Лабораторная работа № 3

Простейшие схемы с диодами и транзисторами

по курсу «Схемотехника телекоммуникационных устройств: аналоговые устройства»

Вариант 18

Цель работы: Освоение работы с полупроводниковыми диодами и транзисторами, а также с простейшими схемами на их основе.

Проведите моделирование, сохраните график зависимости тока диода от входного напряжения

Рисунок 1 – ВАХ диода

Как можно заметить, на схеме напряжение открытия диода составляет примерно 0,65 В. Из этого делаем вывод, что диод кремниевый.

Моделирование схемы с диодом и резистором. Постройте график зависимости напряжения в узле OUT от напряжения источника V0

Рисунок 2 – ВАХ схемы с диодом и резистором

Как можно заметить, напряжение открытия диода стало больше, чем в схеме без резистора, из-за падения напряжения на резисторе.

Получение ВАХ МДП транзистора.

Рисунок 3 – Входные ВАХ МДП транзисторов

Отметим, что токи через транзисторы отличаются примерно в 4 раза при одинаковом напряжении, так как подвижность электронов и дырок в кремнии разная (электроны более подвижны).

Моделирование простейшего усилителя с пассивной нагрузкой.

Рисунок 4 – Результаты моделирования схемы усилителя

Как можно заметить, напряжение на выходе OUT не соответствует требуемому по заданию. Чтобы получить необходимое напряжение, уменьшим длину транзистора до 220нм.

Рисунок 5 – Результаты моделирования схемы усилителя с изменённой длиной транзистора

Теперь напряжение на выходе соответствует требуемому.

Постройте временную диаграмму напряжений в узлах IN и OUT.

Рисунок 6 – Напряжения на выходе и усилителя

Верхний график – напряжение на выходе усилителя. Нижний график – напряжение на ходе усилителя. Обратим внимание, что амплитуды отличаются (на выходе амплитуда больше), следовательно, усилитель выполняет свою функцию.

Рисунок 7 – Коэффициент усиления примерно 3,9

Задание по варианту

Вариант	Отношение тока n и p транзистора	Номинал R0, кОм	Постоянное напряжение V1, В
18	0,5	22	1

В схеме для построения ВАХ транзисторов измените ширину (width) p- канального транзистора так, чтобы соотношение между токами n- и p- транзисторов при напряжении затвор-исток (vgs) 2 В соответствовало значению по варианту.

Рисунок 8 – Схема с отображёнными токами Ширина p-канального транзистора 6,4мкм.

Сохраните график с входными ВАХ обоих транзисторов и отмеченным маркерами токами при vgs 2 В для отчёта.

Рисунок 9 – Входные ВАХ МДП транзисторов со значением по варианту

Установите величину резистора R0 в схеме на рисунке 7 по варианту, а постоянное напряжение V1 = 0,8 В. Измените ширину транзистора M1 так, чтобы выходное напряжение при этом было равно 1,5 В ± 5%.

Рисунок 10 – Ток на выходе транзистора 1,5В, слева – характеристики транзистора Как показано на рисунке, ширина транзистора составляет 570нм.

Постройте АЧХ, отметьте частоту среза и КУ на низкой частоте, временную диаграмму входного и выходного напряжений.

Рисунок 11 – ФЧХ и АЧХ усилителя

Как видно из графика, частота среза составляет 2,75ГГц. Т.е. частота по уровню -3 дБ.

Рисунок 12 – Входной и выходной сигнал

На верхнем графике представлена зависимость выходного напряжения усилителя от времени. На нижнем рисунке – зависимость входного напряжения от времени. На дельта-курсорах можно увидеть амплитуду каждого из сигналов. Найдём отношение амплитуды выходного сигнала к входному, оно составит 196/50 = 3,92. Это и есть коэффициент усиления.

Установите величину постоянного напряжения источника V1 в схеме на рисунке 7 по варианту. Установите ширину транзистора 3,5 мкм. Измените величину резистора R0 так, чтобы выходное напряжение при этом было равно 1,6 В ± 5%.

Рисунок 13 – Схема после моделирования. Напряжение на выходе равняется 1,6В Сопротивление резистора составляет 3,9кОм.

Постройте АЧХ, отметьте частоту среза и КУ на низкой частоте, временную диаграмму входного и выходного напряжений.

Рисунок 14 –АЧХ усилителя с точкой на частоте среза

Как видно из графика, частота среза составляет 11,2ГГц.

Рисунок 15 –Выходной и входной сигналы и их амплитуды

Как видно из рисунка 13, амплитуда выходного сигнала составляет 203мВ, а входного 50мВ. Следовательно, коэффициент усиления равняется 203/50 = 4,06.

Рисунок 16 –Коэффициент усиления на выходе

Как видно из графика, коэффициент усиления составляет 12дБ, что совпадает со значением, полученным из графика 15, т.е. 4 раза = 12дБ.

Вывод: в ходе выполнения лабораторной работы были промоделированы схемы с диодом, диодом и резистором и с МДП транзисторами. Диод использовался кремниевый, так как у диодов из германия напряжение открытия составляет около

3В. Также были получены ВАХ p- и n- транзисторов. Различия в ВАХ этих транзисторов обусловлены разными носителями заряда в каждом виде транзисторов. Кроме того, было промоделирована схема усилителя с использованием n-канального транзистора. Также, изменялась ширина транзистора для получения других значений напряжения на выходе транзистора.