Исследование характеристик и параметров полупроводниковых приборов: Методические указания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Ульяновск 2006

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Электроника» и использованию программы «Еlectronics Workbench» для студентов специальности 21020165 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»

Составители: В. Н. Рогов О.В.Козикова

Ульяновск 2006

УКД 621.3(076) ББК 32.852я7 И 89

Рецензент директор Ульяновского филиала ИРЭ РАН, д-р техн. наук Сергеев В. А. Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета

И89

Исследование характеристик и параметров полупроводниковых приборов: методические указания / сост. В. Н. Рогов, О. В. Козикова. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – 60 с. Составлены в соответствии с программами курсов «Электроника». Методические указания предназначены для студентов специальности 21020165 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электроника». Данные методические указания могут быть использованы при выполнении схемотехнических и технологических расчетов вторичных источников питания РЭС в процессе курсового и дипломного проектирования. Выполнение расчетов предусматривает использование ПЭВМ. Работа подготовлена на кафедре «Радиотехника».

УКД 621.3(076) ББК32.852я7

© В. Н. Рогов, О. В. Козикова, 2006 © Оформление. УлГТУ, 2006

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Описываемые ниже лабораторные работы составляют основную часть лабораторного практикума по дисциплине «Электроника». Лабораторная работа выполняется в дисплейном классе с использованием ПЭВМ. Правила выполнения лабораторных работ При подготовке к выполнению лабораторной работы студентам следует: • изучить теоретические вопросы, изложенные в методических указаниях; • ознакомиться с техникой безопасности при работе в дисплейном классе; • получить у преподавателя задание на выполнение лабораторной работы, которое выдается после проверки теоретической подготовки студента. 2. Лабораторные работы выполняются в соответствии с описанием и инструкцией пользователя. 3. Результаты расчетов утверждаются преподавателем. 4. Категорически запрещается использование клавиш ПЭВМ, нажатие которых не предусмотрено в инструкции пользователя.

1.

ИНСТРУКЦИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПРОГРАММНЫМ КОМПЛЕКСОМ ELECTRONICS WORKBENCH Внешний вид Electronics Workbench Приложение Electronics Workbench очень похоже на настоящий верстак электроники. Все, что вам нужно для сборки и испытания цепи, находится перед вами. Большая центральная область является рабочей областью, где вы собираете и испытываете цепь. Рабочая область отображается в окне, которое может менять размеры и перемещаться подобно другим окнам в Electronics Workbench. Если рабочая область закрыта другими окнами, вы можете поместить ее поверх остальных окон, нажав мышью в области ее заглавия или выбирая команду Circuit из меню Window. Рядом с рабочей областью есть ящик с элементами схемы. Вверху дисплея находится меню, значки приборов и переключатель для активизации цепи. Использование окон Для перемещения окна, тяните его за область заглавия. Чтобы закрыть окно, нажмите на крестик в правом верхнем углу окна. Для того чтобы изменить размер окна, растягивайте его за стороны или углы. Для перемещения видимой области окна тяните бегунок вдоль полосы прокрутки. Чтобы сделать окно активным, нажмите мышью внутри окна. Прокрутка рабочей области В зависимости от разрешения экрана рабочая область может быть в четыре раза больше, чем окно, в котором она появляется. Для того чтобы увидеть 3

остальную часть рабочей области, нажав мышью на бегунке в полосе прокрутки, тяните его. Когда вы тяните соединительный провод, более одного компонента или значок прибора за пределы рабочей области, рабочая область также начнет перемещаться. Меню Window Команды этого меню используются для организации окон. Команда Arrange (Ctrl+W) аккуратно располагает рабочую область, окно ящика элементов и окно описаний (если оно открыто), делая эти окна по возможности большими. Команда Circuit располагает рабочую область поверх всех окон. Команда Description (Ctrl+D) добавляет информацию или комментарии к цепи в окно описаний. Использование мыши и клавиатуры Вы можете:
Выбирать и перемещать элементы и приборы по экрану. Для того чтобы переместить объект, укажите на него, нажав левую кнопку мыши, и перемещайте мышь, удерживая кнопку. Когда объект там, где вам нужно, отпустите кнопку мыши. Для выбора группы объектов щелкните левой кнопкой мыши на левом нижнем объекте группы и тяните мышь к верхнему правому объекту, удерживая кнопку нажатой. Для того чтобы перемещать группу выбранных объектов по рабочей области, укажите на один из них, нажав и удерживая левую кнопку мыши, перемещайте мышь.
Раскрывать значки двойным нажатием. Двойное нажатие используется для задания величины или марки элемента, раскрытия значка приборов или значка подсхемы, для установки цвета соединительного провода. Добавление текста Набор текста необходим только для таких операций, как например, определение меток элементов, их величин или марок; описание цепи или введения величин на приборах. В большинстве случаев начало вставки выбирается автоматически. Вы можете переместить начало вставки, используя стрелки или нажимая на другое место в текстовом блоке. «Горячие» клавиши Если команда меню имеет «горячую» клавишу, она появляется в меню рядом с командой. Например, «горячая» клавиша для команды Save – Ctrl+S. Для того чтобы использовать «горячую» клавишу, нажмите клавишу Ctrl, а затем, удерживая ее, нажмите S. Если кнопка имеет подчеркнутую букву, нажимайте клавишу Alt и написанную букву. При нажатии клавиши Enter на выделенной кнопке также выполняется команда. Кнопка с темной границей – недоступная опция. Нажмите Del, чтобы удалить выбранные элементы или текст. Нажмите Esc, чтобы убрать выпавшее меню. Используйте клавиши стрелок, чтобы переместить выбранные компоненты или значки.

4

Сборка и испытание цепей Быстрое начало Перетащите элементы из ящика элементов в рабочую область и соедините элементы вместе. Для того чтобы соединить два элемента, щелкните мышью на конце одного элемента и, не отпуская кнопку мыши, наведите ее на конец другого элемента. Отпустите кнопку мыши. Провод автоматически соединит элементы. Если провод получился ступенчатым или окольным, есть различные пути, чтобы сделать его более прямым. Если компоненты не выравниваются, выберите один из них и нажмите клавиши стрелок, чтобы выровнять их. Если провод перекрывает элемент, переместите элемент. Иногда неудобный провод может фиксироваться перемещением другого провода. Иногда помогает вращение элемента. Для того чтобы соединять два провода, используйте элемент Connector. Connector – это круглая точка в ящике элементов с именем Passive. Connector имеет четыре разъема и может соединять до четырех проводов включительно. Разъем создается автоматически, когда вы соединяете два провода. Когда разъем оказывается ненужным, он исчезает автоматически. Постоянные разъемы могут создаваться при добавлении к ним метки. Для того чтобы изменить цвет провода, выберите команду Wire Color из меню Circuit или дважды нажмите на провод. Затем выберите цвет из появившегося прямоугольника. Сигналы на осциллографе и логическом анализаторе будут того же цвета, что и провода, присоединяющие их к схеме. Чтобы разъединить провод, укажите на конец элемента и, когда он выделится, оттяните провод в сторону и выпустите кнопку мыши. Если Вы удаляете элемент или прибор, оттаскивая его к ящику частей или к полке измерительных приборов, любые провода, подключенные к нему, разъединяется автоматически. Если вы создаете подсхему, любые провода, соединенные с другими элементами в рабочей области, становятся зажимами на значке подсхемы. Вы используете эти терминалы, чтобы подключить подсхему в цепь, как любой другой элемент. Вы можете также создать новые зажимы, редактируя подсхему. Для того чтобы редактировать содержимое подсхемы, дважды нажмите на значке, чтобы распахнуть окно. Затем добавьте или удалите компоненты, как вы делаете это в обычной цепи. Чтобы создать новый зажим для подсхемы, тяните провод из элемента в подсхеме к краю окна подсхемы. Когда появляется небольшой блок, отпустите кнопку мыши. Если позже вы захотите удалить зажим, тяните этот блок к рабочей области подсхемы. Установка величин или марок элементов Простые элементы, как, например, резисторы, имеют большое разнообразие величин, которые вы определяете непосредственно. Большинство сложных элементов, как например, транзисторы имеют множество величин и марок. Элементы находятся в идеальном варианте, который отличается от реального тем, что большинство параметров обращены в нуль или в бесконечность.

5

Вы можете также выбрать марку элемента из различных марок, включенных во встроенные библиотеки Electronics Workbench. Меню Circuit содержит команды Value (Ctrl+U) и Model (Ctrl+M). Когда вы выбираете элемент, доступна только та команда, которая соответствует выбранному элементу. Если выбираются разные типы элементов, обе команды недоступны. Если вы хотите использовать в цепи элемент с одной и той же величиной или маркой много раз, добавьте его в ящик частей. Вы также можете дважды щелкнуть на элементе, чтобы установить его величину или марку. (Если у него нет величины или модели, раскроется окно метка.) Для того, чтобы устанавливать величину элемента, выберите команду Value (Ctrl+U). Введите нужную вам величину в появившееся окно. Если вы хотите изменить единицы измерения, нажмите на стрелки, расположенные рядом с ними. В конце нажмите Accept. Для того чтобы изменять марку элемента, укажите элемент и выберите команду Model (Ctrl+M). Вы увидите диалоговое окно, из которого можно выбрать марку. (Маркировка соответствует европейским стандартам). Если вы знакомые с особенностями элементов, вы можете создавать собственные библиотеки марок. Опциями команды Preference (Ctrl+E) из меню Circuit можно сделать невидимыми величину, марку и метку элемента, нажав на галочку у соответствующей позиции (Value, Model и Label соответственно ). Вы можете использовать сетку в рабочей области для выравнивания элементов вдоль точек сетки, которая включается опциями Show Grid (показать сетку ) и Use Grid (использовать сетку ). Подключение приборов Значки приборов находятся на полке приборов, расположенной выше рабочей области. Перетащите нужный значок в рабочую область. Присоедините значок к цепи, для чего щелкните на его выводе и, удерживая кнопку, тяните провод к нужному месту в схеме. Отпустите кнопку. Чтобы раскрыть значок прибора, выберите команду Zoom (Ctrl+Z) из меню Circuit или дважды нажмите на значке прибора. Когда вы раскрываете значок прибора, последний отображается в окне. Для того чтобы вновь передвинуть прибор, тяните его за область заглавия. Если инструмент не вполне виден, расположите его поверх всего, щелкнув на его заглавии. Чтобы закрыть прибор, выберите команду Close, нажав на окно диалога прибора в его левом верхнем углу. Для того чтобы удалить прибор из цепи, тяните его значок обратно на полку приборов. Активизация цепи После того как вы собрали цепь, активизируйте ее, чтобы пронаблюдать ее работу. Для этого включите переключатель в правом верхнем углу экрана или выберите команду Activate (Ctrl+Z) из меню Circuit. Когда завершается моделирование, переключатель автоматически выключается, и результаты измерений отображаются на приборах, подключенных к цепи.

6

Для того чтобы остановить моделирование, выключите переключатель или выберите Stop (Ctrl+T) или Pause (F9) из меню Circuit. Вы можете загрузить и посмотреть на готовые схемы в каталоге Samples, используя команду Open (Ctrl+O) из меню File. Приборы Мультиметр Используйте его для измерения тока, напряжения, сопротивления или затухания в децибелах между двумя точками исследуемой цепи. Измерение тока. Выберите A на приборной панели мультиметра, предварительно раскрыв окно прибора, чтобы использовать мультиметр в качестве амперметра. Затем включите амперметр последовательно в цепь на том участке, где вы хотите измерить ток. Если вы хотите измерить ток в другой точке в цепи, мультиметр должен быть вновь включен последовательно, и цепь должна быть вновь активизирована. Если вы хотите измерить ток на многих участках цепи одновременно, то удобнее будет использовать амперметры из ящика элементов. Внутреннее сопротивление амперметра очень низкое (1 мОм ). Вы можете изменить его, используя кнопку Settings на панели мультиметра. Измерение напряжения. Выберите V на приборной панели мультиметра, чтобы использовать прибор в качестве вольтметра. Для измерения падения напряжения подключите вольтметр параллельно к нагрузке, на которой вы хотите измерить напряжение. Внутреннее сопротивление вольтметра очень велико (1 ГОм ), но вы можете изменить его, используя кнопку Settings на панели мультиметра. После того как цепь активизирована, мультиметр можно переключить на другую нагрузку и измерить ее падение напряжения. Если вы хотите измерить напряжение на многих участках цепи, то удобнее будет использовать вольтметры из ящика элементов. Источники напряжения. Источник напряжения – это энергия или сигнал, где главным является выходное напряжение. DC-источник напряжения или батарея должны обеспечивать постоянное напряжение, независимое ни от скачков напряжения, вызванных изменениями нагрузки в цепи, ни от помех и колебаний AC-напряжения на выходе. AC-источник напряжения, или генератор импульсов, должен обеспечивать постоянную основную частоту генератора без второстепенных частот (гармоник). Если источник напряжения используется в качестве генератора импульса переменной частоты, полное выходное сопротивление и выходное напряжение должны быть постоянными величинами. Во многих источниках напряжения также важно, чтобы выходная частота оставалась стабильной. Источник напряжения часто используется при анализе электрических сетей, если акцент ставится на напряжении элементов, а не на токе, протекающем в цепи. Измерение сопротивления. Выберите W на панели

7

мультиметра, чтобы использовать прибор в качестве омметра, чтобы измерить сопротивление между двумя точками цепи. Также установите мультиметр в положение DC (постоянный ток). Для того чтобы провести точное измерение, убедитесь, что элемент или цепь элементов заземлена и не подключена к источнику. Измерение затуханий в децибелах. Устанавливая мультиметр на dB, вы можете измерить затухания в децибелах между двумя точками цепи. Расчетная формула : d В = 20*log10 (U1–U2/децибел стандарт ). Стандарт для расчета затуханий в dB принимается равным 1 В, которое вы можете изменить, используя кнопку Settings. AC-режим мультиметра. Выберите символ волны в приборе, чтобы измерить среднеквадратичное напряжение или ток переменного сигнала (AC). Постоянная составляющая сигнала будет игнорироваться, поэтому будет измерена только переменная составляющая. DC-режим мультиметра. Выберите символ прямой, чтобы измерить ток или величину напряжения постоянного сигнала. Переменная составляющая сигнала будет игнорироваться, поэтому будет измерена только постоянная составляющая. Не используйте вольтметр с чрезвычайно высоким внутренним сопротивлением в низкоомной цепи или амперметр с чрезвычайно низким внутренним сопротивлением в высокоомной цепи. Сильное различие может закончиться математическими ошибками округления в течение сеанса моделирования. Функциональный генератор Функциональный генератор является источником напряжения, который генерирует синусоидальные, квадратные и треугольные сигналы. Вы можете отрегулировать частоту сигнала, режим цикла, амплитуду и границу DC-уровня. Выберите вид выходного сигнала, который вам нужен, нажимая кнопку с изображением синуса, треугольника или прямоугольника. Вы можете модифицировать сигнал треугольной или квадратной формы, изменяя режим цикла. Частота функционального генератора (опция Frequency) определяет количество циклов, которые он генерирует каждую секунду. Вы можете отрегулировать частоту в пределах 1 Гц – 999 МГц. Изменение режима цикла (опция Duty circle) влияет на форму квадратных и треугольных сигналов. Вы можете отрегулировать режим цикла в пределах от 1 до 99 процентов. Для квадратных волн – режим цикла управляет высокой частью цикла. 50-процентный режим цикла дает квадратные волны с равными высокими и низкими частями. Для треугольных волн – режим цикла управляет уклоном, сдвигая точку цикла, в которой наблюдаются волновые пики. Треугольные волны при 50-процентном режиме повторяются, имея равный уклон при возрастании и убывании. На синусоидальную волну режим цикла не действует.

8

Амплитуда (опция Amplitude) устанавливает максимальное значение напряжения сигнала. Если сигнал снимают с разъемов COM и «+» или COM и «–», то амплитуда сигнала удваивается. Если сигнал снимают с разъемов «+» и «–», то амплитуда становится вчетверо больше заданной. Вывод COM обеспечивает эталонный уровень сигнала. Подключите провод к разъему COM для заземления. Вывод «+» подает положительно ориентированный сигнал выбранной амплитуды относительно нейтрального COM. Вывод «–» подает отрицательно ориентированный сигнал выбранной амплитуды относительно нейтрального COM. Граница (опция Offset) устанавливает DC-уровень, в котором изменяется переменный сигнал. Позиция границы равная нулю приводит к тому, что сигнал идет вдоль оси ОХ осциллографа (тот же эффект дает установка Y POS), равной нулю на панели осциллографа. Вы можете отрегулировать границу в пределах от – 999 кВ до 999 кВ. Осциллограф Осциллограф показывает изменения величины и частоты электронных сигналов. У него есть два входных зажима: канал A и канал B, поэтому одновременно могут быть отображены два различных сигнала. Вы можете сравнить форму одного сигнала с формой другого. Вы можете настроить осциллограф, когда цепь уже активизирована. При обновлении экрана показания осциллографа обновляются автоматически. Если вам нужно время, чтобы проанализировать сигнал на осциллографе, включите опцию Pause after each screen в команде Analysis Option (Ctrl+Y) из меню Circuit. Если вам не видна форма сигнала на осциллографе, переключите Trigger на панели осциллографа в положение Auto. Оси осциллографа могут переключаться для показа зависимости величины от времени (Y/T) и показе сигнала одного зажима, относительно другого (A/B или B/A). В режиме Y/T ось OX –, ось времени, а ось OY – ось вольтов /деление. В режимах A/B и B/A, обе оси показывают вольты /деление. Например, если Вы сравниваете канальный вклад A относительно B (A/B), шкала ось X определяется вольтами /деление (V/Div), установленными каналом B и наоборот. Установка Time base управляет ценой деления оси OX, когда включен режим времени (Y/T). Цена деления может принимать значения от 0,1 наносекунды /деление до 0,5 секунд /деление. Для удобного чтения экрана осциллографа, отрегулируйте цену деления времени так, чтобы оно было обратно пропорционально частоте, установленной на функциональном генераторе. Например, если вы хотите увидеть один цикл 1-кГц сигнала, установите Time base около 0,1 миллисекунд. Если цикл 10 килогерцевого, установите Time base около 0,01 миллисекунд. Вольты /деление (V/Div) определяет цену деление оси OY. Они также устанавливают цену деления оси OX в режимах A/B и B/A. Цена деления принимает значения от 0,01 мВ /деление до 5 кВ /деление. Цена деления каждого канала устанавливается отдельно. Для удобного чтения экрана осцилло-

9

графа отрегулируйте шкалу в зависимости от напряжения, подающегося в цепь. При AC-сигнале в 3 В установите ось OY на 1 В /деление. Установка X POS (Позиция X) определяет начало сигнала на оси OX. Когда X POS принимает значение нуля, сигнал начинается на левом крае экрана осциллографа. Положительная величина, заданная X POS, сдвигает начало вправо, отрицательная – влево. Установка Y POS (Позиция Y) определяет сдвиг сигнала относительно оси OX. Когда Y POS устанавливается на 0, точкой начала сигнала является ось OX. Величина Y POS может изменяться от –3,00 до 3,00. Для разделения сигналов с каналов A и B, чтобы сравнить их в отдельности, отрегулируйте величину Y POS для одного или обоих каналов. При включении режима AC на панели осциллографа отображается только переменная составляющая сигнала. При включении режима DC на панели осциллографа сигнал отображается полностью. При включении режима 0 сигнал гасится. Не включайте конденсатор последовательно с осциллографом. Осциллограф будет препятствовать току. Параметры триггера (Trigger) определяются, когда сигнал уже отображен. Если вы не видите сигнал, попробуйте установить Trigger в положение Auto. Кнопки Edge определяют, начнется ли сигнал с возрастания или убывания. Уровень (Level) триггера является точкой оси OY в осциллографе, которую должен пересечь триггерный сигнал перед его появлением. Кнопки Auto, A, B и Ext определяют триггерный сигнал. Используйте Auto, если вы хотите отобразить сигнал как можно быстрее или если сигнал постоянный. Нажмите A или B, чтобы использовать сигнал от нужного канала. Нажмите Ext, чтобы использовать внешний триггер. (Если вы используете внешний триггер, подключайте его к разъему Trigger на осциллографе). Разъем Ground на осциллографе используется для его заземления. Вам не нужно заземлять осциллограф, чтобы получить точные показания. Однако когда вы используете осциллограф, сама цепь должна быть заземлена. Если вы хотите использовать разъем Ground не для заземления, подключите к нему источник (или другой элемент). Кнопка Zoom увеличивает графический экран осциллографа. Вы можете получить точные координаты сигнала, перетаскивая перекрестия к нужным позициям. Окна, расположенные ниже, показывают время и величину сигнала, соответствующего перекрестию, а также разницу времени и величины двух перекрестий. Если вам нужно время, чтобы проанализировать сигнал на осциллографе, включите опцию Pause after each screen в команде Analysis Option (Ctrl+Y) в меню Circuit. Для того чтобы продолжать моделирование, выберите команду Resume (F9) из меню Circuit. Построитель частотных характеристик Используется для анализа частоты в цепи. Он может построить характеристики отношения величин (увеличение напряжения в децибелах) или сдвига фаз (в градусах). Построитель частотных характеристик создает свой собст-

10

венный спектр частот. Частота любых источников в переменной цепи игнорируется, но цепь должна включить АС - источник. Подключите зажимы измерителя In и Out к точкам цепи, в которых вы хотите произвести измерения. Выберите Magnitude или Phase, чтобы построить отношение величин между двумя точками цепи (увеличение напряжения, в децибелах) или сдвиг фаз (в градусах). Выберите Log или Lin, чтобы установить линейные или логарифмические вертикальные и горизонтальные оси. Логарифмическая шкала обычно используется при анализе ответа цепи на большую область частот. Установите начало и конец вертикальной оси построителя, регулируя величины F(конца) и I(начала). Измеряя увеличение величины, вертикальная ось показывает отношение выходного напряжения к входному. Для логарифмической шкалы это отношение измеряется в децибелах. Для линейной шкалы просто показывается коэффициент отношения. Измерения сдвига фаз производятся в градусах. Горизонтальная ось построителя всегда показывает частоту. Вы можете отрегулировать промежуток величины, устанавливая F (конец) и I (начало). Чтобы получить координаты точки на графике, активизируйте цепь, чтобы получить график. Затем переместите черту построителя до пересечения с нужной точкой путем нажатия стрелок с обозначениями «вперед» или «назад» на панели построителя частотных характеристик. Координаты будут появляться в окне на панели построителя. Генератор (машинных) слов Используется для посылания в цепь набора битов. Его левая часть содержит 16 рядов по 8 битов. Когда генератор работает, каждая колонка посылает в цепь биты в порядке очередности. Текстовый генератор также имеет сигнал синхронизации. Для того чтобы ввести набор битов в генератор слов, нажмите на нужной позиции и введите 1 или 0. Как только вы выбрали нужное значение, используйте клавиши редактирования, чтобы передвинуть курсор в другое место. Используйте набор битов, который даст вам предсказуемый выходной сигнал, который, например, указывался таблицей истинности. Используйте клавишу Backspace, чтобы удалить букву слева от курсора. Нажмите Del, чтобы удалить букву справа от курсора. (Убедитесь, что клавиша Num Lock выключена). Клавиши стрелок перемещают курсор вправо, влево, вверх и вниз соответственно. Клавиши Home и End перемещают курсор в начало или конец строки. Клавиша Ctrl+End удаляет текст от начала курсора до конца строки. Клавиша Tab переводит курсор на следующую строку. Нажмите кнопку Burst на панели генератора, чтобы послать в цепь все 16 строк, начиная с бита, следующего за выделенным. Нажмите кнопку Cycle, чтобы посылать в цепь непрерывный поток битов. (Процедура останавливается нажатием сочетания Ctrl+T). Величина каждого бита в текущей строке отображается в соответствующем окне внизу генератора слов. Для того, чтобы удалить, сохранить или загрузить наборы битов, нажмите кнопки Clear, Save или Load соответственно

11

в правом верхнем углу генератора. Когда вы нажмете кнопки Save или Load, то увидите окно диалога. Используйте его, чтобы сохранить или загрузить набор битов. Файлы набора битов имеют расширение *.Dp. Текстовый генератор производит синхронизацию, которая доступна в разъеме часов (разъем Clk). Каждый цикл часов состоит из двух величин: 1 следует за 0. Генератор слов может быть запущен либо непосредственно синхронизирующим импульсом, либо сигналом через внешний разъем триггера (разъем Trigger). При использовании внешнего триггера, набор битов передается всякий раз при максимуме. Установите частоту генератора слов в герцах, килогерцах или мегагерцах. Каждая строка посылается на выходные разъемы в течение одного цикла. Логический анализатор Восьмиканальный логический анализатор отображает сигналы в виде квадратных волн в зависимости от времени. Он также дает их двоичные и шестнадцатеричные эквиваленты. Левая половина логического анализатора отображает состояние сигналов, полученных на каждом входном канале. Номера разъемов внизу прибора соответствуют горизонтальным строкам и показывают двоичный код каждого бита. Шестнадцатеричный дисплей справа переводит двоичную величину шестнадцатеричную, корректируя порядок битов. Кнопка Clear удаляет содержимое экрана логического анализатора. Окно Time Base устанавливает цену деления логического анализатора в секундах /деление. Для того чтобы определить поведение сигнала, нажмите на кнопке с символом его возрастания или убывания. Нажмите кнопку Burst на панели анализатора, чтобы использовать сигналы, подключенные к входным зажимам в качестве триггера. Нажмите кнопку External, чтобы использовать сигнал, поступающий с внешнего разъема триггера (разъем Trigger). Нажмите кнопку Pattern, чтобы использовать набор битов в качестве триггера. Для того чтобы определить набор, введите единицы и нули в окне ниже. Если приемлема любая величина, введите X. Логический преобразователь Логический преобразователь является мощным компьютерным устройством, которое выполняет различные преобразования в цепи. а) Преобразование цепи в таблицу истинности. Преобразователь может создать таблицу истинности для цепей с восемью входами и только одним выходом. Подключите входы цепи к зажимам на значке логического преобразователя. Затем присоедините выход цепи к самому правому зажиму на значке. б) Для того, чтобы отображать таблицу истинности для цепи, нажмите на первую кнопку сверху. Затем вы можете преобразовать таблицу истинности в другие формы, используя кнопки на логическом преобразователе. Чтобы преобразовать таблицу истинности в логическое выражение, нажмите вторую кнопку сверху. Логическое выражение появится внизу прибора. Вы можете

12

выражение упростить или преобразовать его в цепь. Для того чтобы упростить логическое выражение, нажмите третью кнопку сверху. Electronic Workbench использует метод Квина-МакКласки для упрощения. Логическое упрощение требует много оперативной памяти. Если у вашего компьютера недостаточно памяти, он не сможет завершить преобразование. в) Для того чтобы преобразовать логическое выражение в таблицу истинности, нажмите четвертую кнопку сверху. Чтобы упростить логическое выражение, сначала преобразуйте его в таблицу истинности, а затем упрощайте. г) Чтобы создать цепь из логического выражения, нажмите пятую кнопку сверху. В рабочей области появится логический вентиль, который выполнит преобразование. Таким образом, вы сможете разработать полезные и сложные цепи как, например, дешифраторы. д) Для того, чтобы создавать цепь, которая выполняет логические условия, используя только NAND-вентили, нажмите на шестую кнопку. Для того чтобы создать таблицу истинности, нажмите на нужном вам количестве входных каналов (от A до H), вверху логического преобразователя. Определите нужный выход для каждого комплекта входных условий, редактируя величины на выходе (Out). Для того чтобы изменять величину, нажмите на ней и введите 1, 0 или X (X означает, что приемлема любая величина). Вольтметр Используйте вольтметр из ящика элементов, чтобы измерить постоянное или переменное напряжение, выбрав режим DC или AC в опциях вольтметра соответственно. Вольтметр имеет очень высокое внутреннее сопротивление (1 МОм) и обычно не влияет на цепь. Вы можете регулировать это сопротивление, однако слишком высокое внутреннее сопротивление вольтметра в низкоомной цепи может закончиться математической ошибкой в процессе моделирования. Амперметр Для того чтобы измерить постоянный или переменный ток, выберите DC или AC в опциях амперметра соответственно. Внутреннее сопротивление амперметра очень мало (1 мОм) и обычно не влияет на цепь. Вы можете регулировать это сопротивление, однако слишком низкое внутреннее сопротивление амперметра в высокоомной цепи может закончиться математической ошибкой в процессе моделирования. Использование меню Есть два пути, чтобы выбрать команду из меню:
Нажмите название меню, чтобы оно открылось. Затем нажмите на необходимую команду.
Нажмите Alt и подчеркнутую букву в названии меню, которое вы хотите открыть. Команда, обозначенная серым цветом, в данный момент недоступна. Например, если ни один элемент не выбран, команда Label (метка) затемнена и недоступна.

13

Меню File Используется для работы с файлами. Для того чтобы собрать новую цепь, выберите команду New (Ctrl+N). Появится новая рабочая область. Если вы изменяли текущую цепь, вам предложат сохранить ее прежде, чем создать новую цепь. Для того чтобы открыть файл, выберите команду Open (Ctrl+O). Вы увидите диалоговое окно. Выберите диск и каталог, где находится файл, затем выберите его и нажмите Ok. Для того чтобы сохранить текущую цепь, выберите команду Save (Ctrl+S). Если вы хотите сохранить файл под другим именем или в другом месте, используйте команду Save As. Используйте команду Revert to Saved, чтобы восстановить текущую цепь из последней сохраненной копии. Эта команда применяется как форма команды Undo (отмена). Для распечатки текущей цепи выберите команду Print (Ctrl+P). Вы увидите окно диалога, в котором перечисляется то, что может быть напечатано. Пометьте крестиком пункты, которые подлежат распечатке. В завершении нажмите кнопку Print. Electronics Workbench использует параметры печати, заданные в панели управления Windows. Если вы хотите изменить параметры распечатки, установите нужные вам значения опций, используя команду Print Setup. Чтобы выйти из Electronics Workbench, выберите команду Exit (Alt+F4). Если вы не сохранили изменения, вам предложат их сохранить. Используйте команду Install, чтобы установить дополнительный продукт к Electronics Workbench. Меню Edit Меню необходимо для редактирования информации в Electronic Workbench. Для того чтобы удалить выбранные элементы или текст в буфер обмена для их последующей вставки в другое место, выберите команду Cut (Ctrl+X). Для копирования выбранных элементов или текста в буфер обмена выберите Copy (Ctrl+C). Чтобы вставить информацию, содержащуюся в буфере обмена, нажмите на окно, в которое вы хотите ее поместить, выберите команду Paste (Ctrl+V). При использовании этой команды буфер обмена должен сдержать элементы или текст, в противном случае команда Paste будет недоступна. Вы можете удалить или реорганизовать элементы в ящике элементов Custom, используя команды Cut и Paste. Изменения в ящике элементов действительны только для текущей цепи. Каждый элемент может находиться в ящике только в одном экземпляре. Выберите команду Delete (Del), чтобы удалить выбранные компоненты или текст. Удаленная информация не может быть возвращена. Используйте команду Delete осторожно. Для того чтобы выбрать все в активном окне, выберите команду Select All (Ctrl+A). Например, если активна рабочая область цепи, команда Select All выбирает все элементы и значки приборов в рабочей области. Выберите команду Show Clipboard, что-

14

бы посмотреть содержимое буфера обмена. Чтобы скопировать весь экран или его часть в буфер обмена, выберите команду Copybits (Ctrl+I). Указатель мыши превратится в перекрестие. Щелкните мышью и, не отпуская кнопки, охватывайте прямоугольником нужное вам изображение. Отпустите кнопку мыши, и выбранная область скопируется в буфер. Эта команда полезна, когда вы хотите вставить весь экран или его часть в другое приложение. Меню Circuit Это меню содержит команды, которые необходимы для сборки и испытания цепи. После того как вы собрали цепь, активизируйте ее, чтобы пронаблюдать ее работу. Для этого включите переключатель в правом верхнем углу экрана или выберите команду Activate (Ctrl+G). Electronic Workbench начнет имитировать работу цепи, используя метод, определенный в окне диалога Analysis Option (Ctrl+Y). Когда завершается моделирование, переключатель автоматически выключается, и результаты измерений отображаются на инструментах, подключенных к цепи. Имитация работы цепи автоматически останавливается, если достигнуто устойчивое состояние. Однако вы можете остановить моделирование, выключив переключатель или выбрав команду Stop (Ctrl+T) или Pause (F9). Для того чтобы пометить элемент, выберите его и используйте команду Label (Ctrl+L). Элементы без величин или моделей могут помечаться двойным нажатием мыши. Для того чтобы установить величину элемента, выберите команду Value (Ctrl+U).Введите нужную вам величину в появившееся окно. Если Вы хотите изменить единицы измерения, нажмите на стрелки, расположенные рядом с ними в конце нажмите Accept. Для того чтобы изменять марку элемента, укажите элемент и выберите команду Model (Ctrl+M). Вы увидите окно диалога, из которого можно выбрать марку. (Маркировка соответствует европейским стандартам ). Если вы знакомые с особенностями элементов, то можете создавать собственные библиотеки марок. Чтобы раскрыть значок прибора или подсхемы, выберите команду Zoom (Ctrl+Z) или дважды нажмите на значке прибора или подсхемы. Для вращения элемента выберите его и нажмите команду Rotate (Ctrl+R). Вращение элементов может удалить окольные провода, сделав вашу цепь более эстетичной. Большинство элементов поворачиваются на 90 градусов по часовой стрелке. Амперметр, вольтметр сами не вращаются, а вращаются их зажимы. Для создания подсхемы используйте команду Subcircuit (Ctrl+B), чтобы объединить часть цепи в подсхему. Вы увидите окно диалога. Введите имя цепи и выберите один из трех шагов:
Copy from Circuit. Скопировать элементы в подсхему, оставив выбранные элементы в цепи.
Move from Circuit. Переместить элементы из схемы в подсхему

15

Replace in Circuit. Заменить компоненты значком подсхемы, сохраняющим все провода к внешним элементам. В независимости от вашего выбора значок подсхемы будет добавлен в ящик элементов Custom. Если вы создаете подсхему, любые провода, соединенные с другими элементами в рабочей области, становятся зажимами на значке подсхемы. Вы используете эти терминалы, чтобы подключить подсхему в цепь, как любой другой элемент. Вы можете также создать новые зажимы, редактируя подсхему. Для того чтобы редактировать содержимое подсхемы, дважды нажмите на значке, чтобы распахнуть окно. Затем добавьте или удалите компоненты, как вы делаете это в обычной цепи. Чтобы создавать новый зажим для подсхемы, тяните провод из элемента в подсхеме к краю окна подсхемы. Когда появляется небольшой блок, отпустите кнопку мыши. Если позже вы захотите удалить зажим, тяните этот блок к рабочей области подсхемы. Подсхемы сохраняются вместе с цепью. Если вы хотите использовать подсхему в другой цепи, скопируйте ее в буфер обмена. Затем откройте другую цепь или создайте новую цепь и вставьте подсхему в рабочую область или в ящик элементов. Если вы хотите использовать подсхему во всех ваших цепях, вы можете модифицировать ящик элементов Custom, вставив подсхему во встроенный файл цепи. Любой ящик элементов может быть модифицирован в течение текущего сеанса Electronics Workbench. Однако на только ящик Custom может быть модифицирован для всех сеансов работы. Копия ящика Custom будет сохраняться с каждой цепью. Если вы хотите сделать изменения, которые будут применяться ко всем цепям, измените содержимое ящика Custom во встроенном файле с именем Default.Ca4, который вы найдете в каталоге WEWB4. (Убедитесь, что у вас есть резервная копия этого файла, прежде чем сделать изменения). Для того чтобы изменить цвет соединительного провода, выберите команду Wire Color или дважды нажмите на провод. Затем выберите цвет из появившегося прямоугольника. Сигналы на осциллографе и логическом анализаторе будут того же цвета, что и провода, присоединяющие эти приборы к схеме. Опциями команды Preference (Ctrl+E) можно сделать невидимыми величину, марку и метку элемента, нажав на галочку у соответствующей позиции (Value, Model и Label соответственно ). Вы можете использовать сетку в рабочей области для выравнивания элементов вдоль точек сетки, которая включается опциями Show Grid (показать сетку ) и Use Grid (использовать сетку ). Используйте команду Analysis Options (Ctrl+Y), чтобы определить способ имитации цепи. Выберите опцию Transient Analysis в окне диалога Analysis Option, если вы хотите проанализировать работу цепи в момент включения переключателя. Осциллограф отобразит переходную характеристику цепи. Для того чтобы наблюдать работу цепи в устойчивом состоянии, выберите опцию Steady-State analysis в окне диалога Analysis Option. Если вы используете статический анализ, вы сможете сократить время моделирования цепи, выбрав опцию Assume linear operation в окне диалога Analysis Option. Началь


16

ные условия работы цепи определяются ее рабочей точкой, известной в качестве статической рабочей точки. (Точка, в которой напряжение и ток источника те же, что и на нагрузке). Если вам нужно время, чтобы проанализировать сигнал на осциллографе, включите опцию Pause after each screen в команде Analysis Option. Для продолжения моделирования, выберите команду Resume (F9). По умолчанию опция Store Results for all Nodes в команде Analysis Option выключена. Результаты моделирования сохраняются только для узлов, подключенных к осциллографу. В большинстве случаев они ускоряют моделирование и используют меньше памяти. Однако после подключения зажимов осциллографа к другим зажимам вновь начнется моделирование. Эта опция позволит вам переключать осциллограф на другие зажимы в течение и после моделирования, не повторяя имитации. Опция Tolerance в команде Analysis Option устанавливает точность имитационных результатов. По умолчанию устанавливается 1 процент, что дает самую высокую скорость моделирования, но и самый низкий уровень точности. Величины допустимой ошибки представлены через экспоненту, например, первые пять означают 0,00001. Уменьшение величины допустимой ошибки увеличивает время, необходимое для моделирования цепи. По умолчанию в каждом периодическом сигнале анализируются 100 точек за период. Если вам нужна более точная оценка, вы можете увеличить количество анализируемых точек в периоде до 1000, используя опцию Time Domain Points per Cycle в команде Analysis Option. Повышение количества анализируемых точек сглаживает форму сигнала, но также замедляет скорость моделирования. По умолчанию, цепь анализируется на 100 частотах. Если вам нужна более точная оценка, вы можете увеличить их количество до 1000, используя опцию Bode Analysis Points per Cycle в команде Analysis Option. Повышение количества анализируемых частот, сглаживает форму сигнала, но также замедляет скорость моделирования. Размер временного файла (опция Temporary File в команде Analysis Option) по умолчанию устанавливается равным 10 Мб. Когда он достигает своего максимального размера, вы можете:
остановить моделирование;
отбросить существующие данные и продолжить моделирование;
использовать больше дискового пространства. При моделировании сложных цепей рекомендуется увеличивать размер временного файла. Меню Window Команды оконного меню используются для организации окон. Команда Arrange (Ctrl+W) аккуратно располагает рабочую область, окно ящика элементов и окно описаний (если оно открыто), делая эти окна по возможности большими. Команда Circuit располагает рабочую область поверх всех окон. Команда Description (Ctrl+D) добавляет информацию или комментарии к цепи в окно описаний.

17

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА» Цель работы 1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении р-п перехода. 2. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового диода. 3. Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике. 4. Анализ сопротивления диода (прямое и обратное смещение) на переменном и постоянном токе. 5. Измерение напряжения изгиба вольтамперной характеристики. Сведения из теории Одним из достоинств Elecrtronics Workbench является возможность смоделировать ситуации, возникающие при самых различных уровнях приборной оснащенности исследователя, и освоить методики измерения, соответствующие этим уровням. Рассмотрим эти ситуации на примере измерения вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Начинающий радиолюбитель может иметь всего лишь один универсальный прибор – мультиметр (который мы привыкли называть тестером), но и в этом случае можно снять вольтамперную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника. Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме рис. 1.1, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины. Ток диода при этом можно вычислять из выражения: Iпр = (Е – Unp) / R, (1.1) где Iпр – ток диода в прямом направлении; Е – напряжение источника питания, Uпр – напряжение на диоде в прямом направлении.

Рис. 1.1. Схема для измерения напряжения на диоде при помощи мультиметра

18

Изменив полярность включения диода в той же схеме рис. 1.1, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении: Iоб = (Е – Uоб)/R, (1.2) где Iоб – ток диода в обратном направлении; Uоб – напряжение на диоде в обратном направлении. Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. И если вы хотите получить более точную характеристику, используя только один мультиметр, необходимо сначала измерить напряжение в схеме рис. 1.1, а затем ток в схеме рис. 1.2. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его то как вольтметр, то как амперметр.

Рис. 1.2. Схема для измерения тока на диоде, при помощи мультиметра

Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если у вас имеется и вольтметр, и амперметр. Тогда, включив их по схеме рис. 1.3, можно сразу видеть ток и напряжение на табло этих приборов. Вольтамперная характеристика может быть получена путем измерения напряжений на диоде при протекании различных токов за счет изменения напряжения источника питания Vs.

Рис. 1.3. Схема для измерения тока и напряжения на диоде при помощи амперметра и вольтметра

19

И наконец, наиболее быстро и удобно можно исследовать ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа (рис. 1.4). При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной – току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1Ом численно равно току через диод в амперах (I = U / R = U / 1 = U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение (канал А) – по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа. При получении ВАХ диода с помощью осциллографа на канал А вместо точного напряжения на диоде подается сумма напряжения диода и напряжения на резисторе 1 Ом. Ошибка из-за этого будет мала, так как падение напряжения на резисторе будет значительно меньше, чем напряжение на диоде. Для более точного измерения напряжения можно измерять ток с помощью датчика тока. Из-за нелинейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, называемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока. В ряде применений на существенную постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая переменная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в режиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.

20

Рис. 1.4. Схема для исследования ВАХ диода при помощи осциллографа

Порядок выполнения работы 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод Откройте файл (рис. 1.1) и включите схему. Мультиметр покажет напряжение на диоде Uпр при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет напряжение на диоде Uоб при обратном смещении. Запишите показания. Вычислите ток диода при прямом Iпр и обратном Iоб смещениях согласно формулам (1.1) и (1.2). 2. Измерение тока Откройте файл (рис. 1.2) и включите схему. Мультиметр покажет ток диода Iпр при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет ток Iоб диода при обратном смещении. 3. Измерение статического сопротивления диода Измерьте сопротивление диода в прямом и обратном подключениях, используя мультиметр в режиме омметра. Малые значения сопротивления соответствуют прямому подключению. Показания прямого сопротивления различны для разных шкал омметра. Почему? 4. Снятие вольтамперной характеристики диода а) Прямая ветвь ВАХ. Отройте файл (рис. 1.3). Включите схему. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника: 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0,5 В, 0 В, запишите значения напряжения Uпр и тока Iпр диода. б) Обратная ветвь ВАХ. Переверните диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника: 0 В, 5 В, 10 В, 15 В, запишите значения тока Iоб и напряжения Uоб. в) По полученным данным постройте графики Iпр(Uпр) и Iоб(Uоб). г) Постройте касательную к графику прямой ветви ВАХ при Iпр = 4 мА и оцените дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной. Проделайте ту же процедуру для Iпр = 0,4 мА и Iпр =0,2 мА. д) Аналогично пункту г) оцените дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5 В. е) Вычислите сопротивление диода на постоянном токе Iпр = 4 мА по формуле Rдиф= Uпр / Iпр. ж) Определите напряжение изгиба. Напряжение изгиба определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом. 5. Получение ВАХ на экране осциллогра. Откройте файл (рис. 1.4). Включите схему. На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной – ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА). Обратите внимание на изгиб ВАХ. Измерьте величину напряжения изгиба.

21

Контрольные вопросы 1. Сравните напряжения на диоде при прямом и обратном смещениях по порядку величин. Почему они различны? 2. Сравнимы ли измеренные значения тока при прямом смещении с вычисленными значениями? 3. Сравнимы ли измеренные значения тока при обратном смещении с вычисленными значениями? 4. Сравните токи через диод при прямом и обратном смещениях по порядку величин. Почему они различны? 5. Что такое ток насыщения диода? 6. Намного ли отличаются прямое и обратное сопротивления диода при измерении их мультиметром в режиме омметра? Можно ли по этим измерениям судить об исправности диода? 7. Существует ли различие между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе? 8. Совпадают ли точки изгиба ВАХ, полученные с помощью осциллографа и построенные по результатам вычислений?

22

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 «ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА» Цель работы 1. Исследование зависимости тока коллектора от тока базы и напряжения база-эмиттер. 2. Анализ зависимости коэффициента усиления по постоянному току от тока коллектора. 3. Исследование работы биполярного транзистора в режиме отсечки. 4. Получение входных и выходных характеристик транзистора. 5. Определение коэффициента передачи по переменному току. 6. Исследование динамического входного сопротивления транзистора. Сведения из теории Исследуемая схема показана на рис. 2.1. Статический коэффициент передачи тока определяется как отношение тока коллектора IK к току базы IК: I βDC = К . IБ Коэффициент передачи тока определяется отношением приращения коллекторного тока к вызывающему его приращению базового тока: ∆I βDC = К . ∆I Б Дифференциальное входное сопротивление rвх транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ) определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению тока базы: ∆U К U БЭ 2 − U БЭ1 rВХ = = . ∆I Б I Б 2 − I Б1 Дифференциальное входное сопротивление rвх транзистора в схеме с ОЭ через параметры транзистора определяется следующим выражением: rВХ = rБ + βDC ⋅ rЭ , где rБ - распределенное сопротивление базовой области полупроводника; rЭ - дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, определяемое из выражения: rЭ = 25/ IЭ, где IЭ - постоянный ток эмиттера в миллиамперах. Первое слагаемое rБ в выражении много меньше второго, поэтому им можно пренебречь: rВХ ≈ βDC ⋅ rЭ . Дифференциальное сопротивление rЭ перехода база-эмиттер для биполярного транзистора сравнимо с дифференциальным входным сопротивлением rВХОБ транзистора в схеме с общей базой, которое определяется при фиксиро-

23

ванном значении напряжения база-коллектор. Оно может быть найдено как отношение приращения к вызванному им приращению тока эмиттера: ∆U БЭ U БЭ 2 − U БЭ1 = . rВХОБ = ∆IЭ IЭ 2 − IЭ1 Через параметры транзистора это сопротивление определяется выражением r rВХОБ = Б + rЭ . βDC Первым слагаемым в выражении можно пренебречь, поэтому можно считать, что дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер приблизительно равно: rВХОБ ≈ rЭ . Порядок выполнения работы 1. Определение статического коэффициента передачи тока транзистора а) Открыть файл со схемой, изображенной на рис. 2.1. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора. б) Изменить номинал источника ЭДС ЕБ до 2,68 В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать коэффициент βDС. в) Изменить номинал источника ЭДС ЕК 5 В. Запустить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения

Рис. 2.1. Схема для определения статического коэффициента передачи тока транзистора

24

коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора βDС. Затем установить номинал ЕК равным 10 В. 2. Измерение обратного тока коллектора На схеме рис. 2.1 изменить номинал источника ЭДС ЕБ до 0 В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора для данных значений тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. 3. Получение выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ а) В схеме (рис. 2.1) провести измерения тока коллектора IК для каждого значения ЕК и ЕБ. По этим данным построить график зависимости IК от ЕК. б) Открыть файл со схемой, изображенной на рис. 2.2. Включить схему. Зарисовать осциллограмму выходной характеристики. Повторить измерения для разных значений ЕБ. Осциллограммы выходных характеристик для разных токов базы необходимо изобразить на одном графике.

Рис. 2.2. Схема для получения выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ

в) По выходной характеристике найти коэффициент передачи тока при изменении базового тока с 10 мА до 30 мA, ЕК = 10 В. 4. Получение входной характеристики транзистора в схеме с ОЭ а) Открыть файл (рис. 2.1). Установить значение напряжения источника ЕК равным 10 В и провести измерения тока базы IБ, напряжения база-эмиттер UБЭ тока эмиттера IЭ для различных значений напряжения источника ЕБ. Обратить внимание, что коллекторный ток примерно равен току в цепи эмиттера. б) Построить график зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер.

25

Рис. 2.3. Схема для получения входной характеристики транзистора в схеме с ОЭ

в) Открыть файл со схемой, изображенной на рис. 2.3. Включить схему. Зарисовать входную характеристику транзистора, соблюдая масштаб. г) По входной характеристике найти сопротивление rВХ при изменении базового тока с 10 мA до 30 мA. 5. Получение входной характеристики транзистора в схеме с общей базой а) Построить график зависимости тока эмиттера от напряжения база-эмиттер.

Рис. 2.4. Схема для получения входной характеристики транзистора в схеме с ОБ

26

б) Открыть файл со схемой, изображенной на рис. 2.4. Включить схему. Зарисовать осциллограмму полученной характеристики. в) По полученной характеристике найти сопротивление rЭ при изменении базового тока с 10 мА до 30 мА. г) Найти сопротивление rЭ по формуле rЭ = 25 мВ/IЭ, используя значение IЭ при IВ = 20 мA. Контрольные вопросы 1. От чего зависит ток коллектора транзистора? 2. Зависит ли коэффициент βDС от тока коллектора? Если да, то в какой степени? Обосновать ответ. 3. Что такое токи утечки транзистора в режиме отсечки? 4. Что можно сказать о зависимости тока коллектора от тока базы и напряжения коллектор-эмиттер по выходным характеристикам? 5. Что можно сказать по входной характеристике о различии между базо-эмиттерным переходом и диодом, смещенном в прямом направлении? 6. Одинаково ли значение rВХ в любой точке входной характеристики? 7. Одинаково ли значение rЭ при любом значении тока эмиттера? 8. Как отличается практическое значение сопротивления rЭ от вычисленного по формуле?

27

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 «ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА» Цель работы 1. Изучение особенностей работы полевых транзисторов. 2. Построение статических характеристик транзисторов. Сведения из теории Первоначальное название полевых транзисторов – униполярные транзисторы – было связано с тем, что в таких транзисторах используются основные носители только одного типа (электронов или дырок). Процессы инжекции и диффузии в таких транзисторах практически отсутствуют, во всяком случае они не играют принципиальной роли. Основным способом движения носителей является дрейф в электрическом поле. Для того чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле, нужно изменять удельную проводимость полупроводникового слоя или его площадь. На практике используются оба способа и основаны они на эффекте поля (управление напряжением на затворе). Поэтому униполярные транзисторы обычно называют полевыми транзисторами. Проводящий слой, по которому протекает ток, называют каналом. Отсюда еще одно название такого класса транзисторов – канальные транзисторы. Каналы могут быть приповерхностными и объемными. Приповерхностные каналы представляют собой либо обогащенные слои, обусловленные наличием донорных примесей в диэлектрике, либо инверсионные слои, образующиеся под действием внешнего поля. Объемные же каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем. Электрод, от которого начинают движение носители заряда, называют истоком, а электрод, к которому они движутся, – стоком. Для транзистора с каналом n-типа оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют общий внешний электрод, называемый затвором. Полярность внешних напряжений, а) с каналом n-типа, б) с каналом p-типа. подводимых к транзистору, Рис. 3.1. Условное обозначение полевых показана на рис. 3.2. транзисторов

28

Управляющее напряжение подается между затвором и истоком. Управляющие свойства транзистора объясняются тем, что при изменении напряжения Uзи изменяется ширина его p-n-переходов, представляющие собой участки полупроводника, обедненные носителями заряда. Так как p-слой имеет большую концентрацию примеси, чем n-слой, изменение ширины p-n-переходов Рис. 3.2. Полярность напряжений, приложенных к полевому транзистору происходит в основном за счет более высокоомного n-слоя (эффект модуляции базы). Тем самым изменяются сечение токопроводящего канала и его проводимость, то есть выходной ток Ic прибора. Вольтамперные характеристики полевых транзисторов с p-n-переходом – стоковые отражают зависимость тока стока от напряжения сток – исток при фиксированном напряжении затвор – исток. В области малых напряжений (участок 0 – а, рисунок 3.3) влияние напряжения Uси на проводимость канала незначительно, в связи с чем здесь практически линейная зависимость. По мере увеличения напряжения (участок а – б на рис. 3.3) сужение токопроводящего канала оказывает все большее влияние на его проводимость, что приводит к уменьшению крутизны нарастания тока. При подходе к границе (точка б) сечение токопроводящего канала уменьшается до минимума. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке не должно приводить к увеличению тока через прибор. Наличие увеличения тока объясняется тем, что у реальных приборов существуют утечки.

Рис. 3.3. Семейство стоковых характеристик полевого транзистора с p-n-переходом

29

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока стока от напряжения затвористок при фиксированном напряжении сток-исток. Параметры моделей полевых транзисторов задаются с помощью диалогового окна и перечислены ниже: 1) Напряжение отсечки (VTO) — напряжение между затвором и истоком полевого транзистора с p-n-переходом или с изолированным затвоРис. 3.4. Стоко-затворная характеристика ром, работающих в режиме полевого транзистора с p-n-переходом обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого напряжения. Для транзисторов с изолированным затвором, работающих в режиме обогащения, этот параметр называется пороговым напряжением; 2) Коэффициент пропорциональности – KP. 3) Параметр модуляции длины канала, 1/ В – LAMBDA. 4) Объемное сопротивление области стока, Ом – RD. 5) Объемное сопротивление области истока, Ом – RS. 6) Ток насыщения p-n-перехода, – только для полевых транзисторов с p-n-переходом – IS. 7) Емкость между затвором и стоком при нулевом смещении, Ф – CGD. 8) Емкость между затвором и истоком при нулевом смещении, Ф – CGS. 9) Контактная разность потенциалов p-n-перехода, В – только для полевых транзисторов с p-n-переходом – PB. По аналогии с биполярными транзисторами различают три схемы включения полевых транзисторов: с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и с общим стоком (ОС). Для исследования семейства выходных ВАХ полевого транзистора в схеме с ОИ может быть использована схема на рисунке 3.5. Она содержит источник напряжения затвор-исток Ug, исследуемый транзистор VT, источник питания Ucc, вольтметр Ud для контроля напряжения сток-исток и амперметр Id для измерения тока стока. Выходная ВАХ снимается при фиксированных значениях Ug путем изменения напряжения Ud. и измерения тока стока Id, Напряжение

30

Ug, при котором ток Id имеет близкое к нулю значение, называется напряжением отсечки.

Рис. 3.5. Схема для исследования ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Располагая характеристиками Id=f(Ud), можно определить крутизну S=dId/dUg, являющейся одной из важнейших характеристик полевого транзистора как усилительного прибора. Другой тип полевых транзисторов — транзисторы с приповерхностным каналом и структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы).

Рис. 3.6. Условные обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом n и p-типа (а, б); с индуцированным каналом (в)

В частном случае, если диэлектриком является окисел (двуокись кремния), используется название МОП-транзисторы. МДП-транзисторы бывают двух типов: транзисторы со встроенным и с индуцированным каналами (в последнем случае канал наводится под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам).

31

Рис. 3.7. Стоковые характеристики МДП-транзистора

МДП-транзисторы в общем случае представляют собой приборы с четырьмя выводами. Четвертый вывод, подложка, выполняет вспомогательную функцию. Стоковые характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n-типа показаны на рисунке 3.7. Стоко-затворные характеристики МДП-транзистора показаны на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Стоко-затворная характеристика МДП-транзистора

Транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. Транзисторы с индуцированным каналом можно использовать только в режиме обогащения. В отличие от транзисторов с управляющим p-n-переходом металлический затвор МДП-транзисторов изолирован от полупроводника слоем диэлектрика

32

и имеет дополнительный вывод от кристалла, называемый подложкой, на которой выполнен прибор. Управляющее напряжение подается между затвором и подложкой. Под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника создается р-канал за счет отталкивания электронов от поверхности вглубь полупроводника в транзисторе с индуцированным каналом. В транзисторе со встроенным каналом происходит расширение или сужение имеющегося канала. Под действием управляющего напряжения изменяется ширина канала и, соответственно, сопротивление и ток транзистора. Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называется пороговым напряжением. При практическом определении этого напряжения обычно задается определенный ток стока, при котором потенциал затвора достигает порогового напряжения (0,2-1 В для транзисторов с n-каналом и 2– 4 В с р-каналом). По мере удаления от поверхности полупроводника концентрация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном половине толщины канала, электропроводность становится собственной (беспримесной). Далее располагается участок, обедненный основными носителями заряда, в котором существует область положительно заряженных ионов донорной примеси. Наличие обедненного участка обусловлено также отталкиванием основных носителей заряда от поверхности вглубь полупроводника. Таким образом, сток, исток и канал, представляющие собой рабочие области МДП-транзистора, изолированы от подложки p-n-переходом. Очевидно, что ширина p-n-перехода и ширина канала изменяются при подаче на подложку дополнительного напряжения, т. е. током истока можно управлять не только путем изменения напряжения на затворе, но и за счет изменения напряжения на подложке. В этом случае управление u1052 МДП-транзистором аналогично полевому транзистору с управляющим p-n-переходом. Толщина инверсного слоя значительно меньше толщины обедненного слоя. Если последний составляет сотни или тысячи нанометров, то толщина индуцированного I канала составляет всего 1–5 нм. Другими словами, дырки индуцированного канала «прижаты» к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник-диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль. Дырки, образующие канал, поступают в него не только из подложки n-типа, где их мало и генерируются они сравнительно медленно, но также из слоев р-типа истока и стока, где их концентрация практически не ограничена, а напряженность поля вблизи этих электродов достаточно велика. В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для его прекращения необходимо к затвору приложить положительное напряжение (при структуре с каналом р-типа), равное или большее напряжения отсечки. При этом дырки из 33

инверсного слоя будут практически полностью вытеснены вглубь полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток снова увеличивается. Таким образом, МДП-транзисторы со встроенными каналами работают в режимах как обеднения, так и обогащения. Как и полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом, МДП-транзисторы при малых напряжениях сток-исток Рис. 3.9. Стоковые характеристики ведут себя подобно линейному сопротивлению. При увеличении этого напряжения ширина канала уменьшается вследствие падения на нем напряжения и уменьшения напряженности электрического поля. Особенно сильно это проявляется в той части канала, которая находится вблизи стока. Перепады напряжения, создаваемые током стока Id, приводят к неравномерному распределению смещения на затворе вдоль канала, причем оно уменьшается по мере приближения к стоку. Важным преимуществом МДП-транзисторов по сравнению с биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных транзисторах в режиме насыщения напряжение коллектор-эмиттер принципиально не может быть меньше нескольких десятых долей вольт, то для МДП-транзисторов при малых токах стока это напряжение при работе транзистора в начальной области выходной ВАХ может быть сведено к ничтожно малой величине. Стоковые характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа очень близки по виду аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом и имеют тот же характер зависимости. Отличие заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с Рис. 3.10. Стоко-затворные полярностью напряжения Uси. характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом

34

Их вид приведен на рисунке 3.9. В библиотеке компонентов программы EWB МДП-транзисторы со встроенным каналом представлены двумя образцами: n-канальным и p-канальным. Каждый тип МДП-транзистора представлен в двух вариантах: с отдельным выводом подложки и общим выводом подложки и истока. Параметры МДП-транзисторов: 1) Поверхностный потенциал, В – PHI. 2) Коэффициент влияния потенциала подложки на пороговое напряжение – GAMMA. 3) Емкость между затвором и подложкой, Ф – CGB. 4) Емкость донной части перехода сток-подложка при нулевом смещении, Ф – CBD. 5) Емкость донной части перехода исток-подложка при нулевом смещении, Ф – CBS. 6) Напряжение инверсии приповерхностного слоя подложки, В – PB. Для исследования характеристик МДП-транзисторов используется схема на рисунке 3.11. С ее помощью можно получить семейство выходных характеристик МДП-транзисторов при фиксированных значениях напряжения на затворе Ug и подложке Ub. Располагая такими характеристиками, можно определить крутизну транзистора S при управлении со стороны затвора, а также кру тизну при управлении со стороны подложки Sb = dId / dUb; статический коэффициент усиления M = dUd / dUg; выходное дифференциальное сопротивление Rd = dUd / dId и другие параметры.

Рис. 3.11. Схема для исследования характеристик МДП-транзисторов

Порядок выполнения работы 1. Снятие стоковых характеристик а) Откройте файл (рис. 3.5) и включите схему. Снимите стоковые характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа: Ic = f(Uси), Uзи = const. Первоначально установить Uзи = 0, а затем снимите стоковые характеристики полевого транзистора с двумя другими значениями Uзи. б) В соответствии с полученными данными постройте стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора.

35

2. Снятие стоко-затворной характеристики а) Откройте файл (рис. 3.5) и включите схему. Снимите стокозатворные характеристики полевого транзистора: Ic = f(Uси), Uзи = const. Установите Uси = 10 В, и снимите показания приборов при этом значении для Uзи и Iс. б) В соответствии с полученными данными постройте стоко-затворные характеристики полевого транзистора. 3. Вычисление крутизны стоко-затворной характеристики Определите крутизну стоко-затворной характеристики по формуле S=

dIc . dU зи

при Uси = const. Типичные значения параметров транзисторов: Uзи = 0,8 – 10 В – напряжение отсечки; Ri = 0,02 – 0,5 МОм – внутреннее сопротивление транзистора; S = 0,3 – 7 мА/В – крутизна стоко-затворной характеристики; Rвх = 108 – 109 Ом – входное сопротивление транзистора; Сиз = Сси = 6 - 20 пФ, Сзс = 2 – 8 пФ – межелэктродные емкости. Контрольные вопросы 1. Чем обусловлено название полевых транзисторов? 2. Чем объясняется управляющие свойства полевых транзисторов с p-n-переходом? 3. В чем различие полевых транзисторов транзисторов с p-n –переходом и МДП-транзисторов? 4. Каковы основные параметры полевых транзисторов с p-n-переходом? 5. Что такое режим обеднения и режим обогащения в МДП-транзисторах? 6. Каковы преимущества МДП-транзисторов перед биполярными транзисторами?

36

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 «СПОСОБЫ ЗАДАНИЯ ОБЩЕЙ ТОЧКИ ТРАНЗИСТОРНОГО КАСКАДА» Цель работы 1. Построение нагрузочной линии транзисторного каскада. 2. Задание рабочей точки транзисторного каскада. 3. Исследование параметров рабочей точки транзистора. 4. Исследование условий для перевода транзистора в режим насыщения и отсечки. 5. Определение статического коэффициента передачи транзистора по экспериментальным данным. Сведения из теории 1. Задание тока базы с помощью одного резистора Схема транзисторного каскада с общим эмиттером представлена на рис. 4.1 Режим, в котором работает каскад, можно определить, построив его нагрузочную линию на выходной характеристике транзистора. Данный способ позволяет описать поведение транзистора в режимах насыщения, усиления и отсечки. Режим насыщения определяется следующим условием: ток коллектора не управляется током базы: β DC I Б > I K = I КН . IКН – ток коллектора насыщения, определяется сопротивлением RK в цепи коллектора и напряжением источника питания ЕК: E I КН ≈ K . RK Этот режим характеризуется низким падением напряжения коллектор-эмиттер (порядка 0,1 В). Для перевода транзистора в этот режим необходимо в базу транзистора подать ток, больший чем ток насыщения базы IВН: I I ВН = КН . βDC Ток насыщения базы задается с помощью резистора RВН с сопротивлением, равным: E − U БЭО E K R БН = K ≈ , I БИ I БН где UБЭО – пороговое напряжение перехода база-эмиттер. Для кремниевых транзисторов UБЭО= 0,7 В. В режиме усиления ток коллектора меньше тока IКН и описывается уравнением нагрузочной прямой: E − U КЭ IK = K . RK 37

+ЕК

Рабочая точка в статическом режиме задается током базы и напряжением на RБ RК коллекторе. Она определяется точкой пересечения нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. Базовый ток транзистора определяется как ток через сопротивление в цепи базы ЕВ (см. рис. 4.1): Рис. 4.1. Схема транзисторного каскада с общим эмиттером E − U БЭО IБ = K . RБ Ток коллектора вычисляется по формуле: I K = βDC ⋅ I Б . Напряжение коллектор-эмиттер определяется из уравнения нагрузочной прямой: U КЭ = E K − I K ⋅ R K . В режиме отсечки ток коллектора равен нулю и не создает на резисторе RК падения напряжения. Следовательно, напряжение UКЭ максимально и равно напряжению источника питания ЕК. Ток коллектора с учетом тепловых токов определяется из следующего выражения: I K = I КЭО + βDC ⋅ I Б = (βDC + 1) ⋅ I КБО + βDC ⋅ IБ ≈ βDC ⋅ (I КБО + I Б ) , где IКЭО, IКБО – обратные токи переходов коллектор-эмиттер и коллекторбаза соответственно. Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) из-за влияния тепловых токов в схеме определяется как dIK S= = 1 + βDC ≈ βDC . dI КБО Как следует из этого выражения, при рассматриваемом способе задания тока базы коэффициент нестабильности зависит от статического коэффициента передачи, который для транзисторов одного и того же типа может сильно различаться. 2. Задание тока базы NPN-транзистора с помощью делителя напряжения Схема задания тока базы NPN транзистора с помощью делителя напряжения в каскаде с общим эмиттером представлена на рис. 4.2. Аналогично пункту 1, рассмотрим режимы насыщения, усиления и отсечки. Ток коллектора в режиме насыщения описывается следующим выражением: EK I КН ≈ . RK + RЭ Независимо от сопротивления резисторов R1 и R2 делителя напряжения ток насыщения базы определяется из выражения

38

I КН , βDC а напряжение UБ на базе равно: RЭ UБ = EK ⋅ + U БЭО . RЭ + RK I БИ =

+ЕК R1

RК

Это же напряжение задается делитеR2 RЭ лем напряжения. Зная ЕК и UБ, можно определить отношение сопротивлений плеч делителя: R1 E К − U Б Рис. 4.2. Схема задания тока = . базы NPN транзистора с помощью R2 UБ делителя напряжения в каскаде Суммарное сопротивление делителя с общим эмиттером обычно выбирается так, чтобы ток, протекающий через него, был примерно в 10 раз меньше тока коллектора. Составив систему уравнений и решив её, можно найти сопротивления R1 и R2 плеч делителя, которые обеспечивают ток базы, необходимый для перевода транзистора в режим насыщения. Аналогичным образом каскад рассчитывается и в усилительном режиме, но с учетом следующих выражений. Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением нагрузочной прямой: IK =

E K − U КЭ − U Э . RK

где UЭ = IЭRЭ, IЭ – ток эмиттера. Ток базы определяется из выражения: IБ =

IК . βDC

Ток коллектора связан с током эмиттера следующим выражением: Iν = I − I Б ,

и напряжение на базе транзистора равно U Б = IЭ ⋅ R Э + U БЭО .

Далее рассчитываются сопротивления R1 и R2 делителя напряжения. Суммарное сопротивление делителя должно обеспечивать больший по сравнению с током базы ток делителя (обычно ток делителя берут в 10 раз меньше тока коллектора). Рабочая точка определяется пересечением нагрузочной

39

прямой и выходной характеристики транзистора. При известных значениях сопротивлений R1 и R2 ток базы транзистора равен U − U БЭО IБ = Б R ЭКВ где UБ – напряжение на базе транзистора. Если RЭ >> R2, то R2 UБ = EК ⋅ , R1 + R 2 R1 ⋅ R 2 . R1 + R 2 Ток эмиттера определяется по падению напряжения на сопротивлении RЭ в цепи эмиттера и вычисляется как разность потенциалов: R ЭКВ =

U Б − U БЭО . RЭ Значение напряжения коллектор-эмиттер UКЭ вычисляется по закону КирхгоIЭ =

фа:

UКЭ = EК – IКRК – IЭRЭ.

Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) из-за влияния тепловых токов в схеме при условии, что UЭ > UБЭО определяется как S=

1 + β DC dI K R = =1+ Б , dI КБО 1 + β DC ⋅ R Э (R Э + R Б ) RЭ

где

R1 ⋅ R 2 . R1 + R 2 Как следует из этого выражения, при данном способе задания тока базы коэффициент нестабильности определяется элементами схемы и практически не зависит от характеристик транзистора, что улучшает стабильность рабочей точки. RБ =

3. Задание тока базы PNP-транзистора с помощью делителя напряжения Схема задания тока базы с помощью делителя напряжения в каскаде с общим эмиттером на PNP-транзисторе представлена на рис. 4.3. Для данной схемы справедливы выражения, приведенные в предыдущем пункте для схемы с NPN-транзистором, со следующей поправкой: полярность напряжений и направления токов нужно поменять на обратные.

40

4. Задание тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера Схема задания тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера в каскаде с общим эмиттером на NPN-транзисторе представлена на рис. 4.4. Ток коллектора в режиме насыщения равен EK + EЭ . RК + RЭ Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением нагрузочной прямой E + EЭ − IЭ ⋅ R Э . IK = K RК Напряжение на базе транзистора UB определяется из следующего выражения: I KH ≈

UБ = IЭRЭ – EЭ + UБЭО.

Это же напряжение равно падению напряжения на резисторе ЕВ UБ = – IБ·RБ. Ток эмиттера вычисляется по падению напряжения на сопротивлении RЭ: U Э − E Э U Э − U БЭО + E Э = . RЭ RЭ UБ имеет отрицательное значение. IЭ =

Ток коллектора связан с током эмиттера следующим выражением: IK = IЭ – IБ = IЭ. +ЕК

0 R2

RЭ

RБ

RК

RЭ R1

RК

ЕЭ

–ЕК

Рис. 4.3. Схема задания тока базы с помощью делителя напряжения в каскаде с общим эмиттером на PNP-транзисторе

Рис. 4.4. Схема задания тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера в каскаде с общим эмиттером на NPN-транзисторе

41

Значение напряжения коллектор-эмиттер вычисляется из закона Кирхгоффа для напряжений U КЭ = Е К + Е Э − I K ⋅ R K − I Э ⋅ R Э . Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) определяется как: S=

1 + β DC dI K = . dI КБО 1 + β DC ⋅ R Э (R Э + R Б )

Рассматриваемая схема характеризуется таким же коэффициентом нестабильности, как и предыдущая.

5. Задание тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор Схема задания тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор в каскаде с общим эмиттером представлена на рис. 5.5. Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением: E + U KЭ . IK = K RК Рабочая точка определяется точкой пересечения нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. Ток базы определяется из выражения U + U БЭО I Б = КЭ . RБ Как видно из выражения, ток базы зависит от напряжения коллекторэмиттер, что делает схему менее чувствительной к разбросу значений статического коэффициента передачи устанавливаемых в нее транзисторов. Ток коллектора в схеме определяется по формуле IK = Значение

E K − U БЭ . R К + R Б β DC

напряжения

RБ

коллектор-эмиттер вычисляется по закону Кирхгофа для напряжений +ЕК I β DC = K . IБ RК Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) из-за влияния тепловых токов в схеме с резистором в цепи база-коллектор определяется как S=

Рис. 4.5. Схема задания тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор в каскаде с общим эмиттером

42

1 + β DC dI K R = Б . = dI КБО 1 + β DC ⋅ R К (R Б ) R К

Как следует из выражения, коэффициент нестабильности этой схемы несколько выше, чем у схем с сопротивлением RЭ в цепи эмиттера. Статический коэффициент передачи тока βDС определяется отношением тока коллектора к току базы: U КЭ = E K − I K ⋅ R K .

Порядок выполнения работы 1. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью одного резистора а) Открыть файл со схемой, изображенной на рис. 4.6. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения база-эмиттер. б) Для схемы на рис. 4.6 по формулам из теоретической части вычислить базовый ток, напряжение коллектор-эмиттер. Ток коллектора вычислить, используя значение тока базы, полученное в п. а) и значение βDС, подсчитанное в эксперименте 1 предыдущего раздела. Сравните их с экспериментальными данными. в) Построить нагрузочную прямую по постоянному току на выходной характеристике транзистора 2N3904. Используя значения токов и напряжений, полученные в пункте а), определить рабочую точку (Q) на нагрузочной линии и отметить ее положение на графике. г) Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току (PF) до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер. д) По новым значениям напряжения коллектор-эмиттер и тока коллектора определить новую рабочую точку на нагрузочной прямой, построенной в п. в). Отметить ее положение на графике. е) Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (PF) транзистора 2N3904 (204). ж) Подсчитать сопротивление RБ, необходимое для перевода транзистора в режим насыщения. Подставить в схему значение сопротивления RБ чуть меньше подсчитанного. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер. з) Уменьшить значение RБ на более значительную величину и снова активизировать схему. Если транзистор находится в режиме насыщения, то изменение тока коллектора очень мало даже при очень большом изменении тока базы.

43

Рис. 4.6. Схема для исследования параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью одного резистора

2. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью делителя напряжения (NPN-транзистор) а) Открыть файл со схемой, изображенной на рис. 4.7. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе. Вычислить коэффициент передачи βDС. б) Для схемы рис. 4.7 по формулам из теоретической части вычислить значение напряжения в точке UБ. Вычислить ток эмиттера и рассчитать ток коллектора по полученному значению тока эмиттера (Uвэо = 0,7В), вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер по полученным ранее току коллектора и току эмиттера. в) Построить нагрузочную прямую по постоянному току на выходной характеристике транзистора 2N3904. Используя значения токов и напряжений, полученных в пункте а), определить рабочую точку (Q) и отметить ее положение на графике. г) Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по тoкy (PF) до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер.

44

Рис. 4.7. Схема для исследования параметров рабочей точки NPN-транзистора при задании тока базы с помощью делителя напряжения

д) По новым значениям напряжения база-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте в), и отметить ее положение на графике. е) Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (BF) транзистора 2N3904 (204). ж) Провести изменения параметров цепи базы, необходимые для перевода транзистора в режим насыщения. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, напряжения на базе и напряжения коллектор-эмиттер.

3. Задание тока базы с помощью делителя напряжения (PNP-транзистор) а) Открыть файл со схемой, изображенной на рис. 4.8. Включить схему. Записать результаты измерении для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе. Вычислить статический коэффициент передачи βDС. б) Для схемы рис. 4.8 по формулам теоретического раздела вычислить значение напряжения в точке UБ. Вычислить ток эмиттера и рассчитать ток коллектора по полученному значению тока эмиттера (UБЭО = 0,7 В), вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер по полученным ранее току коллектора и току эмиттера. Сравнить их с экспериментальными данными.

45

Рис. 4.8. Схема для задания тока базы PNP-транзистора с помощью делителя напряжения

в) Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3906 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току (PF) со 180 до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер. г) Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (BF) транзистора 2N3906 (180).

4. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера а) Открыть файл со схемой, изображенной на рис. 4.9. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера, напряжения коллектор-эмиттер и напряжения на базе. Вычислить статический коэффициент передачи βDС. б) Для схемы на рис. 4.9 по формулам из теоретического раздела вычислить напряжение в точке UБ по измеренному ранее значению тока базы, рассчитать ток эмиттера и вычислить ток коллектора по величине тока эмиттера (UБЭО = 0,7 В). Вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер по полученным значениям тока эмиттера и тока коллектора.

46

Рис. 4.9. Схема для исследования параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью дополнительного источника в цепи эмиттера

в) Для схемы рис. 4.9 построить нагрузочную прямую на выходной характеристике транзистора 2N3904. По результатам, полученным в предыдущем пункте, определите рабочую точку (Q) и отметить ее положение на графике. г) Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току (PF) с 200 до 100, потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер. д) По новым значениям напряжения база-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте в), и отметить ее положение на графике. е) Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (BF) транзистора 2N3904 (204).

47

5. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор а) Открыть файл со схемой, изображенной на рис. 4.10. Включить схему. Записать результаты измерений для тока базы, тока коллектора, тока эмиттера и напряжения коллектор-эмиттер. Вычислить статический коэффициент передачи βDС.

Рис. 4.10. Схема для исследования параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью резистора в цепи база-коллектор

б) По формулам из теоретического раздела вычислить ток коллектора, используя значение PBDC, вычисленное ранее. UБЭО = 0,7 В. По полученному току коллектора вычислить значение напряжения коллектор-эмиттер. в) Для схемы рис. 4.10 построить нагрузочную прямую на выходной характеристике транзистора 2N3904. По результатам, полученным в предыдущем пункте, определить рабочую точку (Q) и отметить ее положение на графике. г) Двойным щелчком на изображении транзистора открыть диалоговое окно выбора модели транзистора. Строка с наименованием транзистора 2N3904 будет подсвечена. Чтобы редактировать параметры модели транзистора, нажмите Edit. Измените коэффициент передачи по току (PF) с 200 до 100,

48

потом нажмите Accept. Нажмите Accept еще раз, чтобы вернуться к схеме. Изменение коэффициента B позволяет убедиться, что замена транзисторов приводит к изменению тока коллектора. Включить схему. Записать результаты измерении для тока базы, тока коллектора и напряжения коллекторэмиттер. д) По новым значениям напряжения коллектор-эмиттер и тока коллектора определить положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной в пункте в), и отметить ее положение на графике. е) Восстановите прежнее значение коэффициента передачи по постоянному току (BF) транзистора 2N3904 (204).

Контрольные вопросы 1. Насколько отличаются расчетные и экспериментальные данные? 2. Изменяется ли положение рабочей точки при изменении статического коэффициента передачи тока? 3. Какое условие необходимо выполнить, чтобы перевести транзистор в режим отсечки? 4. Чему равно напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения? 5. Какая связь между током коллектора и током эмиттера? 6. В чем преимущество схемы со смещением в цепи базы над схемой со смещением в цепи эмиттера? 7. В чем преимущество схемы с делителем напряжения в цепи базы над схемой со смещением в цепи эмиттера? 8. Какую роль играет сопротивление RЭ в цепи эмиттера для стабильности работы схемы? В чем она заключается? 9.Какая из всех описанных выше схем обладает большей стабильностью?

49

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 «ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ» Цель работы 1. Измерение входных токов операционного усилителя (ОУ). 2. Оценка величин среднего входного тока и разности входных токов ОУ. 3. Измерение напряжения смещения ОУ. 4. Измерение дифференциального входного сопротивления ОУ. 5. Вычисление выходного сопротивления ОУ. 6. Измерение скорости нарастания выходного напряжения ОУ. Сведения из теории Интегральный операционный усилитель характеризуется рядом параметров, описывающих этот компонент с точки зрения качества выполнения им своих функций. Среди параметров, обычно приводимых в справочных данных, основными являются следующие. Средний входной ток IВХ. В отсутствие сигнала на входах ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Компенсация этого падения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10...20%. Входные токи ОУ можно оценить по среднему входному току, вычисляемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов: I +I I ВХ = 1 2 , 2 где I1 и I2 – соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов. Разность входных токов определяется выражением ∆I ВХ = I1 − I 2 . В справочниках указывают модуль этой величины. Схема для измерения входных токов представлена на рис. 5.1. Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе КO – показатель ОУ, определяющий насколько хорошо выполняет ОУ основную функцию – усиление входных сигналов. У идеального усилителя коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности. Коэффициент усиления напряжения схемы усилителя на ОУ (рис. 5.2) вычисляется по формуле R KУ = 2 . R1

50

Напряжение смешения UСМ – значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю. Напряжение смещения UСМ можно вычислить, зная выходное напряжение при отсутствии напряжения на входе и коэффициент усиления: ∆U ВЫХ U СМ = . КУ Входное сопротивление RВХ. Различают две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и "землей"). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ находится обычно в пределах 10 кОм – 10 МОм. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения к вызванному приращению среднего входного тока: ∆U ВХ.СФ . R ВХ.СФ = ∆I ВХ.СР Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между входами ОУ и может быть определено по формуле ∆U ВХ R ВХ.ДИФ = , ∆I ВХ где ∆UВХ – изменение напряжения между входами ОУ; ∆IВХ – изменение входного тока. Выходное сопротивление RВЫХ в интегральных ОУ составляет 20 – 2000 Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки. Схема для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходного сопротивления приведена на рис. 5.3. Скорость нарастания выходного напряжения VUВЫХ равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений: U VUВВЫ = ВЫХ . t уст Схема для измерения скорости нарастания выходного напряжения показана на рис. 5.4. Измерения проводятся при подаче импульса в виде ступени на вход ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

Порядок выполнения работы 1. Измерение входных токов Откройте файл со схемой, изображенной на рис. 5.1. Включите схему. Измерьте входные токи ОУ. По результатам измерений вычислите средний входной ток IВХ и разность входных токов ОУ.

51

Рис. 5.1. Схема для измерения входных токов ОУ

2. Измерение напряжения смещения Откройте файл со схемой, изображенной на рис, 5.2. Включите схему. Запишите показания вольтметра. По результатам измерения вычислите напряжение смещения UСМ, используя коэффициент усиления схемы на ОУ.

Рис. 5.2. Схема для измерения напряжения смещения ОУ

3. Измерение входного и выходного сопротивлений а) Откройте файл со схемой, изображенной на рис. 5.3. Включите схему. Измерьте входной ток IВХ и выходное напряжение UВЫХ. Переключите ключ клавишей [Space]. Измерьте входной ток после переключения ключа. Рассчитайте изменения входного напряжения и тока. По полученным результатам вычислите дифференциальное входное сопротивление ОУ. б) Уменьшайте сопротивление нагрузочного резистора RL до тех пор, пока выходное напряжение UВЫХ не будет примерно равно половине значения, полученного в предыдущем пункте. г) Запишите значение сопротивления RL, которое в этом случае приблизительно равно выходному сопротивлению UВЫХ.ОУ.

52

Рис. 5.3. Схема для измерения входного и выходного сопротивлений ОУ

4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ Откройте файл со схемой, изображенной на рис. 5.4. Включите схему. Зарисуйте сциллограмму выходного напряжения. По осциллограмме определите величину выходного напряжения, время его установления и вычислите скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс.

Рис. 5.4. Схема для измерения времени нарастания выходного напряжения ОУ

53

Контрольные вопросы 1. Сравните между собой величины входного и выходного сопротивлений ОУ. Какова схема замещения ОУ как элемента электрической цепи? 2. Отличается ли экспериментальное значение скорости нарастания выходного напряжения от номинального значения? 3. В чем причина возникновения входных токов ОУ и разности входных токов? К чему они приводят при работе схем на ОУ?

54

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 «ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРОВ» Цель работы 1. Исследование физических процессов, происходящих в тиристоре. 2. Построение его вольтамперной характеристики. 3. Изучение способов переключения тиристора. Сведения из теории Тиристор – это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). Тиристор как ключевой элемент нашел широкое применение в цепях постоянного и переменного токов. Режим работы, когда отпирание прибора следует после достижения на нем напряжения переключения (переключение по цепи анода), используется в схемах с динисторами. Для тиристора переключение по цепи анода представляет интерес лишь с точки зрения анализа принципа действия. Практически же применяется режим отпирания тиристора по управляющему электроду, то есть за счет подачи на управляющий электрод отпирающего импульса напряжения. Существуют двухэлектродные тиристоры – динисторы; трехэлектродные тиристоры – тринисторы, в которых возможно управление напряжением включения тиристора. Разработаны тиристоры, имеющие одинаковые ВАХ при различной полярности приложенного напряжения. Это симметричные тиристоры – симисторы. Включение тиристора как это следует из вышесказанного, можно производить: а) путем медленного увеличения анодного напряжения; б) путем подачи напряжения на управляющий электрод. Возможно также включение тиристора путем быстрого увеличения анодного напряжения. При этом через прибор будут протекать значительные емкостные токи, приводящие к уменьшению напряжения включения с ростом скорости изменения напряжения ∂U/∂t. Восстановление запирающих свойств осуществляется за счет приложения к тиристору обратного напряжения. Величина tв определяет время, в течение которого происходит полное рассасывание носителей заряда в базовых слоях ранее проводившего тиристора при приложении обратного напряжения, по окончании которого к приборы может быть вновь приложено напряжение в прямом направлении без опасения его самопроизвольного отпирания. Процесс восстановления запирающих свойств происходит за счет двух факторов: протекания обратного тока через тиристор, при котором отводится основная часть носителей заряда, накопленных в базах прибора, и рекомбинации оставшихся носителей заряда. Величины tвк и tк определяют частотные свойства тиристора и зависят от его типа. Время tвк составляет от 1 – 5 до 30 мкс, а время tв – от 5 – 12 до 250 мкс. 55

Рис. 6.1. Полупроводниковая структура тиристора

Рис. 6.2. Вольтамперные характеристики тиристора

Для тиристоров можно задать значения следующих параметров: IS – обратный ток динистора; IDRM – то же, но для тринистора; VS – напряжение, при котором динистор переключается в открытое состояние; VDRM – то же, но для тринистора при нулевом напряжении на управляющем электроде; VTM – падение напряжения в открытом состоянии; ITM – ток в открытом состоянии; TG – время переключения в закрытое состояние; IH – минимальный ток в открытом состоянии (если он меньше установленного, то прибор переходит в закрытое состояние); DV/DT – допустимая скорость изменения напряжения на аноде тринистора, при котором он продолжает оставаться в закрытом состоянии (при большей скорости тринистор открывается);

56

CJO – барьерная емкость динистора при нулевом напряжении на переходе;

VGT – напряжение на управляющем электроде открытого тринистора; IGT – ток управляющего электрода; VD – отпирающее напряжение на управляющем электроде. Перечисленные параметры можно задать с помощью диалоговых окон. Исследование прямой ветви ВАХ тринистора можно проводить с использованием схемы на рисунке 6.3. Следует отметить, что снятие ВАХ переключательных диодов может быть осуществлено также и в режиме заданных токов в силовой и управляющей цепи.

Порядок выполнения работы 1. Снятие ВАХ тиристора а) Откройте файл со схемой, изображенной на рис. 6.3. Включите схему. Снять ВАХ тиристора для различных напряжений на управляющем электроде (0; 0,5; 1,0; 2 В). При снятии характеристик следить за тем, чтобы ток тиристора не превышал максимально допустимый ток Iа max. б) По полученным данным построить ВАХ тиристора.

Рис. 6.3. Схема для исследования тиристоров

2. Исследование способа выключения тиристора за счет уменьшения анодного тока а) Включить ключ В1 и установить с помощью R3 минимальное значение управляющего тока. Изменяя плавно анодное напряжение, добиться включения тиристора. После выключения тумблера В1 убедится, что тиристор остается в открытом состоянии. б) Плавно изменяя сопротивление R1, добиться отключение тиристора за счет уменьшения анодного тока. Записать это значение и сравнить его с табличными значениями при минимальном значении управляющего тока. 57

3. Исследование способа выключения тиристор за счет изменения его анодного напряжения а) Повторить последовательность включения тиристора, как в пункте 2. б) Плавно уменьшая анодное напряжение на источнике Еа, перевести тиристор в закрытое состояние. в) Затем вновь включить тумблер В1 и, повышая анодное напряжение на источнике Еа, добиться включения тиристора. б) Записать значение анодного напряжения, когда тиристор переходит во включенное состояние, и когда тиристор переходит в закрытое состояние. 4. Исследование способа выключения тиристора током управляющего электрода а) Включить тумблер В1 и установить с помощью R3 среднее значение управляющего тока. б) Изменяя плавно анодное напряжение, добиться включения тиристора. После выключения тумблера В1 убедиться, что тиристор остался в открытом состоянии. в) Переключить полярность напряжения на управляющем электроде на положительную. г) Снова включить тумблер В1. Тиристор должен перейти в закрытое состояние. Если этого не произойдет, плавно уменьшая сопротивление R3, добиться такого значения управляющего тока, при котором произойдет выключение тиристора. 5. Пусковая характеристика тиристора Построить пусковую характеристику тиристора, которая показывает зависимость тока, протекающего через управляющий электрод тиристора во включенном состоянии, от анодного тока. Контрольные вопросы 1. Каковы особенности вольтамперной характеристики неуправляемого тиристора? 2. Какие составляющие токов протекают в управляемом тиристоре? 3. Какими способами можно включить тиристор? 4. Какими способами можно выключить тиристор? 5. Как зависит ВАХ тиристора от величины тока на управляющем электроде тиристора? 6. В каких схемах используют тиристор?

58

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1.

2.

3.

4.

5. 6. 7.

8.

9.

Карлащук, В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение/В. И. Карлащук. – М.: Солон-Р, 1999. –506 с. Быковская, Л. В. Исследование полупроводниковых диодов и выпрямителей в «Electronics Workbench»: Методические указания к лабораторному практикуму / Л. В. Быковская, В. В. Быковский. – Оренбург: ОГУ, 2003. – 28 с. Панфилов, Д. И. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Еlectronics Workbench. В 2 т. / Д. И. Панфилов, В. С. Иванов, И. Н. Чепурин. / Под общей ред. Д. И. Панфилова. – Т.2: Электроника. – М. : ДОДЭКА, 2000. – 288 с. Коноплев, Б. Г. «Сборник лабораторных работ, выполняемых с использованием программы Electronics Workbench 5.0» по курсу «Электроника» / Б. Г. Коноплев. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. – 37 с. Мкртчян, С. О. Проектирование логических устройств ЭВМ на нейронных элементах / С. О. Мкртчян. – М. : Энергия, 1977. – С. 74 – 78. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы / под ред. С. В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1984. – С. 75 – 97. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной тех-нике / под ред. Б. Н. Файзулаева, Б. В. Тарабрина. – М. : Радио и связь, С. 17 – 23, 2 – 32. Измайлов, А. С. Виртуальный лабораторный практикум в интернет: Интернет в образовании и технических приложениях / А. С. Измайлов, И. А. Тарасов, А. С. Терещенко. – М. : МГИЭМ, 2000. – С. 47 – 52 . http://nitec.n-sk.ru – сайт учебного центра «Центр технологий National Instruments» НГТУ.

59

СОДЕРЖАНИЕ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ .......................................................................................... 3 ИНСТРУКЦИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПРОГРАММНЫМ КОМПЛЕКСОМ

ELECTRONICS WORKBENCH......................................................................... 3 Лабораторная работа №1

«ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА»...................... 18 Лабораторная работа №2

«ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА»............................ 23 Лабораторная работа №3

«ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА».................................... 28 Лабораторная работа №4

«СПОСОБЫ ЗАДАНИЯ ОБЩЕЙ ТОЧКИ ТРАНЗИСТОРНОГО КАСКАДА».................................................................. 37 Лабораторная работа №5

«ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ»............................ 50 Лабораторная работа №6

«ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРОВ»............................................................. 55 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................. 59

60

Учебное издание

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Методические указания Составители: РОГОВ Виктор Николаевич, КОЗИКОВА Ольга Васильевна Редактор Н. А. Евдокимова Подписано в печать 30.07.2006. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл.печ.л. 3,49. Тираж 100 экз. Заказ Ульяновский государственный технический университет 432027, Ульяновск, ул. Северный Венец, 32.

Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, ул. Северный Венец, 32.