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

Подождите немного. Документ загружается.

ды входного сигнала от 10 мВ до 50 мВ. Запустить анализ и объяснить по-

лученные результаты.

3.4. Исследование термостабильности различных каскадов

30.С помощью схемного редактора собрать схему, состоящую из трех различ-

ных усилительных каскадов с общим эмиттером, входы которых подсое-

динены к одному источнику сигнала (рис. 2.5). Все усилители имеют один

и тот же режим по постоянному току (аналогичный рассмотренному выше

каскаду, представленному на рис. 2.5 слева). Следовательно, номинальные

значения компонентов двух других каскадов могут быть определены по

формулам:

BEAC

; (6)

ECCC

RRRR

; (7)

BEA

;

BEAC

; (8)

OUTOUTOUT

CCС

;

INININ

CCС

Рассчитать значения компонентов двух других усилительных каскадов

по формулам (6)–(8) и ввести численные значения параметров в схему (см.

рис. 2.5). Ко входу всех трех схем подключить источник синусоидального

сигнала частотой 5 кГц, амплитудой 0.02 В и с внутренним сопротивлением

RS=0.001 Ом.

Рис. 2.5. Разновидности усилителей с общим эмиттером

31.Включить режим Dynamic DC (<Alt>+<4>) и индикацию токов в схеме

(

), проверить режим покоя всех каскадов. При правильном расчете и

вводе, режим покоя у всех трех схем должен быть одинаков и совпадать с

режимом, рассчитанным в пп. 7–13.

32.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 для

всех трех схем на одном графике, для чего выполнить следующее:

· Установить частотный диапазон (Frequency Range) равным 1E9,1; макси-

мальное изменение между соседними точками (Maximum Change) — 0.01;

шаг по частоте (Frequency Step) — Auto; установить флажок автоматиче-

ского масштабирования (Auto Scale Ranges).

· Заполнить 3 строки Y expression для графика P1 выражениями

DB(V(out)/V(in)), DB(V(out2)/V(in)); DB(V(out3)/V(in)). Заполнить 3 строки

Y expression для графика P2 выражениями PH(V(out)/V(in)),

PH(V(out2)/V(in)); PH(V(out3)/V(in)). Установить для всех графиков мас-

штабы: логарифмический по частоте (

) и линейный по оси Y ( ),

прямоугольные координаты ( ).

Нажать RUN, наблюдать результат анализа на экране. Убедиться в прак-

тически одинаковом ходе малосигнальных частотных характеристик, и прак-

тически одинаковом коэффициенте передачи в полосе пропускания.

33.Проанализировать работу всех трех каскадов при двух значениях темпера-

туры: 27°С и 67°С. Запустить анализ переходных процессов TRANSIENT. В

окне Transient Analysis Limits произвести следующие установки:

· Включить флажки Operating Point и Auto Scale Ranges;

· Временной диапазон (Time Range) установить равным 1ms;

· Максимальный шаг по времени (Maximum Time Step) — 1E-7;

· В графе Temperature установить: List 27,67;

· график 1 (P1): Y expression — V(out); линейные масштабы по обеим осям

(

), прямоугольные координаты ( );

· график 2 (P2): Y expression – V(out2), остальные поля заполняются так же,

как для первого графика;

· график 3 (P3): Y expression – V(out3), остальные поля заполняются так же,

как для первого графика.

Нажать RUN, зафиксировать полученный результат в виде графиков вы-

ходного напряжения усилителей. Сравнить каскады по термостабильности,

сделать выводы.

34.Оформить отчет о проделанной работе.

4. Контрольные вопросы

1. Как автоматически обозначить графики семейства характеристик на по-

стоянном токе или графики, полученные с помощью многовариантного ана-

лиза?

2. Как организовать синхронное перемещение электронных курсоров по

нескольким графическим окнам?

3. Почему при построении малосигнальных частотных характеристик уси-

лителей по оси частот практически всегда используется логарифмический

масштаб?

4. Как определить малосигнальные параметры биполярного транзистора

— дифференциальное сопротивление со стороны эмиттера r

E DIFF

, дифферен-

циальное сопротивление со стороны базы r

B DIFF

, дифференциальное сопро-

тивление со стороны коллектора r

C DIFF

, малосигнальный коэффициент пере-

дачи тока базы

, малосигнальный коэффициент передачи тока эмиттера

5. Как с помощью программы MICROCAP определить входное дифферен-

циальное сопротивление транзистора со стороны эмиттера r

E DIFF

. Как связаны

между собой r

E DIFF

и r

B DIFF

6. Что представляет собой режим анализа Transfer Function в программе

MICROCAP? Для каких целей он используется?

7. Что представляет собой режим анализа Sensitivity в программе

MICROCAP? Для каких целей он используется?

8. Для каких целей может быть использован режим анализа Dynamic DC в

программе MICROCAP в процессе синтеза и анализа усилительных каскадов

на транзисторах?

9. Выходные, входные, передаточные характеристики биполярного тран-

зистора с разными схемами включения и способы их построения.

10. Какие существуют ограничения при выборе режима по постоянному

току усилительного каскада?

11. Как выбирать сопротивление в коллекторной цепи транзистора для

обеспечения максимального размаха выходного напряжения при заданном

сопротивлении нагрузки?

12. Что определяет отношение сопротивлений в коллекторной и эмиттер-

ной цепях в усилительном каскаде на рис. 2.1?

13. Почему линия нагрузки на переменном токе всегда имеет больший на-

клон, чем линия нагрузки на постоянном токе для схемы на рис. 2.1?

14. Как следует выбирать точку покоя усилительного каскада на рис. 2.1

для обеспечения максимального размаха выходного напряжения при задан-

ном напряжении питания?

15. Как, зная параметры точки покоя усилительного каскада (рис. 2.1),

рассчитать делитель напряжения в цепи базы R1-R2?

16. Как получены формулы (3)–(5)? Провести их вывод, сопроводив экви-

валентными схемами соответствующих цепей.

17. Связь между коэффициентом передачи в децибелах и разах.

18. Зависимость частотной характеристики коэффициента передачи уси-

лителя в области низких частот от емкостей разделительных конденсаторов

, С

OUT

и от емкости шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера C

19. Зависимость частотной характеристики коэффициента передачи уси-

лителя в области средних и высоких частот от параметров модели биполярно-

го транзистора: коэффициента передачи тока базы BF, барьерной емкости

коллекторного перехода CJC, времени пролета в нормальном режиме TF.

20. Что такое коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармо-

ник) усилителя, как он рассчитывается?

21. Что такое коэффициент частотных искажений усилителя? Как его оп-

ределить по амплитудно-частотной характеристике коэффициента передачи

усилителя?

22. Как зависит коэффициент нелинейных искажений усилителя от ампли-

туды входного гармонического сигнала?

23. Графоаналитический расчет режима по постоянному току трех усили-

тельных каскадов с общим эмиттером, представленных на рис. 2.5.

24. Почему усилитель с резистором в цепи эмиттера является термоста-

бильным, а каскад без резистора нет?

25. Почему первая схема на рис. 2.5 наиболее термостабильна, вторая —

средне, третья — наименее термостабильна?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Исследование усилительных каскадов на основе

полевых транзисторов

1. Цель работы

1. Закрепление материала о принципах работы усилительных каскадов на

полевых транзисторах.

2. Закрепление материала о методике выбора и обеспечения положения

точки покоя усилительных каскадов на полевых транзисторах.

3. Освоение методики построения выходных и передаточных характеристик

полевых транзисторов с помощью анализа по постоянному току (DC

Analysis) в программе MICROCAP.

4. Освоение режима анализа частотных характеристик на малом сигнале AC

ANALYSIS в программе MICROCAP, методики построения амплитудно-

и фазочастотных характеристик в различных масштабах.

5. Освоение режима анализа переходных процессов TRANSIENT в про-

грамме MICROCAP.

2. Подготовка к работе

1. Повторить основные принципы работы усилительных каскадов на поле-

вых 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,

спектрального Фурье-анализа периодических сигналов.

3. Рабочее задание

В лабораторной работе требуется выполнить графоаналитический расчет

точки покоя усилительных каскадов, а затем провести имитационное модели-

рование их работы в различных режимах с помощью программы MICROCAP-

7. Схемы исследуемых каскадов приведены на рис. 3.1, а – в. Для всех схем

(рис. 3.1, а – в) с помощью резисторов R

, R

требуется установить та-

кую точку покоя каскадов, при которой обеспечивается максимальный размах

выходного напряжения.

а) б)

в)

Рис. 3.1. Cхемы усилительных каскадов на полевых транзисторах

Исходные данные для расчета и компьютерного анализа и синтеза:

· Напряжение питания каскада: E

=15В (для всех схем).

· Сопротивление нагрузки каскада: R

LOAD

=100кОм (для схем рис. 3.1, а, б);

LOAD

=1кОм (для схемы рис. 3.1, в).

· Нижняя граничная частота усиления, определяемая по уровню

max

= : f

MIN

=100Гц.

· Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте:

M .

· В качестве транзисторов для схем на рис. 3.1, а, б взять транзистор с

управляющим p-n переходом (NJFET) с моделью $GENERIC_N

DSMAX

=0.05 Вт), для схемы на рис. 3.1, в — транзистор с изолированным

затвором и индуцированным каналом n-типа (DNMOS) c моделью $GE-

NERIC_N (P

DSMAX

=2 Вт, I

DMAX

=0.25 А).

В приведенных ниже пунктах рабочего задания содержится методика

компьютерного анализа и синтеза усилительных каскадов, опирающаяся на

теоретический материал курса «Электронные цепи и микросхемотехника».

3.1. Анализ схемы, представленной на рис. 3.1, а.

3.1.1. Графоаналитический расчет по постоянному току в режиме

DC Analysis

1. Построить с помощью схемного редактора MICROCAP схему для снятия

семейства выходных ВАХ полевого транзистора (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема для снятия выходных характеристик полевого транзистора

2. Запустить анализ по постоянному току DC. Установить пределы измене-

ния первой переменной V2 (напряжения сток-исток V

) в соответствии с

напряжением питания, второй переменной V1 (напряжения затвор-исток

) — в пределах от напряжения отсечки (параметр модели VT0) до нуля.

Причем V

=0 — это максимальное значение, V

=VT0 — минимальное.

Шаг изменения напряжения затвор-исток выбрать таким, чтобы семейство

характеристик содержало бы не менее 20 – 25 кривых зависимости тока

стока I

от напряжения сток-исток V

. Установить пределы по оси X в

окне Analysis Limits — X range несколько больше, чем диапазон изменения

первой переменной. Например, если источник в цепи стока V2 изменяется

от 0 до 15 В, то диапазон X range устанавливается 16, 0. Это необходимо

для того, чтобы впоследствии командой Scope/Label Branches можно было

подписать выходные характеристики. В позиции Y range из открывающе-

гося списка выбрать Auto. Для построения семейства выходных характе-

ристик в графе X expression указать Vds(J1), в графе Y expression — Id(J1).

3. Построить семейство выходных ВАХ полевого транзистора, нажав кнопку

RUN. При необходимости подкорректировать масштабы в параметрах ана-

лиза для более наглядного отображения семейства характеристик. Поме-

тить характеристики в семействе, выполнив команду Scope/Label Branches.

После выполнения команды, возле каждой характеристики разместится

надпись, указывающая, при каком напряжении источника V1 (напряжение

затвор-исток) она построена (рис. 3.3).

4. Дополнительно на этом же графике построить линию, ограничивающую

геометрическое место точек на плоскости I

) с допустимой рассеивае-

мой мощностью. Для этого ввести в Y expressions выражение вида

DSMAX

(J1). Максимально допустимую мощность P

DSMAX

взять равной

50 мВт. Выше этой кривой в статическом режиме транзистор находится

вне области безопасной работы, так как превышена допустимая рассеи-

ваемая мощность.

Рис. 3.3. К графоаналитическому расчету по постоянному току усилителей на полевых

транзисторах с управляющим p-n переходом

5. Построить на одном графике с выходными ВАХ нагрузочную прямую

другим цветом так, чтобы обеспечить максимальный размах выходного

напряжения при заданном напряжении питания E

. При этом координата

конца нагрузочной прямой принудительно задается напряжением питания

— это точка D c координатами (E

, 0). Вторая точка нагрузочной пря-

мой выбирается из обеспечения максимального размаха выходного на-

пряжения и наибольшего использования транзистора по току, при этом

транзистор должен находиться на пологом участке характеристики (в ре-

жиме насыщения тока стока). Очевидно, что эта вторая точка будет нахо-

диться на самой верхней характеристике семейства, соответствующей на-

пряжению V

=0 в месте начала насыщения тока стока, — это точка B (см.

рис. 3.3).

6. Найти точку пересечения нагрузочной прямой с осью токов (точка F) и

определить требуемое суммарное сопротивление в цепи стока и истока

по формуле:

АF

ВD

RRR

,0][,0

][,0

==+=

7. Определить ток стока в точке покоя I

. Очевидно, что точка покоя долж-

на находиться посередине между максимальным и минимальным значе-

ниями тока стока на выходных характеристиках. Максимальное значение

тока стока I

Dmax

достигается при напряжении V

=0, минимальное же

обычно составляет 0,1×I

DMAX

(ниже этого значения характеристики имеют

значительную нелинейность):

1,1

maxminmax DDD

III

8. Найти точку покоя каскада на месте пересечения линии нагрузки и гори-

зонтальной прямой I

(см. рис. 3.3). Определить по графику, опустив

перпендикуляр на ось напряжений, напряжение сток-исток в точке покоя

DSA

. Для этой цели можно также использовать электронный курсор в ре-

жиме Cursor Mode, включаемом нажатием <F8> (

9. Определить приближенное значение смещения на затворе в точке покоя

GSA

, используя подписанное семейство выходных характеристик (см. рис.

3.3). Здесь напряжение на затворе в точке покоя V

GSA

приближенно опре-

деляется как

98 GSGS

GSA

» . Зафиксировать в отчете приближенное

значение V

GSA

. Сохранить текущий схемный файл дважды под именами

JFET_OUT.CIR и JFET_TRAN_SMS.CIR.

10. Определить точное значение напряжения затвор-исток в точке покоя. За-

грузить в окно схемного редактора схемный файл JFET_TRAN_SMS.CIR.

В окне редактора появится схема, изображенная на рис. 3.2. Установить

величину батареи V2 равной найденному напряжению сток-исток в точке

покоя V

DSA

. Запустить DC анализ, нажав <Alt>+<F3>. Изменить параметры

анализа в открывшемся окне DC Analysis Limits:

· Установить изменение одной переменной — батареи V1 в графе Variable

1 — от порогового напряжения, взятого со знаком «–» (параметр модели

транзистора VT0), до нуля с шагом не более 0.001.

· Отключить изменение второй переменной, выбрав из открывающегося

списка Variable 2, — NONE.

· Установить флажок Auto Scale Ranges.

· Установить в графе P1 таблицы графиков: X expression — VGS(J1), Y ex-

pression — ID(J1).

Запустить анализ, нажав кнопку RUN. Наблюдать на экране сток-

затворную характеристику полевого транзистора.

Перейти в режим Cursor Mode, нажав <F8> (

). Установить один из

электронных курсоров в точку на графике, в которой ток стока равен выбран-

ному току покоя I

. Считать значение абсциссы электронного курсора, оно и

будет напряжением затвор-исток в точке покоя V

GSA

Вернуться в схемный редактор, нажав <F3>. Установить величину бата-

реи V1 равной найденному напряжению затвор-исток в точке покоя V

GSA

Включить режим Dynamic DC (<Alt>+<F4>), индикацию токов в схеме (

) и

проверить карту режимов на постоянном токе. Сохранить схему, не выгружая

ее из окна схемного редактора.

11. Определить величину резистора в цепи истока R

. Его сопротивление

должно быть таким, чтобы падение напряжения на нем от протекания тока

стока покоя I

обеспечивало бы смещение на затворе V

GSA

. Следова-

тельно, сопротивления в цепи стока и истока:

GSA

R = ;

RRR

На этом графоаналитический расчет по постоянному току рабочей точки

усилительного каскада считается законченным. На этом этапе определены со-

противления резисторов в цепи стока R

и в цепи истока R

12. Собрать схему для определения малосигнальных параметров используе-

мого транзистора в точке покоя. Для этого изменить текущую схему,

включив в цепь истока батарею с нулевым напряжением V3 (рис. 3.4). При

этом режим по постоянному току не изменится, в чем можно убедиться,

запустив режим анализа Dynamic DC (<Alt>+<4>). Включить режим Trans-

fer Function (<Alt>+<5>).

Рис. 3.4. Схема для измерения малосигнальных параметров полевого транзистора

13. Измерить дифференциальное сопротивление транзистора со стороны за-

твора r

G diff

. Для этого набрать в позиции Output Expression: IG(J1), в графе