Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования

«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

С. В. Дробот, В. А. Мельников, В. Н. Путилин

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА. ПРАКТИКУМ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений по специальностям информатики и радиоэлектроники

Минск БГУИР 2009

1

УДК 621.385 (075.8) ББК 32.851 я7

Д75

Р е ц е н з е н т ы :

кафедра телекоммуникационных систем учреждения образования «Высший государственный колледж связи»;

заведующий кафедрой электротехники и электроники учреждения образования «Белорусский национальный технический университет», канд. техн. наук, доцент Ю. В. Бладыко

Дробот, С. В.

Д75 Электронные приборы и устройства. Практикум : учеб. пособие / С. В. Дробот, В. А. Мельников, В. Н. Путилин. – Минск : БГУИР, 2009. – 256 с. : ил.

ISBN 978-985-488-241-3

Предназначено для изучения принципов действия, характеристик и параметров, математических моделей электронных приборов, а также построения и функционирования устройств на их основе. Пособие ориентировано на практическое освоение дисциплины «Электронные приборы и устройства» с использованием системы схемотехнического проектирования OrCAD и математического пакета

MathCAD.

Материал учебного пособия включает: теоретические сведения по изучаемой теме, задание для практического занятия и методику его выполнения, контрольные вопросы. Отдельные главы пособия содержат описание пакетов MathCAD и OrCAD, а также справочные данные по изучаемым электронным приборам.

Может быть рекомендовано студентам вузов по специальностям информатики и радиоэлектроники, изучающим дисциплины «Электронные приборы», «Электронные, сверхвысокочастотные и квантовые приборы» и «Основы радиоэлектроники».

УДК 621.385 (075.8) ББК 32.851 я7

2

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие………………………………………………………………. 7 Введение…………………………………………………………………… 8

Методические указания к практическим занятиям……………………... 10

1.Математические модели полупроводниковых диодов………………. 11

1.1.Вольт-амперная характеристика идеального p-n-перехода… 11

1.2.Нелинейная модель полупроводникового диода……………. 14

1.3.Алгоритм определения параметров нелинейной

модели диода……………………………………………………….. 15

1.4.Практическое занятие…………………………………………. 21

1.5.Контрольные вопросы………………………………………… 22

2.Использование выпрямительных диодов и стабилитронов…………. 23

2.1.Выпрямитель напряжения……………………………………...23

2.2.Параметрический стабилизатор напряжения………………… 27

2.3.Практическое занятие…………………………………………. 30

2.4.Контрольные вопросы…………………………………………. 35

3.Математические модели биполярных транзисторов………………… 36

3.1.Классификация моделей биполярных транзисторов………… 36

3.2.Модель Эберса – Молла……………………………………….. 37

3.3.Малосигнальная физическая Т-образная

эквивалентная схема……………………………………………….. 39

3.4.Формальная модель (система h-параметров)…………………. 40

3.5.Модель Гуммеля – Пуна……………………………………….. 43

3.6.Частотные свойства биполярных транзисторов………………44

3.7.Упрощенная малосигнальная эквивалентная

схема усилителя…………………………………………………….. 47

3.8.Практическое занятие…………………………………………. 48

3.9.Контрольные вопросы………………………………………… 51

4.Математические модели полевых транзисторов……………………... 52

4.1.Модель Шихмана – Ходжеса………………………………….. 52

4.2.Дифференциальные параметры полевых транзисторов……... 53

4.3.Частотные свойства полевых транзисторов…………………... 56

4.4.Аппроксимация вольт-амперных характеристик……………. 58

4.5.Влияние температуры на вольт-амперные характеристики… 59

4.6.Практическое занятие…………………………………………. 59

4.7.Контрольные вопросы………………………………………… 62

5.Температурная нестабильность усилителей

на биполярных транзисторах…………………………………………….. 63

5.1.Принцип действия усилителя…………………………………. 63

5.2.Схемы стабилизации положения рабочей точки…………….. 67

5.3.Расчет усилителя с эмиттерной стабилизацией……………… 70

5.4.Практическое занятие………………………………………….. 72

3

5.5.Контрольные вопросы………………………………………… 75

6.Малосигнальные усилительные каскады

на биполярных транзисторах……………………………………………... 76

6.1.Основные характеристики и параметры……………………....76

6.2.Анализ усилительного каскада на биполярном

транзисторе с ОЭ………………………………………………….....78 6.3. Анализ усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОБ………………………………………………….... 83 6.4. Анализ усилительного каскада на биполярном

транзисторе с ОК………………………………………………….... 84

6.5.Алгоритмы расчета малосигнального усилителя……………. 86

6.6.Практическое занятие…………………………………………. 88

6.7.Контрольные вопросы…………………………………………. 92

7.Дифференциальные усилители………………………………………… 93

7.1.Усилители постоянного тока………………………………….. 93

7.2.Устройство и принцип действия

дифференциального усилителя……………………………………. 94

7.3.Расчет параметров дифференциального усилителя………….. 96

7.4.Способы улучшение параметров

дифференциального усилителя……………………………………. 100

7.5.Схемотехника источников тока………………………………. 102

7.6.Варианты реализации дифференциальных

усилителей…………………………………………………………... 106

7.7.Практическое занятие…………………………………………. 108

7.8.Контрольные вопросы…………………………………………. 110

8.Усилители мощности низкой частоты………………………………… 111

8.1.Основные понятия……………………………………………... 111

8.2.Согласование усилителя с нагрузкой………………………….. 112

8.3.Режимы работы активного элемента в усилителях мощности… 113

8.4.Схемы бестрансформаторных двухтактных

усилителей мощности……………………………………………… 117 8.5. Расчет двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности……………………………………………….. 120

8.6.Практическое занятие…………………………………………. 122

8.7.Контрольные вопросы………………………………………… 124

9.Операционные усилители……………………………………………... 125

9.1.Основные параметры и классификация……………………… 125

9.2.Обратные связи………………………………………………… 127

9.3.Упрощенная принципиальная схема

операционного усилителя………………………………………….. 130

9.4.Инвертирующий усилитель…………………………………… 131

9.5.Неинвертирующий усилитель………………………………… 133

9.6.Повторитель напряжения……………………………………… 133

9.7.Усилитель разностного сигнала………………………………. 134

4

9.8.Амплитудно-частотная характеристика……………………… 135

9.9.Выбор операционного усилителя при проектировании ………... 137

9.10.Практическое занятие………………………………………… 137

9.11.Контрольные вопросы……………………………………….. 140

10.Электронные ключи на биполярных транзисторах…….…………… 141

10.1.Принципиальная схема и параметры электронных

ключей на биполярных транзисторах……………………………... 141

10.2.Быстродействие транзисторного ключа……………………... 144

10.3.Расчет ключа на биполярном транзисторе…………………. 146

10.4.Практическое занятие…………………………………………146

10.5.Контрольные вопросы………………………………………... 149

11.Автоколебательные мультивибраторы………………………………. 150

11.1.Принцип действия мультивибратора с емкостными коллекторно-базовыми связями…………………………………… 150

11.2.Повышение быстродействия мультивибратора…………….. 157

11.3.Практическое занятие…………………………………………159

11.4.Контрольные вопросы………………………………………... 161

12.Моделирование электронных устройств в системе OrCAD……….. 162

12.1.Порядок работы с модулем Schematics………………...…… 162

12.2.Входной файл модуля PSpice A/D…………………………... 162

12.3.Запуск оболочки Schematics на выполнение……………….. 165

12.4.Чтение файла принципиальной схемы с диска……………... 166

12.5.Сохранение файла принципиальной схемы на диске……….167

12.6.Создание и редактирование принципиальной схемы……… 168

12.7.Размещение символов компонентов………………………… 169

12.8.Редактирование параметров компонентов………………….. 171

12.9.Размещение электрических связей…………………………... 175

12.10.Создание задания на моделирование………………………. 175

12.11.Расчет частотных характеристик

иуровня шума (AC Sweep)………………………………………… 176

12.12.Расчет режима по постоянному току при изменении параметров компонентов схемы (DC Sweep)…………………..…. 178

12.13.Многовариантный расчет любых характеристик схемы

при изменении любых ее параметров (Parametric)……………….. 180

12.14.Расчет любых характеристик схемы при изменении температуры (Temperature)……………………………………….... 181

12.15.Расчет переходных процессов и спектральный

анализ (Transient)………………………………………………….... 181 12.16. Расчет передаточных функций по постоянному

току (Transfer Function)…………………………………………….. 184 12.17. Расчет чувствительности режима работы

по постоянному току (Sensitivity)…………………………………. 184

12.18.Запуск программы моделирования на выполнение………. 185

12.19.Просмотр результатов анализа…………………………….. 186

5

12.20.Модели аналоговых компонентов………………………….. 196

12.20.1.Задание параметров компонентов……………………. 196

12.20.2.Пассивные компоненты………………………………. 198

12.20.3.Независимые источники сигналов…………………… 200

12.20.4.Управляемые источники сигналов…………………… 205

12.20.5.Полупроводниковые приборы………………………... 208

12.20.6.Макромодели………………………………………….. 222

12.20.7.Операционные усилители…………………………….. 223

12.21.Подключение библиотек и других файлов…………………226

12.21.1.Подключение библиотек символов компонентов……226

12.21.2.Подключение библиотек параметров

математических моделей компонентов……………………….. 228 13. Использование математического пакета MathCAD

при моделировании электронных приборов…………………………….. 229

Литература………………………………………………………………… 239 Приложение 1……………………………………………………………... 240 Приложение 2……………………………………………………………... 240 Приложение 3……………………………………………………………… 240 Приложение 4……………………………………………………………... 241 Приложение 5……………………………………………………………… 242 Приложение 6……………………………………………………………… 243

6