2020-06-29
122
Введение. Знакомство с программой Multisim
Для лабораторных работ используется программа Multisim версии 13.0.
Программа моделирования Multisim предназначена для виртуального проектирования электронных схем и исследования их работы. Multisim позволяет моделировать электронные устройства большой сложности. Схема составляется из элементов, которые содержатся в базах данных. При выполнении лабораторных работ используется главная база данных (Master Database), доступ к которой осуществляется с нижней строки панели инструментов.
База данных Master Database разделена на группы (group). Группы делятся на семейства (families), включающие компоненты сходного типа или назначения. Для выполнения лабораторных работ используются следующие группы:
Sources – содержит источники постоянного и синусоидального напряжения и тока, заземления, управляемые источники сигналов, генераторы прямоугольных импульсов.
Basic – содержит основные пассивные компоненты: резисторы,, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, ключи, реле.
|
|
|
Diodes – содержит различные виды диодов: обычные диоды, стабилитроны, излучающие диоды, фотодиоды, диоды Шоттки, варикапы, тиристоры и т.д.
Transistors – содержит различные виды биполярных и полевых транзисторов.
Analog – содержит усилители и компараторы.
Indicators - содержит вольтметры, амперметры и различные индикаторы.
Измерительные приборы находятся на вертикальной панели Instruments, расположенной справа. Из них в первую очередь используются Multimeter, Function generator и Oscilloscope.
Из компонентов составляется схема, к которой добавляются источники сигналов, формирующие входные воздействия, и приборы, чтобы фиксировать ход процессов в модели.
В любой модели обязательно должен быть хотя бы один компонент GROUND (заземление) из группы Sources, семейство POWER_SOURCES.
Для правильного моделирования процесса имеет значение выбор шага моделирования. Величина шага должна быть на порядок меньше наименьшей постоянной времени любого процесса в моделируемом устройстве. При выполнении лабораторных работ рекомендуется установить шаг 10 мкс следующим образом. В меню Simulate выберите команду Interactive simulation settings (можно использовать кнопку «Interactive simulation settings» панели инструментов). В появившемся диалоговом окне установите флажок Maximum time step и согласитесь с предлагаемым значением «1е-005».
Результаты моделирования можно вывести на индикатор, на принтер или в файл, а также подвергнуть математической обработке.
При построении схем выполняются следующие операции:
- выбор компонентов и установка их на рабочее поле схемы путем выбора их из списка щелчком мыши;
- соединение компонентов: при подведении указателя мыши к выводу элемента на выводе появляется точка; нажать клавишу мыши и переместить указатель к другому выводу или к проводнику;
|
|
|
- установка параметров компонентов в окне свойств, которое вызывается двойным щелчком по символу компонента;
- подключение приборов, часть из которых находится на панели инструментов под кнопкой Indicators, часть – на панели Instruments.
При редактировании схем можно выполнять следующие операции:
- выделять объекты щелчком или протяжкой мыши по полю;
- перемещать выделенные объекты мышью, при этом соединения сохраняются;
- копировать выделенные объекты в буфер обмена и вставлять из буфера обмена с помощью команд меню Edit или комбинацией клавиш Ctrl + C, Ctrl + V (комбинации клавиш работают только при установке английской раскладки клавиатуры);
- удалять как компоненты, так и отдельные соединения;
- перемещать соединения мышью для их оптимального расположения на поле схемы;
- поворачивать компоненты на 90°, а также зеркально отражать их по вертикали и по горизонтали.
Файл модели предъявляется по требованию преподавателя при защите отчета по лабораторной работе.
Лабораторная работа №1. Исследование полупроводниковых диодов
Задание на подготовку к лабораторной работе:
Изучить материал о свойствах полупроводниковых диодов по лекционному конспекту и по учебной литературе [1, с. 88 – 92], [3, с. 18 – 27], [5, с. 22 – 24].
Задание на выполнение лабораторной работы:
Исследовать прямую ветвь вольтамперной характеристики диода, указанного в таблице вариантов. Построить график вольтамперной характеристики. Пределы изменения прямого тока – от 1 мкА до величины, указанной в таблице вариантов. Рассчитать и построить зависимости статического и дифференциального сопротивлений диода от тока. При построении графиков учитывать, что основной интерес представляют характеристики диода в области его рабочих токов: примерно от 5% до 100% предельного тока.
Указания к выполнению:
Собрать модель в соответствии с рис. 1.1.
Задавая различные значения тока источника, фиксировать значения прямого падения напряжения, отображаемые вольтметром. Для расчета дифференциального сопротивления необходимо задавать ток парами близких значений, отличающихся таким образом, чтобы фиксируемые значения прямого падения напряжения отличались не менее чем на десять единиц младшего разряда.
В отчете должны быть приведены:
1. Задание.
2. Данные своего варианта.
3. Схема модели в виде скриншота.
4. Таблицы данных, полученных при работе модели.
5. Графики вольтамперной характеристики и зависимости сопротивлений от тока.
6. Выводы о свойствах полупроводникового диода.
Варианты задания:
| № вар. | Модель диода | Предельный ток диода, А | № вар. | Модель диода | Предельный ток диода, А |
| 1 | 1N3064 | 0,075 | 9 | 1N4305 | 0,1 |
| 2 | 1N3208 | 15 | 10 | 1N4934 | 1 |
| 3 | 1N3491 | 35 | 11 | 1N5391 | 1,5 |
| 4 | 1N3879 | 6 | 12 | 1N5400 | 3 |
| 5 | 1N3889 | 12 | 13 | 1N6096 | 25 |
| 6 | 1N3900 | 20 | 14 | 1N6478 | 1 |
| 7 | 1N3910 | 30 | 15 | 1N914 | 0,2 |
| 8 | 1N4001G | 1 | 16 | 1S1553 | 0,1 |
Лабораторная работа №2. Исследование транзисторов
В работе, в зависимости от варианта, исследуется либо биполярный, либо полевой транзистор.
Исследование биполярного транзистора:
Задание на подготовку к лабораторной работе:
Изучить материал о свойствах биполярных транзисторов по учебной литературе [1, с. 101 – 114], [3, с. 34 – 43], [5, с. 26 – 31].
Задание на выполнение лабораторной работы:
 |
Исследовать характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 2.1).
Указания к выполнению:
1. Снять входные характеристики транзистора U б = f (I б) при двух значениях напряжения коллектор – эмиттер U кэ: 0 В и согласно таблице вариантов.
2. Снять выходные характеристики транзистора I к = f (U кэ) при трех значениях тока базы, указанных в таблице вариантов. При этом особое внимание должно быть уделено начальному участку характеристик.
|
|
|
3. Построить график зависимости коэффициента усиления по току от тока коллектора при напряжении коллектор – эмиттер U кэ согласно таблице вариантов.
При выполнении всех пунктов напряжение и ток коллектора не должны превышать предельных значений U кэ макс и I к макс, указанных в таблице вариантов.
В отчете должны быть приведены:
1. Задание.
2. Данные своего варианта.
3. Схема модели в виде скриншота.
4. Таблицы данных, полученных при работе модели.
5. Графики входных и выходных характеристик.
6. График зависимости коэффициента усиления по току от тока коллектора.
7. Выводы о свойствах транзистора.
Варианты задания:
| № вар. | Модель транзистора | U кэ макс, В | I к макс, А | U кэ, В | I б1, мА | I б2, мА | I б3, мА |
| 1 | 2N2712 | 18 | 0,1 | 10 | 0,05 | 0,2 | 0,5 |
| 2 | 2N3394 | 25 | 0,1 | 10 | 0,02 | 0,1 | 0,3 |
| 3 | 2N3414 | 25 | 0,5 | 15 | 0,5 | 1 | 2 |
| 4 | 2N3707 | 30 | 0,03 | 12 | 0,04 | 0,1 | 0,3 |
| 5 | 2N3859 | 30 | 0,1 | 25 | 0,2 | 0,5 | 1 |
| 6 | 2N3903 | 40 | 0,2 | 20 | 0,4 | 0,8 | 2 |
| 7 | 2N4123 | 30 | 0,2 | 45 | 0,25 | 0,7 | 1,5 |
| 8 | 2N4400 | 40 | 0,6 | 30 | 0,5 | 2 | 5 |
Исследование полевого транзистора:
Задание на подготовку к лабораторной работе:
Изучить материал о свойствах полевых транзисторов по учебной литературе [1, с. 134 – 149], [3, с. 52 – 59], [5, с. 56 – 61].
Задание на выполнение лабораторной работы:
 |
Исследовать характеристики полевого транзистора с n- каналом и управляющим p-n -переходом из семейства JFET_N, включенного по схеме с общим истоком (рис. 2.2).
Указания к выполнению:
1. Снять передаточную (стокзатворную) характеристику транзистора I с = f (U зи) при значении напряжения сток – исток U си, указанном в таблице вариантов. В ходе этого эксперимента необходимо определить напряжение отсечки, которое фиксируется при токе стока, приблизительно равном 10 мкА. Напряжение затвор – исток не должно принимать положительных значений во избежание отпирания перехода.
2. Снять выходные характеристик транзистора I с = f (U си) при трех значениях напряжения затвор – исток U зи, указанных в таблице вариантов. В ходе этого эксперимента напряжение сток – исток должно изменяться от нуля до величины, указанной в таблице вариантов. Особое внимание следует уделить характеру изменения выходной характеристики при малых значениях U си (от 0 до 1 В). Все три выходные характеристики должны быть построены на одном графике.
|
|
|
3. Рассчитать и построить график зависимости крутизны стокзатворной характеристики от тока стока S (I c).
Варианты задания:
| № вар. | Транзистор | U си, В | U зи1, В | U зи2, В | U зи3, В |
| 9 | 2N3458 | 9 | – 1,8 | – 0,8 | 0 |
| 10 | 2N3684 | 15 | – 2,0 | – 1,0 | 0 |
| 11 | 2N3685 | 20 | – 1,0 | – 0,4 | 0 |
| 12 | 2N3686 | 25 | – 0,5 | – 0,2 | 0 |
| 13 | 2N3821 | 30 | – 0,45 | – 0,2 | 0 |
| 14 | 2N3966 | 24 | – 3 | – 1,5 | 0 |
| 15 | 2N3970 | 30 | – 2,0 | – 1,0 | 0 |
| 16 | 2N3972 | 20 | – 0,8 | – 0,4 | 0 |
В отчете должны быть приведены:
1. Задание.
2. Данные своего варианта.
3. Схема модели в виде скриншота.
4. Таблицы данных, полученных при работе модели.
5. Графики передаточной и выходных характеристик.
6. Расчетные соотношения и график зависимости S (I c).
7. Выводы о свойствах транзистора.
Лабораторная работа №3. Исследование транзисторных усилителей
Теоретические сведения
Принципиальная схема усилительного каскада переменного тока с резистивно-емкостными связями, выполненного на одном биполярном n-р-n-транзисторе, приведена на рис. 3.1.
Резисторы R1 и R2 образуют делитель постоянного напряжения, подводимого к базе транзистора VT1. Соотношение R1 и R2 задает рабочую точку каскада – напряжение коллектора при отсутствии сигнала (точку покоя). Эмиттерное сопротивление R4 обеспечивает стабилизацию точки покоя при колебаниях напряжения питания и температуры за счет сильной отрицательной обратной связи. Коллекторное сопротивление R3 формирует выходное напряжение и, кроме того, наряду с R4 обеспечивает режим работы транзистора по постоянному току. Компонент Rн – это нагрузка каскада, обладающая сопротивлением, а также зачастую паразитными параметрами: индуктивностью и емкостью.
 |
Конденсатор С3 шунтирует R4, чтобы устранить отрицательную обратную связь по переменному току и тем самым не допустить уменьшения коэффициента усиления переменного сигнала.
Конденсаторы С1 и С2 называются разделительными, они обеспечивают протекание переменного тока, но препятствуют протеканию постоянного тока.
На низких частотах сопротивление разделительных конденсаторов возрастает, поэтому образуется делитель напряжения и коэффициент усиления каскада по напряжению падает. Кроме того, вследствие уменьшения емкостного сопротивления конденсатора С3 увеличивается отрицательная обратная связь по переменному току, что также уменьшает коэффициент усиления. Нижней граничной частотой полосы пропускания усилителя называется значение частоты, на которой коэффициент усиления микросхемы уменьшается на 3 дБ от значения в середине полосы пропускания.
При поступлении на вход каскада сигналов со средними частотами, емкостные сопротивления конденсаторов С1 и С2 низки, и они не оказывают значительного воздействия на функционирование устройства. В результате на средних частотах усиление сигнала наиболее велико.
При усилении сигнала высокой частоты паразитное емкостное сопротивление нагрузки весьма мало и оно значительно шунтирует выход каскада, что вызывает снижение усилительных свойств. Кроме того, с возрастанием частоты усиливается влияние емкостей транзистора и падает коэффициент усиления транзистора по току, так что по целому ряду причин коэффициент усиления каскада по напряжению уменьшается на высоких частотах даже при отсутствии емкости нагрузки.
Задание на подготовку к лабораторной работе:
1. Изучить материал о простейшем усилительном каскаде на биполярном транзисторе с общим эмиттером по учебной литературе [1, с. 295 – 307], [3, с. 246 – 249].
2. Выполнить расчет элементов усилителя исходя из следующих соображений:
2.1. Исходные данные (тип транзистора, параметры транзистора, напряжение питания U п, сопротивление нагрузки R н, внутреннее сопротивление источника сигнала R ист , нижняя граничная частота полосы пропускания f н) заданы в таблице вариантов.
2.2. Для обеспечения наилучших условий передачи мощности в нагрузку сопротивление в цепи коллектора выбирается равным сопротивлению нагрузки.
2.3. Напряжение покоя на резисторе R4 должно быть равно 0,1 U п.
2.4. Сопротивления делителя R1 и R2 выбираются таким образом, чтобы точка покоя соответствовала середине диапазона возможного изменения напряжения коллектора. Наибольшее напряжение коллектора равно напряжению питания. Наименьшее напряжение коллектора равно сумме падения напряжения на эмиттерном резисторе и наименьшего возможного напряжения коллектор-эмиттер, при котором транзистор остается в линейном режиме (рекомендуется 1 В).
2.5. Емкости конденсаторов должны быть минимальной величины при том условии, что коэффициент усиления на частоте f н уменьшается не более чем на 3 дБ.
3. Рассчитать коэффициент усиления на средних частотах.
Задание на выполнение лабораторной работы:
Этапы выполнения работы:
1. Собрать схему модели усилителя в соответствии с расчетом. Пример модели и типичная осциллограмма напряжения на коллекторе приведены на рис. 3.2. Вольтметр в цепи коллектора предназначен для измерения напряжения точки покоя, он должен работать в режиме измерения постоянного напряжения. Вольтметр в цепи нагрузки измеряет выходное напряжение, он должен работать в режиме измерения переменного напряжения. Осциллограф необходим для того, чтобы убедиться в отсутствии искажений синусоидальной формы выходного сигнала; при наличии искажений следует уменьшить величину входного сигнала.
2. Определить экспериментально коэффициент усиления модели на средних частотах и сравнить с расчетным значением.
3. Определить экспериментально и построить зависимость коэффициента усиления от частоты.
Варианты задания:
| № вар. | Модель транзистора | β | r б, Ом | U п, В | R н, Ом | f н, Гц |
| 1 | 2N2712 | 110 | 102 | 12 | 122,5 | 20 |
| 2 | 2N2923 | 130 | 144 | 15 | 208,3 | 30 |
| 3 | 2N2924 | 200 | 137 | 20 | 170,0 | 80 |
| 4 | 2N2925 | 330 | 279 | 18 | 190,0 | 50 |
| 5 | 2N3055А | 22 | 2 | 30 | 2,2 | 100 |
| 6 | 2N3394 | 56 | 49 | 18 | 152,0 | 20 |
| 7 | 2N3414 | 70 | 23 | 15 | 31,3 | 30 |
| 8 | 2N3417 | 155 | 52 | 27 | 77,7 | 80 |
| 9 | 2N3707 | 120 | 244 | 20 | 425,0 | 50 |
| 10 | 2N3859 | 45 | 18 | 30 | 52,0 | 100 |
| 11 | 2N3903 | 57 | 46 | 27 | 194,2 | 200 |
| 12 | 2N4123 | 50 | 35 | 18 | 95,0 | 150 |
| 13 | 2N4400 | 85 | 25 | 24 | 51,5 | 100 |
| 14 | 2N4409 | 29 | 24 | 36 | 157,0 | 80 |
| 15 | 2N4424 | 140 | 47 | 20 | 56,7 | 60 |
| 16 | 2N5088 | 280 | 570 | 9 | 177,5 | 40 |
В отчете должны быть приведены:
1. Задание.
2. Данные своего варианта.
3. Схема усилителя.
4. Расчеты элементов усилителя.
5. Схема модели в виде скриншота.
6. Таблицы данных, полученных при работе модели.
7. График зависимости коэффициента усиления от частоты.
8. Выводы о свойствах усилителя.
 |
Распределение вариантов для выполнения лабораторных работ
| Студент | Вариант | Студент | Вариант |
| Донич Р.С. | 1 | Плюхин А. | 9 |
| Зуев С.А. | 2 | Реут В.А. | 10 |
| Колчин Н.В. | 3 | Сафорян А.А. | 11 |
| Крестников М.С. | 4 | Степанов В.О. | 12 |
| Мазур А.И. | 5 | Суюнов Ш.К. | 13 |
| Матвеенков А.С. | 6 | Чемезов Ф.Е. | 14 |
| Мельник А.А. | 7 | резерв 2 | 15 |
| резерв 1 | 8 | резерв 3 | 16 |
