Федеральное агентство по образованию
Российской Федерации
ГОУ ВПО АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физико-технический факультет
Кафедра вычислительной техники и электроники
Нелинейные цепи
Издательство Алтайского государственного университета
Барнаул 2008
Составитель: ст.преподаватель В.П. Кандауров
Рецензент: кандидат физ.-мат. наук, доц. В.В. Пашнев
Представлены лабораторные работы №6 - №9 из цикла практикума по курсу «Электроника» для студентов специальности 230101.65 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» и направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника».
Данный цикл создан на основании требований программы дисциплины «Электротехника и электроника».
План УМД 2008 г., п. 70 “А”
Подписано в печать 27.12.2008 г. Формат 60Х90/16.
Бумага газетная. Печать офсетная.
Усл. п. л. 0,8. Тираж 50 экз. Заказ.
Типография Алтайского государственного университета:
656099, г. Барнаул, ул. Димитрова, 66
СОДЕРЖАНИЕ
Общие положения………………..…………………………………. 4
Лабораторная работа №6. Нелинейный резистор.…………………. 6
Лабораторная работа №7. Нелинейные четырехполюсники...….. 10
Лабораторная работа №8. Биполярный транзистор.………………. 13
Лабораторная работа №9. Активные двухполюсники…………….. 15
Список литературы……………………………………………… …. 18
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Все цепи, рассматриваемые до сих пор, относились к классу линейных цепей. Элементы таких цепей R, L и С являются постоянными и не зависят от величин приложенных к ним напряжений протекающих по ним токов, а также, иных воздействий. Различают резистивные и реактивные нелинейные элементы.
Для нелинейного элемента характерна нелинейная связь между напряжением и током, т.е. i = f(U). Графическое представление этой зависимости называется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Наиболее распространенными элементами такого рода являются ламповые и полупроводниковые приборы, используемые в радиотехнике для усиления и преобразования сигналов. На рисунке, ниже, приведена типичная (ВАХ) нелинейного резистора (лампочки накаливания).
 |
ВАХ лампочки накаливания и определение дифференциального сопротивления.
Что касается сопротивления нелинейного резистора, то для него
вводится понятие дифференциального (динамического) сопротивления
определяется в окрестности выбранной точки и представляет собой сопротивление нелинейного элемента переменному току малой амплитуды.
К нелинейным реактивным элементам относятся нелинейная емкость и нелинейная индуктивность. Примером нелинейной емкости может служить любой прибор, емкость которого зависит от величины приложенного напряжения (например, варикап). Нелинейной индуктивностью является катушка с ферромагнитным сердечником, обтекаемая сильным током, доводящим сердечник до насыщения.
Одной из важнейших особенностей нелинейных цепей является то, что в них не выполняется принцип суперпозиции. В них невозможно предсказать результат воздействия суммы сигналов, если известна реакция цепи на каждое слагаемое в отдельности.
Сформулируем определение линейных и нелинейных электрических цепей.
Электрические цепи, содержащие только линейные элементы, называются линейными электрическими цепями.
Электрические цепи, содержащие хотя бы один нелинейный элемент, называются нелинейными электрическими цепями.
В этом блоке лабораторных работ мы будем рассматривать нелинейные цепи и их свойства.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6. Нелинейный резистор.
Целью работы является изучение свойств нелинейных элементов. Для этого следует получить ВАХ нелинейного и линейного (для сравнения) резисторов, и воспользоваться ими для расчета простейших нелинейных цепей.
Вольтамперная характеристика резистора.
Для получения ВАХ резистора, используется схема (рис.6.1). Источник изменяемой э.д.с. - лабораторный источник питания (ЛИП); резистор R – любой резистор, порядка нескольких кОм; вольтметр – вольтметр источника питания; в качестве миллиамперметра используется мультиметр.
Рис. 6.1. Схема для получения ВАХ резистора.
Вольтамперная характеристика лампочки накаливания.
Следующая схема (рис. 6.2) позволит получить ВАХ лампочки накаливания – нелинейный элемент. Здесь миллиамперметр и вольтметр – приборы ЛИП.
Рис. 6.2. Схема для получения ВАХ лампочки накаливания.
Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода (p-n – перехода.)
Диод – полупроводниковое устройство, пропускающее электрический ток в одном направлении. Полупроводниковый диод – устройство с одним p-n-переходом и двумя выводами, он является типичным нелинейным устройством. Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода достаточно хорошо описывается формулой Шокли (американский физик Shockley W.):
где 
– ток насыщения (обратный ток, определяется типом полупроводника, конструкцией, технологией, площадью перехода, концентрацией носителей, температурой и т.д.) имеет порядок 10 -6÷10 -7 A;
– термический (температурный) потенциал (при С=200С, т.е. Т=2930К, 
);
 |
m – поправочный коэффициент, характеризующий плавность и толщину p-n-перехода (1<m<2,5). Для резких (тонких) p-n-переходов, близких к идеализированным, m=1, для плавных m=2. Причем для германиевых диодов верхняя граница коэффициента m – 2, а для кремниевых – 2,5. Типовая ВАХ диода (рассчитанная по формуле Шокли) приведена на рисунке 6.3.
Рис. 6.3. Типовая ВАХ диода.
Обычно реальный обратный ток диодов больше, чем ток насыщения, используемый в модели, так как параллельно переходу включено сопротивление утечки (по поверхности кристалла, по корпусу и т.д., которое необходимо учитывать при малых токах). А при значительном прямом токе необходимо учитывать также наличие активного сопротивления диода, его выводов, контактов и т.д., включенного последовательно с переходом, так как на этом сопротивлении падает часть напряжения. Экспоненциальная зависимость прямого тока при этом вырождается в прямую. Всё это несколько ограничивает применимость предложенной модели.
Для получения ВАХ используется схема, изображенная на рисунке 6.4.
а) б)
Рис. 6.4. Схема для получения ВАХ p-n – перехода: а) прямая ветвь; б) обратная ветвь.
В этой схеме резистор 1 кОм используется для ограничения тока до безопасных значений.