Амелина М.А. Моделирование усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

__________________________________________________________________

ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

в г. Смоленске

М.А. АМЕЛИНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Методические указания к лабораторным работам

по курсу

«КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»

Смоленск 2005

УДК 621.38.061:004

А61

Утверждено учебно-методическим Советом филиала ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» в

г. Смоленске в качестве методического указания для студентов, обучающихся по

направлению 550700 «Электроника и микроэлектроника» и

специальности «Промышленная электроника»

Подготовлено на кафедре промышленной электроники

Рецензент:

Канд. техн. наук, доц. филиала ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Смоленске А.А. Пеньков

АМЕЛИНА М.А. (e-mail: aml13@yandex.ru

)

Моделирование усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах.

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Компьютерный анализ и

синтез электронных устройств». — Смоленск: филиал ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)», 2005. –56 с.

В методических указаниях содержится семестровый цикл лабораторных работ по

курсу «Компьютерный анализ и синтез электронных устройств», выполняемых с помощью

программы схемотехнического анализа MicroCap-7. Лабораторные работы рассчитаны на

32 часа аудиторных занятий в компьютерном классе. В процессе выполнения

лабораторных работ закрепляются основные знания по компьютерному анализу и синтезу

электронных устройств: вводу электронных схем с помощью графического редактора,

оформлению задания на моделирование, методике проведения анализа по постоянному

току, малосигнальному частотному анализу, анализу переходных процессов. В пособии

подробно рассмотрен графоаналитический синтез усилительных каскадов, построенных

на основе биполярных и полевых транзисторов, а также методика минимизации

нелинейных искажений в них. Кроме того, большое внимание уделено синтезу

частотнозависимых цепей усилителей и спектральному анализу выходных сигналов.

Методические указания предназначены для студентов, изучающих дисциплину

«Компьютерный анализ и синтез электронных устройств». Кроме того, они могут быть

полезны студентам этой и других специальностей в ходе изучения линейных устройств

промышленной электроники.

Ó филиал ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Смоленске, 2005 г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Демонстрация основных возможностей программы MICROCAP

1. Цель работы

1. Знакомство с инсталляцией и основными возможностями программы

схемотехнического моделирования электронных схем MICROCAP-7(8).

2. Знакомство с основными режимами работы программы: графическим

вводом схем, режимами анализа переходных процессов, малосигнальных

частотных характеристик, передаточных характеристик на постоянном

токе.

3. Знакомство с наиболее употребительными режимами обработки графи-

ков: масштабированием (автоматическим и ручным), измерениями пара-

метров сигналов, нанесением текстовых надписей.

2. Подготовка к работе

1. Изучить основные приемы работы с программой MICROCAP при созда-

нии принципиальных схем и составлении задания на моделирование по

конспекту лекций и [1, c. 36–54, 72–84].

3. Рабочее задание

Лабораторная работа имеет ознакомительный характер и выполняется в

начале изучения курса. В связи с этим пункты рабочего задания для этой

работы будут сопровождаться краткими сведениями о программе. Для отде-

ления пунктов рабочего задания от сведений о программной среде первые бу-

дут заключены в рамку.

3.1. Установка системы

Автором изменены изображения часто используемых компонентов элек-

тронных схем (например резисторов, индуктивностей…) в соответствии с

российскими стандартами. Кроме того, дополнена библиотека электронных

компонентов — в нее включены модели некоторых отечественных полупро-

водниковых приборов (диодов, стабилитронов, биполярных и полевых тран-

зисторов). Поэтому, для того чтобы создаваемая электронная схема имела

привычный и близкий к отечественному стандарту вид и были доступны мо-

дели российских компонентов, необходимо придерживаться порядка установ-

ки, изложенного в текстовом файле READ_ME.TXT.

3.2. Демонстрация основных возможностей

Прежде чем перейти к компьютерному анализу и синтезу электронных

схем с помощью программы MICROCAP-7(8), продемонстрируем ее основ-

ные возможности на demo-файлах и простейших примерах заранее подготов-

ленных и загружаемых с диска. После вызова программы МС7 двойным

щелчком на ее пиктограмме на экране появится основное окно программы,

сверху которого помещена строка системного меню, в которой размещены

имена режимов File, Edit, Component, Windows, Options, Analysis, Design,

Help (рис. 1.1). Ниже под этой строкой расположены панели инструментов с

пиктограммами кнопок команд. Здесь и далее для удобства начинающего

пользователя программы для вызова команды будут даваться 3 равноценных

варианта: с помощью команды меню, горячей клавиши и кнопки панели инст-

рументов.

Рис. 1.1. Схема амплитудного детектора для моделирования с помощью MICROCAP-7

1. Установить с помощью команды FILE/Path для файлов схем DATA путь

…\MC7\DATA (необходимо для работы DEMO-примера).

2. Запустить основной демонстрационный файл программы Help/General

Demo. Приостановить работу demo-примера (для чтения поясняющих со-

общений на английском языке) можно с помощью нажатия клавиши

<PAUSE>, возобновить воспроизведение — с помощью нажатия любой

клавиши.

Ускорить показ фрагментов можно последовательным нажатием любой

клавиши. Просмотреть работу demo-файла до конца и усвоить основные

приемы создания и редактирования электронной схемы с помощью графиче-

ского редактора и команды основных видов анализа (Transient — анализ пере-

ходных процессов, AC — малосигнальный частотный анализ, DC — анализ

по постоянному току).

Можно запустить отдельные демонстрационные элементы:

Help/schematic demo — для просмотра режимов редактирования схемы и

Help/Analysis demo — для просмотра режимов анализа.

а) Загрузка схемы. Вначале курсором выбирается режим File. По ко-

манде New... предлагается сделать выбор:

Schematic — создание нового чертежа схемы, который заносится в файл

с расширением *.CIR;

SPICE/Text — создание нового текстового файла с описанием схемы или

текстового файла библиотеки математической модели компонента в формате

SPICE (расширение имени *.СКТ);

Library — создание нового бинарного файла библиотек (расширение

имени *.LIВ). В этом файле помещаются модели биполярных транзисторов

(BJT), полевых транзисторов (JFET), МОП-транзисторов (MOSFET), арсенид-

галлиевых полевых транзисторов (GaAsFET), биполярных транзисторов с изо-

лированным затвором (IBGT), диодов (Diode), источников синусоидальных

сигналов (Sinusoidal), источников импульсных сигналов (Pulse), операционных

усилителей (Ораmр), линий передачи с потерями (TRN), магнитных сердеч-

ников (Core), конденсаторов (Capacitor), индуктивностей (Inductor), резисто-

ров (Resistor), ключей, управляемых напряжением (S) и током (W).

Демонстрацию возможностей МС7 проведем на подготовленной заранее

схеме, загрузив ее по команде File/Open... В открывшемся окне выбираем ка-

талог …\MC7\Примеры, в котором находятся файлы схем, рассматриваемые

в конспекте лекций и лабораторном практикуме.

На строке «Тип файлов» (Files of Type) указывается тип просматривае-

мых файлов:

Schematic (*.CIR) — схемы в формате МС7 (устанавливаются по умол-

чанию);

Macro (*.МАС) — макромодели в формате МС7;

SPICE (*.CKT; *.STM) — текстовое описание схем и сигналов в форма-

те SPICE;

SPICE LIBRARY (*.LIB) — текстовое описание библиотек в формате

SPICE;

Model Library (*.LBR) — библиотеки математических моделей в фор-

мате МС7;

Model Data (*.MDL) — параметры математических моделей отдельных

компонентов в формате МС7 (эти файлы создаются с помощью программы

MODEL);

Filter (*.RES, *.CAP, *.IND) — результаты синтеза фильтров;

All Files (*.*) — все файлы.

Выбираем тип файлов Schematic и затем имя файла AmplDet.CIR. В ре-

зультате загружается схема, показанная на рис. 1.1.

Схема состоит из резонансного усилителя на биполярном транзисторе,

настроенного на частоту 10 кГц, и последовательного амплитудного детекто-

ра. На вход усилителя подается гармонический сигнал с частотой 10 кГц и

амплитудой 10 мВ (источник сигнала V1). В качестве источника питания

включена батарея V2 с напряжением 5 В.

Экран на рис. 1.1 разделен на две части выбором в меню Windows коман-

ды Split Horizontal, чтобы в нижнем окне просмотреть (и при необходимости

отредактировать) тексты математических моделей компонентов схемы: в дан-

ном примере источника синусоидального сигнала и биполярного транзистора.

Показ номеров узлов схемы может быть включен/выключен командой

Options/View/Node Numbers или нажатием на пиктограмму

б) Вид анализа характеристик схемы указывается в меню Analysis:

Transient — анализ переходных процессов;

АС — анализ частотных характеристик на малом сигнале;

DC — анализ передаточных функций по постоянному току;

Dynamic DC — расчет режима по постоянному току и отображение на

схеме узловых потенциалов, токов ветвей, рассеиваемой компонентами мощ-

ности, состояний приборов;

Transfer Function — расчет малосигнальных передаточных функций по

постоянному току;

Sensitivity — расчет чувствительностей по постоянному току выходных

переменных к изменению параметров схемы;

Probe Transient, AC, DC — оперативное построение графиков путем

указания мышью необходимого узла или компонента.

За исключением режимов Dynamic DC и Probe этот перечень такой же,

как и для известной программы PSpice [4].

Продемонстрируем основные возможности моделирования электронных

схем с помощью программы, выполнив предлагаемое задание.

3. Загрузить в окно схемного редактора схему AMPLDET.Cir из каталога

Примеры.

4. Отобразить номера узлов загруженной схемы, выполнив команду Op-

tions/View/Node Numbers (или нажав пиктограмму на панели инстру-

ментов).

5. Показать текстовое окно вместе со схемным окном одновременно, выпол-

нив команду Windows /Split Vertical. Экран должен приобрести вид, пока-

занный на рис. 1.1.

6. Вернуть отображение в исходное состояние, выполнив команду Win-

dows/Remove splits

7. Последовательно переключиться между схемным и текстовым окном с

помощью закладок Page 1, Text (или последовательного нажатия

<CTRL>+ <G>).

3.3. Анализ переходных процессов (Transient Analysis)

Выбрав команду Analysis /Transient (<Alt> + <1>), переходим в меню за-

дания параметров моделирования переходных процессов Transient Analysis

Limits.

В строке Time Range указывается длительность интервала времени моде-

лирования; в графе Operating Point указывается на необходимость перед рас-

четом переходных процессов выполнить расчет режима по постоянному току;

в строке State Variables — тип используемых начальных условий для расчета

(Zero — нулевые, Read — считанные с диска, Leave — достигнутые в конце

предыдущей стадии расчета); в нижней части окна указываются имена пере-

менных, графики которых нужно построить. Имена аналоговых и цифровых

переменных, откладываемых по оси Y графиков, указываются в графе Y Ex-

pression, при этом допускается применение математических выражений и

функций. Приведем ряд примеров:

· V(5) — потенциал узла 5;

· V(7,4) — разность потенциалов между узлами 7 и 4;

· VBE(Q1) — напряжение база-эмиттер транзистора Q1;

· I(V1) — ток через источник сигнала V1;

· I(V1)*V(V1) — мгновенная мощность источника сигнала V1;

· CBC(Q1) — емкость перехода база-коллектор транзистора Q1;

· Q(C1) — заряд конденсатора С1,

· FFT(V(7)) — спектр напряжения в узле 7 (при этом по оси X нужно

откладывать частоту F);

· D(QA) — логический уровень сигнала в цифровом узле QA.

Моделирование начинается после нажатия на кнопку Run, на пикто-

грамму

или на клавишу <F2>. Моделирование может быть остановлено в

любой момент нажатием на пиктограмму

или клавишу <Esc>. Запустив

анализ, можно наблюдать на экране результирующие графики моделирова-

ния. Графики различаются цветом, который назначается в меню Transient

Analysis Limits путем нажатия на цветную пиктограмму. В примере

AMPLDET.CIR изображены два графика: на одном размещаются напряжения

V(4) и V(4,6), на другом — ток через диод I(D1) (на одном графике их неже-

лательно строить из-за различия в масштабах).

Номера графиков указываются цифрой в графе Р. Масштабы графиков

по осям X, Y указываются в явном виде в графах X Range, Y Range или вы-

бираются автоматически, если установить флажок Auto Scale Ranges.

8. Войти в меню анализа переходных процессов для загруженной схемы, вы-

полнив команду Analysis/Transient (<Alt> +<1>)

9. Запустить анализ переходных процессов с параметрами загруженного

файла AMPLDET, выполнив команду RUN в открывшемся подменю

Transient Analysis Limits.

10. Вывести на экран одновременно с результатами анализа и принципиаль-

ную схему, выполнив команду Windows/The Vertical (<Shift> + <F4> или

). Это необходимо для сопоставления схемных узлов и результатов

анализа для них. Закрыть окно схемного редактора, выполнив команду

Windows/maximize ( ).

11. Изменить масштаб графиков по оси Y на автоматический (включить auto

scale range или auto для каждой переменной), войдя в подменю Transient

Analysis Limits (Transient/Limits, или <F9>, или ). Запустить анализ пе-

реходных процессов. Объяснить вид полученных графиков.

12. Изменить цвет графиков: V(4,6) — светло-зеленый, V(4) — розовый, I(D1)

— красный. Это можно выполнить двумя способами: 1) зайдя в подменю

Transient Analysis Limits (Transient/Limits или <F9> или ) или 2)

щелкнув левой клавишей мыши на окне графиков, в открывшемся подме-

ню Properties изменить соответствующие параметры закладки Colors,

Fonts and Lines.

13. Изменить расположение графиков: в нижнем окне — зависимости напря-

жений от времени, в верхнем — зависимости токов от времени.

14. Изменить время расчета и вывода результирующих графиков на 5 милли-

секунд (установить 5m в Time Range и соответствующий диапазон в пара-

метрах вывода графиков X range). Запустить анализ, убедиться в правиль-

ности установок.

15. Сохранить значения переменных состояния в конечной точке расчета. Для

этого необходимо выполнить команду Transient/State Variables Editor/Write

(<F12> или ) и согласиться с предложенным именем файла начальных

условий.

16. Продолжить расчет переходного процесса в течение следующих 5 мс. Для

этого изменить опции расчета переходного процесса в Transient Analysis

Limits:

· Operating Point — выключить (расчет продолжается)

· State Variables — Read (начальные условия читаются с ранее записанного

на диске файла с расширением .top — ampldet.top).

Запустить анализ (RUN). Убедиться, что схема вошла в установившийся

режим. Установить время анализа (Time range) и диапазон по оси абсцисс

графиков (X range) для последующих исследований 1ms. Запустить анализ.

17. Изменить шаг расчета (Maximum Time Step) с 1Е-7 на 1Е-4. Остальные па-

раметры анализа не менять по сравнению с предыдущим пунктом. Запус-

тить анализ. Объяснить вид полученных графиков. Выполнить команду

показа расчетных точек графиков Scope/View/Data points ( ). Вернуть

шаг расчета к исходному значению 1E-7. Опять запустить анализ. Отме-

нить показ на графике точек расчета, повторно выполнив команду

Scope/View/Data points ( ). Объяснить вид графиков, построенных в дан-

ном пункте.

18. Выйти из режима анализа переходных процессов Transient, закрыв его ок-

но (или нажав клавишу <F3>). Вернуть все параметры схемы к исходной

дисковой версии, выполнив команду File/Revert ( ).

19. Запустить снова анализ переходных процессов Analysis/Transient/Run. По-

сле окончания анализа программа автоматически переходит в режим Scale

Mode (из других режимов вызывается нажатием <F7> или ).

Это значит, что правой клавишей мыши можно передвигать график по

его окну так, как удобно для просмотра, а левой клавишей мыши можно уве-

личивать задаваемый ей прямоугольный фрагмент.

20. Передвинуть правой клавишей мыши графики в верхнем окне, чтобы они

полностью умещались в нем. Левой клавишей мыши выбрать и увеличить

выходной импульс тока амплитудного детектора I(D1) в нижнем окне так,

чтобы он занимал полностью нижнее окно вывода графиков. Восстановить

исходные масштабы вывода графиков выполнив команду Scope/Restore

Limit Scale (<Ctrl>+<Ноmе>).

21. Войти в подменю Transient Analysis Limits (Transient/Limits или <F9> или

). Установить в нем опцию Auto Scale Ranges. Запустить анализ. Акти-

визировать режим электронного курсора Cursor Mode (<F8> или ).

Выбрать график напряжения V(4) щелчком мыши по аналогичной надпи-

си на графике.

22. Установить левый электронный курсор (щелчок и перетаскивание левой

клавишей мыши) на любом максимуме установившейся синусоиды, пра-

вый курсор (щелчок и перетаскивание правой клавишей мыши) на сле-

дующем максимуме справа. Измерить период колебаний напряжения V(4).

Он будет индицироваться в таблице координат курсоров, расположенной

под графическим окном, в столбце Delta и строке T.

Нанести надпись с измеренным периодом на график, выполнив команду

Scope/Tag Horizontal (<Shift>+<Ctrl>+<H>). Вернуться в обычный режим ото-

бражения графиков, нажав <F7> ( ).

23. Выйти из режима анализа переходных процессов, закрыв соответствую-

щее окно (или нажав <F3>).

24. Определить напряжение база-эмиттер транзистора Q1 в отсутствии вход-

ного синусоидального сигнала, т.е. в точке покоя. Определить состояние

транзистора Q1 и диода D1 в точке покоя (см. текст ниже).

25. Закрыть окно схемного редактора без сохранения схемы.

При моделировании нелинейных схем первоначально интересно опреде-

лить режим по постоянному току. Это можно сделать несколькими спосо-

бами:

1) В подменю Transient Analysis Limits имеется флажок Operating Point

Only, установка которого означает проведение только расчета режима по по-

стоянному току (расчет переходных процессов не производится). Для опреде-

ления карты режимов компонентов электронной схемы по постоянному току

необходимо установить указанный флажок, выполнить команду RUN, а затем

выйти из режима анализа (нажав <F3>), вернувшись в схемный редактор. По-

сле этого следует выполнить команду Options/View/Node Voltages States (

)

для отображения в узлах схемы потенциалов на постоянном токе в Вольтах.

Также могут быть отображены токи в ветвях в точке покоя в Амперах

(Options/View/Currents или

) и состояния полупроводниковых приборов

(Options/View/Conditions или

Переводятся состояния полупроводниковых приборов следующим обра-

зом: ON – диод включен, OFF – диод (транзистор) выключен, LIN – транзи-

стор в линейном активном режиме, SAT – транзистор в режиме насыщения,

HOT – транзистор перегрет.

Следует отметить, что переход в режим отображения карты напряжений

(токов) на постоянном токе после проведения анализа переходных процессов

во всех других случаях (без установки флага Operating Point Only) приводит к

отображению значений потенциалов (токов, состояний приборов) в конечной

точке расчета.

2) Карту режимов на постоянном токе, можно узнать, предварительно за-

пустив AC Analysis с любыми имеющими смысл параметрами. Частотный

(AC) анализ всегда начинается с расчета режима по постоянному току, поэто-

му после выхода из него можно узнать карту режимов схемы путем нажатия

кнопок на панели инструментов

3) Карту режимов схемы на постоянном токе можно узнать путем запуска

анализа по постоянному току Dynamic DC после выполнения команды Analy-

sis/Dynamic DC (<Alt>+<4>). Показ нужной информации о состоянии схемы в