Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Принцип дії автоколивального мультивібратора (АМ) на ОП



ЗМІСТ

Лабораторна робота №1 Дослідження напівпровідникових діодів за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench............................................ 4

Лабораторна робота №2.Дослідження тиристорів за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench................................................................. 14

Лабораторна робота №3.Дослідження біполярних транзисторів за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench.......................................... 20

Лабораторна робота №4.Дослідження польових транзисторів за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench”......................................... 30

Лабораторна робота №5.Дослідження підсилювальних каскадів за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench ”........................................ 42

Лабораторна робота №6.Дослідження роботи операційних підсилювачів 55

Лабораторна робота №7.Дослідження автоколивальних та чекаючих мультивібраторів на операційних підсилювачах........................................ 62

 


ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Тема: “Дослідження напівпровідникових діодів за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench”.

Мета робота:вивчення принципів дії та основних властивостей напівпровідникових діодів, стабілітронів; дослідження їх вольтамперних характеристик, ознайомлення з основними параметрами та використанням.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Розділ “Diodes” (рис. 1.1) містить напівпровідникові діоди, стабілітрони, світлодіоди, тиристори або динистори, симетричний динистор або діак, симетричний тринистор або тріак , випрямляючий міст.

Рисунок 1.1 – Елементна база діодів програмного комплексу Electronics Workbench

Таблиця 1.1 – Графічне позначення напівпровідникових діодів

напівпровідникові діоди;
стабілітрони;
світлодіоди;
випрямляючий міст;
діод Шоклі;
тиристори або динистори;
симетричний динистор або діак;
симетричний тринистор або тріак.

Розглянемо властивості діода, які задаються користувачем , для цього потрібно натиснути два рази лівою кнопкою мишки на діоді та в діалоговому вікні “Diode Properties” вибрати потрібний діод на закладці “Models”. Якщо потрібно змінити параметри, то натисніть кнопку “Edit”. У діалоговому вікні, яке складається із двох однакових на зовнішній вигляд закладок (перша із них показана на рис. 1.2, друга показана на рис. 1.3), за допомогою яких задати наступні параметри:

N – коефіцієнт інжекції;

EG – ширина забороненої зони, еВ;

FC – коефіцієнт нелінійності бар’єрної ємності прямо зміщеного перехода;

Рисунок 1.2 – Зовнішній вигляд меню для встановлення параметрів діода

BV – напруга пробою, В; для стабілітронів замість цього параметра використовується параметр VZT – напруга стабілізації;

ІBV –початковий струм пробою при напрузі BV, А; для стабілітронів замість цього параметра використовується параметр ІZT – початковий струм стабілізації;

XTI – температурний коефіцієнт струму насичення;

KF – коефіцієнт фліккер-шума;

AF – показник степеня в формулі для фліккер-шума;

TNOM – температура діода, 0 С.

Рисунок 1.3 – Зовнішній вигляд меню для встановлення додаткових параметрів діода

Еквівалентні схеми діода показані на рис. 1.4 (а, б) на яких позначено: А – анод, К – катод, І –джерело струму, Rs –об’ємний опір, С –ємність переходу , Gmin – провідність, обумовлена струмом витоку.


Рисунок 1.4 – Еквівалентна схема діода

Вольтамперна характеристика діода визначається наступними виразами: для прямої вітки: для ; для зворотної вітки : для ;

для ;

для ;

для

де І0=Іs –зворотній струм діода при температурі TNOM; N– коефіцієнт інжекції; BV, IBV – напруга і струм пробою; Ut –температурний потенціал переходу; U– напруга на діоді.

При розрахунку перехідних процесів використовуються еквівалентна схема діода (рис. 1.4, б) для якої ємність переходу визначається за допомогою виразів:

для

для

де

В приведених формулах: t – час переносу заряду; CJO – бар’єрна ємність при нульовому зміщені на переході; VJ – контактна різниця потенціалів; m – 0,33…0,5 – параметр переходу.

Дослідження прямої вітки ВАХ діода може бути проведено за допомогою схеми рис. 1.5. Вона складається із джерела струму І, амперметра А, досліджуваного діода VD і вольтметра V для вимірювання напруги на діоді.


Рисунок 1.5 – Дослідження прямої вітки ВАХ діода

Для дослідження зворотної вітки ВАХ діода використовується схема на рис. 1.6. В ній замість джерела струму використовується Ui із запобіжним резистором Rz для обмеження струму через діод в разі його пробою.


Рисунок 1.6 – Дослідження зворотної вітки ВАХ діода

Крім поодиноких діодів, в бібліотеці EWB є також діодний міст, для якого можна додатково задавати коефіцієнт емісії N (Emission Coefficient).

Світлодіод – спеціально сконструйований діод, в якому передбачена можливість виводу світлового випромінювання із області переходу крізь прозоре вікно в корпусі.

При проходженні через діод струму в прилягаючих до переходу областях напівпровідника відбувається інтенсивна рекомбінація носіїв зарядів – електронів та дірок . Частина вивільнюваної енергії виділяться у вигляді квантів світла. В залежності від ширини забороненої зони напівпровідника випромінювання може мати довжину хвилі або в області видимого оком світла, або невидимого інфрачервоного випромінювання. Випромінювання переходів на основі арсеніду галію має довжину хвилі біля 0,8 мкм. Переходи із карбіду кремнію чи фосфіду галію випромінюють видиме світло в діапазоні від червоного до голубого кольору. Важливими параметрами світлодіода являються: яскравість, вимірюється при визначеному значені прямого струму, колір світіння ( чи спектральний склад випромінювання).

 


Рисунок 1.7 – Вибір типу діода

Для світлодіода додатково вказується мінімальний струм в прямому направлені “Turn-on current!” (Ion), при перевищені якого світлодіод загоряється. Для вимірювання ВАХ світлодіодів можна використовувати приведені вище схем.


Рисунок 1.8 – Визначення параметрів діода


Рисунок 1.9 – Додаткові параметри діода

На рис. 1.7 - 1.9 приведений приклад створення моделей вітчизняних діодів: D814AD (Is=3920E-12, N=1.19, RS=1.25, Cjo=41.5p, TT=49.11n, M=0.41, Vj=0.73, FC=0.5, BV=8, IBV=0.5, EG=1.11, Xti=3); KD512AD (Is=2.27E-13, N=1, RS=1.17, Cjo=2.42p, TT=1.38n, M=0.25, Vj=0.68, FC=0.5, BV=8, IBV=1E-11, EG=1.11, Xti= 3).

ХІД РОБОТИ

1. Запустіть Electronics Workbench.

2. Підготуйте новий файл для роботи. Для цього необхідно виконати наступні операції з меню: File/New і File/Save as. При виконанні операції Save as буде необхідно вказати ім'я файлу і каталог, у якому буде зберігатися схема.

3. Розгляньте схеми на рис. 1.10 – 1.14.


Рисунок 1.10 – Схема для визначення зворотної гілки ВАХ;

Перенесіть необхідні елементи з заданої схеми на робочу область Electronics Workbench. Для цього необхідно вибрати розділ на панелі інструментів (Sources, Basic, Diodes, Transistors, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), у якому знаходиться потрібний вам елемент, потім перенести його на робочу область.


Рисунок 1.11 – Схема для визначення прямої гілки ВАХ;

4. З'єднайте контакти елементів і розташуйте елементи в робочій області для одержання необхідної вам схеми. Для з'єднання двох контактів необхідно натиснути на один з контактів лівою кнопкою миші і, не відпускаючи клавішу, довести курсор до другого контакту. У разі потреби можна додати додаткові вузли (розгалуження). Натисканням на елементі правою кнопкою миші можна одержати швидкий доступ до найпростіших операцій над положенням елемента, таким як обертання (rotate), розворот (flip), копіювання/вирізання (copy/cut), вставка (paste).


Рисунок 1.12 – Пряме ввімкнення діода;

5. Проставте необхідні номінали і властивості кожному елементу. Для цього потрібно двічі виконати подвійне натискання лівою кнопкою миші на зображенні елемента.


Рисунок 1.13 – Зворотне ввімкнення діода;

6. Коли схема зібрана і готова до запуску, натисніть кнопку включення живлення на панелі інструментів. У випадку серйозної помилки в схемі (замикання елемента живлення, відсутність нульового потенціалу в схемі) буде видано попередження.

Рисунок 1.14 – Дослідження стабілітрона

7. Зробіть аналіз схеми, використовуючи інструменти індикації. Вивід термінала здійснюється подвійним натисканням клавіші миші на елементі. У випадку потреби можна скористатися кнопкою Pause.

8. При необхідності зробіть доступні аналізи в розділі меню Analysis.

9. Занесіть пояснення щодо створення схем у звіт.

10. Зробіть висновки.

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Як побудований напівпровідниковий діод?

2. Які типи p-n переходів Ви знаєте ?

3. Перерахуйте основні властивості p-n переходу?

4. Назвіть і коротко охарактеризуйте типи напівпровідникових діодів?


ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

Тема: “Дослідження тиристорів за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench”.

Мета роботи: вивчення принципу дії та властивостей, дослідження характеристик, ознайомлення з основними параметрами та використанням тиристорів.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Перемикаючі діоди із р-п-р-п- чи п-р-п-р-структурами — це тиристори. Тиристори, що мають виводи від крайніх електродів, називають динисто-рами, а прилади з третім виводом (від одного із середніх електродів) — тринисторами. Крім того, до класу тиристорів відносяться симетричні динистори (диаки), симетричні тринистори (триаки) і досить рідкий тип динистора — діод Шоклі, у якому структура р-п-р-п організована за рахунок наявності в р-п-переході пасток, формованих шляхом легування. На рис. 2.1 приведені позначення перемикаючих діодів, діод Шоклі, симетричний динистор (діак), тринистор і симетричний тринистор (тріак).

  • – діод Шоклі;
  • – тиристори або динистори;
  • – симетричний динистор або диак;
  • – симетричний тринистор або триак.

Рисунок 2.1. – Перемикаючі діоди

Для перемикальних діодів можна задати значення наступних параметрів (для EWB 5.0 їхні позначення вказуються в квадратних дужках):

  • Saturation current Is [IS], A – зворотний струм динистора;
  • Peak Off-state Current Idrm [IDRM], А – зворотний струм тринистора;
  • Switching voltage Vs [VS], В – напругу, при якому динистор переключається у відкритий стан;
  • Forward Breakover voltage Vdrm [VDRM], В – напругу, при якому тринистор переключається у відкритий стан;
  • Peak On-State Voltage Vtm [VTM], В – спадання напруги у відкритому стані;
  • Forward Current at wich Vtm is measured Itrn [ITM], A – струм у відкритому стані;
  • Turn-off time Tg [TG], с – час переключення в закритий стан;
  • Holding current Ih [IH], A – мінімальний струм у відкритому стані (якщо він менше встановленого, то прилад переходить у закритий стан);
  • Critical rate of off-state voltage rise dv/dt [DV/DT], В/мкс – допустима швидкість зміни напруги на аноді тринистора, при якому він продовжує залишатися в закритому стані (при більшій швидкості тринистор відкривається);
  • Zero-bias junction capacitance Cj [CJO], Ф — бар'єрна ємність динистора при нульовій напрузі на переході;
  • Gate Trigger voltage Vgt [VGT], В — напругу на керуючому електроді відкритого тринистора;
  • Gate Trigger current Igt [IGT], A — струм керуючого електрода;
  • Voltage at which Igt is measured Vd [VD], В — напругу, що відмикає, на керуючому електроді.

Перераховані параметри можна задати за допомогою діалогових вікон, аналогічних приведених на рис. 2.2. для тринистора.

Рисунок 2.2 – Діалогове вікно установки параметрів тринистора

Дослідження прямої вітки ВАХ тринистора можна проводити з використанням схеми на рис 2.3, на якому показані джерела вхідної напруги Ui і напруги керування Uy із захисними резисторами Rzt, Rzy. Вимір ВАХ здійснюється при вимірюванні Ui від нуля до Udrm +50 при фіксованому значенні Uy, наприклад, у трьох точках 0,5Vd, Vd і l,5Vd. При дослідженні зворотної вітки ВАХ міняється тільки полярність Ui.

Рисунок 2.3 – Схема дослідження тиристорів

Слід відзначити, що зняття ВАХ перемикальних діодів може бути здійснене також і в режимі заданих струмів у силовій і керуючому ланцюзі, тобто за допомогою схем приведених на рис. 2.4 і 2.5.

Рисунок 2.4 – Схема для дослідження прямої вітки ВАХ тиристора при постійному струмі.

Рисунок 2.5 – Схема для дослідження прямої вітки ВАХ тиристора

ХІД РОБОТИ

1. Запустіть Electronics Workbench.

2. Підготуйте новий файл для роботи. Для цього необхідно виконати наступні операції з меню: File/New і File/Save as. При виконанні операції Save as буде необхідно вказати ім'я файлу і каталог, у якому буде зберігатися схема.

3. Розгляньте схеми на рис. 2.6.

Рисунок 2.6 – Схема для дослідження тиристора

4. Перенесіть необхідні елементи з заданої схеми на робочу область Electronics Workbench. Для цього необхідно вибрати розділ на панелі інструментів (Sources, Basic, Diodes, Transistors, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), у якому знаходиться потрібний вам елемент, потім перенести його на робочу область.

5. З'єднайте контакти елементів і розташуйте елементи в робочій області для одержання необхідної вам схеми. Для з'єднання двох контактів необхідно клацнути по одному з контактів лівою кнопкою миші і, не відпускаючи клавішу, довести курсор до другого контакту. У разі потреби можна додати додаткові вузли (розгалуження). Натисканням на елементі правою кнопкою миші можна одержати швидкий доступ до найпростіших операцій над положенням елемента, таким як обертання (rotate), розворот (flip), копіювання/вирізання (copy/cut), вставка (paste).

6. Проставте необхідні номінали і властивості кожному елементу. Для цього потрібно двічі виконати подвійне натискування лівою кнопкою миші на зображенні елемента.

7. Коли схема зібрана і готова до запуску, натисніть кнопку включення живлення на панелі інструментів. У випадку серйозної помилки в схемі (замикання елемента живлення, відсутність нульового потенціалу в схемі) буде видано попередження.

8. Зробіть аналіз схеми, використовуючи інструменти індикації. Вивід термінала здійснюється подвійним натисканням клавіші миші на елементі. У випадку потреби можна скористатися кнопкою Pause.

9. При необхідності зробіть доступні аналізи в розділі меню Analysis.

10. Занесіть пояснення щодо створення схем у звіт.

11. Зробіть висновки.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Тиристори, будова, принципи дії.

2. ВАХ тиристорів.

3. Типи тиристорів, їх особливості.

4. Характеристичні параметри.


ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3

Тема: “Дослідження біполярних транзисторів за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench”.

Мета роботи:вивчення принципу дії та властивостей, дослідження характеристик, ознайомлення з основними параметрами та використанням біполярних транзисторів.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Розрізняють три схеми включення біполярних транзисторів; із спільною базою (СБ), із спільним емітером (СЕ) із спільним колектором (СК) (рис. 2.1).

Рисунок 3.1– Основні схеми включення транзисторів

У бібліотеку EWB включена досить велика кількість імпортних біполярних транзисторів. У деяких випадках може виявитися більш зручним самостійно створити окрему бібліотеку вітчизняних транзисторів, використовуючи команду Modelз меню Circuit

Параметри транзисторів можна задавати у вкладці «Sheet 1»
діалогового вікна програмного пакету (див. рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Діалогове вікно установки параметрів біполярних транзисторів

1. Зворотний струм колекторного переходу, A (Saturation current Is [IS]);

2. Коефіцієнт підсилення струму в схемі з СЕ H21, (Forward current gain coefficient BF [BF]);

3. Коефіцієнт підсилення струму в схемі з СЕ при інверсному включенні транзистора (емітер і колектор міняються місцями) (Reverse current gain coefficient BR [BR]);

4. Об'ємний опір бази, Ом (Base ohmic resistance rb [RB]);]

5. Об'ємний опір колектора, Ом (Collector ohmic resistance rc [RC]);

6. Об'ємний опір емітера, Ом (Emitter ohmic resistance re [RE]);

7. Ємність емітерного переходу при нульовій напрузі, Ф (Zero-bias B-E junction capacitance Се [СJE]);

8. Ємність колекторного переходу при нульовій напрузі, Ф (Zero-bias С- E junction capacitance Cc [CJC]);

9. Ємність колектор-підкладка, Ф (Substrate capacitance Cs [CJS]);

10. Час переносу заряду через базу, з (Forward transit time t [TF]);

11. Час переносу заряду через базу в інверсному включенні, з (Rеvеrs transit t[TR]);

12. Коефіцієнт плавності емітерного переходу (У-E junction grading coefficient me [ME]);

13. Коефіцієнт плавності колекторного переходу (З junction grading coefficient me [MC]);

14. Напруга Ерлі, близьке до параметра Uк max, У (Early voltage VA [VA]);

15. Зворотний струм емітерного переходу, A (Base-Emitter Leakage Saturation Current Ise[ISE]);

16. Тік початку спаду посилення по струму, близьке до параметра Iк max , A (Forward Beta High-Current Knee-Point Ikf [IKF]);

17. Коефіцієнт неідеальності емітерного переходу (Base-Emitter Leakage Emission Coefficient Ne [NE]).

18. Контактна різниця потенціалів переходу база-колектор, У (З junction potential pc[VJC]).

19. Контактна різниця потенціалів переходу база-емітер, У (В-І junction potential ре [VJE]).

Додаткові параметри знаходяться в останніх трьох закладках, одна з яких показана на рис. 3.3. Ці параметри мають наступне призначення:

· NF – коефіцієнт неідеальності в нормальному режимі;

· NR – коефіцієнт неідеальності в інверсному режимі;

· IKR – струм, початку спаду коефіцієнта підсилення струму в інверсному режимі, А;

· NC – коефіцієнт неідеальності колекторного переходу;

· RBM – мінімальний опір бази при великих струмах. Ом;

· IRB – струм бази, при якому опір бази зменшується на 50% від різниці RB-RBM, A;

· XTF – коефіцієнт, що визначає залежність часу TF переносу зарядів через базу від напруги колектор-база;

· VTF – напруга колектор-база, при якому починає позначатися його вплив на TF, У;

· ITF – струм колектора, при якому починається позначатися його вплив на TF, А;

· PTF – додаткове фазове зрушення на граничній частоті транзистора Fгр=1/(2piТF), град.;

· VJS – контактна різниця потенціалів переходу
колектор-підкладка, У;

· MJS – коефіцієнт плавності переходу колектор-підкладка;

· XCJC – коефіцієнт розщеплення ємності база-колектор;

· FC – коефіцієнт нелінійності бар'єрної ємності прямо зміщених переходів;

· EG – ширина забороненої зони, ев;

· ХТВ – температурний коефіцієнт підсилення струму в нормальному й інверсному режимах;

· XТI – температурний коефіцієнт струму насичення;

· КF – коефіцієнт фліккер-шума;

· AF – показник ступеня у формулі для фліккер-шума;

· TNOM –температура транзистора;

У програмі EWB використовується модель біполярного транзистора Гуммеля-Пуна. Розглянемо способи виміру основних характеристик біполярних транзисторів.

Рисунок 3.3 – Додаткові параметри біполярних транзисторів

Рисунок 3.4 – Схема для дослідження ВАХ біполярного транзистора

Найбільш розповсюдженою і більш простою моделлю (у порівнянні з моделлю Гуммеля-Пуна) біполярного транзистора є модель Еберса-Молда. Відповідно до цієї моделі статичні вхідні і вихідні ВАХ транзистора в схемі описуються наступними виразами:

Ie=A I'eo-aCI'ko; (1)

Ik=A aI'eo-CI'ko; (2)

де A=exp(Ueb/Ut)-l; C=exp(Ukb/Ut)-l; I'eo=DIeo; D=1-a*a';Ieo,Iko— теплові струми колекторного і емітерного переходів; a,a'— коефіцієнти передачі струму в схемі для прямого й інверсного включення транзистора; Ukb, Ueb — напруга на колекторі і емітері щодо бази.

Схема для дослідження ВАХ транзистора показана на рис. 3.4. Сімейство вихідних ВАХ Ie, f (Ueb) знімається при фіксованих значеннях Ukb шляхом зміни струму Ie і виміру Ueb. Сімейство вихідних ВАХ Ik= f(Ubk) знімається при фіксованих значеннях Ie шляхом зміни напруги Ubk, і виміру Ik.

Модуль коефіцієнта передачі струму |H21э| на високій частоті може бути змінений за схемою рис. 3.5. Режим за постійним струмум транзистора задається за допомогою джерела струму Ie (5 мА), як джерело вхідного синусоїдального сигналу використовується джерело струму Ii (1 мА, при вимірах частота варіюється в межах від одиниць до десятків МГц), струм бази Ib і колектора Ik виміряється амперметрами в режимі АС. Конденсатор Сb – блокувальний (так названа розв'язка по високій частоті). Модуль коефіцієнта передачі струму |H21э|=Ik/Ib розраховується за показниками амперметрів. Зокрема, при частоті вхідного сигналу 1 МГц він дорівнює, відповідно до показань амперметрів (див. рис. 3.5), 953/47,8=19,94 (у діалоговому вікні транзистора 2N2904A він у рівний 20).

Рисунок 3.5 – Схема для вимірювання коефіцієнта передачі струму на високій частоті

На рис. 3.6 наведено приклад створення моделей вітчизняних транзисторів: Model IDEAL NPN (Ідеальній транзистор з іменем IDEAL структури п-р-п).

Рисунок 3.6 – Створення моделі транзистора

ХІД РОБОТИ

1. Запустіть Electronics Workbench.

2. Підготуйте новий файл для роботи. Для цього необхідно виконати наступні операції з меню: File/New і File/Save as. При виконанні операції Save as буде необхідно вказати ім'я файлу і каталог, у якому буде зберігатися схема.

3. Розгляньте схеми на рис. 3.7-3.9.

Рисунок 3.7 – Схема для визначення вхідної ВАХ (СЕ)

4. Перенесіть необхідні елементи з заданої схеми на робочу область Electronics Workbench. Для цього необхідно вибрати розділ на панелі інструментів (Sources, Basic, Diodes, Transistors, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), у якому знаходиться потрібний вам елемент, потім перенести його на робочу область.

Рисунок 3.8 – Схема для визначення вихідної ВАХ (СЕ)

5. З'єднайте контакти елементів і розташуйте елементи в робочій області для одержання необхідної вам схеми. Для з'єднання двох контактів необхідно натиснути на один з контактів лівою кнопкою миші і, не відпускаючи клавішу, довести курсор до другого контакту. У разі потреби можна додати додаткові вузли (розгалуження). Натисканням на елементі правою кнопкою миші можна одержати швидкий доступ до найпростіших операцій над положенням елемента, таким як обертання (rotate), розворот (flip), копіювання/вирізання (copy/cut), вставка (paste).

Рисунок 3.9 – Схема для визначення вихідної ВАХ (СБ)

6. Проставте необхідні номінали і властивості кожному елементу. Для цього потрібно двічі виконати подвійне натискання лівою кнопкою миші на зображенні елемента.

7. Коли схема зібрана і готова до запуску, натисніть кнопку включення живлення на панелі інструментів. У випадку серйозної помилки в схемі (замикання елемента живлення, відсутність нульового потенціалу в схемі) буде видано попередження.

8. Зробіть аналіз схеми, використовуючи інструменти індикації. Вивід термінала здійснюється подвійним натисканням клавіші миші на елементі. У випадку потреби можна скористатися кнопкою Pause.

9. При необхідності зробіть доступні аналізи в розділі меню Analysis.

10. Занесіть пояснення щодо створення схем у звіт.

11. Зробіть висновки.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Опишіть принцип дії БТ, приведіть його схеми включення та статичні ВАХ.

2. Які три області (режими) роботи має БТ?

3. Чим визначаються частотні властивості БТ?


ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4

Тема: “Дослідження польових транзисторів за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench”.

Мета роботи: вивчення принципу дії та властивостей, дослідження характеристик, ознайомлення з основними параметрами та використанням польових транзисторів.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Первісна назва польових транзисторів — уніполярні транзистори — було зв'язано з тим, що в таких транзисторах, використовуються основні носії тільки одного типу ( електронів чи дірок). Процеси інжекції і дифузії в таких транзисторах практично відсутні, у всякому разі, вони не грають принципової ролі. Основним способом руху носіїв є дрейф в електричному полі.

Для того щоб керувати струмом у напівпровіднику при постійному електричному полі потрібно змінювати питому провідність напівпровідникового шару чи його площу. На практиці використовуються обидва способи і засновані вони на ефекті поля (керування напругою на затворі). Тому уніполярні транзистори звичайно називають польовими транзисторами. Провідний шар, по якому протікає струм, називають каналом. Звідси ще одна назва такого класу транзисторів – канальні транзистори. Канали можуть бути приповерхневими й об'ємними.

Приповерхневі канали являють собою або збагачені шари, обумовлений наявністю донорних домішок, у діелектрику, або інверсійні шари, що утворюються під дією зовнішнього поля. Об'ємні ж канали являють собою ділянки однорідного напівпровідника, відділені від поверхні збідненим шаром.

Транзистори з об'ємним каналом відрізняються тим, що збіднений шар створюється за допомогою р-п переходу. Тому їх часто називають польовими транзисторами з р—n переходом чи просто польові транзистори. Транзистори такого типу вперше описані Шоклі в 1952 р. У бібліотеці компонентів програми EWB 4.1 вони представлені двома зразками: n-канальним і р-канальним і показані на рис. 3.1 а і б відповідно, де 1 — затвор (gate)- керуючий електрод; 2 - витік (source) — електрод, від якого починають рух основні носії (у першому типі — електрони, у другому — дірки); 3 — стік (drain) -електрод, що приймає ці носії.
Параметри моделей польових транзисторів задаються за допомогою діалогового вікна рис. 3.2 перераховані нижче (у квадратних дужках приведене їхнє позначення в EWB 5.0).

Рисунок 4.1 – Польові n-канальні (а) і р-канальні (б) транзистори з керуючим р-переходом

1. Напруга відсічення, В (Threshold voltage VТО [VTO])— напруга між затвором і витік польового транзистора з р-п переходом чи з ізольованим затвором, що працюють у режимі збіднення, при якому струм стека досягає заданої низької напруги. Для транзисторів з ізольованим затвором, що працюють у режимі збагачення, цей параметр називається граничною напругою

2. Коефіцієнт пропорційності, А/В2 (Transconductance coeificient А [КР]).

3. Параметр модуляції довжини каналу, 1/В (Channel-length modulation lm[LAMB-DA]).

4. Об’ємний опір області стоку, Ом (Drain ohmic resistance Rd [RD]).

5. Об'ємний опір області витоку, Ом (Source ohmic resistance Rs [RS]).

6. Струм насичення p-n переходу, A (Gate-junction saturation current Is [IS])тільки для польових транзисторів p-n переходом.

7. Ємність між затвором і стоком при нульовому зсуві, Ф (Zero-bias gate drain junction capacitance Cgd [CGD]).

8. Ємність між затвором і витоком, при нульовому зсуві, Ф (Zero-bias gate source junction capacitance Cgs [CGS]).

9. Контактна різниця потенціалів p-n переходу, B (Gate junction potential pb[PB])– тільки для польових транзисторів з p-n переходом.

Рисунок 4.2. – Вікно встановлення параметрів польових транзисторів з керуючим p-n переходом

Рисунок. 4.3 – Схема для дослідження ВАХ польового транзистора з керуючим p-n переходом

За аналогією з біполярними транзисторами розрізняють три схеми включення польових транзисторів із загальним затвором (З3), із загальним витоком (ЗВ), і з загальним стоком (ЗС). Для дослідження сімейства вихідних ВАХ польового транзистора в схемі ЗД може бути використана схема
на рис. 4.3. Вона містить, джерело напруги затвор-витік Ug, досліджуваний транзистор VT, джерело живлення Ucc, вольтметр Ud для контролю напруги стік-джерело й амперметр Id для виміру струму стоку. Вихідна ВАХ знімається при фіксованих значеннях Ug шляхом зміни напруги Ud і виміру струму стоку Id. Напруга Ug, при якій струм Id має близьке до нуля значення, називається напругою відсічення. Маючи характеристики Id=f(Ud), можна визначити крутість S=dId/dUg, що є однією з найважливіших характеристик польового транзистора, як підсилювального приладу.

Інший тип польових транзисторів — транзистори з приповерхневим каналом і структурою метал-діелектрик - напівпровідник (МДН-транзистори). В окремому випадку, якщо діелектриком є оксид (двоокис кремнію), використовується назва МОН-транзистори. МДН-транзистори бувають двох типів:

· транзистори з вбудованим каналом;

· з індукованим каналом (в останньому випадку канал наводиться під дією напруги, прикладеного до керуючого електрода).

У бібліотеці компонентів програми EWB МДН-транзистори з вбудованим каналом представлені двома зразками: n-канальним та р- канальним, попарно показаними на рис. 4.4.а, на якому цифрою 4 позначена підкладка, інші позначення аналогічні позначенням на рис. 4.1. Кожен тип МДН-транзисторів представлені у двох варіантах: з окремим виводом підкладки і, загальним виводом підкладки і витоку. Аналогічний вид мають позначення МДН-транзисторов з індукованим каналом (рис. 4.4).

а)

б)

Рисунок 4.4 – МДН-транзистори з вбудованим (а) і індукованим (б) каналами

Діалогове вікно установки параметрів МДН-транзисторів показане на рис. 4.5 (а-в). У порівнянні з рис. 2 у ньому містяться додаткові параметри, призначення яких полягають у наступному (у квадратних дужках —позначення параметрів, прийняті в EWB 5.0).

1. Поверхневий потенціал, В (Surface potential ph [PHI]).

2. Коефіцієнт впливу потенціалу підкладки на граничну напругу, В1/2 (Bulk-threhold parametr g [GAMMA]).

3. Ємність між затвором і підкладкою, Ф (Gate-bulk capacitance Cgb[CGB]).

4. Ємність донної частини переходу стік-підкладка при нульовому зсуві, Ф (Zero bias bulk- drain junction capacitance Cbd [CBD]).

5. Ємність донної частини переходу джерело-підкладка при нульовому зсуві, Ф (Zero-bias bulk-source junction capacitance Cbs [CBS])

6. Напруга інверсії приповерхнього шару підкладки, В (Bulk-junctimli potentisd рв [РВ]).

У програмі EWB 5.0 кількість параметрів моделей МДН-транзисторів збільшено. Вони розміщаються в трьох діалогових вікнах-закладках. До додатково введеного відносяться наступні параметри:

  • LD – довжина області бічної дифузії, м;
  • RSН – питомий опір дифузійних областей джерела і стоку. Ом;
  • JS – щільність струму насичення переходу стік-підкладка, А/м2;
  • CJ – питома ємність донної частини р-п- переходу стік - підкладка при нульовому зсуві, Ф/м2;
  • CJSW – питома ємність бічної поверхні переходу стік-підкладка, Ф/м;
  • МJ – коефіціент плавності переходу підкладка-стік ;
  • СGSо – гранична ємність перекриття затвор-стік (за рахунок бічної дифузії), Ф/м;
  • CGDO – питома ємність перекриття затвор-стік на довжину каналу (за рахунок бічної дифузії), Ф/м;

Рисунок 4.5 – (а) - Діалогове вікно установки параметрів МДН-транзисторів

· CGBO – питома ємність перекриття затвор-підкладка (унаслідок виходу області затвора за межі каналу), Ф/м;

Рисунок 4.5 – б) Діалогове вікно установки параметрів МДН-транзисторів

  • NSUB— рівень легування підкладки;
  • NSN– щільність поверхневих станів на границі кремній-підзатворний оксид 1/див3;
  • TOX – товщина оксиду, м;
  • TPG - легування затвора; +1 — домішкою того ж типу, як і для підкладки, -1 домішкою протилежного типу, 0 – металом;

Рисунок 4.5 – в) Діалогове вікно установки параметрів МДН-транзисторів

  • UO – рухливість носіїв струму в інверсному шарі каналу, див2/У/з;
  • FC – коефіцієнт нелінійності бар'єрної ємності прямо зміщеного переходу підкладки;

Для дослідження характеристик МДН-транзисторів використовується схема на рис. 4.6 З її допомогою можна одержати сімейство вихідних характеристик МДН-транзисторів при фіксованих значеннях напруги на затворі Ug і підкладці Ub. Маючи такі характеристики можна визначити крутість транзистора S при керуванні з боку затвора, а також крутість при керуванні зі сторони підкладки Sd=dId/dUd ; статичний коефіцієнт підсилювача M=Ud/Ug вихідний диференціальний опір Rd=dUd/dId і інші параметри.

Рисунок 4.6 – Схема для дослідження характеристик МДП-тразисторів

ХІД РОБОТИ

1. Запустіть Electronics Workbench.

2. Підготуйте новий файл для роботи. Для цього необхідно виконати наступні операції з меню: File/New і File/Save as. При виконанні операції Save as буде необхідно вказати ім'я файлу і каталог, у якому буде зберігатися схема.

Рисунок 4.7 – Схема для дослідження польового транзистора

3. Розгляньте схему на рис. 4.7 і виконайте її моделюваня.

4. Перенесіть необхідні елементи з заданої схеми на робочу область Electronics Workbench. Для цього необхідно вибрати розділ на панелі інструментів (Sources, Basic, Diodes, Transistors, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), у якому знаходиться потрібний вам елемент, потім перенести його на робочу область.

5. З'єднайте контакти елементів і розташуйте елементи в робочій області для одержання необхідної вам схеми. Для з'єднання двох контактів необхідно натиснути на один з контактів лівою кнопкою миші і, не відпускаючи клавішу, довести курсор до другого контакту. У разі потреби можна додати додаткові вузли (розгалуження). Натисканням на елементі правою кнопкою миші можна одержати швидкий доступ до найпростіших операцій над положенням елемента, таким як обертання (rotate), розворот (flip), копіювання/вирізання (copy/cut), вставка (paste).

6. Проставте необхідні номінали і властивості кожному елементу. Для цього потрібно двічі виконати подвійне натискання лівою кнопкою миші на зображенні елемента.

7. Коли схема зібрана і готова до запуску, натисніть кнопку включення живлення на панелі інструментів. У випадку серйозної помилки в схемі (замикання елемента живлення накоротко, відсутність нульового потенціалу в схемі) буде видано попередження.

8. Зробіть аналіз схеми, використовуючи інструменти індикації. Вивід термінала здійснюється подвійним натисканням клавіші миші на елементі. У випадку потреби можна скористатися кнопкою Pause.

9. При необхідності зробіть доступні аналізи в розділі меню Analysis.

10. Занесіть пояснення щодо створення схем у звіт.

11. Зробіть висновки.

Контрольні запитання

1. Чим відрізняються уніполярні, польові і канальні транзистори?

2. Як побудований транзистор із p-n переходом?

3. Чим відрізняються МДП- і МПО-транзистори?

4. Назвіть відміні ознаки МДП-транзисторів із індукованим і вбудованим каналом.

5. Яку роль грає підложка в МДП-транзисторах?

6. Що таке порогова напруга і напруга відсічки?


ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5

Тема: “Дослідження підсилювальних каскадів за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench ”.

Мета роботи: вивчення принципу дії та властивостей, дослідження характеристик илювальних каскадів.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Основні схеми побудови підсилювачів на біполярних транзисторах обумовлюються можливими способами їхнього включення — СБ, СЕ і СК. Коротко розглянемо базові схеми підсилювачів з допоміжними елементами показавши на рис. 5.1.

Рисунок 5. 1 – Базові підсилювальні каскади з СБ (а, б), СЕ (в) і СК (г)

Базові підсилювальні каскади з СБ (а, б), СЕ (в) і СК (г) На pис. 5.1 позначено: Ucc – напруга живлення, Ui – вхідна напруга, Uo – вихідна напруга, Rk – опір колекторного навантаження, С – розділовий конденсатор. Re — емітерний опір, Rl, R2 — резисторні дільники, що задає режим каскаду по постійному струмі. Особливістю класичної схеми каскаду з СБ (pис. 1, а) є наявність окремого джерела зсуву Us, за допомогою якого задається режим транзистора по постійному струмі, що досить незручно. Тому на практиці використовується каскад СБ за схемою pис. 5.1, б, у якому режим за постійним струмом задається дільником на резисторах Rl, R2, а по змінному струмі база з’єднана із “землею” через блокувальний конденсатор Сb.

Базові каскади характеризуються вхідним Rвх, і вихідним Rвих опором, коефіцієнтом підсилення струму Кі і напруги Кu. Нижче в якості довідкової інформації приводяться наближені вирази для цих характеристик.

Для каскаду з СБ:

  • Rвх=Re||Rе;
  • Rвих=Rk;
  • Kі=a;
  • Ku=aRk.

Для каскаду з СЕ:

  • Rвх=a(Re+Re`);
  • Rвих=Rk/?+( Re+Re`)(Rk+Rі)/( Re+Re`+Rі);
  • Kі=a; Кu =-Rk/( Re+Re`).

Для каскаду з СК:

  • Rвх=b(Re+Re`);
  • Rвих= Re+Re`;
  • Кі=b;
  • Ku=1.

У приведених формулах Rе` – об'ємний опір емітерного переходу; a – коефіцієнт підсилення струму транзистора в схемі з СБ; || – значок паралельного з'єднання резисторів; Rі — внутрішній опір джерела вхідного сигналу з урахуванням опорів паралельно включених резисторів Rl, R2; b – коефіцієнт підсилення струму транзистора в схемі СЕ. Каскади СБ і СК сигнал не інвертують, а СЕ — інвертує.

Проектування підсилювача починається з визначення режиму транзистора по постійному струму, що називають статичним режимом.

У залежності від струму колектора транзистора і величини спадання напруги на електродах транзистора підсилювального каскаду, а також від амплітуди вхідного сигналу розрізняють наступні режими: режим А; режим В; режим С; режим D і проміжні режими, наприклад, АВ.

У режимі А струм у вихідному ланцюзі підсилювача протікає протягом усього періоду сигналу. Для ілюстрації звернемося до pис. 5.2, на якому показаний каскад за схемою з СЕ. У схемі використані індикаторні вольтметри для контролю напруг на електродах транзистора в статичному режимі, а також функціональний генератор і осцилограф для моделювання режиму підсилення. У програмі EWB для розглянутої схеми не можна відключити функціональний генератор, тому при моделюванні статичного режиму установимо мінімальну амплітуду сигналу (у нашому випадку 1 мкВ).

Рисунок 5.2 – Підсилювальний каскад за схемою з СЕ

Для підсилювального каскаду класу А розрахунок статичного режиму полягає у виборі такого колекторного струму Ico (його називають струмом чи струмом спокою у робочій точці), при якому спадання напруги на колекторному навантаженні Rk, по-перше, дорівнює падінню напруги на транзисторі (напруга коллектор-емітер Uсе) і, по-друге, було б менше амплітудного значення при максимальному вхідному сигналі. Перша умова стосовно до схеми на pис. 5.2 запишеться в такий спосіб:

IкоRk+Uсе+IecRe=Uce. (1)

де Iec=bIco/(b-1) — струм спокою емітера, b – коефіцієнт підсилення струму транзистора в схемі з СЕ.

Оскільки b>>1 (у розглянутому прикладі b= 100), то Iec= Ico.

У такому випадку вираз (1) матиме вид: 2IсоRk+IсоRe=Uсо, звідки знаходимо струм спокою:

Iсо=Uес/(2Rk+Re). (2)

Розглянемо тепер базовий ланцюг транзистора. Напруга на базі з спільною шиною (з урахування того, що Iec>Ico).

Ubo= Ubeo+Re, (3)

де Ubeo – напруга база-емітер (для кремнієвих транзисторів знаходиться в межах 0,7...0.9 В).

Оскільки Ubo дорівнює падінню напруги на резисторі R2,струм через нього дорівнює I2=Ubo/R2=(Ubeo+IcoRe)/R2. Через резистор R1 протікає сума струму бази, рівного Ico/b, і струму I2. Спадання напруги на резисторах R1, R2 дорівнює напрузі живлення Ucc. Тому для базового ланцюга:

Rl(Ico/b+Ub/R2)+Ub=Ucc (4)

Якщо керуватися вимогами високої термостабільності каскаду (див. нижче), то необхідно вибирати R1>>R2, Ico/b<<I2:

Ube=IcoRe. (5)

У такому випадку із урахуванням (2) і (3) з (4) одержуємо вираз для орієнтованого розрахунку опорів резисторів схеми із СЕ:

Rl/R2=Rk/Re. (6)

Підставляючи у формулу (6) значення опорів резисторів, використовуваних у схемі на pис. 5.2, переконуємося в справедливості цього співвідношення. При цьому, як випливає з показань вольтметрів, спадання напруги на колекторному опорі складає 10 - 5,55 = 4,45 В і близько до значення спадання напруги на транзисторі 5,55 - 0,886 = 4,67 В, що відповідає першій умові забезпечення режиму А.

Коефіцієнт підсилення каскаду з СЕ розраховується по наближеній формулі Ku=Rk/Re (якщо Re не зашунтоване ємністю). У розглянутому прикладі він дорівнює 5. Отже, при амплітуді вихідної напруги 4,5 В (друга yмова забезпечення режиму А) на вхід підсилювача можна подати сигнал з амплітудою 4,5/5 = 0,9 В.

Рисунок 5.3 - Осцилограма вхідного (В) і вихідного (А) сигналів

Осцилограма вхідного і вихідного сигналів показані на pис. 5.3. Зверніть увагу, що обидва канали працюють у режимі АС і осцилограми рознесені на екрані за допомогою зсуву по вертикалі (Y POS). З осцилограм видно, що вихідний сигнал (осцилограма А) за формою повторює вхідний сигнал (осцилограма В). Таким чином, перевагою режиму класу А є мінімум нелінійних перекручувань. Його недоліком є низький ККД, менший 0,5, тому він використовується найчастіше в каскадах попереднього підсилення, а також у малопотужних вихідних каскадах.

У режимі В струм через транзистор протікає протягом половини періоду вхідного сигналу (180°). Половину цього кута, що відповідає моменту припинення струму через активний елемент, називають кутом відсічки. В ідеалі цей кут дорівнює 90°. Через нелінійність початкових ділянок характеристик транзисторів форма вихідного струму при його малих значеннях істотно відрізняється від форми струму в лінійному режимі. Це викликає значні нелінійні перекручування вихідного сигналу. Режим В звичайно використовують у двотактних вихідних каскадах, що мають високий ККД, в інших каскадах його застосовують порівняно рідко. Частіше вибирають проміжний режим АВ, при якому кут відсічення трохи більше 90° і при відсутності вхідного сигналу через активний елемент протікає струм, рівний 5...15% від максимального струму при заданому рівні вхідного сигналу. Такий вибір дозволяє зменшити нелінійні перекручування.

У режимі С струм через транзистор протікає протягом проміжку часу, менше половини періоду вхідного сигналу, тобто при куті відсічення менше 90°. Струм спокою в режимі С дорівнює нулю. Його використовують у потужніх підсилювачах, у яких навантаженням є резонансний контур (наприклад, у вихідних каскадах радіопередавачів).

Режим D (чи ключовий) — режим, при якому транзистор знаходиться тільки в двох станах; чи цілком замкнений, чи цілком відкритий. Такий режим використовується в ключових схемах. При виборі параметрів робочої точки активного елемента необхідно враховувати розкид його параметрів від екземпляра до екземпляра і їхня залежність від температури (зворотний струм переходів, коефіцієнт передачі по струму), а також схильність зміни в часі (за рахунок старіння). Усе це вимагає вживання спеціальних заходів для стабілізації коефіцієнта підсилення й інших параметрів підсилювачів.

Зміни параметрів особливо небезпечні в перших каскадах підсилювачів постійного струму, тому що при гальванічної міжкаскадного зв'язку і великому коефіцієнті підсилення це може привести до істотної зміни нульового рівня на виході. Тому в більшості транзисторних підсилювачів для стабілізації положення робочої точки вводять стабілізуючий зворотний чи зв'язок використовують методи температурної компенсації (зокрема, уведенням термозалежних опорів).

Для оцінки впливу температури на параметри підсилювальних каскадів використовується коефіцієнт температурної нестабільності St=b/[1+?Yb], де Yb=Re/(Re+Rb), Rb — опір базового дільника (для схеми на pис. 5.3 дорівнює опору паралельно включених резисторів Rl, R2). Максимальна температурна стабільність статичного режиму забезпечується при Yb=1. Отже, для підвищення температурної стабільності бажане виконання умови Re»Rb, тобто вона буде тим краще, чим більше опір у ланцюзі емітера і чим менше еквівалентний опір дільника Rl, R2, що задає режим за постійним струмом.

Для підвищення температурної стабільності підсилювальних каскадів використовують також різні способи термостабілізації. Перший спосіб термостабілізації – параметричний – заснований на застосуванні термочутливих елементів, зокрема, напівпровідникових діодів (у схемі
на pис. 5.2. Це може бути діод, підключений послідовно з резистором R2). При зміні температури навколишнього середовища опір термозалежного елемента змінюється так, що зміна струму чи бази напруги між емітером і базою компенсує зміну струму колектора. Очевидно, що характеристика такого термоелемента повинна володіти відповідною температурною залежністю. Тому для забезпечення потрібних характеристик у ряді випадків паралельно термоелементу і послідовно з ним включають спеціальним образом підібрані активні опори. Це ускладнює схему, і, крім того, з часом така компенсація порушується.

Другий спосіб термостабілізації — застосування негативного зворотного зв'язку по постійному струмі, причому використовують як місцеву, так і загальну зворотні зв'язки. При місцевому зворотному зв'язку найчастіше застосовують зворотний зв'язок по струму і трохи рідше — зворотний зв'язок по напрузі, У схемі на pис. 5.2 застосований зворотній зв'язок по струму, сутність якого полягає в тім, що дільник на резисторах Rl, R2 задає потенціал бази і тим самим жорстко фіксує потенціал емітера. Тому що цей потенціал обумовлений спаданням напруги на резисторі Re, тим самим задається струм емітера. При цьому зміни параметрів транзистора, що змінюють струм колектора, змінюють відповідним чином струм емітера і спадання напруги на резисторі Re. Це приводить до зміни різниці потенціалів між базою і емітером. Струм бази при цьому змінюється таким чином, що зміна струму колектора буде тією чи іншою мірою скомпенсована.

Чим менший еквівалентний опір базового дільника, тим менше ступінь потенціалу бази залежить від змін базового струму і тем краща стабілізація. Але при малих опорах Rl, R2 різко зростає потужність, споживана від джерела живлення, і зменшується вхідний опір каскаду. Якщо необхідно мати стабільний режим за постійним струмом і максимальне підсилення за змінним струмом, вводять досить глибокий зворотний зв'язок за рахунок збільшення опору резистора Re, паралельно якому включається конденсатор великої ємності (конденсатор Сb на pис. 5.2), що визначається з умови: 2пFminCbRe>>1, де Fmin – мінімальна частота сигналу.

У багатокаскадних підсилювачах для стабілізації статичного режиму перевага віддається негативному зворотного зв'язку за постійним струмом, що охоплює весь підсилювач. При цьому місцеві зворотні зв'язки застосовувати недоцільно, тому що вони завжди зменшують коефіцієнти підсилення окремих каскадів і знижують ефективність загального зворотного зв'язку.

Підсилювальні каскади на польових транзисторах, на відміну від біполярних, керуються напругою, прикладеним чи до замкненому р–n –переходу (у транзисторах з керуючим р–n–переходом) чи між електрично ізольованим затвором і підкладкою, що часто з'єднується з одним із електродів транзистора (у МДП-транзисторах). Струм затвора в підсилювальних каскадах на польових транзисторах досить малий і для кремнієвих структур з керуючим р–n–переходом не перевищує 10 нА. Для МДП-транзисторів цей струм на кілька порядків менший. Для транзисторів із р–n–переходом вхідний опір на низьких частотах складає десятки мегаом, а для МДП-транзисторів досягає десятків і сотень тераом. З підвищенням частоти вхідний опір транзисторів істотно зменшується через наявність ємкостей затвор-втікання і затвор-витікання.

Серед базових каскадів на польових транзисторах на практиці найбільше поширення одержали каскади із спільним витоком (аналог СЕ) і витокові повторювачі (аналог СК), показані в двох модифікаціях на pис. 5.4 і, що відрізняються способом реалізації статичного режиму; зсув чи забезпечується за рахунок спадання напруги на резисторі, включеному в ланцюг джерела (pис. 5.4, а, в), чи за рахунок подачі на затвор додаткової напруги (pис. 5.4, б, г). Тому що струм затвора польових транзисторів дуже малий, можна вважати, що в першому випадку напруга затвор-джерело практично дорівнює падінню напруги на опорі RS.

Рисунок 5.4 – Базові підсилювальні каскади на польових транзисторах із спільним витоком (а, б) і спільним стоком (в, г)

Для польового транзистора з керуючим р–n–переходом, що працює в широкому діапазоні температур, положення робочої точки може змінюватися через додаткове спадання напруги на резисторі R2, опір якого звичайно вибирається досить великим. Це зв'язано зі зміною зворотного струму р–n–перехода, що виконує роль затвора, зміною контактної різниці потенціалів затвор-канал і рухливості носіїв заряду в каналі. Зміна струму стоку при фіксованій напрузі зсуву визначається наближеним співвідношенням дельта Id= Ido[(Тo/Т)0,66-1], де Ido – струм стоку при температурі Тo; Т — температура, для якої визначається дельта Id.

Аналіз дестабілізуючих факторів, що викликають зміну струму стоку, показує, що при зміні температури вони мають різні знаки і, отже, можлива їхня взаємна компенсація. Точка, у якій при змінах температури зміна струму стоку мінімально, називають температурно-стабільною точкою. Однак ефективна компенсація можлива тільки в невеликому діапазоні температур. При цьому для польових транзисторів з ізольованим затвором температурно-стабільна робоча точка відсутня узагалі.

Основним прийомом підвищення температурної стабільності є збільшення глибини послідовного зворотного зв'язку за струмом, що здійснюється за рахунок збільшення опору Rs і, як наслідок, супроводжується збільшенням напруги зсуву. У підсумку вже при порівняно невеликих напругах затвор-витік, польові транзистори працюють поблизу режиму відсічки, де крутість характеристики мала. Для усунення цього недоліку на затвор подають додаткову напругу, що відмикає від дільника напруги на резисторах Rl, R2 (pис. 5.4, в, г), що забезпечує роботу транзистора на ділянці з більшою крутістю.

У польових транзисторів з індукованим каналом подача напруги зсуву від зовнішнього джерела обов'язкова, тому що в його відсутність транзистор замкнений. Температурна стабілізація здійснюється за рахунок послідовного зворотного зв'язку, що вводиться за допомогою резистора Rs. Слід зазначити, що температурні зміни струму стоку в польових транзисторах у багато разів менше змін колекторного струму біполярних транзисторів. Тому, як правило, забезпечення необхідної температурний стабільності не викликає великих ускладнення. Виникаючий при цьому зворотний зв'язок по змінному струмові нейтралізується шунтуванням резистора Rs блокувальним конденсатором.

При аналізі підсилювальних каскадів на польових транзисторах оперують рутістю характеристики So і струмом стоку Ido, що відповідають нульовій напрузі затвор-витік. При цьому використовують наступні наближені співвідношення, що описують характеристики польових транзисторів: Ic=Ico(1-Ugs/Ugso)2; S=So(l-Ugs/Ugso); So=2IcoUgso. У цих формулах Ic — поточне значення струму стоку, Ico; So — початковий струм стоку і крутість характеристики при напрузі відсічки Ugso; Ugs, S — поточні значення напруги затвор-витік і крутості.

Вхідний опір підсилювальних каскадів на pис. 5.4 в області середніх частот дорівнює опору резистора R2 чи Rl||R2, вихідний опір каскаду з спільним витоком дорівнює Rd||Rdsd, де Rdsd — диференціальний опір каналу сток-виток; як правило, воно істотно більше Rd, тому вихідний опір практично дорівнює Rd. Для каскаду із спільним стоком при виконуючих на практиці припущеннях SRs1 і SRdsd1 вихідний опір рівний 1/S. Коефіцієнти підсилення по напрузі каскадів із спільним витоком і стоком визначаються відповідно формулами:

KuCB= S(Rd)2/(Rd+Rs); KuCC= SRs/(1+SRs). (7)

Схема для моделювання каскаду зі спільним витоком приведене
на pис. 5.5.

Рисунок 5.5 – Підсилювальний каскад з СВ

ХІД РОБОТИ

1. Запустіть Electronics Workbench.

2. Підготуйте новий файл для роботи. Для цього необхідно виконати наступні операції з меню: File/New і File/Save as. При виконанні операції Save as буде необхідно вказати ім'я файлу і каталог, у якому буде зберігатися схема.

3. Розгляньте схеми на рис. 5.6 – 5.8.

Рисунок 5.6 – Схема дослідження підсилювального каскаду на БТ з СЕ

4. Перенесіть необхідні елементи з заданої схеми на робочу область Electronics Workbench. Для цього необхідно вибрати розділ на панелі інструментів (Sources, Basic, Diodes, Transistors, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), у якому знаходиться потрібний вам елемент, потім перенести його на робочу область.

Рисунок 5.7 – Схема дослідження підсилювального каскаду на БТ з СБ

5. З'єднайте контакти елементів і розташуйте елементи в робочій області для одержання необхідної вам схеми. Для з'єднання двох контактів необхідно натиснути на один з контактів лівою кнопкою миші і, не відпускаючи клавішу, довести курсор до другого контакту. У разі потреби можна додати додаткові вузли (розгалуження). Натисканням на елементі правою кнопкою миші можна одержати швидкий доступ до найпростіших операцій над положенням елемента, таким як обертання (rotate), розворот (flip), копіювання/вирізання (copy/cut), вставка (paste).

Рисунок 5.8 – Схема дослідження підсилювального каскаду на БТ з СК

6. Проставте необхідні номінали і властивості кожному елементу. Для цього потрібно двічі виконати подвійне натискування лівою кнопкою миші на зображенні елемента.

7. Коли схема зібрана і готова до запуску, натисніть кнопку включення живлення на панелі інструментів. У випадку серйозної помилки в схемі (замикання елемента живлення накоротко, відсутність нульового потенціалу в схемі) буде видано попередження.

8. Зробіть аналіз схеми, використовуючи інструменти індикації. Вивід термінала здійснюється подвійним натисканням клавіші миші на елементі. У випадку потреби можна скористатися кнопкою Pause.

9. При необхідності зробіть доступні аналізи в розділі меню Analysis.

10. Занесіть пояснення щодо створення схем у звіт.

11. Зробіть висновки.

 

 

Контрольні запитання

1. Що таке підсилюючий каскад?. Класифікація підсилюючих каскадів.

2. Режими роботи підсилювальних каскадів.

3. Принципи побудови підсилювачів.

4. Зворотні зв’язки в підсилювачах.

 


ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6

Тема: “ Дослідження робот

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.