Разработка компьютерных аналогов схем исследования биполярных транзисторов

 МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

им. В.И. Ульянова (Ленина)” (СПбГЭТУ)

 

Направление 210100.62 -  Электроника и микроэлектроника

 

Кафедра микро- и наноэлектроники

 

 

К защите допустить:

Декан ФЭЛ                                                        Соломонов А.В.

 

 

 

ВЫПУСКНАЯ

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

БАКАЛАВРА

 

 

 

Тема: Разработка компьютерных аналогов схем исследования биполярных транзисторов

 

 

 

 

 

Студент				/   Жемчужин В.А.  /
Руководитель				/  Миронов В.А.    /
Зав. кафедрой				/     Лучинин В.В.  /

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012 г. 
МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

им. В.И. Ульянова (Ленина)” (СПбГЭТУ)

 

Факультет	электроники	УТВЕРЖДАЮ
Кафедра	микро- и наноэлектроники	Руководитель направления
		/                            /
		«_____» ______________ 2012  г.

 

ЗАДАНИЕ

на выпускную квалификационную работу бакалавра

 

Студент

Жемчужин В.А.

Группа №

8206

 

1. Тема работы	Разработка компьютерных аналогов схем исследования
биполярных транзисторов
(утверждена приказом  №  987 от 17.05.12)
2. Исходные данные (технические требования)

 

3. Содержание работы

 

4. Перечень отчетных материалов

 

Дата выдачи задания		Дата представления работы к защите
«_____» _________ 201__г.		«_____» _________ 201__г.

 

Заведующий кафедрой		/   Лучинин В.В.     /
Руководитель		/  Миронов В.А.    /
Задание к исполнению принял		/ Жемчужин В.А. /
	«_____» _________ 201__г.

  

Аннотация

Данная выпускная работа посвящена применению компьютерных программ моделирования для изучения полупроводниковых приборов и структур, влияния режимов работы и внешних факторов на их основные электрические характеристики. Данный метод исследования выбран по причине того, что он обеспечивает изучение широкого класса и большого количества типономиналов приборов. Он является безопасным (используются математические уравнения, описывающие работу различных полупроводниковых приборов) и оперативным методом их изучения и исследования. Разновидности исследованных структур включают как полную структуру прибора, так и отдельные элементы его структуры (барьерную ёмкость электронно-дырочного перехода, диффузионный резистор полупроводниковой интегральной микросхемы). Большое внимание было уделено разработке компьютерного аналога лабораторной работы по исследованию биполярного транзистора (с использованием метода характериографа для получения его выходных вольт-амперных характеристик). Разработаны два варианта характериографа – с использованием цифрового устройства (ТТЛ счётчика - К155ИЕ5 (74193)) формирования входных токов транзистора  и коммутатора входных токов с использованием аналогового ключа на основе микросхемы К590КН6. В отличие от первой схемы, с помощью которой можно исследовать только p-n-p транзисторы, вторая схема позволяет исследовать p-n-p и n-p-n транзисторы. Также были разработаны сугубо компьютерные способы изучения основных электрических характеристик полупроводниковых приборов и структур, таких как  полупроводниковые диоды (выпрямительные, стабилитроны), биполярные и полевые транзисторы, транзисторная оптопара, однопереходные транзисторы, тиристоры, IGBT-транзисторы, транзистор Дарлингтона, варикап, варистор, термистор. Приведены схемы и результаты моделирования их работы. Всего было разработано и исследовано 35 схем моделирования полупроводниковых приборов и структур.

 

Оглавление

 

Введение

В данной работе исследуются возможности применения компьютерного моделирования для изучения характеристик традиционных полупроводниковых приборов. Эта работа фактически позволяет заменить существующие лабораторные работы их компьютерными аналогами, а широкая база имеющихся библиотек электронных компонентов – существенно разнообразить учебные исследования. Имеющиеся библиотеки электронных компонентов позволили даже вернуться к изучению таких приборов как, например варисторы, термисторы, а также добавить к уже существующим в учебном классе лабораторным работам исследования IGBT транзисторов, однопереходных транзисторов и т.д.

Особо стоит отметить то, что впервые с учебной целью было осуществлено цифро-аналоговое моделирование электронных схем, в частности разработана схема характериографа исследования биполярного транзистора как n-p-n, так и p-n-p структуры.

В работе приводится описания схем и режимов моделирования, основных статических и динамических характеристик нелинейных полупроводниковых приборов.

 

 

 

1. Схемы исследования биполярного транзистора методом характериографа

Метод характериографа при исследовании вольт-амперных характеристик биполярного транзистора позволяет наглядно продемонстрировать зависимости, что облегчает процесс обучения. Разработаны два варианта характериографа – с использованием цифрового устройства (ТТЛ счётчика - К155ИЕ5 (74193)) формирования входных токов транзистора  и коммутатора входных токов с использованием аналогового ключа на основе микросхемы К590КН6. В отличие от первой схемы с помощью, которой можно исследовать только p-n-p транзисторы, вторая схема позволяет исследовать p-n-p и n-p-n транзисторы.

 

1. Схема на основе синхронного 4-разрядного двоичного счетчика с двойной синхронизацией К155ИЕ5  (74193)

Данная схема позволяет получить на экране характериографа одновременно 8 зависимостей тока коллектора от базового тока. Схема построена для исследования выходных вольт-амперных характеристик транзистора n-p-n. Далее приведена схема устройства, перечень и описание её элементов, а также графики токов и напряжений в ключевых узлах схемы и пояснения к ним. Схема разделена на две части, схему формирования токов базы исследуемого транзистора и схему формирования напряжения коллектора исследуемого транзистора. В части, формирующей токи базы исследуемого транзистора, ключевую роль играет цифровой счётчик К155ИЕ5. Три из четырёх его выходов присоединены через резисторы различных номиналов, отличающихся в 2 раза (400, 800 и 1600 кОм) к базе исследуемого транзистора, таким образом, мы получаем три различных тока на выходе. В итоге при работе счётчика мы получаем семь (если не считать нулевой ток) различных уровней базового тока путём сложения во всех возможных комбинациях трёх вышеописанных токов. Вторая часть схемы представляет собой цепочку из трёх операционных усилителей формирующих пилообразное развёртывающее напряжение на коллекторе исследуемого транзистора. Подробнее работа этих операционных усилителей с графиками выходных напряжений описана ниже в пункте 1.1.3. Обе части схемы питаются от разных источников синусоидального напряжения, что связано с особенностями компьютерного моделирования. Таким образом, мы получаем семь различных токов базы исследуемого транзистора и линейно увеличивающееся напряжение на коллекторе. Сняв зависимость коллекторного тока исследуемого транзистора от напряжения на коллекторе, мы получим семь кривых коллекторного тока (выходных характеристик) исследуемого транзистора в зависимости от различных токов базы.

 

 

1. Схема исследования биполярного транзистора методом характериографа на основе цифрового счётчика К155ИЕ5

 

1. Описание элементов

V3 и V5 – источники синусоидального напряжения;

D1 (D5SBA60/SDG) – двухполупериодный диодный мост;

D2 (1N4376) и C1 – диод и фильтрующий конденсатор, выпрямляют напряжение, подаваемое с диодного моста;

R6 и D10 (BZ-056) – параметрический стабилизатор напряжения 5 вольт;

С3 – фильтрующий конденсатор;

Q1 (Q2N4064), R7 и R8 – формируют импульсы, подаваемые на 5й вывод счётчика 74193, необходимые для его счёта в прямом направлении;

DSTM2 – цифровой счётчик, через 20 мс после включение схемы формирует сигнал на сброс, который включает счётчик;

74193 - синхронный 4-разрядный двоичный счетчик (описание приведено ниже);

R9, R3, R4 –резисторы со специально подобранными номиналами (400кОм, 800кОм, 1.6Мом), позволяют формировать разные уровни токов базы транзистора Q3;

D5, D6, D7 – диоды, уменьшают взаимное влияние базовых токов;

U4B - операционный усилитель, формирует прямоугольный сигнал из синусоидального за счёт большого коэффициента усиления;

U3A - операционный усилитель, является интегрирующим и из прямоугольного сигнала формирует пилообразный сигнал;

U5A - операционный усилитель, является инвертирующим и формирует напряжение коллектора исследуемого транзистора Q3. Буферный элемент, исключает влияние транзистора Q3 на источник развертывающего пилообразного напряжения;

Q3 (Q2N2222) – исследуемый транзистор. В базу подаются дискретизированные по уровням токи, на коллектор подаётся пилообразное напряжение развёртки;

R5 – резистор, с которого снимается напряжение, пропорциональное току коллектора (реально току эмиттера).

 

Основные параметры и характеристики синхронного 4-разрядного двоичного счетчика с двойной синхронизацией К155ИЕ5 (74193)

Микросхема представляет собой двоичный счетчик. Каждая ИС состоит из четырех JK-триггеров, образуя счетчик делитель на 2 , 4 и 8. Установочные входы обеспечивают прекращение счета и одновременно возвращают все триггеры в состояние низкого уровня (на входы R0(1) и R0(2) подается высокий уровень). Выход Q1 не соединен с последующими триггерами. Если ИС используется как четырехразрядный двоичный счетчик, то счетные импульсы подаются на С1, а если как трехразрядный - то на вход С2. Корпус К155ИЕ5 типа 201.14-1. Зарубежные аналоги 74193, SN7493N, SN7493J.

1. Электрические параметры счётчика

1	Номинальное напряжение питания	5 В 5 %
2	Выходное напряжение низкого уровня при Uп=4,75 В	не более 0,4 В
3	Выходное напряжение высокого уровня при Uп=4,75 В	не менее 2,4 В
4	Напряжение на антизвонном диоде при Uп=4,75 В	не менее 1,5 В
5	Входной ток низкого уровня по входам установки в 0 при Uп=5,25 В	не более -1,6 мА
6	Входной ток низкого уровня по счетным входам С1 и С2 при Uп=5,25 В	не более -3,2 мА
7	Входной ток высокого уровня по входам установки в 0 при Uп=5,25 В	не более -0,04 мА
8	Входной ток высокого уровня по счетным входам С1 и С2 при Uп=5,25 В	не более 0,08 мА
9	Ток входного пробивного напряжения по входам установки в 0 и счетным входам С1 и С2	не более 1 мА
10	Ток потребления	не более 53 мА
11	Время задержки распространения при включении по счетному входу С1 при Uп=5 В	не более 135 нс
12	Время задержки распространения при выключении по счетному входу С1 при Uп=5 В	не более 135 нс
13	Ток короткого замыкания приUп=5,25 В	-18...57 мА

2. Предельно допустимые режимы эксплуатации

1	Напряжение питания	не более 6 В
2	Минимальное напряжение на входе	-0,4 В
3	Максимальное напряжение на входе	5,5 В
4	Минимальное напряжение на выходе	-0,3 В
5	Максимальное напряжение на выходе закрытой ИС	5,25 В
6	Температура окружающей среды    К155ИЕ5	-10...+70 ° C

 

Схема подключения синхронного 4-разрядного двоичного счетчика 74193		Функциональная схема
Условное графическое обозначение	1 –вход счетный С2; 2 - вход установки 0 R0(1); 3 - вход установки 0 R0(2); 4,6,7,13 - свободные; 5 - напряжение питания +Uп; 8 - выход Q3; 9 - выход Q2; 10 - общий; 11 - выход Q4; 12 - выход Q1; 14 - вход счетный C1;

 

Основные параметры и характеристики двухполупериодного диодного моста D5SBA60

3. Технические характеристики диодного моста

Пиковое обратное напряжение:	600 V
Максимальный ток перегрузки:	120 A
Падение напряжения в прямом направлении:	1.05 V
Максимальный обратный ток утечки:	10 uA
Максимальная рабочая температура:	+ 150 C
Длина:	30 mm
Ширина:	4.6 mm
Высота:	20 mm
Вид монтажа:	Through Hole

 

Основные параметры и характеристики диода 1N4376

 
Основные параметры и характеристики  низкочастотного n-p-n транзистора

2N4064

Material of transistor: Si

Polarity: n-p-n

Maximum collector power dissipation (Pc): 10W

Maximum collector-base voltage (Ucb): 300V

Maximum collector-emitter voltage (Uce): 250V

Maximum emitter-base voltage (Ueb): 7V

Maximum collector current (Ic max): 1A

Maximum junction temperature (Tj): 200°C

Transition frequency (ft): 15MHz

Collector capacitance (Cc), Pf: 10

Forward current transfer ratio (hFE), min/max: 40MIN

Manufacturer of 2N4064 transistor: RCA

Package of 2N4064 transistor: TO131

 

Основные параметры и характеристики n-p-n транзистора  Q2N2222