مدار ترانزیستور دوقطبی در مولتی سیم

 این یک آموزش سریع برای یادگیری دانشجویان الکترونیک است که در آن می آموزیم که چگونه در مولتی سیم مدارهای ترانزیستور دوقطبی(bipolar ) را شبیه سازی کنیم. این مقاله به گونه ای نوشته شده است که از قبل نیاز به هیچ دانشی درباره ی مولتی سیم نمی باشد.

اهداف این آموزش

• معرفی مولتی سیم
• قرار دادن قطعات
• آنالیز با مثال های مولد سوئیپ DC یا DC sweep
• استفاده از مولد های سوئیپ تو در تو
• نشان دادن بررسی ها در نمودار(grapher)
• ویرایش مدل پارامتری ترانزیستور دوقطبی
• درک مشخصه های I-V ترانزیستور ترانزیستور دوقطبی

 شروع کار

ابتدا، مولتی سیم را از برنامه ها اجرا کنید:

محیط طراحی به صورت زیر خواهد بود:

یک فایل طراحی جدید، با نام پیش فرض Design1 ایجاد شده است و یک صفحه ی شماتیک خالی به نام Design1  نیز در بخش سمت چپ نشان داده می شود. به نوار ابزار components  و virtual components و  virtual instruments  توجه کنید. به خاطر جنبه های آموزشی، ما ابتدا از virtual components استفاده می کنیم. متاسفانه، نوارابزار virtual components به طور پیش فرض نشان داده نمی شود. بنابراین ما نیاز داریم به صورت زیر آن را فعال کنیم:

 این نوار ابزارها در قرار دادن قطعات مفید هستند و به ما بسیار کمک می کنند و در وقت صرفه جویی می شود.

 قرار دادن قطعات

 قطعات واقعی یا مجازی؟

به هر جزئی که بتواند در داخل یک شماتیک قرار داده شود قطعه(component) گفته می شود. این قطعات واقعی(real) یا مجازی(virtual) هستند.

• قطعات واقعی: قطعاتی هستند که ما می توانیم خریداری کنیم و ویژگی هایی دارند که نمی تواند تغییر کند. مثلا یک ترانزیستور. همچنین این قطعات یک سایز فیزیکی ثابت و شناخته شده دارند که اگر ما بخواهیم یک برد مدار چاپی(PCB)ایجاد کنیم، این اندازه ها برای ما مهم هستند. ما نیاز داریم از قطعات واقعی برای شبیه سازی یک مدار که در آزمایشگاه از آنها استفاده می کنیم، بهره ببریم. مثلا یک ترانزیستور دوقطبی.
• قطعات مجازی: از قطعات مجازی تنها برای شبیه سازی استفاده می شود. بعنوان نمونه، یک ترانزیستور مجازی می تواند هر ضریب تقویتی(بتا) داشته باشد، مثلا 100 یا 200 یا غیره. ما می توانیم در طراحی های خود، حتی مقادیر فرضی را نیز برای پارامترها در نظر بگیریم. قطعات مجازی به ویژه برای یادگیری و آموزش مفید هستند، زیرا ما می توانیم از مدل ساده سازی شده ی پارامترهای آنها برای آسان ساختن مقایسه بین نظریات اولیه و شبیه سازی های مدار استفاده کنیم.

دستور کار

ما می توانیم به طور کلی، از component toolbar برای پیدا کردن قطعات استفاده کنیم. در این آموزش، اجازه دهید از  ابزار virtual component استفاده کنیم. اکنون اجازه دهید تعدادی قطعه را در صفحه قرار دهیم تا بتوانیم نمودارهای خروجی را برای یک ترانزیستور دوقطبی شبیه سازی کنیم.

1. ابتدا یک ترانزیستور NPN مجازی(virtual ) را به صورت زیر در صفحه قرار دهید:

 2. یک منبع جریان DC را قرار دهید چون می خواهیم از آن برای تامین جریان پایه(base current )، به صورت زیر استفاده کنیم:

 اکنون یک منبع ولتاژ DC در صفحه قرار دهید که ما می خواهیم از آن برای تنظیم ولتاژ کلکتور به امیتر به مخفف VCE استفاده کنیم، به صورت زیر:

 و در انتها اتصال به زمین یا همان ground را به صورت زیر قرار دهید:

 قطعات را به هرجایی که می خواهید منتقل کنید. اول بر روی یک قطعه کلیک کنید تا انتخاب شود. برای از انتخاب در آوردن قطعه، بر روی Esc کلیک کنید. سپس کلیک شیفت را پایین نگه دارید و کلیک کنید تا چندین قطعه انتخاب شوند.

منبع ولتاژ DC یعنی DC Voltage Source در مولتی سیم، منبع برق DC یعنی DC Power Source  نامیده می شود. DC voltage source در حقیقت DC power source نامیده می شود. اگر شما در موتورهای جستجو عبارت DC voltage source را جستجو کنید هیچ نتیجه ای دربر نخواهد داشت.

 همواره اتصال به زمین یا همان Ground را در صفحه قرار دهید

Ground در مولتی سیم در بخش Power_sources قرار دارد. مانند دیگر شبیه سازهای مبتنی بر SPICE، اجباری است که ground مناسب را قرار دهیم که نقطه ی مرجع برای تمام گره های ولتاژ شبیه سازی شده باشد. این اتصال به زمین با گره 0 در شبیه سازهای مبتنی بر SPICE شناخته می شود.

 مرحله ی سیم کشی

سیم کشی در مولتی سیم هم آسان است و هم سخت است. شانش ما این است که سیم کشی در مولتی سیم آسان است و یا از دیگر برنامه هایی که قبلا به کار برده ایم ساده تر است؛ حداقل برای مدارهای ساده راحت است. وقتی که نشانگر ماوس به پایانه ی متصل نشده ی یک قطعه نزدیک می شود، به یک نقطه ی اتصال کوچک سیاه و تقاطع تبدیل می شود. یک کلیک در پایانه ی قطعه می تواند شروع به سیم کشی را آغاز نماید. نشانگر ماوس را به جایی ببرید که می خواهید سیم به آن متصل شود. مسیریابی سیم به طور پیش فرض اتوماتیک ست اما تنظیمات دستی نیز امکان پذیر است. یک محدودیت بسیار مهم این است که یکی از دو پین یا پایانه ی قطعه ای که ما داریم سیم کشی می کنیم باید غیر متصل بماند. اگر هر دوی پین ها متصل بمانند، که به سادگی می تواند اتفاق بیفتد، با این مشکل مواجه می شویم که اتصالات قطعات موجود شکسته می شوند، زیرا سیم کشی جدید اضافه شده است. من برای اولین بار، به مدت سه دقیقه با این مشکل مواجه شدم تا نکته را فرا گرفتم.خوشبختانه راه حل را پیدا کردم، که در مقاله ی دیگری آن را آورده م. فعلا از شما می خواهم که وقتی با این مشکل مواجه شدید، آگاه باشید. برای کم کردن این مشکل، من به شما توصیه می کنم که همواره برای سیم کشی، ابتدا یک  پایانه ی یک قطعه ی متصل نشده را پیدا کنید، و سپس بر روی ان کلیک کنید. قطعات خود را به صورت زیر سیم کشی کنید.

استفاده از نام های بهتر برای گره ها

یک تمرین خوب شبیه سازی مدار، این است که گره های مدار را به صورت معنی داری نام گذاری کنیم. به طور پیش فرض، تمام گره ها به صورت عددی یا به صورت قراردادای به طوری که تنها خود برنامه آن را بفهمد نام گذاری می شوند. در این مورد، ما می خوانیم گره بیس b باشد و گره کلکتور c باشد. به این صورت، ما بعدا می توانیم با v(b) به ولتاژ بیس در عبارت ها دسترسی داشته باشیم؛ بنابراین مامجبور نیستیم عدد 2 را برای گره بیس به خاطر بسپاریم. قبلا در گیت های منطقی پیچیده ی CMOS که ما می توانستیم 20 یا 30 گره داشته باشیم، حتی امکان نداشت که معنی تمام گره ها را با اعداد، به خاطر بیاوریم. بهترین راه برای مشاهده ی اطلاعات گره ها از طریق تب گره ها در Spreadsheet view به صورت زیر است:

 برای ایجاد تغییرات، تنها بر روی نام گره کلیک کنید، با این کار می توانیم نام و رنگ گره را عوض کنیم. تغییر رنگ بعدا ضروری خواهد بود . فعلا فقط اجازه دهید تغییراتی را به صورت زیر انجام دهیم:

 اکنون شماتیک ما به صورت زیر است:

تغییر دادن مقادیر قطعات

ما اغلب مقادیر پیش فرض قطعات را تغییر می دهیم. برای نمونه، مدل پارامتری ترانزیستور باید تغییر پیدا کند،که در مورد آن توضیح خواهیم داد. فعلا، به مقدار پیش فرض برای منبع جریان که برای بیس، یعنی 1 آمپر تعیین کرده ایم توجه می کنیم. این مقدار اگر برای تمام ترانزیستورها زیاد نباشد، برای اکثر آنها زیاد است. اجازه دهید آن را به 1uA برای شروع تغیر دهیم. به طور کلی، دابل کلیک کردن بر روی یک قطعه، یک پنجره را بالا می آورد که در آن می توانیم مقادیر ویژگی های آن قطعه را تغییر دهیم. از مقادیر زیر برا منبع جریان بیس استفاده کنید:

 اجازه دهید از مدل پارامتری پیش فرض ترانزیستور برای انجام یک شبیه سازی I-V استفاده کنیم. سپس به زودی به مدل ترانزیستور برمی گردیم.

آنالیز مولد سوئیپ DC

درحالی که مولتی سیم مانند شبیه سازی، ابزارهایی به ما می دهد که بعدا در مورد آنها صحبت خواهیم نمود، اما این ابزارها از محدودیت هایی برخوردار هستند. ما می توانیم کنترل بیشتری یا انعطاف پذیری بیشتری با استفاده از Analysis تحت Simulate داشته باشیم. یکی از بهترین راه ها برای درک عملکرد یک ترانزیستور یا مدار این است که امتحان کنیم که چگونه یک خروجی(output ) از پاسخ های مورد علاقه ی ما به یک تحریک تولید می کند.

برای ترانزیستور NPN که در مسئله استفاده شده است، ما می خواهیم جریان خروجی را آزمایش کنیم. در این مورد، جریان کلکتور وقتی که ولتاژ کلکتور-امیتر یا VCE تغییر می کند، نیز تغییر می کند. که با V1 مشخص می شود، برای مولد سوئیپ نیز از 0 تا 1 ولت برای جریان ثابت بیس 1uA قرار م دهیم که قبلا تنظیم کرده ایم.برای دستیابی به هدف، ولتاژ V1 را سوئیپ می کنیم(sweeping V1) و یک آنالیز DC بر روی هر V1 انجام می دهیم.

سوئیپ تک منبع

طرز عمل سوئیپ V1 یعنی VCE (ولتاژ کلکتور-امیتر) برای یک I1 یا IB (جریان بیس) به صورت زیر است:

1. از منوی اصلی، به آدرس Simulate -> Analyses -> DC Sweep بروید مانند زیر:

 2. تب Analysis Parameters را به صورت زیر تظنیم کنید:

تنظیم سوئیپ dc برای منحنی  Ic-Vce (جریان کلکتور-ولتاژ کلکتور امیتر) بر اساس ورودی Ib (جریان بیس):

 3. بر روی تب Output کلیک کنید و I(Q1[IC]) را انتخاب کنید، و بر روی Add کلیک کنید تا به بخش Selected variable for analysis اضافه شود. درست مانند زیر:

 تب output و تنظیم شبیه سازی منحنی  Ic-Vce برای سوئیپ dc

4. بر روی Simulate کلیک کنید، یک نمودار پس از اینکه شبیه سازی کامل شد نشان داده می شود و output ای که قبلا در آن Ic و Q1 را انتخاب کردیم را نشان می دهد:

منحنی Ic-Vce شبیه سازی شده برای Ib=1uA

ما می توانیم با کلیک بر روی آیکون زیر، رنگ سیاه پس زمینه را تغییر دهیم. مانند زیر:

در زیر رنگ پس زمینه ی نمودار تغییر کرده است:

تمرین: در یک نمودار دیگر Vbe و Vbc را ترسیم کنیدو توجه کنید که امیتر به  اتصال به زمین داشته باشد. برای محاسبه ی VBC به عبارت های دستوری  نیاز داریم.

 راه حل: در پنجره ی Grapher، از منوها گزینه ی زیر را انتخاب کنید:

Graph -> Add traces from Latest Simulation Results

 خواهید دید که یک پنجره ی جدید نشان داده می شود. گزینه ی To new graph را تیک بزنید. و عبارت ها(expressions) را وارد کنید. نتیجه باید شبیه به زیر باشد:

(تصویر 19:بایاس های دو اتصال  Vbe (ولتاژ بیس امیتر) و Vbc (ولتاژ بیس کلکتور)، بعنوان تابعی از Vce (ولتاژ کلکتور امیتر)، برای Ib=1uA )

 در این مورد، اگر نام گره ها معنا دار باشد، بسیار به ساخت عبارت ها(expressions) کمک می کند.

 2.5.2 سوئیپ تو در توی دو مرحله ای

در نمودارهای  بالا، ما یک گراف از Ic و Vce برای یک Ib داده شده فراهم کردیم. در ادامه، می خواهیم بدانیم این نمودار چگونه با تغییرات جریان بیس، تغییر می کند.آنچه باید انجام دهیم، این است که سوئیپ DC بالا از V1 را برای مقادیر متفاوت I1 تکرارکنیم که Ib را کنترل می کند. برای رسیدن به این هدف، تنها کافیست به تب Analysis parameters برگردید، و گزینه ی use source 2 را تیک بزنید. سپس باید برای دومین منبع(source) که در این مورد I1 است، مقادیر Start و Stop و Increment را تنظیم کنیم. مانند تصویر زیر:

 (تصویر 20: روش ایجاد سوئیپ DC دو مرحله ای Ic-Vce برای چندین Ib، بعنوان مثال)

 نتیجه به صورت خانواده ای از منحنی های  Ic-Vce برای جریان های مشخص شده ی بیس است:

 08/20/2020

12:31:12 PM

منبع مقاله

برای مشاهده ی متن اصلی این مقاله به این لینک مراجعه کنید.