. 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 T – время. Поскольку график переходной характеристики строится в линейном масштабе, то по оси X выбирается линейный масштаб. По оси Y первого графика 1 для построения переходной характеристики
56
задается выражение -v(vout). Vout в схеме обозначен выходной узел, а v(…) указывает на то, что мы выводим напряжение в этом узле. Знак «-» позволяет инвертировать осциллограмму выходного напряжения. После заполнения всех полей диалогового окна нажимается кнопка Run. Должен появиться график переходной характеристики каскада на полевом транзисторе. 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 полученной зависимости необходимо определить время установления импульса (время изменения уровня выходного сигнала от 0,1 до 0,9 от установившегося значения) и пояснить причину различных искажений фронта и спада.
Содержание отчета по лабораторной работе №4
По заданиям 1 и 2
1.Графики полученных ВАХ для заданной модели.
2.Переходная характеристика усилительного каскада на полевом транзисторе с изолированным затвором и индуцированным каналом.
3.Объяснение полученных результатов.
5. Выводы по результатам проведенных исследований.
Контрольные вопросы
1.Изобразить схему включения с общим истоком полевого транзистора МДПструктуры со встроенным каналом n-типа. Пояснить назначение элементов схемы.
2.В чем преимущества МПД-транзисторов перед полевыми транзисторами других структур?
3.Пояснить причины снижения усиления каскада на полевом транзисторе МДП-структуры в области высоких частот.
4.Почему полевые МДП транзисторы предпочтительны для построения мощных ключевых схем?
5.Изобразить схему включения с общим стоком полевого транзистора МДПструктуры со встроенным каналом n-типа. Пояснить назначение элементов схемы.
6.Поясните, по каким критериям структуры МДП принято считать комплиментарными? Где применяются КМДП структуры?
7.Пояснить принцип работы полевого транзистора МДП структуры с индуцированным каналом. Чем обусловлено конечное время переключение транзистора и ограниченность частотных свойств?
8.Зависит ли крутизна характеристики прямой передачи полевого транзистора МДП от тока стока? Чем определяется ток затвора полевого транзистора?
9.Почему полевые транзисторы МДП имеют ограниченные частотные свойства (снижается коэффициент усиления с ростом частоты)?
10.Как определить выходное сопротивление МДП-транзистора для известного тока стока?
57
11. Пояснить принцип работы полевого транзистора МДП структуры и встроенным каналом.
12. Чем определяется входное сопротивление (входная проводимость) МДПтранзистора? Зависит ли от температуры перехода?
13. Какой из S-параметров полевого транзистора МДП характеризует проходную проводимость? Какие свойства транзистора она определяет?
14. Изобразить схему измерения дифференциальной выходной проводимости полевого транзистора МДП со встроенным каналом p-типа. Пояснить методику проведения измерений и расчетов.
15. Изобразить схему включения с общим стоком, полевого транзистора МДП структуры и индуцированным каналом р-типа. Пояснить назначение элементов в схеме.
16. Почему полевые МДП-транзисторы предпочтительны для построения современных импульсных сетевых (силовых) источников питания?
17. Поясните причины роста тока стока МДП транзистора при увеличении температуры перехода полевого транзистора.
18. Изобразить схему измерения крутизны характеристики прямой передачи полевого транзистора МДП с каналом n-типа. Пояснить методику проведения измерений и расчетов.
19. Поясните причины роста тока утечки затвора при увеличении температуры перехода полевого транзистора.
58
Литература
1.Джонс М.; Воронов Е.В., Ларин А.Л. Электроника – практический курс (пер. с англ.). – Изд. 2-е, испр. – М. : Техносфера, 2013. – 510 с. : ил., табл.
– (Мир электроники).
2.Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. –
М.: Энергия, 1977. – 672 с. : ил., табл.
3.Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники (пер. с англ.). – М. : Бином, 2021. – 704 с. : ил., табл.
59
Учебное издание
Максим Сергеевич Шушнов
Электроника Виртуальные лабораторные работы
Методические указания
Редактор А.С. Белезекова Корректор И.Л. Гончарова
Подписано в печать 15.03.2022, заказ № 136 п. л. 3,7, 60 стр., электронная версия – 995 Кб
Отдел рекламы и PR СибГУТИ
630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86, офис 105 тел. (383) 269-83-56
60