Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики Кафедра " Персональная электроника " Дисциплина: "Аналоговые и цифровые устройства" курсовая

Вид материала

Курсовая

Содержание Система моделирования Electronics Workbench Краткие теоретические сведения UСИ (рис. 1). Электрод, от которого дрейфуют основные носители за-ряда под действием постоянного напряжения U UЗИ между затвором и истоком, можно регулировать ток стока I UЗИ и, следовательно, закрыт. Поэтому входная проводимость ПТ очень мала, а входное сопротивление ПТ весьма велико Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов. Исследование усилителя на полевом транзисторе КП 103М Sмакс = 2Iснач / Uотс U Целью работы было изучение и исследование основных параметров полевого транзистора КП103М. Список литературы

Подобный материал:

• Темы Лекции Практика, 13.65kb.
• Московский Государственный Университет Путей Сообщения (миит) Кафедра «Электроника, 79.43kb.
• Методические указания и задания по курсовому проектированию для студентов 2 курса специальности, 200.18kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 263.71kb.
• Стратегия обеспечения национальных интересов россии в кавказском регионе: социально-философский, 223.38kb.
• Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики Тема диплом, 119.62kb.
• Московский Государственный Институт Электроники и Математики (Технический Университет), 763.07kb.
• Московский Государственный Университет Путей Сообщения (миит) Кафедра «Электроника, 857.48kb.
• Московский Государственный Университет Путей Сообщения (миит) Кафедра «Управление, 159.16kb.
• Московский Государственный Строительный Университет Кафедра теплотехники и котельных, 15.01kb.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики


Кафедра “Персональная электроника”

Дисциплина: ”Аналоговые и цифровые устройства”

Курсовая работа: “Моделирование усилительного каскада на полевом

транзисторе с общим истоком в программной среде EWB”


Студента 2-го курса Митрофанова В.С.

Специальность 230104

Группа ПР7-07-02д.

Руководитель доцент Волкова Т.М.

Курсовая защищена с оценкой


Москва 2009 год

Техническое задание по курсовому проектированию

Цель работы: изучение и исследование основных параметров полевого транзистора КП103М.


План работы

1. Собрать схему измерений на полевом транзисторе КП 103.

2. Подать от источника питания ИП 1 напряжение + 5В.

3. Подать от источника питания ИП 2 напряжение 0 В, затем изменять напряжение дискретно с шагом 2 В до 12 В, снимая показания с миллиамперметра. Полученные данные занести в таблицу (см. табл. 1).

4. Уменьшить напряжение ИП 1 на 1 В.

5. Повторять пункты 2 и 3 до тех пор, пока напряжение ИП 1 не достигнет нуля.

6. По полученным значениям построить выходную вольт-амперную характеристику.

7. Построить нагрузочную прямую на полученных ВАХ для сопротивления нагрузки 3 кОм, выбрать рабочую точку, определить в ней крутизну полевого транзистора.

8. Провести основные виды анализа ( DC режим по постоянному току, AC режим по переменному току АЧХ, ФЧХ и переходной процесс TRANSIENT ) модели усилителя с общим истоком и сопротивлением нагрузки 3 кОм.


Содержание

Техническое задание по курсовому проектированию……………………… 2

Содержание…………………………………………………………………….. 3

Введение………………………………………………………………………… 4

Система моделирования Electronics Workbench…………………………….. 6

Краткие теоретические сведения……………………………………………… 8

Исследование усилителя на полевом транзисторе КП 103М………………. 12

Заключение…………………………………………………………………….. 17

Список литературы…………………………………………………………… 18


Введение

Роль электроники в современной науке и технике трудно переоценить. Она справедливо считается катализатором научно-технического прогресса. Спектр ее применения прости­рается от фундаментальных исследований до прикладного ис­пользования. Электроника влияет на все народное хозяй­ство, но не непосредственно, а через целый ряд специфических отраслей, таких как вычислительная техника, информацион­но-измерительные системы, робототехника, микропроцессоры.

Важнейшим элементом электроники является транзистор, обладающий свойством усиления электрического сигнала. На транзисторе, в основном, построены все существующие схемы усилителей.

Усилитель – это любое усилительное устройство, включенное между источником сигнала и нагрузкой и предназначенное для усиления мощности, напряжения или тока.

Основные показатели усилителей:

1. Входные и выходные параметры;

2. Потребляемая мощность и КПД;

3. Линейные и нелинейные искажения;

4. Собственные помехи усилителя;

5. Амплитудная характеристика и динамический диапазон.

Усилители классифицируются по:

1. По характеру усиливаемого сигнала

- усилители переменного тока и напряжения;

- усилители постоянного тока и напряжения.

2. По полосе пропускания:

- Усилители НЧ;

- Усилители ВЧ;

- Узкополосные усилители;

- Широкополосные усилители.

3. По назначению:

- Усилители мощности;

- Усилители напряжения;

- Усилители тока;

4. По виду применяемого элемента


Система моделирования Electronics Workbench

Разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается, как правило, физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их исследование, которое может быть весьма трудоемким. Поэтому часто применяют математическое моделирование с использованием средств и методов вычислительной техники. Одной из таких программ является электронная система моделирования Electronics Workbench (EWB), отличающаяся простым и легко осваиваемым пользовательским интерфейсом.

История создания программы Electronics Workbench (EWB) начинается с 1989 года. Ранние версии программы (до EWB 4.0) состояли из двух независимых частей. С помощью одной половины программы можно было моделировать ана­логовые устройства, с помощью другой — цифровые. Такое «раздвоенное» состоя­ние создавало определенные неудобства, особенно при моделировании смешан­ных аналого-цифровых устройств. В 1995 году в версии 4.0 эти части были объединены, а в версии 4.1 был введен, наряду с 16-, и 32-разрядный режим обработки информации, что существенно повышало быстродействие и совместимость со все­ми последующими Windows/NT системами при минимальных требованиях к ап­паратной части ПК Windows 3.1 и выше, 4 Мбайт ОЗУ, около 4 Мбайт дискового пространства под программу и 10—20 Мбайт под временные файлы). При порази­тельно простом пользовательском интерфейсе и минимуме настроек (чаще всего они и не требуются) EWB 4.1 тем не менее позволяет решать большинство задач лабораторного практикума по всем дисциплинам электрорадиотехнического про­филя и автоматики в средних и высших учебных заведениях.

В течение 1996—97 годов были выпущены версии 5.0, 5.12 и 5.12 Рго с расши­ренными возможностями анализа примерно в объеме программы Мicrо-Сар с переработанной и существенно расширенной библиотекой компонентов, особен­но в EWB 5.12 Рго. Кроме того, в EWB 5.12 была предусмотрена возможность не­посредственного выхода в программу EWB Layout разработки печатных плат. Дополнительные средства анализа цепей в EWB 5.хх выполнены в типичном для всей программы ключе — ми­нимум усилий со стороны пользователя. Наряду с повышением требований к сис­темным средствам (Windows 95 и выше, 8 Мбайт ОЗУ, около 15 Мбайт дискового пространства под программу и 10—20 Мбайт под временные файлы), семейство EWB 5.хх, по сравнению с EWB 4.1, отличается более сложной настройкой (к сча­стью, она не часто требуется), меньшим быстродействием и некоторым ухудшени­ем пользовательского интерфейса в части копирования элементов экрана.

Для семейства EWB 6.хх требуется уже около 120 МБ дис­кового пространства в среде Windows 9х/NT, ПК класса не ниже Реntium 133 МГц и объемом ОЗУ не менее 16 МБ. Аналогичные требования предъявляются и про­граммой EWB 7.0, выпущенной в 2003 году. По замыслу разработчиков, эти про­граммы должны выполнять функции так называемой системы сквозного проектирования, т. е. включающей все этапы от создания электрической схемы устройст­ва до разработки его печатной платы с передачей соответствующей документации в производство. Не­смотря на наличие дополнительных средств анализа, EWB 6.хх и 7.0 ближе к профессиональным программам и как средство обучения заметно уступают предыдущим версиям по простоте пользовательского интерфейса, на­стройкам и быстродействию.

Программы EWB обладают преемственностью снизу вверх, т. е. все схемы, созданные в версиях 3.0 и 4.x, могут быть промоделированы в версиях 5.хх и 6.хх. Кроме того, EWB позволяет также моделировать устройства, для которых задание на моделирование подготовлено в текстовом формате SPACE, чем обеспечивается совместимость с программами Мicro-Сар и PSpice.


КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1. Устройство и принцип действия полевого транзистора

с управляющим p-n-переходом

Полевыми транзисторами (ПТ) называют полупроводниковые при-боры, в которых управление выходным током осуществляется с помощью поперечного электрического поля, создаваемого входным сигналом в толще полупроводника. Электрическое поле называется поперечным, если вектор напряженности этого поля перпендикулярен вектору скорости носителей заряда. ПТ называют также униполярными, так как ток в них переносится только основными носителями заряда одного знака: электронами или дырками.

Различают два типа ПТ: 1) с управляющим p-n-переходом, 2) с изоли-рованным затвором (МДП-транзистор1). МДП-транзисторы делят на тран-зисторы со встроенным каналом и с индуцированным каналом 2.

Устройство ПТ. Идеализированная структура ПТ с управляющим p-n-переходом показана на рис. 1 на примере ПТ с каналом n-типа. Там же приведена схема подключения к транзистору внешних источников напря-жений UЗИ и UСИ, необходимых для задания рабочего режима ПТ.

В основе структуры ПТ лежит полупроводниковая пластина n- или p-типа, на боковых гранях которой имеются области с противоположным типом проводимости. На границах этих областей с остальным полупроводником образуются p-n-переходы. Для ПТ с каналом n-типа (рис. 1) полупроводниковая пластина имеет проводимость n-типа, а ее боковые области – проводимость p+-типа. Области p-n-переходов на рис. 1 за-штрихованы. На поверхность пластины наносятся металлические электроды, ко-торые образуют контакты с нижележа-щими областями полупроводника. Два электрода нанесены на левый и правый торцы полупроводниковой пластины, имеющей основной тип проводимости, как показано на рис. 1. Эти электроды называют истоком (И) и стоком (С). Другие электроды нанесены на области противоположного типа проводимости (тип p+ на рис.1) и электрически соединены между собой. Эти электроды вместе с областями противоположного типа проводимости образуют затвор (З) 3. Объем пластины с основным типом проводимости, заключенный между p-n-переходами, по которому дрейфуют основные носители заряда, называют каналом.

3 В зарубежной литературе используют следующие обозначения электродов ПТ: Gate (G) – затвор (З), Source (S) – исток (И), Drain (D) – сток (С).

4 Чтобы толщина обедненного слоя изменялась в основном в сторону канала, области затвора обратной проводимости изготавливают с повышенной проводимостью (c проводимостью p+ для ПТ с n-каналом на рис. 1).

Между истоком И и стоком С включают источник постоянного напря-жения UСИ (рис. 1). Электрод, от которого дрейфуют основные носители за-ряда под действием постоянного напряжения UСИ, является истоком. Дру-гой электрод, собирающий эти носители заряда, является стоком. Между затвором и истоком прикладывается напряжение UЗИ, которое должно иметь полярность, обратную полярности напряжения UСИ между стоком и истоком (рис. 1). Это необходимо для того, чтобы напряжение UЗИ было обратным для p-n-перехода затвора и переход был бы закрыт.

На практике применяют два типа ПТ с управляющим p-n-переходом: с каналом n-типа проводимости (как на рис. 1) и с каналом p-типа прово-димости. Транзисторы, имеющие каналы с разными типами проводимости, называют комплиментарными, т. е. «дополняющими» друг друга по типу проводимости. Комплиментарные транзисторы удобно сочетаются в раз-личных схемах радиоэлектронных устройств. На рис. 2 приведены условные обозначения ПТ с каналом n-типа (а) и с каналом p-типа (б). Там же указаны названия электродов (И,С,З) и полярности напряжений, подаваемых на электроды ПТ.

Для ПТ с каналом n-типа проводимости (рис. 1) напряжение UСИ, приложенное к стоку, должно быть положительным относительно истока (UСИ > 0). При этом напряжение UЗИ, приложенное к затвору, должно быть неположительным относительно истока (UЗИ ≤ 0). Для ПТ с каналом p-типа проводимости полярность напряжений, подаваемых на электроды, изменяют на противоположную. В частности, напряжение UСИ должно быть отрицательным (UСИ < 0), а напряжение UЗИ, должно быть не-отрицательным (UЗИ ≥ 0).

Принцип действия ПТ. Полевой транзистор предназначен для управ-ления относительно большим током от внешнего источника питания, про-текающим по каналу транзистора, с помощью слабого источника тока (на-пряжения), подключаемого к затвору ПТ. Управление током канала (то-ком стока IС) происходит путём изменения обратного напряжения UЗИ на p-n-переходе затвора.

С ростом величины |UЗИ| обратного напряжения между затвором и ис-током возрастает толщина обедненного слоя p-n-перехода ПТ (заштрихо-ванная область на рис. 1), а поперечное сечение канала уменьшается. Следовательно, возрастает электрическое сопротивление RСИ канала и уменьшается ток IС, протекающий через канал под действием приложенного к нему напряжения UСИ.

При достаточно большом обратном смещении на затворе, когда напря-жение |UЗИ| велико, обедненный слой p-n-перехода перекрывает весь канал и поперечное сечение канала становится практически равным нулю. В этом случае сопротивление RСИ канала весьма велико и ток в канале (ток стока IС) практически равен нулю. Напряжение на затворе UЗИ, при котором ток канала становится практически равным нулю, называется напряжением отсечки UЗИ = UЗИ ОТС.

Таким образом, меняя напряжение UЗИ между затвором и истоком, можно регулировать ток стока IС (ток в канале) ПТ. При этом для ПТ с ка-налом n-типа должно быть UЗИ ≤ 0, а для ПТ с каналом p-типа UЗИ ≥ 0.Отметим, что приложенное между истоком и стоком напряжение UСИ также меняет конфигурацию канала, так как потенциал самого канала ме-няется от истока к стоку под действием этого напряжения. Вследствие этого напряжение на p-n-переходе вблизи стока равно UЗИ–UСИ и отличается от напряжения UЗИ на переходе вблизи истока. В результате, область обед-ненного слоя p-n-перехода около стока расширяется и становится больше, чем у истока (как показано заштрихованной областью на рис. 1). При этом поперечное сечение канала около стока будет меньше, чем около истока.

Особенности и достоинства ПТ сводятся к следующему.

Во-первых, полевой транзистор (ПТ) существенно отличается от бипо-лярного транзистора (БТ) принципом действия. В БТ управление выходным током транзистора производится с помощью входного тока, а в ПТ – с помощью входного напряжения (или электрического поля).

Как отмечалось раньше, p-n-переход затвора ПТ смещен в обратном направлении напряжением UЗИ и, следовательно, закрыт. Поэтому входная проводимость ПТ очень мала, а входное сопротивление ПТ весьма велико 5. При этом в цепи затвора протекает лишь малый ток обратно смещенного перехода. Поэтому мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника входного сигнала в цепи затвора, оказывается очень малой. Следовательно, ПТ может обеспечить усиление электрических сигналов как по току и напряжению, так и по мощности.

Во-вторых, ПТ могут обладать более низким уровнем шума, чем БТ (особенно на низких частотах). Это объясняется тем, что в ПТ не исполь-зуется явление инжекции не основных носителей заряда и, следовательно, отсутствуют процессы рекомбинации носителей в p-n-переходах.

В-третьих, в ПТ отсутствуют процессы изменения (накопления и расса-сывания) объёмного заряда не основных носителей, заметно снижающие быстродействие БТ при их использовании в качестве электронных ключей.

Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов.

Ток стока ПТ зависит как от значения, так и от полярности напряжений Е_си и Е_зи.

Как было сказано ранее, при постоянном смещении на затворе увеличение напряжения на стоке от нуля вызывает резкое возрастание тока стока, которое продолжается до наступления насыщения тока стока. Затем ток устанавливается и остается относительно постоянным.

Типичная зависимость ПТ с р-n переходом показана на рисунке 2. Данная характеристика подобна характеристике биполярного транзистора и отличается лишь знаком управляющего напряжения, наклоном при малых значениях Е_си и тем, что у биполярных транзисторов перегиб характеристик происходит на значительно более низких напряжениях на коллекторе. На выходных характеристиках ПТ можно выделить две области. При малых значениях Е_си (левее прямой 0 В) сопротивление канала имеет омический характер и ток может протекать в обоих направлениях. Рабочая область левее 0 В используется при применении ПТ в качестве переменного сопротивления, управляемого напряжением.


Рис. 2.

Основные параметры полевого транзистора.

2.1. Ток насыщения (I_со).

Ток насыщения в цепи стока транзистора, включенного по схеме с

Рис. 2. ОИ при Е_зи = 0 определяется по

формуле:

I_с = I_со (1 - Е_зи / U_отс)² , где U_oтc - напряжение

отсечки, В.

2.2. Напряжение отсечки (U_отс).

При напряжении на затворе, численно равном напряжению отсечки, практически полностью перекрывается канал ПТ, и ток стока при этом стремится к нулю. Измерение значения U_отс проводится при достижении нормированного для каждого типа ПТ значения тока стока. Например U_отс транзисторов КП 103, КП 303 измеряется при токе стока 10 мкА.

2.3. Крутизна проходной характеристики (S).

Управление выходным током ПТ осуществляется входным напряжением и для характеристики усилительных свойств ПТ используется крутизна, вычисляемая по формуле:

при Е_си = const.

Крутизна характеристики маломощных полевых транзисторов во много раз меньше, чем у биполярных, поэтому при одинаковых сопротивлениях нагрузки коэффициент усиления каскада на ПТ меньше коэффициента усиления аналогичного каскада на биполярном транзисторе.

Максимальное значение крутизны характеристики ПТ S_макс достигается при Е_зи = 0, и тогда для крутизны характеристики в любой рабочей точке справедливо:

S = S_макс (1 - Е_зи / U_отс)².

Исследование усилителя на полевом транзисторе КП 103М

КП103 (Е-М) — малошумящие диффузионно-планарные полевые транзисторы с затвором на основе р-n перехода и каналом р-типа. Предназначены для применения во входных каскадах усилителей низкой частоты и постоянного тока с высоким входным сопротивлением. Диапазон рабочих температур окружающей среды -55...+85°С.

Соберем схему измерений на полевом транзисторе КП 103 в программной среде EWB:


1. Подаём от источника питания ИП 1 напряжение + 5В.

2. Подаём от источника питания ИП 2 напряжение 0 В, затем меняем напряжение дискретно с шагом 2 В до 12 В, снимая показания с миллиамперметра. Полученные показания занёс в таблицу:


U_v1=5В

Uv2, В	0	-2	-4	-6	-8	-10	-12
I2, мА	0	11,34	12,92	13,05	13,17	13,30	13,42

Уменьшаем напряжение ИП 1 на 1 В

Повторяем пп. 1 и 2 до тех пор, пока напряжение ИП 1 не достигнет нуля. Полученные результаты занесены ниже следующей таблице:

U_v1=4В

Uv2, В	0	-2	-4	-6	-8	-10	-12
I2, мА	0	16,92	22,90	23,13	23,35	23,57	23,79

U_v1=3В

Uv2, В	0	-2	-4	-6	-8	-10	-12
I2, мА	0	22,43	34,16	36,03	36,37	36,72	37,06

U_v1=2В

Uv2, В	0	-2	-4	-6	-8	-10	-12
I2, мА	0	27,88	45,28	51,72	52,22	52,71	53,20

U_v1=1В

Uv2, В	0	-2	-4	-6	-8	-10	-12
I2, мА	0	33,26	56,26	68,56	70,86	71,53	72,19

U_v1=0В

Uv2, В	0	-2	-4	-6	-8	-10	-12
I2, мА	0	38,59	67,14	85,19	92,25	93,13	94

По полученным значениям строим выходную вольт-амперную характеристику:


Соберем схему измерений на полевом транзисторе КП 103 в программной среде EWB с нагрузкой 3 кОм:

Построим нагрузочную прямую и выберем рабочею точку на ней:

Построим две точки на выходных характеристиках транзистора

U_си = 0, I_с = I_к = 0, U_си = U

U=45 В;

R_нагр=3000 Ом;

I_c =45/3000 = 15 мА

Определим в рабочей точке крутизну полевого транзистора:

S = S_макс (1 - U_зи / U_отс)²

S_макс = 2I_снач / U_отс

U_зи = 5 В.

U_отс = 8 В.

I_снач = 3 мА.

S_макс = 2*3*10^-3 / 8 = 0.75*10^-3

S = 0.75*10^-3 * (1 – 5/8)² = 0.0001 А/В

Проведём анализ по переменному току построив АЧХ и ФЧХ:

Подключим источники переменного напряжения:


Построим переходную характеристику:

Заключение

Целью работы было изучение и исследование основных параметров полевого транзистора КП103М.

В этой работе были построены: ВАХ, АЧХ, ФЧХ, а также переходный процесс. Была построена линия нагрузки для сопротивления 3 кОм, выбрана рабочая точка, и определена в ней крутизна полевого транзистора.

Чтобы схемы на полевых транзисторах имели широкое применение в будущем, они должны иметь преимущество перед существующими интегральными схемами. В основном эти преимущества не будут в характеристиках. Биполярные интегральные схемы с их низким пороговым напряжением, высоким коэффициентом усиления и низким напряжением насыщения превосходят МОП-схемы, если сравнивать по быстродействию и мощности.

Теория работы полевых транзисторов в настоящее время достаточно хорошо разработана и довольно успешно применяется при конструировании цифровых логических схем


Список литературы

1. Аксенов А.М, Нефедов А.В. “Отечественные полупроводниковые приборы”, Москва Солон-Пресс 2005г.
   
2. Карлащук В.И “Электронная лаборатория на IBM PC. Моделирование элементов аналоговых систем на Electronics Workbench”, Москва Солон-Пресс 2006г.
   
3. Терещук Р.М., Терещук К.М., Седов С.А. “Полупроводниковые приемно-усилительные устройства” Киев 1982г.
   
4. Галкин В.И., Булычёв А.Л., Прохоренко В.А. “Полупроводниковые приборы” Минск 1987г.
   
5. Булычев А.Л., Прохоренко В.А. “Электронные приборы” Минск 1987г.
   
6. Миловзоров О.В., Панков И.Г “Электроника” Москва 2005г.
   
7. Волкова Т.М. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЯ по КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ для СТУДЕНТОВ 2 КУРСА СПЕЦИАЛЬНОСТИ 230104»Системы автоматизированного проектирования» по ДИСЦИПЛИНЕ 2730 “АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА”
   
8. Петухов В.М. “Аналоги отечественных и зарубежных транзисторов” Москва 1999г.