Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника. Моделирование вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов. Практикум
.pdf
ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Л. Н. Юсупов
СХЕМОТЕХНИКА.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Практикум
Вузовское образование
Саратов • 2020
УДК 621.3
ББК 32.85
Ю91
Автор:
Юсупов Л. Н. ― канд. техн. наук, доц., доц. кафедры
«Радиоэлектроника и информационные технологии»
ФГБОУ ВО «ГМУ имени адмирала Ф. Ф. Ушакова»
Рецензент:
Бузенков И. И. ― канд. техн. наук, доц., доц. кафедры
«Радиоэлектроника и информационные технологии»
ФГБОУ ВО «ГМУ имени адмирала Ф. Ф. Ушакова»
Юсупов, Л. Н.
Ю91 Схемотехника. Моделирование вольт-амперных характеристик биполярных
транзисторов : практикум / Л. Н. Юсупов. — Саратов : Вузовское образование,
2020. — 50 с. — (Высшее образование). — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4487-0734-6
В практикуме рассматриваются разные варианты моделирования биполяр-
ных транзисторов и получения их вольт-амперных характеристик в программной среде Multisim.
Подготовлен в соответствии с требованиями Федерального государствен-
ного стандарта высшего образования.
Практикум предназначен для студентов, изучающих дисциплины «Схемо-
техника», «Электротехника и электроника» направления подготовки
25.05.03 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования», а
также может применяться при изучении других дисциплин, связанных с исследованием как отдельных радиоэлементов, так и схем на их основе. Кроме того,
излагаемый материал будет полезен при выполнении расчетных заданий и при
курсовом проектировании различных устройств на транзисторах. Практикум
может быть использован в режиме дистанционного обучения.
Издание может быть полезно не только студентам, но и преподавателям,
планирующим и ведущим занятия по схемотехнике.
Учебное электронное издание
© Юсупов Л. Н., 2020
© Оригинал-макет, оформление.
ООО «Вузовское образование», 2020
Редактор М.В. Половникова
Технический редактор, компьютерная верстка А.В. Неверова
Корректор И.О. Игнатьева
Обложка С.С. Сизиумовой
Для создания электронного издания использовано:
Приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader,
разработанное на основе Adobe Air
Подписано к использованию 15.07.2020. Объем данных 3 Мб.
Издание представлено в электронно-библиотечных системах
IPR BOOKS (www.iprbookshop.ru),
Библиокомплектатор (www.bibliocomplectator.ru)
Бесплатный звонок по России: 8-800-555-22-35
Тел.: 8 (8452) 24-77-97, 8 (8452) 24-77-96
Отдел продаж и внедрения ЭБС:
доб. 206, 213, 144, 145
E-mail: sales@iprmedia.ru
Отдел комплектования ЭБС:
доб. 224, 227, 208
E-mail: mail@iprbookshop.ru
По вопросам приобретения издания обращаться:
доб. 208, 201, 222, 224
E-mail: izdat@iprmedia.ru, author@iprmedia.ru
4
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................. 5
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ........................... 7
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
ИНТЕРАКТИВНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ............................... 11
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.
МОДЕЛИРОВАНИЕ В РЕЖИМЕ DC SWEEP ........................ 23
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.
МОДЕЛИРОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ
ХАРАКТЕРИОГРАФА ............................................................... 31
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.
МОДЕЛИРОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ
ПРИБОРОВ LABVIEW .............................................................. 39
ЛИТЕРАТУРА ............................................................................. 49
ПРИЛОЖЕНИЕ ........................................................................... 50
5
ВВЕДЕНИЕ
Развитие цифровизации всех сфер деятельности человека требует внедрения специальной электронной техники, построенной на микросхемах, микроконтроллерах, элементах вычислительной техники. Основу этих схем составляют транзисторы, которые находят применение и как отдельные составные части цифровой и аналоговой техники в качестве, например, усилителей тока,
напряжения или мощности, устройств автоматики, систем контроля и защиты.
В этой связи целесообразно в процесс обучения студентов включить основы
полупроводниковой техники, базирующейся на транзисторах.
В процессе выполнения работ студент приобретает:
1) знания:
– обозначения разных типов транзисторов;
– методы и средства измерения характеристик транзисторов;
– основные принципы работы аналоговой схемотехники;
– технические и эксплуатационные характеристики биполярных транзисторов;
– математические модели описания работы транзисторов;
– основы применения вычислительной техники и средств моделирования
при разработке и эксплуатации радиоэлектронных схем;
2) умения:
– проводить инженерный расчет основных параметров транзисторов и
каскадов на основе результатов моделирования;
– анализировать работу транзисторов в разных электрических режимах;
– выявлять неисправности транзистора;
– грамотно применять средства моделирования при проектировании, производстве и эксплуатации радиоэлектронных устройств;
3) навыки владения:
– методами измерения технических характеристик и параметров биполярных транзисторов;
– вычислительной техникой и прикладными программами, используемыми в деятельности радиоинженера;
– проведением экспериментальных исследований работы и измерения характеристик транзисторов;
– использованием литературных и справочных источников;
6
– использованием компьютерных технологий в задачах проектирования и
эксплуатации радиоэлектронных схем, оформлении отчетной документации
при проектировании.
К настоящему времени в мире существует огромное количество производителей транзисторов, каждый из которых сопровождает их справочной ин-
формацией. Эта информация от производителя к производителю отличается как
по содержанию, так и по номенклатуре. Более того, характеристики и парамет-
ры импортных и отечественных элементов ориентируются на свои, традиционно принятые позиции публикуемых справочных данных, и они неодинаковы.
Например, типовой расчет усилительного каскада на транзисторе включает в
себя построение нагрузочных линий по постоянному и переменному току, а это
требует знания входных и выходных характеристик. В очень ограниченном количестве можно найти эти характеристики для отечественных транзисторов.
Справочная информация на импортные транзисторы таких характеристик в явном виде не содержит, хотя их можно определить путем пересчета и построения через те характеристики и параметры, которые приведены. Процесс этот
весьма трудоемкий и требует от студента определенных знаний и времени.
Проблему во многом решает использование компьютерных систем моде-
лирования радиоэлементов и схем на их основе, как, например, Multisim. Целью
предлагаемого издания является попытка собрать разрозненный материал по
компьютерному моделированию вольт-амперных характеристик биполярных
транзисторов и показать студентам разные варианты получения этих характе-
ристик с применением программных средств Multisim.
7
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Для описания свойств транзисторных схем используют семейства вольт-
амперных характеристик (ВАХ), которые представляют собой зависимость одной физической величины от другой при неизменной третьей величине. Полученные ВАХ используют для расчета цепей смещения и стабилизации режимов
работы, расчета нагрузочных линий по постоянному и переменному току, расчета конечных состояний ключевых схем (режимов отсечки и насыщения).
Наиболее часто используют два вида характеристик: входные и выходные.
Входной характеристикой транзистора называют зависимость входного
тока IВХ от входного напряжения UВХ при неизменном выходном напряжении
U
, т. е. зависимость вида IВХ(UВХ) при U
ВЫХ
Выходной характеристикой называется зависимость тока на выходе
= const.
ВЫХ
транзистора от выходного напряжения, I
ВЫХ
(U
) при постоянном токе на
ВЫХ
входе транзистора, т. е. IВХ = const.
Обе характеристики определяют в отсутствии переменного входного
напряжения, поэтому их называют также статическими вольт-амперными характеристиками транзистора. Входные и выходные характеристики транзистора
могут быть приведены в справочниках транзисторов, хотя далеко не на все ти-
пы транзисторов.
Вид характеристик зависит от схемы включения транзистора:
‒ с общей базой (ОБ);
‒ с общим эмиттером (ОЭ);
‒ с общим коллектором (ОК).
Для схем с ОЭ и ОК виды характеристик практически одинаковы. Поэтому в
основном различают два вида характеристик: для схем с ОБ и ОЭ. Чаще на
практике используется схема с общим эмиттером. Как пример, на рис. 1 показаны входные и выходные цепи транзистора типа p-n-p, включенного по схеме с ОЭ.
Рис. 1. Входные и выходные цепи транзистора
На рис. 2 показаны типовые входные характеристики транзистора при
разных коллекторных напряжениях.
8
Рис. 2. Входные характеристики транзистора
При напряжении UКЭ = 0 оба перехода транзистора включены в прямом
направлении и входная ВАХ ничем не отличается от характеристики полупроводникового диода, смещенного в прямом направлении. При подаче положительного коллекторного напряжения (UКЭ > 0) характеристика смещается вправо, так как основная часть эмиттерного тока идет в коллектор и ток базы становится существенно меньше. В цепи база-коллектор появляется обратный ток
коллекторного перехода IК0, направленный навстречу току IБ. Для компенсации
этого тока в цепи базы нужно создать ток IБ > IК0. Отдельные характеристики
семейства располагаются близко друг к другу, поэтому на практике пользуются
одной входной характеристикой, полученной, чаще всего, при значении напряжения Uкэ ≈ 5 … 15 В.
Выходными характеристиками транзистора для схемы с ОЭ называют
зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером
при нескольких неизменных значениях тока базы: IК(UКЭ) при IБ = const (рис. 3).
Рис. 3. Выходные характеристики транзистора для схемы с ОЭ
Все характеристики выходят из начала координат, так как при напряжении UКЭ = 0 коллекторный ток IК = 0.
9
На большей части выходных характеристик ток коллектора почти не зависит от напряжения UКЭ. Это объясняется тем, что электрическое поле, создаваемое напряжением UКЭ, практически полностью прикладывается к коллек-
торному переходу как к участку, имеющему наибольшее сопротивление.
На семействе выходных ВАХ можно выделить четыре области (рис. 3):
– I ― насыщения;
– II ― отсечки;
– III ― линейного усиления;
– IV ― запредельных режимов.
Начальный, круто восходящий участок каждой характеристики является
нерабочим. На рабочем участке, который практически горизонтален, наблюдается слабая зависимость коллекторного тока IК от напряжения UКЭ, т. е. транзи-
стор выполняет функции стабилизатора тока. В целом с увеличением тока базы
IБ наклон характеристик незначительно меняется.
Линия критического режима отделяет область активного режима от области насыщения (соединяет точки перегиба отдельных характеристик). Эти точки соответствуют выходу характеристики на горизонтальный участок. Точка
пересечения линии критического режима с самой верхней характеристикой
определяет значение напряжения насыщения U
КЭ НАС
. Это напряжение, которое
падает между коллектором и эмиттером, если транзистор полностью открыт и
для транзисторов с большой мощностью оно не превышает (1 …1,5) В, а для
маломощных это напряжение меньше и составляет (0,1 … 0,3) В. Иногда тран-
зистор в режиме насыщения называют моделью, когда «транзистор стянут в
точку». Остальная область называется областью активного режима.
Режим работы транзистора ограничивается его электрическими пара-
метрами:
– максимально допустимым напряжением между базой и эмиттером
U
;
БЭ max
– максимально допустимым током базы I
– максимально допустимым током коллектора I
Б max
;
;
К max
– максимально допустимым напряжением между коллектором и эмиттером U
;
КЭ max
– максимальной мощностью, рассеиваемой транзистором, P
max
.
Эти параметры приведены в справочной литературе по транзисторам и
превышать их недопустимо!
На практике встречаются ситуации, когда отсутствуют сведения о максимальном напряжении между базой и эмиттером и о максимальном токе базы. В
этом случае недостающие параметры можно рассчитать по известной связи
между током коллектора и током базы:
10
БЭ21
IhI
К
,
Э21
h
где
― статический коэффициент передачи тока базы (в Multisim его назы-
вают идеальным максимальным коэффициентом усиления тока в схеме с ОЭ и
обозначают BF).
Наглядно рабочая область параметров транзистора показана на рис. 4 и
ограничена пунктирными линиями.
Рис. 4. Рабочая область параметров транзистора
Помимо рассмотренных ВАХ, существуют семейства характеристик, которые связывают напряжения и токи на выходе с токами и напряжениями на
входе. Они называются характеристиками передачи, или управляющими ха-
рактеристиками. В качестве примера можно привести управляющую харак-
теристику по току транзистора (коэффициент передачи тока), связывающую токи на входе и выходе транзистора при постоянном напряжении питания, т. е.
зависимость вида IК(IБ) при UКЭ = const.
Статические характеристики транзистора могут быть получены в резуль-
тате расчета или эксперимента. В программе Multisim они могут быть получены
разными способами:
– интерактивное моделирование; последовательно вручную изменяя
напряжения или токи источников питания входных и выходных цепей;
– с применением режима DC Sweep Analysis (Изменения на DC); автоматическое изменение в задаваемых пределах параметров источников питания
входной и выходной цепей и наблюдение за изменениями токов и напряжений
в разных точках схемы, вызванных этим моделированием;
– с применением специального прибора ― характериографа, к которому
подключают выводы измеряемого транзистора;
– с применением измерителя ВАХ биполярного транзистора BJT Analyz-
er, входящего в комплекс приборов виртуальной лаборатории LabVIEW.
Рассмотрим эти способы.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]