(Внимание: на рисунке изображен биполярный n-p-n транзистор вместо n-канального моп-транзистора)

Принцип работы этой схемы аналогичен принципу работы предшествующей схемы. При расчёте схемы на рис. 9 примем постоянную составляющую опорного напряжения равной удвоенному пороговому напряжению МОП-транзистора T

(U_оп)₀=2U_пор

Найдём величину сопротивления R в цепи истока, используя выражение (6)

Определим переменную составляющую опорного напряжения

u_оп=RI_maxsinωt,

где I_max — амплитуда переменной составляющей тока.

Рассчитаем минимальную величину напряжения источника питания, используя неравенство (7)

.

Так как ток затвора полевого транзистора практически равен 0, то выбор тока делителя R₁, R₂ достаточно произволен, и этот ток I₁ может быть принят равным нескольким миллиамперам. При выбранном токе делителя I₁ сопротивления R₁ и R₂ рассчитываются по формулам

, .

Ёмкость конденсатора C рассчитывается по формуле (13), в которой R_вх=R₁||R₂

Пример

Схема накачки двух последовательно соединённых лазерных диодов построена на основе МОП-транзистора (рис. 9). Пороговое напряжение транзистора U_пор=3 В, сопротивление канала R_кан=0,5 Ом. Схема должна обеспечить ток накачки, содержащий постоянную и переменную составляющие I=0,08+0,02sin628t. Напряжение на одном лазерном диоде принять равным 2 В. Рассчитать параметры схемы.

Примем (U_оп)₀=2U_пор=6 В.

Рассчитаем величину сопротивления в цепи истока

Ом.

Примем R=36 Ом.

Найдём переменную составляющую опорного напряжения

u_оп=RI_maxsinωt=36∙0,02sin628t=0,72sin628t

Из неравенства (14) определим минимальную величину напряжения источника питания

Примем U_ип=9 В.

Рассчитаем величину сопротивлений R₁ и R₂, принимая ток через делитель I₁=5 мА

Ом; КОм.

Найдём ёмкость входного конденсатора C, используя неравенство (13)

мкФ

Примем C=5 мкФ

Анализ схем накачки. Работа в pSpice

Для моделирования характеристик схем накачки светодиодов и полупроводниковых лазеров обратимся к аналитической программе PSpice, предназначенной для анализа электронных схем. Методику работы в этой программе проиллюстрируем на примере снятия зависимости тока накачки I1 светодиода D1 от величины опорного напряжения V1 в схеме, показанной на рис. 1

Рис. 1а

Рассмотрим сначала процедуру построения указанной схемы на рабочем поле программы. Схема содержит 5 компонентов D1, Q1, R1, V1 и V2, модели которых находятся в соответствующих библиотеках программы. Обращение к библиотекам осуществляется либо с клавиатуры нажатием клавиши P (латинское), либо нажатием (одним щелчком) на пиктограмму (Place part), расположенную на панели инструментов в правой части рабочего поля. На рабочем поле появляется окно Place Part, в левой нижней части которого Libraries дан перечень используемых библиотек. Резистор R1 находится в библиотеке ANALOG, светодиод D1 — в библиотеке OPTO, биполярный транзистор Q1 — в библиотеке BIPOLAR, источники постоянного напряжения V1 и V2 — в библиотеке SOURCE.

При выборе библиотеки ANALOG в верхней части окна Part List появляется перечень компонентов, среди которых следует выбрать компонент R. При этом в правой нижней части окна появляется схемное изображение резистора. После нажатия кнопки OK окно закрывается и на рабочем поле остаётся изображение резистора, связанное с указателем мыши. Перемещая указатель мыши, устанавливаем резистор в нужное место на рабочем столе. Если в месте расположения резистор необходимо развернуть на 90º, то на клавиатуре нажимается клавиша R. Для поворота на 180º клавиша R нажимается дважды. После установки резистора его положение обязательно должно быть зафиксировано одним щелчком мыши. При этом цвет резистора меняется на красный и он выделяется пунктиром. Выделенный резистор или другой компонент при необходимости могут быть убраны с рабочего стола нажатием клавиши Delete. Последней операцией, завершающей установку резистора, является отмена текущей команды, которая реализуется нажатием клавиши Esc. При этом пропадает связанное с указателем мыши изображение резистора.

Процедура установки светодиода D1 и транзистора Q1 осуществляется аналогично. В первом случае в окне Place Part выбирается библиотека OPTO, а во втором — BIPOLAR. В обоих случаях в верхней части окна Past List выбираются наименования светодиода и транзистора, указанное преподавателем.

Наконец, при установке источников V1 и V2 в окне Place Part выбирается библиотека SOURCE, а в верхней части окна Part List выбирается источник постоянного напряжения, называемый VDC.

Выбор и установка элементов в других схемах источников тока, приведённых на рисунках 3, 4, 6, 7, 8 и 9, осуществляется так же, как в рассмотренном примере. При этом следует иметь в виду, что полевые транзисторы, фигурирующие на рисунках 4, 6, 7 и 9 находятся в библиотеке PWRMOS, а стабилитроны, включённые в схемах на рисунках 4 и 6 — в библиотеке

Процедура соединения элементов, установленных на рабочем поле, начинается с нажатия на клавиатуре клавиши W, либо нажатием пиктограммы , расположенной на панели инструментов в правой части рабочего поля. При этом на рабочем поле появляется курсор в виде , который перемещается мышью. На рис. 10 показаны этапы соединения катодного вывода светодиода D1 с коллекторным выводом транзистора Q1.

а

б

в

Рис. 10

Для соединения выводов двух элементов, обозначенных квадратами , перекрестие курсора устанавливается внутри квадрата одного из элементов. На рис. 10а перекрестие курсора установлено в квадрате, обозначающем катодный вывод светодиода. Положение курсора фиксируется одним щелчком мыши. Далее, при отпущенной клавише мыши курсором проводится линия, соединяющая выводы двух элементов. При этом перекрестие курсора оказывается в квадрате, обозначающем коллекторный вывод транзистора (рис. 10б). Положение курсора внутри квадрата фиксируется одним щелчком мыши. На этом процедура соединения выводов двух элементов завершается (рис. 10в).

Движение курсора, определяющее направление линии, может производиться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Часто линия, соединяющая выводы элементов, состоит из двух и более участков. Например, чтобы соединить анод светодиода D1 с плюсом источника V2 необходимо провести линию сначала вертикально вверх, затем горизонтально вправо и, наконец, вертикально вниз (рис. 11).

Рис. 11

На рис. 11 соединение начинается с фиксации положения курсора в квадрате на анодном выводе D1. Далее перемещением курсора проводится линия вертикально вверх до точки 1. После фиксации положения курсора в точке 1 проводится горизонтальная линия вправо до точки 2. Наконец, после фиксации положения курсора в точке 2 проводится линия вертикально вниз до плюсового вывода источника питания V1. Соединение заканчивается фиксацией положения курсора в квадрате плюсового вывода V2.

Иногда вывод какого-либо элемента необходимо соединить с линией, соединяющей другие элементы. Например, на рис. 12 следует соединить минусовой вывод источника V2 с линией, соединяющей резистор R1 с общей шиной.

Рис. 12

В этом случае после фиксации положения курсора на выводе исходного элемента (в квадрате минусового вывода V2) перемещением курсора проводится линия до пересечения с заданной линией (узел 1). Фиксация полученного узла осуществляется одним щелчком мыши.

Если при пересечении двух линий электрического соединения в схеме быть не должно, то фиксации узла не производится.

Завершается построение схемы подключением символа «Земля». Он определяет узел схемы с нулевым потенциалом, относительно которого отсчитываются величины напряжений во всех точках схемы. С этой целью на панели инструментов в правой части рабочего поля нажимается пиктограмма (Place Ground). На рабочем поле появляется окно Place Ground, в котором следует выделить символ O/SOURCE. В средней части окна появляется изображение символа. Нажатием кнопки OK окно Place Ground закрывается и на рабочем поле остаётся изображение символа, связанное с указателем мыши. За счёт перемещения мыши символ устанавливается в нужном месте и фиксируется одним щелчком мыши. После отмены текущей команды нажатием клавиши Esc символ соединяется с заданной точкой схемы.

После завершения построения схемы производится редактирование параметров компонентов. При выборе элементов из соответствующей библиотеки программа присваивает им определённые значения параметров: R=1k, C=1n, L=10uH, V_dc=0V. Для изменения значения параметра нужно установить указатель мыши на этот параметр. Затем двойным щелчком мыши открыть панель редактирования Display Properties, где указано имеющееся значение параметра. С помощью курсора и клавиши Delete и Backspace (←) убирается прежнее значение параметра и с клавиатуры набирается новое значение. Если сопротивление указывается в Омах, индуктивность в Генри и ёмкость в Фарадах, то к цифре никаких дополнительных символов не добавляется. В противном случае осуществляется масштабирование чисел с помощью дополнительных буквенных обозначений в соответствии с приведённой таблицей.

Дополнительное обозначение	Масштабный коэффициент	Наименование
f	10-15	Фемто
P	10-12	Пико
n	10-9	Нано
u	10-6	Микро
m	10-3	Милли
K	103	Кило
MEG	106	Мега
G	109	Гига
T	1012	Тера

После изменения параметра и нажатия кнопки OK в схеме появляется новое значение параметра, выделенное рамкой и красным цветом. Выделение убирается одним щелчком мыши. Иногда необходимо изменить значение позиционного обозначения элемента (например вместо R1 установить R2). Как и в предшествующем случае, двойным щелчком мыши открывается панель редактирования, в которой убирается прежнее (R1) и устанавливается новое (R2) позиционное обозначение элемента. В таблице приведён перечень символов, обозначающих часто встречающиеся компоненты схем.

Символ имени компонента	Тип компонента
R	Резистор
C	Конденсатор
L	Индуктивность
D	Диод
Q	Биполярный транзистор
M	МОП-транзистор (MOSFET)
J	JFET-транзистор
Z	IGBT-транзистор
V	Независимый источник напряжения
I	Независимый источник тока

Программа PSpice определяет стационарные (постоянные) и нестационарные (переменные) токи во всех ветвях и напряжения между любыми двумя точками схемы. Для измерения токов и напряжений в соответствующих точках схемы должны быть установлены маркеры. Если измеряется напряжение, отсчитываемое относительно общей шины («земли»), то нажимается пиктограмма (Voltage/Level Marker), расположенная в панели инструментов в верхней части рабочего поля. На рабочем поле появляется маркер, связанный с указателем мыши, который устанавливается в заданную электрическую точку схемы (например, в цепь анода диода) и фиксируется одним щелчком мыши. При этом не имеет значения в какое именно место соединительной линии, относящейся к данной электрической точке, устанавливается маркер. Если необходимо измерять напряжение и в другой точке схемы, то без отмены текущей команды маркер устанавливается в эту точку и фиксируется. После установки маркера во всех интересующих точках схемы производится отмена команды нажатием клавиши Esc. Если производится измерение напряжения между двумя точками схемы (не относительно общей шины), то на панели инструментов нажимается пиктограмма (Voltage Differential Markers). Появившийся маркер устанавливается сначала в точку с более высоким потенциалом и фиксируется одним щелчком мыши. Затем, не отменяя команды, маркер устанавливается во вторую точку и так же фиксируется. После этого производится отмена текущей команды (клавишей Esc).

Для измерения тока в какой-либо ветви на панели инструментов нажимается пиктограмма (Current Marker). Появившийся маркер устанавливается обязательно на вывод элемента, находящегося в данной ветви. Под выводом элемента понимается точка на границе красной и чёрной линиями, подходящими к элементу. В дальнейшем маркер либо без отмены команды устанавливается для измерения тока в другой ветви, либо производится отмена команды.

После завершения построения схемы, редактирования параметров элементов схемы и установки маркеров можно производить расчёт токов и напряжений в схеме (производить измерение токов и напряжений). Если осуществляется измерение постоянных токов и напряжений, то для этого не требуется специально указывать режим измерения. Этот случай имеет место при анализе схем, обеспечивающих работу светодиодов и лазерных диодов в непрерывном режиме, например, в схеме на рис. 1а. При снятии зависимости тока накачки от величины опорного напряжения I1(V1) необходимо измерять ток через диод D1, то одновременно снимается и вольт-амперная характеристика D1. На рис. 13 приведена измерительная схема с указанием мест установки маркеров.

/рис. 13/

Напомним, что при установке маркера для измерения тока через диод D1 используется пиктограмма , для измерения напряжения на базе относительно общей шины — пиктограмма , для измерения напряжения на диоде D1 — пиктограмма .

Нажатием на пиктограмму (Run PSpice), находящуюся на панели инструментов, производится запуск симулятора, выполняющего расчёт схемы. Визуализация результатов расчёта приводится в координатной сетке на тёмном экране программы PSpice. На экране приводятся зависимости всех измеряемых величин от времени. Так как в схеме на рис. 13 реализуется режим постоянного тока, то все измеряемые величины (ток и напряжение) постоянны, а, следовательно, кривые параллельны оси времени. Цвет кривой на экране соответствует цвету маркера в схеме. Токи и напряжения в координатной сетке на экране могут быть как положительными, так и отрицательными. Напряжение положительно, если потенциал точки, в которую установлен маркер, положителен относительно общей шины («земли»). Ток положителен в том случае, если потенциал вывода элемента, в который установлен маркер, выше потенциала второго вывода этого элемента. Все названия измеряемых величин расположены в нижней части экрана под координатной сеткой. В название токов и напряжений входит название элемента, расположенного рядом с соответствующим маркером (например I(D1)).

Масштаб всех измеряемых токов и напряжений в координатной сетке изначально одинаков. Так как значения измеряемых величин могут различаться на порядок и более, то приходится изменять масштаб некоторых величин. Например, пусть масштаб тока I(D1) необходимо увеличить в 100 раз. Для этого указатель мыши подводится к названию I(D1) и двойным щелчком мыши на экран выводится окно Modify Trace. Само название изменяет цвет на красный. В нижней части окна в строке Trace Expression приводится название корректируемой величины I(D1), выделенное синим цветом. Нажатием клавиши → выделение убирается, после чего с клавиатуры вводится операция умножения *100. Процедура изменения заканчивается нажатием кнопки OK.

Переход с экрана на исходное рабочее поле так же как и обратный переход производится через название программы SCHEMATIC, расположенное в строке состояний в нижней части экрана (один щелчок мыши).

Процесс измерения постоянных токов и напряжений можно упростить, если воспользоваться пиктограммами I и V, расположенными на панели инструментов. Нажатие на эти пиктограммы приводит к выводу на схему значений токов во всех ветвях и напряжений во всех узлах схемы. При изменении значений токов и напряжений для вывода этих новых значений нужно каждый раз производить измерение, т.е. запускать симулятор нажатием пиктограммы .

При анализе схемы на рис. 1 снимается характеристика I(U_оп) при R=const. Напомним, что для измерения тока устанавливается пиктограмма , для измерения опорного напряжения U_оп — пиктограмма , для измерения напряжения на светодиоде — пиктограмма . При этом измерительная схема принимает вид

Рис. 15

Величины токов и напряжений, во-первых снимаются с программы PSpice, во-вторых, считываются непосредственно со схемы при нажатых пиктограммах I и V. Напомним, что при каждом измерении следует запускать симулятор нажатием пиктограммы .

Изменение опорного напряжения U_оп при каждом измерении осуществляется за счёт изменения напряжения источника питания V1. Диапазон изменения опорного напряжения (U_оп)_min—(U_оп)_max определён при выполнении задания, а дискрет изменения U_оп должен обеспечить снятие 4—5 точек характеристики I(U_оп). Напряжение источника коллекторного питания U_ип и сопротивление резистора R рассчитаны при выполнении задания. U_ип подаётся на анод светодиода с источника постоянного напряжения V2. Результаты измерений представить в виде следующей таблицы:

V1	I	VD
В	мА	В

U_ип=const; R=const.

По результатам измерений построить зависимость I(U_оп) при R=const, U_ип=const и сравнить с рассчитанной в задании. Построить вольт-амперную характеристику светодиода (или лазерного диода) и сравнить с вольт-амперной характеристикой кремниевого диода.

I_D, мА

V1, В

V1_min

V1_max

I_max

I_min

При снятии зависимости тока накачки от напряжения источника питания I(U_ип) измеряются ток через светодиод, напряжение источника питания и контролируются величины опорного напряжения V1 и напряжения U_КЭ тразистора.

При этом измерительная схема принимает вид

Рис. 16

Изменение напряжения источника питания при каждом измерении осуществляется за счёт изменения напряжения V2. При этом сопротивление резистора R поддерживается постоянным, рассчитанным в задании, а диапазон изменения напряжения источника питания принимается равным (V_ИП + 5)В—(V_ИП –5)В, где V_ИП — напряжение источника питания, рассчитанное в задании. Дискрет изменения напряжения V2 — 1В. Величину опорного напряжения принять равной .

Результаты измерений представить в виде таблицы

Uип, В
I, мА
Uоп, В
UКЭ, В

По результатам измерений построить зависимость I(U_ип) при U_оп=const и определить минимальную величину U_ип, при которой схема ещё является источником стабильного тока.

При анализе схемы на рис. 17 снимается характеристика I(R) при U_оп=U_проб=const и U_ип=const. Производится измерение тока накачки I и контролируются величины опорного напряжения, равного напряжению пробоя стабилитрона U_оп=U_проб и напряжения U_КЭ транзистора. Модель стабилитрона находится в библиотеке ZETEX.

Измерительная схема принимает вид

Рис. 17

Изменение сопротивления резистора R2 в истоке транзистора при каждом измерении осуществляется за счёт редактирования величины R2. Диапазон изменения сопротивления R2 (R2)_min—(R2)_max определён при выполнении задания, а дискрет изменения R2 должен обеспечить снятие 4—5 точек характеристики I(R2). Напряжение источника питания U_ип=V1 рассчитано при выполнении задания.

Результаты измерений представить в виде таблицы

R Ом	I мА	Uоп В	UКЭ В

По результатам измерений построить зависимость I(R2) при U_оп=const и сравнить с рассчитанной в задании.

I_D, мА

I_max

I_min

R_min

R_max

R, Ом

При анализе вляния нагрузки на работу схемы снимается зависимость тока накачки I от числа последовательно включённых в цепь коллектора светодиодов. При снятии зависимости этой зависимосьт напряжение источника уваеличивается на 5 В относительно рассчитанного в задании U_ип. Последовательно со светодиодом D2 включается такой же светодиод и регистрируется величина тока I через оба светодиода, которая не должна измениться. Последовательно увеличивая число светодиодов и каждый раз производя измерение тока, снять зависимочти I(n), где n — число последовательно Включенных светодиодов. Определить число светодиодов, при котором транзистор перестаёт выполнять функцию источника стабильного тока.

При анализе схем на рисунках 8 и 9 снимается зависимость I(U_оп) при R=const и U_ип=const. Производится измерение тока накачки I и опорного напряжения V1, а также контролируются напряжение обратной связи U_ос и напряжение на коллекторе U_К (или стоке U_С) транзистора. Измерительные схемы с установленными маркерами принимают вид

Рис. 18

Рис. 19

Модель операционного усилителя находится в библиотеке OPAMP. Используется однополярный операционный усилитель LM358. Величины соротивления R1 и напряжения источника питания V2 определены при выполнении задания. Изменение опорного напряжения осуществляется за счёт изменения напряжения источника V1. Диапазон изменения опорного напряжения определён в задании (U_оп)_min—(U_оп)_max. Дискрет изменения U_оп должен обеспечить снятие 4—5 точек характеристики. Результаты измерений представить в виде таблицы

V1 В	I мА	Uос В	UК (UС) В

По результатам измерений построить зависимость I(U_оп) и сравнить с рассчитанной в задании.

I, мА

I_max

(U_оп)_min

U_оп, мВ

(U_оп)_max

Увеличивать опорное напряжение V1 сверх (U_оп)_max, но не выше V2. Определить величину опорного напряжения, при котором транзистор переходит в режим насыщения. Убедиться, что в этом режиме напряжение на транзисторе (U_КЭ или U_СИ) близко к нулю, ток накачки не поддерживается постоянным и напряжение обратной связи становиться меньше опорного (V1>U_ос).

При анализе схемы на рис. 20 производится измерение постоянных и переменных составляющих тока накачки и опорного напряжения. Измерительная схема принимает вид

Рис. 20

Величины сопротивлений R1, R2, R3, ёмкость конденсатора C1 и напряжение источника питания V2 определены при вычислении задания. Переменная составляющая опорного напряжения V1 подаётся в схему с генератора синусоидального напряжения, модель которого находится в библиотеке SOURCE под называнием VSIN. Источник синусоидального напряжения характеризуется тремя параметрами: величиной напряжения постоянного смещения VOFF=0, амплитудой импульса VAMP, максимальная величина которой рассчитана в задании, и частотой сигнала FREQ, указанной в задании. Изменение амплитуды переменной составляющей опорного напряжения производится за счёт редактирования величины VAMP. При изменении амплитуды переменной составляющей опорного напряжения регистрируется амплитуда переменной составляющей тока накачки и контролируется постоянные составляющие тока и напряжения. Диапазон изменения амплитуды переменной составляющей опорного напряжения: от рассчитанной при выполнении задания до нуля. Дискрет изменения амплитуды опорного напряжения должен обеспечить снятие 4—5 точек.

Результаты измерений представить в виде таблицы

(Uоп)max	В
(ID1)max	мА
(Uоп)0	В
(ID1)0	мА

По результатам измерений построить зависимость амплитуд переменных составляющих тока накачки от опорного напряжения (I_D1)_max[(U_оп)_max].

Изобразить на одном графике временные зависимости следующих величин: V1, I_D1, V_R2.

V1,

В

t

0

t

t

V1,

В

0

0

I_D1,

мА

Уменьшая ёмкость C1 за счёт редактирования её величины, зарегистрировать изменение амплитуды переменной составляющей тока накачки. Диапазон изменения C1: от рассчитанной в задании величины до до величины на порядок меньшей.

Результаты измерений представить в виде таблицы

С1, мкФ
Imax, мА

По результатам измерений построить зависимость I_max(C1). Сравнивая амплитуду переменного сигнала на входе (VAMP) с амплитудой переменной составляющей напряжения на R2, найти значение С1, соответствующее снижению входного сигнала на 3 дБ (в раз).