WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ А.В.Дорошков ТЕОРИЯ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ Учебное пособие Санкт-Петербург 2006 УДК 621.3 ББК 31.2+32.85 Д-69 Дорошков А.В.

Теория и компьютерное моделирование устД-69 ройств электроники. Учеб. пособие. - СПб.:

СПбГУНиПТ, 2006. 133 с.

ISBN 5-895656-104-4 Рассмотрены 7 основных тем по электронике, изучаемых в соответствии с Государственным образовательным стандартом в курсе «Общая электротехника и электроника» студентами специальности 220301 - автоматизация технологических процессов (пищевых производств) и бакалаврами направления подготовки 550200автоматизация и управление. Каждая тема завершается проведением компьютерного лабораторного эксперимента, который способствует лучшему усвоению материала. Экспериментальные исследования выполняются с помощью пакета моделирующих программ Electronics Workbench.

Учебное пособие предназначено для студентов и бакалавров всех форм обучения и экстерната.

УДК 621.3 ББК 31.2+32.85 Рецензенты Санкт-Петербургский государственный политехнический университет – зав. кафедрой теоретических основ электротехники, доктор техн. наук, проф. В.Н. Боронин Доктор техн. наук, проф. Г.Г. Макаров (Санкт-Петербургская Академия дополнительного последипломного образования – Учебный центр подготовки руководителей) Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом университета ISBN 5-89566-104-6 © Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, 2006 © Дорошков А.В., 2006 2 ВВЕДЕНИЕ Студенты специальности 220301 - автоматизация технологических процессов (пищевых производств) и бакалавры направления подготовки 550200-автоматизация и управление изучают электронику в рамках курса «Общая электротехника и электроника». Ограниченность объема часов курса не позволяет рассмотреть все разнообразие электронных устройств и схем, использующихся в современных системах автоматики, и не позволяет подготовить студентов как разработчиков электронной аппаратуры.

Однако в этом курсе студенты знакомятся с возможностями современной электроники, изучают принцип действия, основные параметры и технико-экономические показатели типовых аналоговых и цифровых электронных схем и устройств. Это позволит им в будущем принимать правильные решения, связанные с внедрением электроники.

В настоящем учебном пособии рассмотрено семь тем охватывающих в той или иной степени следующие области электроники:

• полупроводниковые приборы;

• нелинейные цепи с биполярными транзисторами;

• усилительные устройства переменного тока;

• операционные усилители;

• усилители постоянного тока и функциональные преобразователи на основе операционных усилителей;

• цифровые логические элементы;

• асинхронные, синхронные и динамические триггеры;

• двоичные счетчики импульсов.

Для лучшего усвоения материала каждая тема завершается модельным экспериментом при помощи пакета моделирующих программ Electronics Workbench. Объектом моделирования выступают изучаемые электронные схемы и устройства. Общедоступность и нетребовательность к аппаратным ресурсам компьютера программы Electronics Workbench делает возможным проведение лабораторного модельного эксперимента не только в учебной лаборатории, но и дома уже при наличии компьютера типа Pentium II, что не маловажно.

Программа схемотехнического моделирования Electronics Workbench на сегодня является одной из перспективных. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов: пассивные элементы, транзисторы, источники постоянного и переменного токов, ключи, гибридные элементы, индикаторы, цифровые и аналоговые элементы, ряд специальных схем. Есть возможность подключения и создания новых библиотек компонентов. Параметры компонентов можно изменять в широком диапазоне значений непосредственно с клавиатуры.

В программе имеется большой набор высокоточных приборов для проведения измерений: амперметр, вольтметр, двухлучевой осциллограф, мультиметр, графопостроитель частотных характеристик, функциональный генератор, генератор слов, логический анализатор и логический преобразователь.

Графические возможности Electronics Workbench позволяют экспортировать результаты исследований в текстовые документы в виде таблиц, рисунков, файлов. Это существенно уменьшает время, необходимое для выполнения экспериментов и создает условия для подготовки качественных отчетов.

Большую помощь в проведении экспериментальных исследований усилительных каскадов на биполярных транзисторах и в оформлении материала оказали студенты третьего курса факультета техники пищевых производств Е.А Снеговская. и С.А.Бекетов, за что автор выражает им искреннюю признательность.

Автор считает приятным долгом принести также свою благодарность всем рецензентам, заведующей лабораторией Л.Б.Ромашкиной и старшему преподавателю И.А.Ерофеевой за ценные замечания, сделанные ими при редактировании и в процессе апробации настоящего учебного пособия.

Тема ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Теоретические сведения Биполярными транзисторами называются трехэлектродные полупроводниковые приборы с двумя pn-переходами. Переходы образуются за счет чередования областей различного типа проводимости.

В зависимости от структуры различают биполярные транзисторы npn- и pnp-типов (см. рис. 1.1а и рис. 1.1б). Средняя область называется базой, а две другие – эмиттером и коллектором. Эмиттер отличается от коллектора тем, что концентрация основных носителей в нем более чем в 1000 раз больше, чем в коллекторе.

Pn-переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между коллектором и базой - коллекторным.

Рис. 1.1. Структуры биполярных транзисторов npn- типа (а) и pnp- типа (б).

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков. Различие состоит лишь в том, что в транзисторе npn-типа через базу к коллектору движутся электроны, инжектированные (впрыснутые) эмиттером, а в транзисторе pnp-типа – дырки. Коллектор и база транзистора npn-типа подключаются к положительным полюсам источников питания, а коллектор и база транзистора pnp-типа – к отрицательным (см. рис. 1.2). В условных графических отображениях транзисторов эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода.

К К I к I + к VTI б VTI б Uк э Б Uкэ Б + Uб э Uб э I I э э - + + Э - Э pnp npn Рис. 1.2. Условные графические обозначения биполярных транзисторов и полярности напряжений между их выводами.

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим между входным источником сигнала и выходной цепью транзистора существуют три основные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ) (см. рис. 1.3).

К Э IК + VTIЭ VTЭ IК К IЭ I Б VTI Б Б Б UЭК + UКЭ + UБЭ UЭБ IБ UКБ UБК IЭ IК + Б К Э Рис. 1.3. Три схемы включения транзистора:

VT1 – общий эмиттер; VT2 – общая база; VT3 – общий коллектор.

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора npn-типа, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 1.4).

+ + Рис. 1.4. Диаграмма составляющих токов в транзисторе npn-типа.

Эмиттерный переход внешним источником э.д.с. EБ смещен в прямом направлении и это способствует инжекции основных носителей – электронов из эмиттера в базу, а дырок – из базы в эмиттер.

Поток электронов образует электронную составляющую тока эмиттера -IЭn 1, а поток дырок – дырочную составляющую тока эмиттера IЭp. Концентрация электронов в эмиттере в десятки раз больше концентрации дырок в базе, поэтому дырочной составляющей тока эмиттера можно пренебречь, т.е. ток эмиттера определяется как IЭ = IЭn + IЭp IЭn Попавшие в базу электроны в результате диффузии перемещаются к коллекторному переходу. Из-за малой толщины базы только малая часть электронов рекомбинирует в ней с дырками. В результате рекомбинации создается основная (полезная) составляющая тока в цепи базы I' = IБn. Ток IБn намного меньше тока эмиттера. ОсновБ ная часть электронного потока эмиттера достигает коллекторного перехода. Положительное напряжение коллектора оказывает втягиТак как направление тока определяется направлением движения положительных зарядов, то здесь поставлен знак минус.

вающее действие на электроны. В итоге они достигают коллектора и в его цепи возникает основная составляющая его тока (полезная со' ставляющая) IК = IКn =IЭn. Коэффициент = 0,97...0,998 называют коэффициентом передачи тока эмиттера. Другая (паразитная составляющая) тока IК0 коллектора образуется за счет движения коллекторных неосновных носителей (дырок) в базу, а базовых неосновных носителей (электронов) – в коллектор. Ток IК0 при комнатной температуре чрезвычайно мал, однако он существенно возрастает с увеличением температуры и поэтому его называют тепловым током коллектора или обратным током коллекторного перехода.

В соответствии с диаграммой токов на рис. 1.4. составляется система токовых уравнений для транзистора IЭ = IК + IБ I =IЭ + IК0.

К I = (1-)IЭ - IК Б Из решения этой системы уравнений получается очень важная взаимосвязь тока коллектора и тока базы, отражающая усилительные свойства транзистора IК = IБ + IК0 =IБ + IК0, (1-) где = 30...500 - называют статическим коэффициентом усиления тока базы в схеме общий эмиттер2. Очевидно, что говорить об усилительных свойствах транзистора имеет смысл пока полезная составляющая тока коллектора существенно больше паразитной составляющей IБ >> IК0.

Основными вольтамперными характеристиками транзистора являются статические входная и выходная характеристики (см. рис. 1.5). Зависимость IБ = f (UБЭ)|UКЭ =const называют входной, В системе h-параметров транзисторов = h21Э.

а зависимость IК = f (UКЭ )|IБ =const – выходной статической вольтамперной характеристиками (ВАХ).

ВАХ снимают при различных постоянных значениях UКЭ и IБ.

При этом получаются семейства статических входных и выходных характеристик, которые представлены на рис. 1.5 а, б, в.

При UКЭ = 0В оба перехода транзистора включены в прямом направлении и входная ВАХ подобна обычной характеристике полупроводникового диода смещенного в прямом направлении. При подаче положительного коллекторного напряжения (UКЭ > 0В) характеристика смещается вправо, так как основная часть эмиттерного тока идет в коллектор и ток базы становится существенно меньше. В базо-коллекторной цепи появляется ток -IК0, направленный навстречу току IБ. Для компенсации этого тока в цепи базы нужно создать ток IБ = IК0, приложив соответствующее напряжение UБЭ. Это приводит к смещению входной характеристики вправо вниз.

На большей части выходных характеристик ток коллектора почти не зависит от напряжения UКЭ. Это объясняется тем, что электрическое поле, создаваемое напряжением UКЭ, практически полностью прикладывается к коллекторному переходу, как к участку, имеющему наибольшее сопротивление. В этой ситуации поле вне переходов отсутствует и электроны, создающие ток коллектора, двигаются через базу исключительно в результате диффузии, скорость которой постоянна. Спад коллекторного тока при малых напряжениях UКЭ <1...12Вобусловлен обратной инжекцией электронов из кол, лектора в базу, т.е. переходом транзистора в режим насыщения.

На семействе выходных ВАХ можно выделить 4 области:

I – насыщения; II – отсечки; III – линейного усиления; IV – запредельных режимов.

При расчетах усилительных каскадов в режиме малого сигнала широко используется модель транзистора, как четырехполюсника с h-параметрами.

а) б) в) Рис. 1.5. Статические характеристики биполярного транзистора в схеме ОЭ: а) – входные в линейном масштабе;

б) – входные в полулогарифмическом масштабе; в) – выходные.

H-параметры имеют следующий физический смысл для схемы с ОЭ:

IК h21Э == при UКЭ = const – коэффициент усиления тока IБ базы;

UБЭ h11Э = при UКЭ = const – входное дифференциальное IБ сопротивление транзистора;

IК h22Э = при IБ = const – выходная дифференциальная UКЭ проводимость.

Для схемы с ОЭ входное сопротивление составляет единицы кОм, а выходная проводимость - 10-4 …10-5 сим.

H-параметры транзистора в рабочей точке А можно определить графическим путем.

Параметры h11Э находят по входной характеристике (см. построения на рис. 1.6.) Рис. 1.6. Построения для определения h11Э.

На входной характеристике выбирают вблизи рабочей точки А две вспомогательные точки А1 и А2 (приблизительно на одинаковом расстоянии), находят приращения напряжения и тока базы и рассчитывают входное дифференциальное сопротивление h11Э.

Параметры h22Э и h21Э определяются из семейства выходных характеристик транзистора (см. построения на рис. 1.7):

IК IК2 - IК1 I* I* - I* К К2 Кh21Э == = ; h22Э ==.

IБ IБ2 - IБU* UК2 -UКК Рис.1.7. Построения для определения h22Э и h21Э Модельный эксперимент Цель работы 1. Изучить принцип действия и характеристики биполярных транзисторов.

2. Приобрести практические навыки по экспериментальному определению характеристик и параметров современных биполярных транзисторов, включенных по схеме общий эмиттер (ОЭ), с помощью пакета программ Electronics Workbench.

3. Экспериментально подтвердить теоретические знания, полученные на лекциях и самостоятельных занятиях по биполярным транзисторам.

Программное обеспечение, приборы и элементы 1. Пакет моделирующих программ Electronics Workbench v.5.12, работающих в среде операционной системы Windows 98, Windows XP или Windows 2000. Путь запуска программы Electronics Workbench: «рабочий стол Windows» папка «Учебный процесс» ярлык.

2. Биполярный транзистор npn-типа 2N2218. Путь выбора:

группа компонентов транзисторов Transistors NPN Transistor. Модель транзистора 2N2218 выбрать из библиотеки 2n во вкладке Models свойств транзистора (NPN Transistor Properties).

3. Источник базового тока IБ и источник напряжения пита- ния EП. Путь выбора: группа компонентов источников Sources DC Current Source(источник тока) и, затем, Battery (источник напряжения).

4. Вольтметры PV1 и PV2. Путь выбора: группа компонентов индикаторных приборов Indicators Voltmeter.

5. Заземление. Путь выбора: группа компонентов источников Sources Ground.

6. Амперметры PA1 и PA2. Путь выбора: группа компонентов индикаторных приборов Indicators Ammeter.

Программа работы 1. Ознакомится с теоретическими сведениями и инструкцией по использованию программы Electronics Workbench v.5.12 [3,5].

2. Изучить схему лабораторной установки для снятия статических характеристик биполярного транзистора.

3. На рабочем поле программы Electronics Workbench v.5.12 собрать схему и произвести модельный эксперимент.

4. Обработать результаты экспериментальных исследований, построить семейства входных и выходных ВАХ транзистора.

5. Рассчитать h-параметры транзистора (h11Э, h22Э, h21Э ).

Порядок проведения работы 1. Исследование входной ВАХ биполярного транзистора.

1.1. Собрать схему лабораторной установки, приведенную на рис.1.8.

1.2. Выбрать модель транзистора 2N2218 из библиотеки 2n во вкладке Models свойств транзистора (NPN Transistor Properties).

1.3. Во вкладке Value свойств вольтметров (Voltmeter Properties) установить режим измерения постоянного тока (Mode:

DC) и задать внутреннее сопротивление вольтметра (Resistance) (R)=100MОм.

Рис. 1.8. Схема установки для исследования ВАХ биполярного транзистора.

1.4. Во вкладке Value свойств амперметров (Ammeter Properties) установить режим измерения постоянного тока (Mode:

DC) и задать внутреннее сопротивление амперметра (Resistance) (R)=1µОм.

1.5. Предъявить моделируемую установку для проверки инженеру и получить разрешение преподавателя на проведение эксперимента.

1.6. Включить лабораторную установку и изменяя величину тока источника IБ от 1µА до 1000 µА в соответствии с данными табл. 1.1, измерить напряжение между базой и эмиттеров UБЭ при двух значениях напряжения между коллектором и эмиттером (UКЭ = 0В и UКЭ = 5В). Результаты измерений занести в табл. 1.1.

1.7. Используя шаблон (рис. 1.9) построить в полулогарифмическом масштабе семейство входных ВАХ.

1.8. Рассчитать при токе базы IБ = 50мкА для двух значений коллекторного напряжения входное сопротивление RвхОЭ транзистора при включении его по схеме с ОЭ, которое равно h11Э.

UБЭ RвхОЭ (UК = 0В) = h11э(UК = 0В) = ;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |






















© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.