Материал: А27463 Дорошков А.В. Теория и компьюторное моделирование устройств электроники Учеб. пособие 2006
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Учебное пособие
Допущено Научно-методическим советом по электротехнике и электронике Министерства образования и науки РФ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров – 220200 «Автоматизация и управление» и по направлениям подготовки дипломированных специалистов – 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств пищевой промышленности» по курсу «Общая электротехника и электроника»
Санкт-Петербург
2006
УДК 621.3
ББК 31.2+32.85
Д 69
Д 69
Дорошков А.В.
Теория и компьютерное моделирование устройств электроники: Учеб. пособие. СПб.: СПбГУНиПТ, 2006. 131 с.
ISBN 5-895656-134-8
Учебное пособие предназначено для студентов и бакалавров всех форм обучения.
УДК 621.3
ББК 31.2+32.85
Рецензенты
Кафедра теоретических основ электротехники Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (зав. кафедрой доктор техн. наук, проф. В.Н. Боронин)
Доктор техн. наук, проф. Г.Г. Макаров (Федеральное государственное образовательное учреждение «Академия дополнительного профессио-нального образования – Учебный центр подготовки руководителей»)
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом уни-верситета
ISBN 5-895656-134-8
Санкт-Петербургский государственный
университет низкотемпературных
и пищевых технологий, 2006
А.В. Дорошков, 2006
75-летию
Санкт-Петербургского
государственного
университета
низкотемпературных
и
пищевых технологий
посвящается
Введение
Студенты специальности 220301 Автоматизация технологических процессов пищевой промышленности и бакалавры направления подготовки 220200 Автоматизация и управление изучают электронику в рамках курса «Общая электротехника и электроника». Ограниченность курса не позволяет рассмотреть все разнообразие электронных устройств и схем, использующихся в современных системах автоматики, и 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. 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 немаловажно.
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.
Условные графические обозначения (УГО) некоторых элементов в программе Electronics Workbench отличаются от отечественных стандартов. Таблица соответствий УГО приведена в Приложении.
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.
Т е м а 1
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 (рис. 1.1, а и рис. 1.1, б). 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; 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 (рис. 1.2). В условных графических обозначениях транзисторов эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода.
Рис. 1.2. Условные графические обозначения биполярных транзисторов и полярности напряжений между их выводами
В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей сигнала, существуют три основные схемы включения транзистора (рис. 1.3): с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ).
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 ЭДС
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
,
а поток дырок – дырочную составляющую
тока эмиттера
.
Концентрация электронов в эмиттере в
десятки раз больше концентрации дырок
в базе, поэтому дырочной составляющей
тока эмиттера можно пренебречь и ток
эмиттера будет равен
.
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
.
Ток
намного меньше тока эмиттера
.
Основная часть электронного потока
эмиттера достигает коллекторного
перехода. Положительное напряжение
коллектора оказывает втягивающее
действие на электроны. Они достигают
коллектора и образуют полезную
составляющую коллекторного тока
.
Коэффициент
называют статическим коэффициентом
передачи тока эмиттера. Другая составляющая
тока коллектора
является паразитной и образуется за
счет движения коллекторных неосновных
носителей (дырок) в базу, а базовых
неосновных носителей (электронов) – в
коллектор. Ток
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
При решении этой системы уравнений получается очень важная взаимосвязь тока коллектора и тока базы, отражающая усилительные свойства транзистора
,
где
– статический коэффициент усиления
тока базы в схеме с общим эмиттером.
Очевидно, что говорить об усилительных
свойствах транзистора имеет смысл пока
полезная составляющая тока коллектора
существенно больше паразитной составляющей
.
Основными
вольтамперными характеристиками (ВАХ)
транзистора являются статические
входная и выходная характеристики.
Зависимость
при
называют входной, а зависимость
при
– выходной статической ВАХ.
Вольтамперные
характеристики снимают при различных
постоянных значениях
и
.
При этом получаются семейства статических
входных и выходных характеристик,
которые представлены на рис. 1.5 а, б, в.
При
оба перехода транзистора включены в
прямом направлении и входная ВАХ подобна
обычной характеристике полупроводникового
диода, смещенного в прямом направлении.
При подаче положительного коллекторного
напряжения (
)
характеристика смещается вправо, так
как основная часть эмиттерного тока
идет в коллектор и ток базы становится
существенно меньше. В базо-коллекторной
цепи появляется ток
,
направленный навстречу току 
.
Для компенсации этого тока в цепи базы
нужно создать ток
,
приложив соответствующее напряжение
.
Это приводит к смещению входной
характеристики вправо вниз.
На большей
части выходных характеристик ток
коллектора почти не зависит от напряжения
.
Это объясняется тем, что электрическое
поле, создаваемое напряжением
,
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
обусловлен обратной инжекцией электронов
из коллектора в базу, т. е. переходом
транзистора в режим насыщения.
На семействе выходных ВАХ можно выделить 4 области (см. рис. 1.5, в): I – насыщения; II – отсечки; III – линейного усиления; IV – запредельных режимов.
При расчетах усилительных каскадов в режиме малого сигнала широко используется модель транзистора, как активного четырехполюсника с h-параметрами. Транзистор, включенный по схеме общий эмиттер, представляют в виде четырехполюсника рис. 1.6.
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; I – область насыщения; II – область отсечки; III – область линейного усиления; IV – область запредельных режимов