Составление измерительной схемы

Здесь на примере измерения ВАХ показана последовательность действий по составлению схем и их сборке в редакторе EWB.

По определению вольт-амперная характеристика какого-либо прибора представляет зависимость величины тока через прибор от значения приложенного к нему постоянного напряжения: . Для получения визуального изображения ВАХ целесообразно использовать осциллограф, в котором по оси ординат откладывается ток через переход, а по оси абсцисс – приложенное к нему медленно меняющееся напряжение. Входные усилители осциллографа имеют высокое входное сопротивление (обычно до 10 МОм) и потому являются измерителями напряжения. Значит, на Y-вход осциллографа надо подать напряжение, пропорциональное величине тока через p-n переход. Следовательно, схема для измерения ВАХ должна кроме перехода содержать нагрузочное сопротивление, падение напряжения на котором содержит информацию о токе перехода и в примитивном виде должна выглядеть так, как показано на рис. 2. Для определения параметров схемы и условий измерения с ее помощью ВАХ найдем падение напряжения на сопротивлении нагрузки . Если к последовательно соеди-ненным p-n переходу и сопротивлению приложено медленно меняющееся во времени (например, по пилообразному закону) напряжение , то (рис.2)

, (7)

Рис. 2 где - сопротивление перехода по постоянному току, которое определяет его ВАХ. Из выражения (7) следует, что в общем случае напряжение на сопротивлении нагрузки сложным образом зависит от параметров p-n перехода. Проанализируем выражение (7) для выяснения условий получения по рассматриваемой схеме ВАХ перехода.

1. Рассмотрим случай, когда . Тогда согласно выражению (1) получим . Следовательно, при выборе большого сопротивления нагрузки падение напряжения на нем не несет информацию о ВАХ p-n перехода.

2. Пусть теперь сопротивление нагрузки имеет малую величину по сравнению с сопротивлением перехода во всем диапазоне прикладываемого к цепи напряжения: . В этом случае выражение (1) дает

. (8)

Стоящее в круглых скобках выражение есть отыскиваемая ВАХ.

Таким образом, если выбрать нагрузочное сопротивление малым по сравнению с сопротивлением p-n перехода на постоянном токе, то снимаемое с сопротивления нагрузки постоянное напряжение будет пропорционально ВАХ исследуемого перехода. Именно этот вариант схемы измерения реализуется в данной лабораторной работе.

Исходя из описанного выше, для составления схемы измерения потребуется ис­точник регулируемого постоянного напряжения, нагрузочное сопротивление и измеритель падения напряжения на нём – в виде осциллографа. Поскольку в области отрицательного напряжения сопротивление перехода велико и резко уменьшается в области положительных напряжений, то диапазоны изменения постоянного напряжения в положительную и отрицательную стороны должны быть различными: в области положительных напряжений достаточно, например, + В, а в области отрицательных - В. В качестве источника регулируемого постоянного напряжения , прикладываемого к исследуемому переходу, целесообразно использовать генератор двухполярного пилообразного напряжения с низкой частотой повто­рения и амплитудой, достаточной для охвата как прямой, так и обратной ветви ВАХ. Однако диссимметрия диапазонов положительного и отрицательного напряжения при использовании двухполярного пилообразного напряжения амплитудой может быть реализована добавлением к пилообразному напряжению постоянного напряжения . Его величина может быть рассчитана, исходя из известных значений максимального положительного напряжения В и минимального напряжения В (см. рис. 3)

, . (9)

Регистрировать ВАХ можно на экране осциллографа по одному из его каналов: каналу А или каналу В. Далее, ве­личина сопротивления нагрузки должна быть выбрана исходя из двух противоположных требований: с одной стороны ее величина должна быть много меньшей сопротивления р-п перехода во всём диапазоне используемых напряжений смещения , а с другой - паде­ние напряжения на нём должно быть достаточным для его надёжного измерения осциллографом. Максималь-ная чувствительность вертикальных усилителей осциллографа составляет 5 мВ/см. Значит, при измерении в области отрицательных напряжений минималь-ного тока: тока насыщения , имеющего малое значение (типичное значение А), необходимо сопротивле-ние нагрузки, падение напряжения на котором составит мВ: Рис. 3

. (10)

5.2. Сборка схемы на рабочем столе EWB

Сборка схемы производится следующим образом. Над рабочим окном расположены пользовательское меню, содержащее группы элементов для сборки схем эксперимента, а также набор приборов, наиболее часто используемых в лабораторных работах. Откройте окно, обозначенное как «Резистор» и выберите сопротивление, установив его номинал. Для лабораторной работы в данном окне необходимо выбрать постоянное сопротивление, символ "Земля", а также источник постоянного на­пряжения. Для выбора элемента подведите курсор мыши к соответствующему элементу и, удерживая левую клавишу мыши в нажатом состоянии, перенесите значок выбранного элемента в удобное для расположения место рабочего окна. Следующий эле­мент схемы расположите так, как он должен быть расположен на рабочем столе в соответствии с вашей схемой. В группе, обозначенной как «Диод», необходимо выбрать выпрямляющий диод, который аналогичным способом переносится на рабочий стол. Таким образом, сначала на рабочем столе располагаются элементы схемы, а затем производится их соединение проводниками.

Приборы переносятся на рабочий стол аналогично описанному выше, причем, если переносимые элементы на самом деле копируются из библиотеки элементов (поэтому их можно брать сколько угодно), то приборы из панели инструментов программы на рабочий стол пользо-вателя переносятся только один раз. Таким образом, в распоряжении пользователя находится только один комплект перечисленных приборов.

Расположив элементы и приборы на вашем рабочем столе удобным обра­зом, необходимо приступить к соединению элементов и подключению прибо­ров. Для этого подведите курсор к выбранному для соединения элементу. Ес­ли это резистор, то он имеет два контакта для подсоединения к схеме, если транзистор, то три и т.д. Когда курсор мыши находится в непосредственной близости от контакта элемента, это соединение редактором автоматически активизируется и пользователь имеет возможность видеть это в появлении черного кружка. В этот момент не­обходимо нажать левую клавишу мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, подвести курсор мыши к контакту другого элемента, который вы также долж­ны увидеть активизированным. В этот момент вы должны отпустить нажатую клавишу мыши – соединение проводником двух элементов схемы завершено. В течение этой процедуры от одного контакта к другому протягивается соединение, которое приобретает прямолинейную форму. В процессе соединения элементов схемы отдельные линии могут пересекаться, но это не приводит к появлению между ними электрического контакта. Если же вам необходимо электрическое соединение проводников, то вы должны, войдя в окно "Узел", перенести значок узла в необходимое место схемы. Узел схемы можно получить и присоединением контакта элемента к проводнику.

Подключение приборов производится аналогичным образом с тем лишь отличием, что при приближении курсора мышки активизируется ближайшая клемма прибора. Генератор электрических сигналов имеет три вывода: «Земля», "+" и "-"; осциллограф - два Y - входа, синхро-вход и "Землю".

После сборки схемы измерения ВАХ необходимо включить процесс имитации ее работы. Результат её функционирования будет отображен на выбранных индикаторах и приборах. Следует обратить внимание на то, что требуемый вид ВАХ должен быть получен при отсутствии постоянного смещения каналов по Y - оси!