Домашнее задание №1 по курсу ”Электроника и микропроцессорная техника” (стр. 2 )

Результаты анализа Dynamic DC соответствуют ожидаемым величинам, характерным для кремневых биполярных транзисторов, что указывают на отсутствие ошибок в составленной схеме, предназначенной для моделирования ВАХ транзистора.

3.  Получите статические выходные характеристики транзистора заданной марки

Статические выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой зависимости коллекторного тока Ic от напряжения между коллектором и эмиттером Vce при разных постоянных токах базы Ib=Const

Здесь и далее использованы обозначения, принятые для биполярного транзистора в программе МС9 (вывод коллектора – с, вывод эмиттера – е, вывод базы – b).

Для получения семейства выходных характеристик транзистора следует обратиться к типу анализа DC… (расчет передаточных функций). После обращения к данному анализу появляется окно DC Analysis Limits (окно заказа проведения данного анализа) следует вести следующие данные. В качестве первого независимого аргумента Variable 1 выбрать имя батарейки V1, установленной в выходной цепи транзистора. Согласится с предлагаемой программой методом ее изменения (Auto), а в строке Range задать диапазон изменения напряжения между коллектором и эмиттером Vce(Q1). При записи диапазона изменения напряжения V1 следует руководствоваться принятым в программе МС9 правилом: максимальное напряжение (оно не должно превышать указанной в справочнике величины Uкб. max ), через запитую минимальное напряжение (принять равным нулю), через запятую шаг изменения V1 (рекомендуется принять равным 0.001* Uкб. max).

В качестве второй независимой переменной Variable 2 в графе Name выбирать имя генератора тока I1, поставленного во входную (базовую) цепь. Способ (Method) изменения величины генератора тока I1 задать линейным (Linear), а в графе Range записать диапазона его изменения. За максимальный базовый ток I1max при моделировании семейства выходных характеристик следует принять ток, при котором ток коллектора достигает максимальной величины Iк. max, указанной в справочнике. Его величина вычисляется как

где BF – коэффициент передачи постоянного тока в схеме ОЭ при токе коллектора Iк. max. Для определения BF при токе коллектора Iк. max обратитесь к представляемой программой зависимости коэффициента передачи тока от тока коллектора DC Current Gain (см. рис. 3б). Например, для транзистора КТ315А по справочным данным Iк. max=100 мА, а при данном токе коллектора согласно зависимости DC Current Gain для транзистора KT315A_SO коэффициент передачи тока равен BF»47. Отсюда при моделировании следует задать максимальную величину генератора тока I1, равную

Формально нижним пределом изменения генератора тока I1 следовало бы задавать его нулевое значение. Однако в этом случаи при моделировании семейства выходных характеристик (при наборе постоянных входных токов, один из которых равен нулю) программа МС9 потребует длительное время на проводимые вычисления или может «зависнуть». Поэтому в качестве нижнего предела изменения тока I1 примите шаг его изменения. Задайте шаг изменения тока I1 из условия получения в семействе не менее 5 выходных характеристик. Например, для транзистора KT315A_SO можно задать шаг изменения I1 равный 2m/5=0.4m. а поэтому в графе Range для Variable2 записать: 2m,0.4m,0.4m. При данных параметрах проведения анализа будет получено семейство из 5 выходных характеристик.

Первоначально проведите моделирование выходных характеристик при одной температуры окружающей среды (программа предлагает температуру 27о).В окошке Auto Scale Range проставьте флажок, тем самым задав программе команду автоматически выбирать масштаб построения графиков по результатам каждого расчета.

В нижней части окна DC Analysis Limits закажите вывод на экран построение семейства выходных характеристик транзистора, для чего по оси Х укажите напряжение между коллектором и эмиттером Vce(Q1), а по оси Y ток коллектора Ic(Q1). Пример заполненного окна DC Analysis Limits для получения семейства выходных характеристик транзистора KT315A_SO представлен ниже.

Рис. 8. Окно заказа параметров проведения анализа DC с цель получения семейства выходных характеристик транзистора KT315A_SO в схеме ОЭ.

После заполнения параметров проведения анализа DC дайте команду на его проведение (щелчок левой мышкой по клавише Run), в результате на экране появится семейство выходных характеристик, как показано на рис. 9.

Рис. 9. Семейство выходных характеристик транзистора KT315A_SO.

На полученное семейство выходных характеристик согласно справочным данным нанесите допустимый максимальный ток коллектора Iк. max и величину тока коллектора исходя из допустимой рассеиваемой мощности Pк. max. Так, например, для транзистора KT315A согласно справочным данным Iк. max =100 мА, Pк. max=150 мВт. Чтобы отразить данные ограничения на семействе выходных характеристик измените параметры проведения анализа DC. Для этого вызовете окно DC Analysis Limits (пиктограмма данного окна расположена в верхней части основного окна программы) и проведите следующие изменения проведения анализа DC. Во-первых, добавьте построения на семействе выходных характеристик постоянного тока Iк. max и величины тока коллектора в зависимости от напряжения между коллектором и эмиттером исходя из заданной допустимой рассеиваемой мощности (Pк. max=Iк*Vкэ). Во-вторых, откажитесь от автоматического выбора масштаба построения графиков, так как при сохранении данной команды предложит построения графиков с токами 1049 A, и семейство выходных характеристик не будет видно. После снятия флажка в окошке Auto Scale Ranges закажите собственный выбранный масштаб построения графиков в окнах X Range и Y Range, исходя из правила: верхний предел, нижний предел, шаг построения сетки. Пример изменения параметров проведения анализа DC для транзистора KT315A_SO приведен на рис. 10.

Рис. 10. Окно заказа параметров проведения анализа DC из условия получения семейства выходных характеристик транзистора KT315A_SO с определением области разрешенных коллекторных токов.

После введенных коррекций параметров проведения анализа DC дается команда на его проведения. На полученных характеристиках следует указать марку транзистора и базовые токи, при которых получена каждая выходная характеристика. Для внесения дополнительной информации на семействе выходных характеристик используйте пиктограмму Text Mode. Так как принято представлять семейство выходных характеристик с постоянным шагом изменения базового тока, то вместо набора базовых токов обычно приводят только шаг его изменения. Пример представления семейства выходных характеристик с добавочной информацией приведен на рис. 11.

Рис. 11. Семейство выходных характеристик транзистора KT315A_SO с указанием допустимого тока коллектора в зависимости от напряжения на коллекторе.

Полученное семейство выходных характеристик биполярного транзистора с указанием предельно допустимого тока коллектора Ic. доп в зависимости от напряжения на коллекторе Vce является справочным данным как при экспериментальных натурных исследованиях ВАХ транзистора, так и при расчете электронных схем, включающих транзистор.

Выходные характеристики транзистора при работе в активном режиме (Ib>0, Vce³0.4) имеют линейный вид с углом наклона зависимым от тока коллектора. Их угол наклона определяет выходное сопротивление rсе (проводимость h22э=1/rсе) транзистора по переменному току для малых сигналов. Для вычисления выходного сопротивления rкэ в любой рабочей точке с координатами (Ibo, Vceo, Ico) следует задать приращение изменения напряжения на коллекторе dVce и по выходной характеристике определить соответствующее приращение коллекторного тока dIc. По данным приращениям можно вычислить выходное сопротивление (выходную проводимость h22э) как

Для получения величины выходного сопротивления и ее зависимости от постоянного коллекторного тока в рабочей точке поступите следующим образом. Повторите получение семейства выходных характеристик без указания предельных токов коллектора, на которых с использованием пиктограммы Tag Mode () укажите на каждой характеристике ток коллектора при некотором постоянном напряжении на коллекторе (его можно выбрать в пределах 5 – 10 В). Далее, активизируйте пиктограмму Cursor Mode (), когда одновременно фиксируются координаты левой (Left), правой (Right), их разницы (Delta) и производной (Slope) на выделенной цветом выходной характеристике. Переход от одной характеристике к другой реализуется с помощью клавиш «вверх» и «вниз» клавиатуры компьютера. По полученным значениям Ico, dVce и dIc для каждой выходной характеристике организуйте вектора в программе Mathcad и проведите вычисление выходного сопротивления rкэ (проводимости h22э). Ниже показан пример выполнения данных операций по выходным характеристикам для КТ315А_SO, когда одновременно на экран компьютера выводились программы МС9 (левая половина) и MathCAD (правая половина).

Рис. 12. К определению выходного сопротивления (проводимости) транзистора KT315A_SO