Домашнее задание №1 по курсу ”Электроника и микропроцессорная техника” (стр. 3 )

В моделях на биполярный транзистор в формате SPICE, которые используются в программе МС9, предполагается, что при активном режиме работы коллекторный ток транзистора в схеме ОЭ линейно связан с напряжением на коллекторе и все выходные характеристики выходят из одной точки абсцисс. Напряжение в данной точки получило название напряжение Эрли и в параметрах модели биполярного транзистора обозначается как VAF (указывают модель данной величины, для транзисторов n-p-n эта величина отрицательная, для транзисторов p-n-p – положительная). При таких допущениях по известному напряжении Эрли VAF и координатах рабочей точки на выходной характеристике (Vceo, Ico) всегда можно вычислить выходное сопротивление rсе (проводимость h22э) по переменному току как

Ниже для сравнения приведены зависимости выходного сопротивления rсе (проводимости h22э) по переменному току транзистора KT315A_SO, определенного как с помощью приращений тока и напряжений, так и с помощью напряжения Эрли.

Рис. 13. Изменение выходного сопротивления (проводимости) по переменному току транзистора KT315_SO, определенного по выходным характеристикам с помощью приращений тока и напряжения (rce, h22e) и напряжения Эрли (Rce, H22e).

Как и следовало ожидать, оба способа вычисления выходного сопротивления rсе (проводимости h22э) дают одинаковый результат. Их величина зависит от тока коллектора, с ростом тока выходное сопротивление транзистора уменьшается, а выходная проводимость возрастает. Если при токе коллектора Ico=1 мА выходное сопротивление транзистора KT315A_SO равно rкэ=125кОм, то при токе Ico=50 мА оно уменьшается до 2.5 кОм.

Для определения влияния температуры окружающей среды (при моделировании предполагается, что температура полупроводника, из которого изготовлен транзистор, равна температуре окружающей среды) проведите анализ DC из условия получения семейства выходных характеристик, для двух температур 27оС и 47оС. Для этого вызовете окно DC Analysis Limits, где в окне Temperature Method выберете команду List, а в окне Range закажите 27б47. В этом случаи окно заказа проведения анализа DC будет иметь вид, как показано ниже.

Рис. 14. Окно заказа проведения анализа DC с целью определения влияния температуры на поведение выходных характеристик транзистора KT315A_SO.

После проведения коррекции заказа параметров анализа DC дается команда на его проведения, типичные результаты которого приведены ниже.

Рис. 15. Семейство выходных характеристик транзистора KT315A_SO в схеме ОЭ при двух температур.

Результаты моделирования выходных характеристик транзистора в схеме ОЭ подтверждают предсказываемое теорией сильное влияние температуры на коллекторный ток, а именно, что с ростом температуры наблюдается значительное увеличение коллекторного тока.

4.  Получите статические входные и проходные характеристики транзистора заданной марки.

Статические входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой зависимость базового тока Ib от напряжения между базой и эмиттером Vbe, полученные при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером

В справочниках приводят входные характеристики биполярных транзисторов как при работе в активном режиме, так и в режиме насыщения. Для маломощных транзисторов (серии КТ3…) обычно выбирают напряжения по модулю между коллектором и эмиттером, равные 0 (режим насыщения), 2 и 5 В (активный режим).

Статическая проходная характеристика транзистора измеряется только в схеме ОЭ при работе в активном режиме и представляет собой зависимость коллекторного тока Ic от напряжения между базой и эмиттером Vbe при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером Vce

Для получения данных характеристик методом моделирования принципиальная схема на рабочем поле не меняется, а изменяются параметры проведения анализа DC. Вызвав окно DC Analysis Limits (пиктограмма ), надо в качестве первой независимой переменной Variable 1 выбрать имя генератора тока (в рассматриваемом примере – I1), сохраняя метод его изменения Auto. В окне Range для данной переменной следует указывать рабочий диапазон изменения тока базы исследуемого транзистора, который определим ниже. В качестве второй независимой переменной Variable 2 выбрать поставленную в выходную цепь транзистора имя батарейки (V2), а методом ее изменения принять List (перечень). В соответствующем окне Range для данной переменной заказать перечень ее напряжений: 5,2,0 [B].

При натурных измерениях входных характеристик транзистора диапазон изменения входного базового тока определяется из условия сохранения работоспособности транзистора. В справочных данных указывают максимальную величину коллекторного тока Iк. max и максимальную рассеиваемую мощность Pк. max на коллекторе, которые фактически определяют верхнюю допустимую границу базового тока. Начиная с некоторого напряжения между коллектором и эмиттером Vce, с его увеличением величина допустимого коллекторного тока Iс. доп. уменьшается, как показано на рис. 11.

Однако, в моделях на биполярный транзистор, используемых в программе МС9, выход транзистора из строя из-за превышения максимального коллекторного тока и превышения максимальной рассеиваемой мощности на коллекторе не моделируется. Поэтому при назначении величины максимального базового тока (генератора тока I1) можно принять определенную при моделировании выходных характеристик величину I1max (для KT315A-SO I1max =2мА), которую следует указать в окне Range для переменной Variable 1. Нижним пределом для генератора тока I1 рекомендуется задаться 1 мкА (1u), и аналогичным шагом изменения.

Первоначально проведите анализ DC из условия получения только семейства входных характеристик при указанных напряжениях между коллектором и эмиттером (батарейка V1) и для одной температуры окружающей среды (27оС). Для этого закажите построение графиков с указанием по оси абсцисс напряжения Vbe(Q1), а по оси ординат тока базы Ib(Q1). Пример заполнения окна DC Analysis Limits для получения семейства входных характеристик транзистора KT315a_SO приведен ниже.

Рис. 16. Окно заказа параметров проведения анализа ВС для получения семейства входных характеристик транзистора KT315A_SO.

После заполнения окна DC Analysis Limits дается команда на проведения анализа.

Рис. 17. Семейство входных характеристик транзистора KT315A_SO.

Из полученного семейства входных характеристик транзистора в схеме ОЭ следует, что для модели транзистора KT315A_SO при работе в активном режиме (Vce=2,5 B) практически сливаются в одну, и только для режима насыщения она смещается в лево по оси ординат порядка на 100 мВ. При работе в активном режиме базовый ток появляется при превышении напряжения между базой и эмиттером порядка 600 мВ, и данное напряжение во всем рабочем диапазоне изменения базового тока изменяется в небольших пределах, всегда оставаясь менее 800 мВ.

При анализе электронных схем, включающих транзистор, последний со стороны входа заменяют эквивалентным сопротивлением. При расчете схемы по постоянному току вводят понятие эквивалентного входного сопротивления транзистора по постоянному току Rвх, которое определяют как

При расчете схемы по переменному току для малых сигналов используют понятие входного сопротивления транзистора по переменному току rвх (параметр h11э), которое определяют как

Величины обоих сопротивлений зависят от постоянного базового тока (соответственно и тока коллектора), с которым работает транзистор. При расчете электронных схем обычно используют зависимости сопротивлений от коллекторного тока (Rвх=f(Ic) и rвх=f(Ic)), а не базового, так как коллекторный ток в силу неравенства Ic>>Ib более точно контролируем.

Для получения данных зависимостей входных сопротивлений от коллекторного тока внесите некоторые изменения параметров анализа DC. Если проводить анализ с используемым диапазоном изменения генератора тока I1 от 1 мкА до 1 мА, то входные сопротивления изменяются в диапазоне более 3-х порядков. Так как входные сопротивления Rвх и rвх транзистора при ранее заказанных изменениях тока базы от 1 мкА до 1 мА изменяются в большом диапазоне, то измените нижний предел изменения генератора тока I1 (окно Range для Variable 1) c 1u на 0.1*I1max (для транзистора KT315A_SO 100u). Весь анализ проведите только для работы транзистора в активном режиме, оставив в окне Range для Variable 2 (батарейка V1) только напряжение 5.

По результатам моделирования закажите построение графиков с указанием по оси абсцисс тока коллектора Ic(Q1), а по оси ординат на одном графике входного сопротивления по постоянному току Rвх, представляемого как Vbe(Q1)/Ib(Q1), на другом графике входного сопротивления по переменному току rвх, представляемого как del(Vbe(Q1))/del(Ib(Q1)). Пример заполнения окна DC Analysis Limits c целью получения зависимостей входных сопротивлений транзистора KT315A_SO от тока коллектора приведен на рис.18, а его результаты на рис. 19.

Рис. 18. Окно заказа параметров проведения анализа DC для получения зависимостей входного сопротивления транзистора KT315A_SO по постоянному и переменному току от тока коллектора.