Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) ФАКУЛЬТЕТ БИОМЕДИЦИНСКАЯ ТЕХНИКА КАФЕДРА БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА ОТЧЕТ ПО ДОМАШНЕМУ ЗАДАНИЮ №1 Студент _______________Кауртаев Савелий Дмитриевич________________ фамилия, имя, отчество Группа БМТ1-52Б Студент _________________ ____Кауртаев С. Д.___ подпись, дата Преподаватель фамилия, и.о. _________________ ____Трубачёв Е. А.___ подпись, дата Оценка __________________________________ 2022 г. фамилия, и.о. Цель работы Исследование статических вольтамперных характеристик модели полупроводникового диода и частотных характеристик колебательного контура в программе аналогового и цифрового моделирования электрических и электронных цепей Micro-Cap 12. Задачи работы 1. Построить прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики диода (модель выбирается согласно варианту, см. приложенный к заданию файл). Оценить влияние допустимого рабочего диапазона температур на характеристики диода. 2. Проанализировать зависимость собственной емкости диода от напряжения смещения (рекомендуется использовать параллельный резонансный контур, при этом добротность и частоту резонанса при нулевом смещении выбрать согласно варианту). Справочные данные диода стабилитрона Uст, В Модель элемента Д816Г мин. 35 ном. макс. 43 aUст, %/oC 0,12 Iст, мА 150 Напряжение dUст, % 5 Uпр, В rст, Ом (при Iст, мА) 1,5 (500) (при Iст, мА) 12 (150) стабилизации Iст, мА мин. 10 Uст определяется макс. 130 Рпр, Вт 5 Т, оС -60…+130 напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации Iст. Температурный коэффициент напряжения стабилизации aUст показывает, на сколько процентов изменится относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1°C и постоянном токе стабилизации. Временная нестабильность напряжения стабилизации dUст показывает, на сколько процентов изменится относительное изменение напряжения стабилизации. Пробивное напряжение Uпр - это падение напряжения на внешних выводах диода при прохождении прямого тока Iпр , которое представляет собой сумму падений напряжений на p-n переходе и малолегированной области (базы) диода. Дифференциальное сопротивление стабилитрона rст – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔUCT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации Δiст. Максимально допустимый постоянный ток стабилизации Iст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды. Pmax, Моделирование прямой ветви ВАХ заданной марки диода при разных температурах окружающей среды Для получения прямой ветви ВАХ диода на рабочем поле МС12 составляется принципиальная схема, представленная на рис.1. Рис. 1. Принципиальная схема для исследования прямой ветви ВАХ диода. Прямая ветвь диодов представляется в полулогарифмическом масштабе, т.е. как зависимость натурального логарифма прямого тока через диод от напряжения на его внешних выводах. В диапазоне рабочих токов прямая ветвь представляет собой линейную зависимость, которая при больших токах из-за увеличения падения напряжения на объемном сопротивлении (базовой области) нарушается. Величину тока, начиная с которой нарушается линейность характеристики, можно принять ориентировочно за максимально допустимый прямой ток через диод (рис. 2). Рис. 2. Представление программой МС12 прямой ветви ВАХ диода D816G После обращения к анализу Dynamic DC появляются его результаты, как показано на рис. 3. Согласно анализу Dynamic DC следует, что при прохождении через диод тока Id= 60 мА (данная величина была задана при установке генератора постоянного тока) падение напряжения на нем Vd= 1.027 В. При этом на диоде рассеивается мощность pd=61.631 мВт, такую же мощность pg=61.631 мВт отдает во внешнюю цепь генератор тока I1. Программа дополнительно определяет, что диод находится в открытом рабочем состоянии (ON). Рис. 3. Полные результаты анализа Dynamic DC для прямой ветви ВАХ диода D816G Убедившись, что собранная схема на рабочем поле не имеет ошибок, то для моделирования прямой ветви ВАХ диода обратимся к анализу DC (расчет передаточных функций). Расчет передаточных характеристик (в данном случае прямой ветви ВАХ диода) программа может провести для различных температур окружающей среды. Для исследования влияния температуры на прямую ветвь ВАХ диода выберем ее изменение методом List (перечнем), а в окне Range закажем 27, 37, 47 (оС), т.е. получение трех прямых ветвей ВАХ при изменении температуры на 10 оС. После заполнения окна DC Analysis Limits дается команда (Run) на его проведения, в результате на экране появляется графическое представление результатов моделирования, как показано на рис. 4. Рис. 4. Прямые ветви ВАХ диода D816G, полученные методом моделирования для трех температур: 27оС, 37оС и 47оС. По данным результатам анализа оценивается изменение напряжения на диоде при постоянном протекающем токе при изменении температуры на 1 оС (температурный коэффициент напряжения –ТКН). Так для диода D816G при изменении температуры от 27 до 37 ТКН равен ТКН = 1.037 − 1.053 мВ = −1.6 [ ] 37 − 27 оС а при изменении температуры от 37 до 47 становится равным ТКН = 1.023 − 1.037 мВ = −1.4 [ ] 47 − 37 оС Из полученных результатов анализа по моделирования прямой ветви ВАХ диода D816G следует, что с ростом температуры при постоянном токе через диод напряжение на нем уменьшается (ТКН отрицательный). Принято характеризовать кремневые диоды средней величиной ТКН, равной мВ ТКН сз 2 о С , что подтверждает проведенный эксперимент. Моделирование обратной ветви ВАХ заданной марки диода при разных температурах окружающей среды Для получения обратной ветви ВАХ диода на рабочем поле МС9 составляется принципиальная схема, представленная на рис.5. Согласно рис. 5 следует, что через диод D816G протекает ток величиной 24.837 пА при обратном напряжении -21.5 В, при этом на диоде рассеивается мощность pd=533.995 пВт и диод находится в запертом состоянии (OFF). Рис 5 Результаты анализа Dynamic DC принципиальной схемы для исследования обратной ветви ВАХ диода. Для обратной ветви диодов наблюдается аналогичные масштаб и зависимость (рис.6). Рис. 4. Представление программой МС12 обратной ветви ВАХ диода D816G на участке пробоя Далее, для моделирования обратной ветви ВАХ диода обратимся к анализу DC для трех температур: 27оС, 37оС и 47оС. Результат модерирования приведён на рис. 7. Рис 7 Результаты анализа Dynamic DC принципиальной схемы для исследования обратной ветви ВАХ диода. Вывод о влиянии допустимого рабочего диапазона температур на характеристики диода На основании моделирования прямой и обратной ветвей ВАХ диода D816G можно сделать вывод, что на прямой ветви ВАХ диода с ростом температуры при постоянном токе через диод напряжение на нем уменьшается (ТКН отрицательный). Аналогичный вывод можно сделать для обратной цепи: с ростом температуры при переменном напряжении через диод ток на нем уменьшается. Анализ зависимости собственной емкости диода от напряжения смещения Для получения данной зависимости проводят измерение частотной характеристики LC-контура, параллельно которому подключают исследуемый диод. Схема для измерения резонансной характеристики этого контура представлена на рис. 8. Рис 8 Принципиальная схема для измерения резонансной характеристики параллельного LC-контура с диодом D1. Резонансная частота контура f0=2МГц. Собственную ёмкость контура C1 следует выбрать больше максимальной ёмкости диода, например C1=3×CJO. Для получения выбранной резонансной частоты fo индуктивность контура должна быть равна L1=1/[(2×π×fo)2×C1] = 2.039×10-5 Гн (На защите выяснили, что в формуле допущена ошибка: L1=1/[(2×π×fo)2×(C1+CJO)]). Выбранные реактивности контура определяют его характеристическое сопротивление , которое равно =√L1/C1= 256.288 Ом Добротность контура по условию равна 75. При заданной добротности контура сопротивление потерь R1 в индуктивной цепи определяется следующим образом: R1=/Q =3.417 Ом Сопротивление параллельного контура на резонансной частоте максимальное и чисто резистивное Roe, величина которого равна Roe=×Q=19.22 кОм. В схеме, представленной на рис. 8, внутреннее сопротивление Ri высокочастотного генератора V1 и балластное сопротивление Rb должны быть выбраны значительно больше сопротивления Roe для сохранения добротности контура (по переменному току сопротивления Ri и Rb включены параллельно контуру). \ Поэтому Ri=Rb=5×Roe Конденсатор Ср имеет название разделительный, он разделяет в схеме по постоянному току контур от варикапа и его источника смещения Vsm (батарейки). Однако, по переменному току диод (его емкость Cb) должен быть подключен параллельно контуру, чтобы полная емкость Ck контура определялась бы как сумма Ck=C1 А емкость разделительного конденсатора Ср на ее величину бы не влияло бы. Для этого следует выбрать Cp>>Cb, например, Ср=1000 пФ. Определив параметры схемы, следует ее набрать на рабочем поле МС7. Для определения частотных характеристик контура используем анализ АС. Полоса пропускания контура 2×∆f равна 2×∆f=fo/Q. Поэтому для просмотра резонансной характеристики контура следует изменять частоту гармонического генератора в диапазоне частот на порядок шире. Поэтому закажем для своего гармонического генератора верхнюю частоту приближенно fo+20*∆f, нижнюю частоту fo-20*∆f: 2.267×106 Гц и 1.733×106 Гц соотвественно. Так как изменение частот относительно небольшой, то используем при анализе линейный метод изменения частоты. Исследуем результат анализа АC при заданном на схеме управляющем напряжении на стабилитроне Vsm=0, используя пиктограмму Peak (максимум функции), определим резонансную частоту fr (рис.9). Частота fr составила 1.753×106 Гц. Рис 8 Результат анализа AC для определения зависимости собственной ёмкости диода от напряжения смещения По измеренной резонансной частоте fr контура совместно со стабилитроном и известным параметрам контура вычислим барьерную емкость Cb стабилитрона Cb=1/[(2*π*fr)2*L1]-C1=4.042×10-10 Ф результаты которой близки к модельному параметру CJO. Анализ вольтфарадной характеристики стабилитрона Затем проведём многовариантный анализ АC при изменении управляющего напряжения Vsm от нуля до 0.9*Vст, где Vст=39В. Каждому заданному управляющему напряжению Vsm при анализе будет соответствовать своя резонансная частота, по которой вычисляется барьерная емкость стабилитрона. По проведенному анализу строится вольтфарадная характеристика для стабилитрона, по которой следует определить диапазон изменения емкости Cbmin –Cbmax, Коэффициент перекрытия K=Cbmax/Cbmin Рис. 9 Результат анализа AC частотных характеристик контура Выпишем для каждого заданного управляющего напряжения Vsm полученную резонансную частоту, по ней вычислите барьерную емкость стабилитрона Cb и постройте вольтфарадную характеристику, как показано на рис. 10. Рис. 5. Вольтфарадная характеристика стабилитрона.