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

Подождите немного. Документ загружается.

· Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте:

M .

· Температурный диапазон работы каскада: 27°С…67°С.

· Дрейф напряжения коллектор-эмиттер в точке покоя в пределах темпера-

турного диапазона:

CEA

(

) не более 500 мВ.

В качестве транзистора взять n-p-n транзистор с моделью $GENERIC_N. Мак-

симально допустимая мощность, рассеиваемая на транзисторе,

CMAX

=100 мВт.

Максимальный коллек-торный ток

транзистора

CMAX

=30 мА.

В приведенных ниже пунктах рабо-

чего задания содержится методика ком-

пьютерного анализа и синтеза усили-

тельных каскадов, опирающаяся на тео-

ретический материал курса «Электрон-

ные цепи и микросхемотехника». Дан-

ная методика с успехом может исполь-

зоваться для компьютерного анализа и

синтеза усилительных каскадов других

типов, в том числе на иных транзисто-

рах и электронных лампах.

3.1. Анализ по постоянному току в

режиме DC Analysis

1. Построить с помощью схемного редактора MICROCAP схему для снятия

выходных ВАХ биполярного транзистора (см. рис. 2.2 и лаб. раб. № 1 пп.

43–46). Определить с помощью текстовых директив .define значение мак-

симальной мощности, рассеиваемой транзистором P

CMAX

и максимальное

значение коллекторного тока I

CMAX

(рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема для снятия выходных характеристик биполярного транзистора

2. Запустить анализ по постоянному току DC. Установить пределы изменения

первой переменной (напряжения коллектор-эмиттер) в соответствии с на-

пряжением питания коллекторной цепи каскада E

, второй переменной

Рис. 2.1. Схема усилителя с общим эмиттером

(тока базы) — в пределах до

max

= , где BF — параметр модели би-

полярного транзистора, коэффициент передачи тока базы в нормальном

активном режиме. Установить масштабы по оси абсцисс X range —

1.1×E

, 0; по оси ординат Y range — I

CMAХ

, 0.

3. Построить семейство выходных ВАХ биполярного транзистора, нажав

кнопку RUN. Если окажется, что самая высокая характеристика семейства

много меньше I

CMAX

, то необходимо увеличить верхний предел изменения

тока базы и перезапустить анализ.

4. Построить на одном графике с семейством выходных характеристик тран-

зистора прямую линию ограничения тока покоя транзистора на уровне

0.8

CMAX

и кривую ограничения тока коллектора по максимальной мощно-

сти, рассеиваемой транзистором

)1(

max

. Для этого надо вызвать диало-

говое окно DC analysis limits, нажав клавишу <F9>; добавить командой

Add два графика в существующее графическое окно, и внести в их поля Y

expressions вышеуказанные формулы. Запустить анализ, нажав кнопку

RUN.

5. Построить на графиках ограничительную линию нагрузки, соответствую-

щую максимально возможному суммарному сопротивлению

( )

max

LOAD

RRR =+=

. Одна точка этой линии находится на оси на-

пряжений V

и определяется заданным напряжением питания каскада E

— точка С. Вторая точка находится на оси токов I

— точка D. Длина от-

резка [0, D] равна

maxS

. Суммарное сопротивление в цепи эмиттера и

коллектора однокаскадного усилителя R

должно удовлетворять

неравенству

( )

LOAD

RRR £+=

, т. е. линия нагрузки каскада на посто-

янном токе должна лежать выше ограничительной нагрузочной прямой. В

усилительном каскаде с резистором в коллекторной цепи R

, удовлетво-

ряющим приведенному неравенству, при подключении нагрузки не будет

уменьшаться амплитуда переменной составляющей выходного напряже-

ния из-за деления выходного тока резистивным делителем R

–R

LOAD

. Та-

ким образом, только при выполнении данного ограничения мы можем

рассчитывать на получение максимальной амплитуды выходного сигнала,

требуемой заданием. Для рисования ограничительной линии нагрузки на

постоянном токе следует воспользоваться командами рисования графиче-

ских объектов, открываемыми нажатием на пиктограмму

. После пере-

численных построений графическое окно с семейством характеристик и

ограничительными линиями должно иметь вид, близкий к представлен-

ному на рис. 2.3.

Рис. 2.3. К графоаналитическому синтезу усилительных каскадов

на биполярных транзисторах

6. Используя команды рисования графических объектов , построить линию

нагрузки на постоянном токе усилительного каскада таким образом, чтобы

она не зашла в запрещенные области (показанные на рис. 2.3. штрихов-

кой). Примерное положение линии нагрузки на постоянном токе (ЛН=)

представлено на рис. 2.3. отрезком прямой FC. Подписать кривые в семей-

стве выходных характеристик транзистора, выполнив команду Scope/Label

Branches. Выйти из режима анализа, нажав <F3>, а затем с помощью ко-

манды меню File сохранить схему на диске под именем BJT_OUT.CIR.

7. Определить суммарное сопротивление R

, используя ординату точ-

ки пересечения линии нагрузки на постоянном токе с осью тока I

[

]

[]

VЛН

R .

8. Рассчитать требуемое отношение сопротивлений в коллекторной и эмит-

терной цепях

K = , исходя из заданного температурного диапазона

заданного максимального дрейфа напряжения коллектор-эмиттер в точке

покоя в диапазоне температур

CE0

(

) и известного температурного ко-

эффициента напряжения база-эмиттер

×=

-3

102,2

°D×

)(

9. Рассчитать требуемые сопротивления в цепи эмиттера R

и коллектора R

;

=-=

RRR

Учитывая то, что резистор R

заземляется по переменной составляющей

(см. рис. 2.1), и то, что к коллектору транзистора подключается сопротивле-

ние нагрузки, линия нагрузки по переменному току ЛН~ будет иметь более

крутой наклон, чем линия нагрузки по постоянному току ЛН= (см. рис. 2.3).

Для обеспечения максимального размаха напряжения на нагрузке при задан-

ном напряжении питания необходимо так выбрать точку покоя каскада —

точку А (см. рис. 2.3), чтобы отрезки линии нагрузки на переменном токе

[B~,A] и [A, C~] были бы приблизительно равны. Как показывает анализ, на-

пряжение коллектор-эмиттер V

CEA

в точке покоя в этом случае должно опре-

деляться соотношением:

(

)

(

)

( )( )

LOADCECLOADC

ECLOADCCESLOADCC

CEA

RRRRRR

RRRRVRRE

×++×+

= , (1)

где V

CES

— напряжение коллектор-эмиттер транзистора в режиме насыщения

при максимальном токе нагрузки, определяемое приближенно по семейству

выходных характеристик.

10.Рассчитать по формулам (1) и (2) напряжение коллектор-эмиттер каскада в

точке покоя V

CEA

и ток коллектора в точке покоя I

. Поскольку точка по-

коя (т. А) находится на линии нагрузки по постоянному току, то коллек-

торный ток покоя определится по формуле:

CEAC

= . (2)

11.Определить приближенно ток базы покоя усилительного каскада. Прибли-

женно он может быть определен по семейству выходных характеристик и

известному значению напряжения коллектор-эмиттер в точке покоя V

CEA

Для этого из точки на оси абсцисс с координатами (V

CEA

, 0) строится пер-

пендикуляр до пересечения с линией нагрузки по постоянному току — т.

А. Для приближенного расчета тока базы покоя I

, используются близле-

жащие кривые семейства выходных характеристик транзистора. На рис.

2.3. — это характеристики, построенные при токах базы I

и I

. Очевид-

но, что грубо приближенно ток базы покоя I

может быть определен как

76 BB

= (см. рис. 2.3).

12.С помощью схемного редактора построить схему для снятия входных

) и передаточных I

) характеристик транзистора (рис. 2.4). Вели-

чину батареи VC задать равной найденному напряжению коллектор-

эмиттер в точке покоя V

CEA

. Запустить анализ по постоянному току Analy-

sis/DC (<Alt>+<3>). Задать только изменение источника напряжения в це-

пи базы VB (Variable 1) от 0 до 0.7¸0.75 В c линейным шагом, не превос-

ходящим 1E-4 B. В позиции Variable 2 из открывающегося списка выбрать

NONE. Задать построение двух графиков. Для обоих графиков в графе X

expression набрать Vbe(Q1). В графе Y expression для одного графика ука-

зать Ib(Q1) — для построения входной характеристики Ib(Vbe). Для друго-

го графика в графе Y expression указать Ic(Q1) — для построения переда-

точной характеристики Ic(Vbe). Включить флажок Auto Scale Ranges. За-

пустить анализ, нажав кнопку RUN. При необходимости изменить мас-

штабы вывода графиков для того, чтобы они занимали все графическое

окно. Для этого в окне DC Analysis Limits (<F9> или

), выключить фла-

жок Auto Scale Ranges, установить необходимые масштабы и перезапус-

тить анализ.

Рис. 2.4. Схема для снятия входных и передаточных характеристик транзистора

13.Перейти в режим Cursor Mode (<F8> или

). Проверить установку свя-

занных курсоров Align Cursors, зайдя в меню Scope. Проверить включение

индикации координат электронного курсора, зайдя в подменю

Scope/Trackers/Cursor. В указанных пунктах меню должна стоять «галоч-

ка». При необходимости произвести установку. Теперь электронные кур-

соры для двух графиков будут связаны между собой и их координаты ото-

бразятся на экране. Установить на графике передаточной характеристики

Ic(Vbe) левый электронный курсор в точку с ординатой, равной току кол-

лектора покоя каскада I

. Перемещение левого курсора грубо осуществ-

ляется протяжкой левой клавиши мыши, точно — клавишами перемеще-

ния курсора <®> <¬> на дополнительной клавиатуре. Считать с экрана

значение напряжения база-эмиттер в точке покоя V

BEA

— это абсцисса

электронного курсора, точное значение тока базы в точке покоя I

— это

ордината электронного курсора на входной характеристике. Сравнить зна-

чение тока базы покоя с приближенным значением, определенным в пунк-

те 11. На данном этапе все искомые параметры точки покоя усилительного

каскада V

CEA

, I

, V

BEA

известны. Вернуться из режима анализа в схем-

ный редактор, нажав <F3>. Сохранить схему на диске под именем

BJT_IN.CIR.

14.Загрузить с диска схему для снятия выходных характеристик

BJT_OUT.CIR. Установить величину батареи в цепи коллектора VC рав-

ной найденной величине напряжения коллектор-эмиттер в точке покоя

CEA

. Установить величину источника тока в цепи базы IB равной найден-

ному току базы в точке покоя I

. Теперь режим транзистора в точности

соответствует точке покоя каскада. Запустить анализ малосигнальных пе-

редаточных характеристик на постоянном токе Transfer Function, выпол-

нив команду Analysis/Transfer Function (<Alt>+<F5>). Набрать в графе

Output Expression — VBE(Q1), в графе Input Source Name — выбрать из

открывающегося списка источник IB. Нажать на кнопку Calculate. В гра-

фах Transfer Function (а также Input Impedance) выведется значение диф-

ференциального входного сопротивления в точке покоя транзистора со

стороны базы r

B DIFF

. Зафиксировать в отчете полученный результат.

Набрать в графе Output Expression — IC(Q1), в графе Input Source

Name — выбрать из открывающегося списка источник VC. Нажать на кнопку

Calculate. В графe Input Impedance выведется значение дифференциального

сопротивления со стороны коллектора в точке покоя транзистора, включенно-

го по схеме с общим эмиттером r

С DIFF

. В графе Transfer Function выведется

дифференциальная проводимость —

DIFFC

. Зафиксировать в отчете получен-

ный результат.

15.Рассчитать дифференциальный коэффициент передачи тока базы

в кол-

лекторную цепь в точке покоя двумя способами — 1) используя режим

анализа по постоянному току TRANSFER FUNCTION; 2) используя анализ

чувствительности SENSITIVITY. Сравнить результаты между собой и срав-

нить их с параметром модели BF. Зафиксировать полученные резуль-

таты.

16.

Включить режим Dynamic DC, выполнив команду меню Analysis/Dynamic

DC (<Alt>+<F4>). Включить показ токов, протекающих в схеме, нажав на

кнопку .

Измерить ток эмиттера транзистора в точке покоя

. Рассчитать

потенциал базы усилительного каскада

в точке покоя по формуле:

EEABEABA

RIVV

Выбрать ток делителя базовой цепи усилительного каскада I

DIV

в диапа-

зоне I

DIV

=(5¸10)I

Рассчитать сопротивление нижнего плеча делителя R2 (см. рис. 2.1) по

формуле:

DIV

R =

Рассчитать сопротивление верхнего плеча делителя R1 (см. рис. 2.1) по

формуле:

BADIV

BAC

3.2. Анализ схемы на переменном токе для малого сигнала

в режиме AC analysis

17.Задать коэффициенты частотных искажений на нижних частотах для трех

цепей каскада, содержащих конденсаторы: входной M

, выходной M

OUT

цепи эмиттера M

— так, чтобы M

OUT

Поскольку самой низко-

омной цепью является цепь эмиттера транзистора, то целесообразно са-

мый большой коэффициент частотных искажений выбрать для этой цепи.

Например, для заданного результирующего коэффициента частотных ис-

кажений

M , можно задать следующие значения: M

=1,41;

OUT

=1,001.

18.Рассчитать величины емкостей конденсаторов C

, C

OUT

, C

по следующим

формулам:

( )

1//2

-××××

INBDIFFBMIN

MRrf

, (3)

( )

1//2

-×+×××

OUTCDIFFCLOADMIN

OUT

MRrRf

, (4)

1//

-×

×××

DIFFB

MIN

, (5)

где

RRR

== .

19.C помощью схемного редактора построить полную схему усилительного

каскада (см. рис. 2.1). Присвоить элементам схемы: резисторам базового

делителя R1, R2; резисторам в цепи эмиттера и коллектора R

, R

; разде-

лительным конденсаторам C

, C

OUT

; конденсатору С

, — рассчитанные в

предыдущих пунктах лабораторной работы значения. Ко входу схемы

подключить источник синусоидального сигнала (можно взять и импульс-

ный источник, для AC анализа это не принципиально). Для удобства ана-

лиза также можно назначить входному и выходному узлу текстовые на-

именования из латинских букв, как показано на рис. 2.1.

20.Проверить правильность расчета схемы по постоянному току. Для этого

включить режим Dynamic DC в меню Analysis. Включить дополнительно

показ токов, нажав кнопку

. Проверить токи и напряжения в схеме (V

, V

CE A

, I

). Если они приближенно равны рассчитанным в

п.п. 7–13 значениям, то перейти к следующему пункту. В противном слу-

чае проверить расчет схемы по постоянному току (R

, R

21.Запустить малосигнальный анализ по переменному току АС, выполнив ко-

манду Analysis/AC (<Alt>+<2>). Построить амплитудно-частотные и фазо-

частотные характеристики коэффициента передачи по напряжению в раз-

личных масштабах по обеим осям, для чего выполнить следующее:

а) Для построения в линейных масштабах по обеим осям сделать в окне

AC Analysis Limits следующие установки:

· Частотный диапазон (Frequency Range) — 1E9,1.

· Максимальное изменение между соседними точками (Maximum

Change) — 0.01.

· Шаг по частоте (Frequency Step) — Auto.

· график 1 (P1): Y expression — V(out)/V(in); X range — Fmax, Fmin; Y

range — auto; линейные масштабы по обеим осям (

); пря-

моугольные координаты ( ).

· график 2 (P2): Y expression — PH(V(out)/V(in)), остальные поля заполня-

ются так же, как и для графика 1.

Нажать кнопку RUN, наблюдать результат анализа на экране. Повторно

запустить анализ, объяснить полученные результаты.

б) Для построения в полулогарифмическом масштабе (логарифмиче-

ский масштаб по частоте, линейный — для модуля коэффициента передачи),

установки в окне Analysis Limits аналогичны п. а), за исключением масштабов

по оси абсцисс для обоих графиков, теперь они устанавливаются логарифми-

ческими (

Запустить кнопкой RUN анализ, объяснить полученные результаты. Про-

верить соответствие усилителя техническому заданию по полосе пропускания

и коэффициенту передачи. Если нижняя граничная частота усиления каскада

больше, чем частота f

min

, указанная в техническом задании, необходимо уве-

личить емкости конденсаторов C

, C

OUT

, С

. Для этого необходимо выйти из

режима анализа, нажав <F3>, и с помощью схемного редактора изменить ве-

личины емкостей. В случае получения коэффициента передачи на средних

частотах много меньше единицы (каскад не обладает необходимыми усили-

тельными свойствами), необходимо проверить правильность ввода значений

резисторов и расчет каскада по постоянному току.

в) Построить амплитудно-частотную характеристику в логарифмическом

масштабе в децибелах

×=×=

вх

вых

вх

вых

дБU

lg10lg20 . Для этого для графи-

ка 1 установить в графе Y expression — dB(V(out)/V(in)), масштабы по осям

оставить прежними, логарифмический по оси абсцисс ( ), и линейный ( )

— по оси ординат. Запустить анализ кнопкой RUN, измерить коэффициент

передачи в децибелах на пологой части АЧХ. Запомнить соответствие раз-

личных единиц для коэффициента передачи (в децибелах и разах):

20 дБ — усиление по уровню в 10 раз

40 дБ — усиление по уровню в 100 раз

60 дБ — усиление по уровню в 1000 раз и т.д.

22.Открыть окно Stepping (

). Установить увеличение емкости конденсато-

ра C

OUT

в десять раз на каждом шаге расчета, от значения в 1000 раз

меньшего рассчитанного до значения в 10 раз больше рассчитанного.

Включить многовариантный анализ (Stepping), установив флажок YES на

панели Step It. Запустить анализ, объяснить полученные результаты. Вы-

ключить Stepping, щелкнув мышью в кружке NO на панели Step It.

23.Повторить действия пункта 22, открыв новую закладку в окне Stepping для

изменения емкости C

в аналогичных пределах. Объяснить полученные

результаты. Выключить Stepping на используемой закладке.

24.Повторить действия пункта 22, открыв новую закладку в окне Stepping для

изменения емкости C

. Установить список значений (LIST) для изменения

емкости CE: 0, 0.01C

Eрасч

, 0.1C

Eрасч

, C

Eрасч

, 10C

Eрасч

, где C

Eрасч

— рассчитан-

ная величина емкости C

. Запустить анализ и объяснить полученные ре-

зультаты. Выключить Stepping на используемой закладке.

25.Повторить действия пункта 22 при изменении величин сопротивлений R

, R

LOAD

, коэффициента передачи транзистора BF (параметр модели),

барьерной емкости коллекторного перехода CJC (параметр модели), вре-

мени пролета TF (параметр модели). Объяснить полученные зависимости.

В заключение выключить все закладки многовариантного анализа и уста-

новить исходные значения компонентов схемы, при которых характери-

стика соответствует техническому заданию.

3.3. Анализ переходных процессов в режиме большого сигнала

26.Установить частоту F входного синусоидального источника (см. схему на

рис. 2.1) равной 5 кГц, амплитуду A — 20 мВ, постоянную составляющую

DC равной нулю, внутреннее сопротивление источника сигнала RS —

0.001 Ом. Запустить анализ переходных процессов TRANSIENT. В окне

Transient Analysis Limits произвести следующие установки:

· Выключить флажок Operating Point;

· Временной диапазон (Time Range) установить равным 50ms;

· Максимальный шаг по времени (Maximum Time Step) — 1E-6;

· график 1 (P1): Y expression — V(in); X range — Tmax, Tmin; Y range —

0.05,-0.05; линейные масштабы по обеим осям (

); прямоугольные

координаты (

);

· график 2 (P2): Y expression – V(out); Y range — auto; остальные поля за-

полняются так же, как для графика 1.

Нажать RUN, зафиксировать полученный результат в виде графика пе-

реходного процесса.

27.Установить флажок Operating Point. Повторить анализ. Объяснить отличия

результатов пунктов 26 и 27.

28.Изменить установки временного диапазона (Time Range) на 2ms. Запустить

анализ. Визуально по графику выходного напряжения определить наличие

видимых нелинейных искажений. Оценить нелинейные искажения, ис-

пользуя программу MICROCAP. Для этого изменить время расчета на пе-

риод входного синусоидального сигнала, т.е. установить временной диа-

пазон (Time Range) равный 0.2ms. Добавить в перечень графиков функции

спектрального анализа:

· график 3 (P3) — гармоники сигнала V(out): X expression – F, Y expression –

HARM(V(out)); X range – 25K,5K (до 5-ой гармоники); Y range — 9, –1, 2

(максимум, минимум, шаг).

· график 4 (P4) — коэффициент нелинейных искажений спектра сигнала

V(out): X expression – F; Y expression – THD(HARM(V(out)),5K);

X range — 25K,5K (до 5-ой гармоники); Y range — 23, -2, 5 (максимум,

минимум, шаг).

Запустить анализ, объяснить полученные результаты.

Выйти из режима анализа, нажав <F3>, уменьшить в 4–8 раз амплитуду

входного синусоидального сигнала, повторить анализ. Объяснить изменение

коэффициента нелинейных искажений.

29.Установить временной диапазон расчета (Time Range) 2ms, погасить 3 и 4

графики с функциями спектрального анализа. Организовать многовари-

антный анализ (Stepping) переходных процессов при изменении амплиту-