Порядок выполнения работы. Практическая работа №5. Исследование полупроводниковых
Практическая работа №5. Исследование полупроводниковых. Расчеты передаточных функций по постоянному току (DC Analysis) в САПР MicroCAP.
Цель работы.
Исследовать полупроводниковые приборы с использованием программы схемотехнического моделирования Micro – Cap. Научиться определять основные параметры полупроводниковых приборов на вольт – амперной характеристики (ВАХ).
Краткие теоретические сведения
В режиме DC рассчитываются передаточные характеристики по постоянному току. Ко входам цепи подключаются один или два независимых источников постоянного напряжения или тока. В качестве выходного сигнала может рассматриваться разность узловых потенциалов или ток через ветвь. При расчете режима DC программа закорачивает индуктивности, исключает конденсаторы и затем рассчитывает режим по постоянному току при нескольких значениях входных сигналов. Например, при подключении одного источника постоянного напряжения может рассчитываться передаточная функция усилителя постоянного тока, вольт амперная характеристика (ВАХ) диода, а при подключении двух источников – семейство статических выходных характеристик транзистора.
Полупроводниковый диод называют прибор с двумя выводами, содержащий один
Порядок выполнения работы.
1. Изучить теорию по учебному пособию «Лекции по электронике» В.Л. Землякова (лекция №1).
2. Произвести измерение и исследовать ВАХ полупроводникового диода, в программе схемотехнического анализа MicroCAP
На рисунке 5.1 приведена электрическая схема для исследования ВАХ диода. Нарисовать данную схему в схемном редакторе MicroCAP. В качестве исследуемого полупроводникового диода, выбрать компонент «Diode» и задать параметр «Model=….» в соответствии с вариантом задания (Таблица 5.1).
Рисунок 5.1 – Схема электрическая принципиальная для исследования ВАХ диода.
3. Сохранить схему под именем «Diode.cir»
4. Выбрать режим анализа передаточной функции по постоянному току Analysis > DC(Alt + 3)
5. В открывшемся окне параметров анализа передаточной функции по постоянному току задать следующие параметры анализа:
6. Источник варьируемого напряжения Variable 1; Method=Auto; Name=V1; Range=40, -20, 0.5 (диапазон изменения напряжения от -20 до 40 с шагом 0.5).
Параметры отображения графика
7. P =1(номер графика);
8. X Expression = V(D1)(физическая величина по оси Х, в данном случае напряжение на диоде D1);
9. Y Expression=I(D1) (физическая величина по оси Y, в данном случае ток через диод D1).
10. X Range, Y Range = AutoAlways (масштаб по оси X и Y «всегда авто»).
Таблица 5.1. Варианты задания на практическую работу.
| № варианта | Тип диода | Тип биполярного транзистора | |
| 1N752 | 2N2218 | ||
| 1N914 | 2N2222 | ||
| 1N3491 | 2N2368 | ||
| 1N3879 | 2N2369 | ||
| 1N3889 | 2N3020 | ||
| 1N3899 | 2N3055 | ||
| 1N3900 | 2N3252 | ||
| 1N3909 | 2N3439 | ||
| 1N4001 | 2N3501 | ||
| 1N4148 | 2N3506 | ||
| 1N4933 | 2N3725 | ||
| 1N4934 | 2N3903 | ||
| 1N4935 | 2N3904 | ||
| 1N4936 | 2N4014 | ||
| 1N4937 | 2N4124 |
11.
12. Запустить анализ, нажав на кнопку «Run»
13. Проанализировать полученную ВАХ. Наблюдается на обратной ветви ВАХ очень крутое падение характеристики (лавинный пробой)? Если лавинного пробоя не наблюдается то необходимо увеличить начальное напряжение анализа и повторить действия с п. 2.4
14. Зарисовать ВАХ в отчет
15. Определить по ВАХ следующие характеристики диода:
высота потенциального барьера;
напряжение электрического пробоя;
обратный ток при напряжении Uобр=0.5 Uпр;
крутизну(S) и динамическое сопротивление (Rдин) на линейном участке прямой ветви ВАХ.
16. Произвести измерение и исследовать ВАХ полупроводникового динистора, в программе схемотехнического анализа MicroCAP
17. Для измерения и исследования ВАХ можно использовать предыдущую схему (Рис. 5.1), заменив диод на тиристор (Diac).
18. Сохранить схему под именем «Diac.cir»
19. Выбрать режим анализа передаточной функции по постоянному току Analysis > DC(Alt + 3)
20. В открывшемся окне параметров анализа передаточной функции по постоянному току задать следующие параметры анализа:
Источник варьируемого напряжения Variable 1; Method=Auto; Name=V1; Range=40, -20, 0.5 (диапазон изменения напряжения от -20 до 40 с шагом 0.5).
Параметры отображения графика
P =1(номер графика);
X Expression = V(X2)(физическая величина по оси Х, в данном случае напряжение на динисторе X1);
Y Expression=I(R1) (физическая величина по оси Y, в данном случае ток через динистр X1).
X Range, Y Range = AutoAlways (масштаб по оси X и Y «всегда авто»).
21. Запустить анализ, нажав на кнопку «Run»
22. Проанализировать полученную ВАХ. Наблюдается на прямой ветви ВАХ включение динистора? Если включения динистора не наблюдается то следует увеличить начальное и конечное напряжение анализа и повторить действия с п. 3.4
23. Зарисовать ВАХ в отчет
24. Определить по ВАХ напряжение включения динистора
25. Произвести измерение и исследовать выходную ВАХ биполярного транзистора, в программе схемотехнического анализа MicroCAP
26. Открыть файл примера схемы исследования выходной ВАХ биполярного транзистора «C:\Program Files\mc9g\data\curves.cir»
27. Сохранить данный файл под новым именем «NPN.cir»
28. Открыть окно параметров транзистора и задать тип транзистора (Model=…) в соответствии с вариантом (Таблица 5.1)
29. Выбрать режим анализа передаточной функции по постоянному току Analysis > DC(Alt + 3)
30. В открывшемся окне параметров анализа передаточной функции по постоянному току, не изменяя параметры анализа запустить расчет, нажав на кнопку «Run»
31. Проанализировать полученную ВАХ и зарисовать её в отчет
32. Произвести измерение и исследовать входную ВАХ биполярного транзистора, в программе схемотехнического анализа MicroCAP
33. Открыть файл примера схемы исследования выходной ВАХ биполярного транзистора «curves_in.cir» (взять у преподавателя)
34. Сохранить данный файл под новым именем «NPN_IN.cir»
35. Открыть окно параметров транзистора и задать тип транзистора (Model=…) в соответствии с вариантом (Таблица 5.1)
36. Выбрать режим анализа передаточной функции по постоянному току Analysis > DC(Alt + 3)
37. В открывшемся окне параметров анализа передаточной функции по постоянному току, не изменяя параметры анализа запустить расчет, нажав на кнопку «Run»
38. Проанализировать полученную ВАХ и зарисовать её в отчет
39. По полученной входной и выходной ВАХ биполярного транзистора определить статический коэффициент передачи по току (βСТ).
Содержание отчета:
Название и цель работы;
Теоретические сведения;
Схемы электрические принципиальные;
Результаты моделирования (ВАХ диода, динистора и тиристора);
Расчеты;
Вывод о проделанной работе.
Контрольные вопросы
Что называется электронно-дырочным переходом?
Что такое «прямое» и «обратное» включение p - n перехода?
Объясните ход вольт-амперной характеристики p - n перехода?
Что такое стабилитрон?
Что такое варикап?
Что такое фотодиод?
Что такое динистор?
Что такое тиристор?
Чем лавинный пробой отличается от теплового пробоя?
Что такое биполярный транзистор?
Чем характеризуются схемы включения биполярного транзистора: ОЭ, ОК, ОБ?
Как обеспечивается работа биполярного транзистора в режиме отсечки?
Как обеспечивается работа биполярного транзистора в режиме насыщения?
Как обеспечивается работа биполярного транзистора в активном режиме?
Какая схема включения биполярного транзистора переворачивает фазу входного сигнала: ОЭ, ОК, или ОБ?
Практическая работа №6.
Расчет и моделирование аналогового двухвходового сумматора.
Цель работы.
Рассчитать и исследовать работу сумматор, на операционном усилителе, изучить основные характеристики.
Краткие теоретические сведения.
Обратная связь (ОС) — это условие функционирования физической системы, при котором часть энергии передается с ее выхода на вход. Введение ОС в физическую систему, например электронную, изменяет рабочие характеристики системы.
На практике, главным образом в усилителях, ОС организована так, что часть выходного сигнала, подаваемая на вход усилителя, вычитается из входного сигнала. Такая связь называется отрицательной обратной связью (ООС). Если часть выходного сигнала, подаваемая на вход, складывается с входным сигналом, то ОС называется положительной обратной связью (ПОС) или (достаточно редко) регенеративной
Отрицательная обратная связь стабилизирует коэффициент усиления усилителя, расширяет его полосу пропускания, уменьшает шумы и искажения и используется значительно чаще, чем ПОС, которая увеличивает коэффициент усиления, но уменьшает полосу пропускания и ухудшается стабильность усиления. ПОС применяется преимущественно в генераторах.
Цепь обратной связи (ОС) может быть частотно-зависимой, тогда коэффициент усиления будет определенным образом зависеть от частоты, если же цепь ОС является амплитудно-зависимой, то усилитель обладает нелинейной характеристикой (распространенным примером такой схемы служит логарифмический усилитель, в котором в цепи ОС используется логарифмическая зависимость напряжения UБЭ от тока IК в диоде или транзисторе). Обратную связь можно использовать для формирования источника тока (выходной импеданс близок к бесконечности) или источника напряжения (выходной импеданс близок к нулю), с ее помощью можно получить очень большое или очень малое входное сопротивление. Вообще говоря, тот параметр, по которому вводится обратная связь, с ее помощью улучшается. Например, если для обратной связи использовать сигнал, пропорциональный выходному току, то получим хороший источник тока.
Операционный усилитель (ОУ) (или дифференциальный усилитель) – это устройство с дифференциальным входом. Усилитель строится так что он усиливает только разность напряжений, поданных на его вход (Uвх1 – Uвх2), и не реагирует на синфазное входное напряжение. Для большинства микросхем операционных усилителей коэффициент усиления (передачи) по напряжению Ku находится в приделах 100000…1000000 раз.
Обычно операционный усилитель состоит из входного дифференциального каскада, усилителя с большим коэффициентом усиления, и относительно мощного выходного каскада. При анализе схем на ОУ часто полагают, что 
Эти условия соответствуют так называемому идеальному операционному усилителю. Прообразом ОУ может служить классический дифференциальный усилитель с двумя входами и несимметричным выходом; правда, следует отметить, что реальные операционные усилители обладают значительно более высокими коэффициентами усиления (обычно порядка 105 – 106) и меньшими выходными импедансами, а также допускают изменение выходного сигнала почти в полном диапазоне питающего напряжения (обычно используют источник питания ±15 В). Промышленность выпускает сейчас сотни типов операционных усилителей; одно из условных обозначении, принятое для всех типов, представлено на рисунке 6.1; входы обозначают (+) и (-), и работают они, как можно догадаться, следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (-), и наоборот.
Рисунок 6.1 – Условное графическое обозначение ОУ
Символы "+" и "-" не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную фазу выходного сигнала (это важно, если в схеме используется отрицательная ОС). Во избежание путаницы лучше называть входы "инвертирующий" и "неинвертирующий", а не вход "плюс" и вход "минус". На схемах часто не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления. Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда (за редким исключением) не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. Коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли ОС характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи. Конечно, при более подробном изучении должно оказаться, что такое обобщенное заключение справедливо не всегда.
Операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому не будем рассматривать это небольшое напряжение, а сформулируем правило 1: