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

Подождите немного. Документ загружается.

этом режиме анализа устанавливается так же нажатием/отжатием кнопок на

панели инструментов

3.4. Расчет малосигнальных частотных характеристик

(AC Analysis).

Рассмотрим на начальном этапе этот вид анализа для линейных схем:

пассивных RLC-фильтров и аналогичных им лапласовых зависимых источ-

ников с соответствующей передаточной функцией в s-области.

Отметим, что для линейной схемы не требуется предварительная линеа-

ризация схемы в окрестности рабочей точки по постоянному току для после-

дующего вычисления малосигнальных усилительных параметров в частотной

области.

Для нелинейной же схемы (содержащей нелинейные модели активных

полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, магнитных сердечни-

ков) перед началом собственно частотного малосигнального анализа прово-

дится расчет схемы по постоянному току (в отсутствии входного сигнала). В

окрестности найденного режима схема линеаризуется путем линеаризации

отдельных нелинейных моделей. Это можно делать, если возмущающее воз-

действие мало по сравнению с параметрами точки покоя схемы, что, собст-

венно, и имеет место при проведении малосигнального частотного анализа.

Линеаризация в окрестности точки покоя производится сразу после запуска

этого вида анализа и анализ в частотной области производится не для исход-

ной схемы с нелинейными моделями, а для линейной (нелинейные модели

компонентов преобразованы в линейные для малого возмущения в окрестно-

сти точки покоя).

В этом разделе лабораторной работы также будем практиковаться в по-

строении принципиальных схем с помощью встроенного графического редак-

тора.

Ниже (рис. 1.2) показаны две схемы, представляющие собой 2 разновид-

ности одного режекторного фильтра (подавляющего входной сигнал в виде

синусоидального напряжения в окрестности определенной частоты).

Первый фильтр представляет собой сбалансированный (значения сопро-

тивлений и емкостей равны соответственно Rt, Ct, 2Ct, Rt/2, как показано на

схеме слева) Т-образный мост, подавляющий сигнал в окрестности частоты

= . А второй — зависимый лапласов источник напряжения, управ-

ляемый напряжением (ИНУН) с операторной передаточной функцией (в s-

области), идентичной передаче сбалансированного Т-образного моста

222

)(

CRs

××+

×××

= .

Рис. 1.2. Разновидности схем режекторных фильтров для проведения AC анализа.

26. Ввести пассивные компоненты схем, как описано в конспекте лекций и в

[1, c. 36–50]. Отметим, что на приведенной схеме (см. рис. 1.2) R1…R3,

C1…C3 — это позиционные обозначения электронных компонентов

(строка PART окна параметров компонента); а Rt, Ct, Rt/2, 2*Ct — значе-

ния их сопротивлений и емкостей (строка VALUE окна параметров ком-

понента). При вводе компонентов в схему согласно вышесказанному за-

полняются позиции открывающегося окна для каждого компонента. При

таком вводе значений параметров резисторов и конденсаторов их числен-

ное значение не определено. Доопределить их можно текстовой директи-

вой .Define непосредственно в окне схем.

27. Для этого необходимо перейти в текстовый режим, выполнив команду

Оptions/mode/text (<CTRL>+<T> или ), и, щелкнув левой кнопкой мы-

ши, ввести в открывшемся окне текстовую директиву. Затем протяжкой

левой клавиши мыши переместить введенный текст в любое место окна

схемного редактора.

28. Ввести лапласов зависимый источник для 2-ой схемы, выполнив команду

Component/Analog Primitives/Laplace Sources/LFVofV, и заполнив в от-

крывшемся окне в позиции LAPLACE передаточную функцию ИНУН в s-

области (см. рис. 1.2).

29. Подсоединить ко входу схем источники сигнала (либо синусоидального

Sine Source, либо импульсного Pulse Source, либо пользовательский User

Source). Источники обязательно должны присутствовать, хотя форма их

сигнала не важна для частотного анализа (АС), они фактически лишь обо-

значают входные узлы схемы, к которым подсоединяется источник малого

синусоидального возмущения.

30. Обозначить входные и выходные узлы фильтров текстовой надписью на

английском языке (см. рис. 1.2). В ряде случаев такое обозначение узлов

более удобно, чем автоматическая нумерация их числами, отображаемая

после команды , поскольку не загромождает схему и в названии можно

указать тип узла (входной, выходной, и пр.).

Переход в режим расчета частотных характеристик осуществляется ко-

мандой Analysis/АС (<Alt>+<2>). Задание на расчет формируется в окне AC

analysis Limits, вызываемом также из текущего режима анализа с помощью

нажатия клавиши <F9> или пиктограммы

На строке Frequency Range указываются границы диапазона частот; на

строке Frequency Step — тип шага по частоте при проведении расчета (Linear

— линейный шаг, Log — логарифмический, List — список значений частоты,

auto — автоматический). При необходимости расчета спектральной плотности

внутреннего шума на строке Noise Input указывается имя источника входного

сигнала, на строке Noise Output — номер выходного узла, для которого рас-

считывается спектральная плотность напряжения шума.

В графе Y expression указываются имена переменных для построения

графиков частотных характеристик. Переменные при расчете частотных ха-

рактеристик являются комплексными. Приведем несколько примеров их запи-

си:

· V(1) — модуль напряжения в узле 1;

· DB(V(1)) — модуль напряжения в узле 1 в децибелах

[

]

)1(log20

;

· DB(V(out)/V(in)) — модуль передаточной функции (отношение потен-

циала узла «Out» к потенциалу узла «In»), выраженное в децибелах.

· RE(V(1)) — действительная часть напряжения в узле 1;

· IM(V(1)) — мнимая часть напряжения в узле 1;

· PH(V(1)) — фаза напряжения в узле 1 в градусах;

· PH(V(out1)/V(in1)) — фаза передаточной функции по напряжению ме-

жду узлами out1 и in1.

· GD(V(1)) — групповое время запаздывания напряжения в узле 1;

· INOISE — корень квадратный из спектральной плотности напряжения

шума, приведенного ко входу;

· ONOISE — корень квадратный из спектральной плотности выходного

напряжения шума (графики INOISE и ONOISE нельзя строить одно-

временно с графиками других переменных).

Пример построения амплитудно-частотной и фазо-частотной характери-

стики Т-образного моста при вариации символьной переменной Rt приведен

на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Окно результатов частотного анализа режекторного фильтра при вариации

символьной переменной Rt

Очень полезна возможность проведения многовариантного анализа при

вариации любого параметра компонента схемы или его модели. Для этого в

окне задания параметров Analysis Limits нажатием на кнопку Stepping или на

пиктограмму

открывают окно для задания от 1 до 10 варьируемых пара-

метров. Сначала в графе Parameter Type выбирают тип варьируемого пара-

метра:

· Component — значение параметра компонента схемы;

· Model — параметр математической модели компонента;

· Symbolic — значение параметра, определенного по директиве .define.

Затем в строке Step What указывают имя варьируемого параметра, на по-

следующих строках пределы его изменений и в графе Step It устанавливают

флажок Yes.

На рис. 1.3 для наглядности на графики помещены текстовые надписи,

которые могут быть выполнены двумя способами. Можно ввести текст, вы-

полнив команду Options/Mode/Text (<CTRL>+<T>), активизируемую также

нажатием пиктограммы

. Подписать графики, построенные в режиме мно-

говариантного анализа можно также используя команду SCOPE/Label

Branches.

Командой SCOPE/Tag Left (Right) Cursor (<Ctrl>+<L> и <Ctrl>+<R>) на

график наносят значения координат точки, указанной левым (правым) курсо-

ром в режиме Cursor Mode (<F8> или ). Таким способом на рис. 1.3 отме-

чены 2 экстремальные точки, соответствующие разным частотам подавления

Т-образного моста при различных значениях параметра Rt.

Выбор и увеличение выбранной области графика производится протяж-

кой левой клавиши мыши после перехода в режим SCALE MODE (Op-

tions/Mode/Scale или <F7> или

). Другие возможности обработки графиков

могут быть самостоятельно исследованы пользователем или изучены по кон-

спекту лекций и [1, c. 175–180]. Они активизируются кнопками следующих

групп пиктограмм:

и .

Трехмерные графики. После вариации параметров схемы или вариации

температуры при выполнении любых видов анализа можно по команде 3D

Windows построить цветные графики функции двух переменных.

31. Запустить анализ малосигнальных частотных характеристик AC по коман-

де Analysis/AC (<Alt>+<2>). В открывшемся окне заполнить параметры

анализа:

· Frequency Range — 10000,1000 (частотный диапазон).

· Maximum Change — 0.1 (для получения плавных кривых).

· Включить флажок Auto Scale Ranges.

· Номера графиков в столбце P от 1 до 4, соответствующие им выражения:

db(V(out1)/V(in1)), ph(V(out1)/V(in1)), db(V(out2)/V(in2)), ph(V(out2)/V(in2)).

· В столбце X range — выбрать Fmax, Fmin.

· Для всех графиков выбрать логарифмический масштаб по оси абсцисс и

линейный — по оси ординат и прямоугольную систему координат (кнопки

слева от таблицы).

· Выбрать цвета вывода графиков.

32. Запустить задание на анализ и зафиксировать полученные графики. Запус-

кать заново моделирование до тех пор, пока масштаб по оси ординат на

первом графике не перестанет изменяться. Убедиться, что ЛАЧХ и ЛФЧХ

двух схем одинаковы. Зафиксировать полученные результаты.

33. Открыть окно AC Analysis Limits (<F9> или ) и погасить для дальней-

шего анализа графики для второй схемы. Далее анализируется левая схема

на рис. 2.1.

34.

Изменить масштаб по оси частот на линейный ( ). Запустить анализ. Что изменилось

в построенных графиках? Заменить в позиции

Y expressions

db(V(out1)/V(in1)) на

обычное отношение V(out1)/V(in1). Теперь АЧХ фильтра построится в линейном мас-

штабе. Запустить моделирование. Зафиксировать полученные графики. Перезапускать

анализ до тех пор, пока

первый график не перестанет изменяться. Зафиксировать

результат.

35. Изменить масштаб по оси частот на логарифмический ( ). Теперь ам-

плитудно-частотная характеристика передачи фильтра должна построить-

ся в полулогарифмическом масштабе. Запустить анализ, зафиксировать

полученные характеристики.

36. Вернуться к логарифмическому масштабу по обеим осям. Установить

опять выражение для графика 1 db(V(out1)/V(in1)), масштабы по оси абс-

цисс для графиков 1 и 2 — логарифмические ( ). На график 1 поместить

также ЛАЧХ 2-ой схемы, а на график 2 — ФЧХ 2-ой схемы. Теперь гра-

фики сделаны совпадающими (построенными один поверх другого).

37. Запустить анализ частотных характеристик, получить графики того же ви-

да, что и в пункте 32, но в двух окнах. Разобраться самостоятельно с

функциями кнопок показа расчетных точек на графиках , разметки кри-

вых и управления координатной сеткой: . Сделать

выводы.

38. Погасить в окне AC Analysis Limits вывод графиков для второй схемы. По-

строить совмещенные характеристики при разбалансировке T-моста при

R3=0.9K, 1.8K, 2.7К. Для этого выполнить команду AC/Stepping (<F11>

или ). Далее заполнить открывшийся диалог и организовать заданное

изменение сопротивления любым из доступных способов. В заключении

диалога не забыть включить в панели Step It флажок Yes. Запустить

моделирование. Объяснить вид полученных характеристик.

39. Построить совмещенные характеристики при увеличении всех сопротив-

лений в 2 раза (изменении Rt c 3.6K до 7.2K). Для этого выполнить коман-

ду AC/Stepping (<F11> или ). Выключить изменение R3 на соответст-

вующей закладке. Выбрать чистую закладку, установить тип меняемого

параметра — Symbolic. Далее, заполняя очевидный диалог, организовать

заданное изменение сопротивления любым из доступных способов. В за-

ключении диалога не забыть включить флажок Yes в панели Step It. Запус-

тить моделирование. Объяснить вид полученных характеристик.

40. Измерить частоты подавления Т-образного моста для различных значений

параметра Rt (п. 39). Подписать эти точки любым из доступных способов.

Удобнее всего включить индикацию расчетных точек , а затем в режи-

ме Tag Mode ( ) щелчком и протяжкой из выбранной точки графика ле-

вой клавиши мыши создать необходимую текстовую надпись. Можно в

режиме Cursor Mode (<F8> или ) установить один из электронных кур-

соров на экстремальную точку, а затем выполнить команду Scope/Tag

Left(Right) Cursor. Сравнить экспериментальные значения частот подав-

ления со значениями, рассчитанными по формуле

= .

41. Нанести на графики текстовые надписи для наглядности. Выйти из режи-

ма анализа частотных характеристик, нажав клавишу <F3>. Закрыть ана-

лизируемую схему.

42. Загрузить в окно схемного редактора схему AMPLDET.cir. Запустить мно-

говариантный анализ частотных характеристик при изменении емкости

конденсатора C2, выполнив команду Analysis/AC/RUN.

Построить трехмерную фазочастотную характеристику, выполнив ко-

манду AC/3D Windows/Add 3D Window и выбрав в открывающемся списке Ex-

pressions выражение ph(V(6)/V(1)).

Полученную поверхность можно вращать вокруг различных осей (путем

нажатий на клавиши <Q>, <A>,<W>,<S>,<E>,<D>); проецировать на коорди-

натные плоскости (путем нажатий на клавиши <X>, <Y>,<Z>), изменять цве-

товую гамму.

3.5. Анализ схем на постоянном токе (DC analysis)

Расчет передаточных характеристик. Схема измерения статических

входных и выходных характеристик биполярных транзисторов приведена на

рис. 1.4. Для снятия выходных характеристик биполярного транзистора (см.

рис. 1.4, а) к его базе подключается источник постоянного тока I1 (компонент

ISOURCE), к коллектору — источник постоянного напряжения V1 (компо-

нент BATTERY). При снятии входных характеристик (см. рис. 1.4, б) источ-

ник тока в базовой цепи транзистора заменяется на источник напряжения

(компонент BATTERY).

а) б)

Рис. 1.4. Схемы для снятия характеристик биполярного транзистора:

а) — выходных; б) — входных.

Переход в режим расчета передаточных характеристик по постоянному

току осуществляется командой Analysis/DC (<Alt>+<3>). В открывающемся

следом окне DC Analysis Limits на строках Variable 1, Variable 2 указываются

имена варьируемых источников, диапазоны их изменений — на строках

Range.

Для построения выходных характеристик по оси X откладывается на-

пряжение коллектор-эмиттер транзистора Vce(Q1), по оси Y — ток коллекто-

ра Ic(Q1). Для построения входных характеристик по оси X — напряжение

база-эмиттер Vbe(Q1), по оси Y — ток базы Ib(Q1).

43. Загрузить из каталога ПРИМЕРЫ готовый схемный файл

BJT_ОЭ_Вых.cir.

44. Щелкнув левой клавишей мыши по транзистору открыть окно его пара-

метров. Нажать кнопку Plot. Построится семейство выходных характери-

стик транзистора для данной модели (ее можно менять). Посмотреть также

все остальные доступные из этого окна характеристики прибора (Ic vs.

Uce, DC current Gain — зависимость коэффициента передачи тока базы b

от тока коллектора, Vce saturation voltage — зависимость напряжения на-

сыщения транзистора от тока коллектора, Beta vs. Frequency — частотная

характеристика

). Таким образом, через окно параметров модели доступ-

ны графики основных характеристик полупроводникового прибора. За-

крыть окно модельных параметров, не меняя ничего в нем.

45. Запустить анализ по постоянному току, выполнив команду Analysis DC

(<Alt>+<3>). В открывшемся окне DC analysis limits обратить внимание на

способы изменения источников для построения семейства выходных ха-

рактеристик и форматы их задания в столбце Range — максимальное зна-

чение, начальное, шаг.

Запустить анализ, нажав кнопку

RUN

. Выполнить команду

Scope/Label

Branches

для того, чтобы подписать характеристики в семействе. Объяснить полу-

ченные характеристики, исходя из параметров модели и диапазонов изменения ис-

точников напряжения и тока. Выполнить команду

Scope/Delete All Objects

46. Построить семейство выходных характеристик Ic(Uce) при двух темпера-

турах окружающей среды T=27°C и T=47°C. Подписать полученные ха-

рактеристики, выполнив команду Scope/Label Branches. Объяснить вид

полученных характеристик. Завершить анализ, нажав <F3>, и закрыть те-

кущую схему без сохранения.

47. Загрузить из каталога ПРИМЕРЫ готовый схемный файл BJT_ОЭ_Вх.cir.

48. Запустить анализ по постоянному току, выполнив команду Analysis/DC

(<Alt>+<3>). В открывшемся окне DC analysis limits обратить внимание на

способы изменения источников для построения входных характеристик и

форматы их задания в столбце Range — максимальное значение, началь-

ное значение, шаг. Запустить анализ. Объяснить полученные характери-

стики.

49. Построить входные Ib(Ube) характеристики при двух температурах окру-

жающей среды T=27°C и T=47°C. Объяснить вид полученных характери-

стик. Завершить анализ, нажав <F3> и закрыть текущую схему без сохра-

нения.

50. Оформить отчет о проделанной работе.

4. Контрольные вопросы

1. В чем заключается анализ переходных процессов в электронной схеме?

2. Что представляет собой малосигнальный частотный анализ электронной

схемы?

3. Алгоритм малосигнального частотного анализа. Какие действия произ-

водятся при его выполнении?

4. В чем заключается анализ электронной схемы по постоянному току?

5. Чем заменяются конденсаторы и катушки индуктивности при проведе-

нии анализа по постоянному току?

6. Способы определения режима по постоянному току электронной схемы,

моделируемой с помощью программы MICROCAP.

7. Основные параметры задания на моделирование переходных процессов

в электронной схеме (режим анализа TRANSIENT).

8. Основные параметры задания на малосигнальное моделирование в час-

тотной области электронной схемы (режим анализа AC).

9. Основные параметры задания на моделирование характеристик схем на

постоянном токе (режим анализа DC).

10. Cпособы задания команд при работе в среде программы MICROCAP.

11. Управление окнами в программе MICROCAP.

13. Какие переменные можно указывать в графе Х expressions окна Analy-

sis Limits различных режимов анализа? Какие переменные для различных ви-

дов анализа используются чаще всего?

14. Способы масштабирования графиков в различных режимах.

15. Разновидности масштабов, используемых при построении графиков в

режиме малосигнального частотного анализа AC.

16. Флажок Operating point и способ задания начальных условий для пе-

ременных состояния в списке State variables окна задания параметров моде-

лирования переходных процессов Transient Analysis Limits. Их влияние на

процесс расчета.

17. Способы измерения временных интервалов на графиках переходных

процессов и частотных диапазонов на графиках малосигнального частотного

анализа.

18. Способы идентификации нескольких кривых, построенных в одном

графическом окне, при распечатке на черно-белом принтере.

19. Управление координатной сеткой графиков.

20. Способы нанесения текстовых надписей на графики для обеспечения

наглядного представления результатов моделирования.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Исследование усилительного каскада

с общим эмиттером на биполярном транзисторе

1. Цель работы

1. Закрепление материала о принципах работы усилительных каскадов на

биполярных транзисторах.

2. Закрепление материала о методике выбора и обеспечения положения

точки покоя усилительного каскада и способах термостабилизации.

3. Освоение различных видов анализа по постоянному току в программе

MICROCAP: DC Analysis, Dynamic DC, Transfer Function, Sensitivity.

4. Освоение режима анализа частотных характеристик на малом сигнале AC

Analysis в программе MICROCAP, методики построения амплитудно- и

фазочастотных характеристик в линейном, полулогарифмическом и лога-

рифмическом масштабах.

5. Освоение режима анализа переходных процессов TRANSIENT в про-

грамме MICROCAP.

2. Подготовка к работе

1. Повторить основные принципы работы усилительных каскадов на бипо-

лярных транзисторах и методику их расчета на постоянном и переменном

токе.

2. По конспекту лекций и [1] изучить основные приемы работы с пакетом

программ MICROCAP при вводе принципиальной схемы, проведении

анализа по постоянному току DC analysis, малосигнального частотного

анализа AC analysis, анализа переходных процессов TRANSIENT Analysis.

3. Рабочее задание

В лабораторной работе требуется синтезировать и исследовать усили-

тельный каскад с общим эмиттером (рис. 2.1), обеспечивающий при заданном

напряжении питания и заданном сопротивлении нагрузки максимальную ам-

плитуду выходного напряжения.

Исходные данные для расчета и компьютерного анализа и синтеза:

· Напряжение питания каскада: E

= 10 В.

· Сопротивление нагрузки каскада: R

LOAD

=5 кОм.

· Нижняя граничная частота усиления, определяемая по уровню

max

= : f

MIN

=100 Гц.