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

Подождите немного. Документ загружается.

Input Source Name выбрать из раскрывающегося списка батарею в цепи за-

твора V1. Нажать на кнопку Calculate, в графе Input Impedance появится

искомое значение r

G diff

. Зафиксировать в отчете полученный результат.

14. Измерить дифференциальное сопротивление транзистора со стороны ис-

тока r

S diff

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

Input Source Name выбрать из раскрывающегося списка батарею в цепи

истока V3. Нажать на кнопку Calculate, в графе Input Impedance появится

искомое значение r

S diff

. Зафиксировать в отчете полученный результат.

15. Измерить дифференциальное сопротивление транзистора со стороны сто-

ка r

D diff

. Для этого набрать в позиции Output Expression: ID(J1), в графе In-

put Source Name выбрать из раскрывающегося списка батарею в цепи сто-

ка V2. Нажать на кнопку Calculate, в графе Input Impedance появится ис-

комое значение r

D diff

. Зафиксировать в отчете полученнный результат. Со-

хранить схему на диске под прежним именем JFET_TRANS_SMS.CIR.

3.1.2. Анализ схемы, представленной на рис. 3.1, а на переменном токе

для малого сигнала в режиме AC analysis

16. Задать коэффициенты частотных искажений на нижних частотах для трех

цепей каскада, содержащих конденсаторы: входной M

, выходной M

OUT

цепи стока M

— так, чтобы M

OUT

. Поскольку самой низкоом-

ной цепью является цепь истока транзистора J1, то целесообразно самый

большой коэффициент частотных искажений выбрать для этой цепи. На-

пример, для заданного результирующего коэффициента частотных иска-

жений

(

)

M можно задать следующие значения: M

=1,41;

OUT

=1,001.

17. Рассчитать величины емкостей конденсаторов C

, C

OUT

, C

для каскада

рис. 3.1, а по следующим формулам:

( )

1//2

-××××

INGdiffGMIN

MRrf

; (9)

( )

1//2

-×+×××

OUTDdiffDLOADMIN

OUT

MRrRf

; (10)

( )

1//2

-××××

SSdiffSMIN

MRrf

. (11)

18. Собрать схему усилительного каскада с общим истоком на основе полево-

го транзистора с управляющим p-n переходом (рис. 3.1, а). Обратить вни-

мание на правильный ввод номинальных значений всех рассчитанных в

предыдущих пунктах компонентов (R

, R

, C

OUT

). Проверить пра-

вильность 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

, I

). Если они

приближенно равны выбранным в пп. 7–10 значениям, то перейти к сле-

дующему пункту. В противном случае проверить правильность собранной

схемы и расчет схемы по постоянному току (R

, R

19. Запустить малосигнальный анализ по переменному току АС. Построить

амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики коэффициента

передачи по напряжению в различных масштабах по оси Y, для чего в ок-

не AC Analysis Limits сделать следующие установки:

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

· Максимальное изменение между соседними точками (Maximum Change):

0.01.

· Шаг по частоте (Frequency Step): Auto.

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

Y range — auto; масштабы по осям — логарифмический и линейный

(

); прямоугольные координаты ( ).

· 2 график (P2): Y expression — V(out)/V(in); остальные позиции устанавли-

ваются так же, как и для графика 1.

· 3 график (P3): Y expression — PH(V(out)/V(in)); остальные позиции уста-

навливаются так же, как и для графика 1.

Нажать кнопку RUN, проанализировать полученные амплитудно-

частотные и фазочастотные характеристики коэффициента передачи каскада

по напряжению. В случае если нижняя граничная частота каскада окажется

больше частоты указанной в техническом задании (f

min

), следует проверить

правильность расчета емкостей конденсаторов C

, C

OUT

, С

. В случае обнару-

жения ошибки в расчете, необходимо выйти из режима анализа, нажав <F3>,

и изменить емкости указанных конденсаторов. Если коэффициент передачи

каскада меньше единицы (его ЛАЧХ на средних частотах проходит ниже ли-

нии 0 дБ), то это означает, что каскад не обладает необходимыми усилитель-

ными свойствами. В этом случае необходимо проверить правильность ввода

значений сопротивлений резисторов и расчет каскада по постоянному току.

20.

Открыть окно Stepping. Установить увеличение входной емкости транзи-

стора J1 С

в десять раз на каждом шаге расчета от номинального значе-

ния до значения в 100 раз больше номинального. Включить многовари-

антный анализ, установив флаг YES в панели Step it. Запустить анализ,

объяснить полученные результаты. Выключить в текущей закладке многовари-

антный анализ (

Stepping

), щелкнув мышью в кружке

на панели

Step it

21. Повторить действия из пункта 20, открыв новую закладку в окне Stepping

для изменения проходной емкости транзистора C

аналогичным образом.

Запустить анализ, объяснить полученные результаты. Выключить Stepping

на используемой закладке.

22. Повторить действия из пункта 20, открыв новую закладку в окне Stepping

для изменения емкости C

. Установить список значений (LIST) для изме-

нения емкости C

0, 0.01×C

Sрасч

, 0.1×C

Sрасч

, C

Sрасч

, где C

Sрасч

— рассчитан-

ная величина емкости C

. Запустить анализ и объяснить полученные ре-

зультаты. Выключить Stepping на используемой закладке.

23. Повторить действия из пункта 20 при изменении величины сопротивления

нагрузки R

LOAD

от 1 кОм до 100 кОм при десятикратном увеличении; со-

противления в цепи стока R

от R

Dрасч

до 8×R

Dрасч

при двукратном увеличе-

нии; сопротивления в цепи истока R

от R

Sрасч

до 8×R

Sрасч

при двукратном

увеличении. R

Dрасч

и R

Sрасч

— расчетные значения сопротивлений в цепи

стока и истока. Объяснить полученные семейства графиков. В за-

ключение выключить все закладки многовариантного анализа.

3.1.3. Анализ переходных процессов в каскаде (рис. 3.1, а) в режиме

большого сигнала

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

рис. 3.1, а) равной 10 кГц, амплитуду A — равной 0.25 В, постоянную со-

ставляющую DC — равной нулю, внутреннее сопротивление RS — рав-

ным 0.001 Ом. Запустить анализ переходных процессов Transient. В окне

Transient Analysis Limits произвести следующие установки:

· Установить флажок Operating Point.

· Временной диапазон (Time Range) — 0.5 mS.

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

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

1; линейные масштабы по обеим осям (

), прямоугольные координа-

ты (

· график 2 (P2): Y expression – V(OUT), Y range – auto, остальные позиции

заполняются так же, как для графика 1.

Нажать RUN, зафиксировать полученный результат в виде графика пе-

реходного процесса. Визуально по графику выходного напряжения опреде-

лить наличие видимых нелинейных искажений. Организовать в окне Stepping

изменение амплитуды входного сигнала от 0.25 В до 1 В с двукратным увели-

чением на каждом шаге. Включить данную закладку многовариантного ана-

лиза (Stepping) и запустить анализ. Определить по графикам наличие видимых

нелинейных искажений и размах выходного сигнала, при которых они появ-

ляются. Многовариантный анализ (Stepping) в закладке не отключать перед

выполнением следующего пункта.

25. Определить спектральный состав выходного сигнала и коэффициент не-

линейных искажений спектра для разных уровней входного сигнала. Для

этого изменить установки временного диапазона (Time Range) на 0.1 ms

(один период входного сигнала). Добавить в перечень графиков функции

спектрального анализа:

· 3-ий график (P3) — Гармоники сигнала V(out): X expression — F; Y expres-

sion – HARM(V(out)), X range – 100K,0 (до 10-ой гармоники); Y range —

auto.

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

V(out): X expression – F; Y expression – THD(HARM(V(out)),10K); X

range – 100K,0 (до 10-ой гармоники); Y range — auto.

Запустить анализ, посмотреть результаты, изменить при необходимости

диапазоны по оси Y для 3-го и 4-го графиков, чтобы на каждой частоте

кратной основной (10 кГц), были видны 3 точки отсчета. Объяснить полу-

ченные результаты.

3.2. Анализ каскодной схемы усилителя,

представленной на рис. 3.1, б

3.2.1. Графоаналитический расчет по постоянному току в режиме

DC Analysis

Отметим, что соединение транзисторов по каскодной схеме (рис. 3.5)

можно рассматривать как вновь образованный полевой транзистор с соответ-

ствующими выводами затвора (G), истока (S), стока (D). В обоих транзисторах

при таком соединении протекает одинаковый ток стока I

. Таким образом,

методика графоаналитического расчета каскодного усилителя с общим сто-

ком не будет ничем отличаться от методики расчета соответствующего одно-

транзисторного усилителя с общим истоком. Следует лишь отметить, что во

избежании проблем со сходимостью алгоритма расчета по постоянному току,

абсолютная величина напряжения затвор-исток VGS вновь образованного

транзистора при проведении анализа должна быть меньше VT0 (например

-0,99×VT0£VGS£0).

26. Построить с помощью схемного редактора MICROCAP схему для снятия

семейства выходных ВАХ каскодного соединения 2-х полевых транзисто-

ров (см. рис. 3.5).

Далее выполнить пункты 1 – 15 аналогичным образом, считая выводами

затвора, истока и стока узлы, обозначенные на рис. 3.5 буквами G, S, D соот-

ветственно. Результатом должны явиться рассчитанные значения сопротивле-

ний R

, R

(см. рис. 3.1, б) и малосигнальных параметров r

G diff

, r

S diff

, r

D diff

Рис. 3.5. Схема для снятия выходных характеристик каскодной схемы

3.2.2. Анализ схемы, представленной на рис. 3.1, б на переменном токе

для малого сигнала в режиме AC analysis

27. Задать коэффициенты частотных искажений на нижних частотах для трех

цепей каскада, содержащих конденсаторы: входной M

, выходной M

OUT

цепи стока нижнего транзистора J1 M

, — так чтобы M

OUT

Поскольку самой низкоомной цепью является цепь истока транзистора J1,

то целесообразно самый большой коэффициент частотных искажений вы-

брать для этой цепи. Например, для заданного результирующего коэффи-

циента частотных искажений

M , можно задать следующие значе-

ния: M

=1,41, M

OUT

=1,001.

28. Рассчитать величины емкостей конденсаторов C

, C

OUT

, C

для каскада

на рис. 3.1, б по формулам (9)–(11).

29. Построить с помощью схемного редактора MICROCAP схему каскодного

усилителя с общим стоком (рис. 3.1, б) для малосигнального частотного

анализа AC и анализа переходных процессов TRANSIENT. Обратить вни-

мание на правильный ввод номинальных значений всех рассчитанных в

предыдущих пунктах компонентов (R

, R

, C

OUT

30. Проверить режим по постоянному току усилителя, для чего выбрать из

меню ANALYSIS режим Dynamic DC (<Alt>+<4>), включить показ токов

(

) и проверить карту напряжений и токов в схеме в точке покоя.

31. Запустить малосигнальный анализ по переменному току АС. Построить

амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики коэффициента

передачи по напряжению в различных масштабах по оси Y аналогично

тому, как это делалось в п. 19.

32. Открыть окно Stepping. Установить увеличение входной емкости транзи-

стора J1 С

в десять раз на каждом шаге расчета от номинального значе-

ния до значения в 100 раз больше номинального. Включить многовари-

антный анализ на текущей закладке, установив флажок YES на панели Step

it. Запустить анализ, объяснить полученные результаты. Выключить Step-

ping на текущей закладке, щелкнув мышью в кружке NO на панели Step it.

33. Повторить действия из пункта 32, открыв новую закладку в окне Stepping

для изменения проходной емкости транзистора J1 C

аналогичным обра-

зом. Запустить анализ, объяснить полученные результаты. Сравнить с ре-

зультатами малосигнального анализа обычного усилителя с общим исто-

ком в пп. 20, 21. Выключить Stepping на используемой закладке.

34. Повторить действия из пункта 32, открыв новую закладку в окне Stepping

для изменения емкости C

модели NJFET. В этом случае одновременно

будут меняться величины входных емкостей C

и транзистора J1 и тран-

зистора J2. Установить увеличение входной емкости транзисторов С

десять раз на каждом шаге расчета в пределах от номинального значения

до значения в 100 раз больше номинального. Запустить анализ и объяс-

нить полученные результаты. Выключить Stepping на используемой за-

кладке.

35. Повторить действия из пункта 32, открыв новую закладку в окне STEP-

PING для изменения емкости C

модели NJFET. В этом случае одновре-

менно будут меняться величины проходных емкостей C

и транзистора

J1 и транзистора J2. Установить увеличение проходной емкости транзи-

сторов С

в десять раз на каждом шаге расчета в пределах от номиналь-

ного значения до значения в 100 раз больше номинального. Запустить

анализ и объяснить полученные результаты. Выключить Stepping на ис-

пользуемой закладке.

3.2.3. Анализ переходных процессов в схеме (рис. 3.1, б) в режиме

большого сигнала

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

рис. 3.1, б) равной 10 кГц, амплитуду A равной 0.25 В, постоянную со-

ставляющую DC равной нулю, внутреннее сопротивление RS —

0.001 Ом.

Запустить анализ переходных процессов Transient. В окне Transient

Analysis Limits произвести установки, аналогичные сделанным в п. 24. Вы-

полнить действия из пп. 24 и 25 для каскодного усилителя (рис. 3.1, б). Ре-

зультаты сравнить с аналогичными результатами анализа обычного усилителя

с общим истоком. Сделать выводы.

3.3. Анализ усилителя с общим истоком на основе

МОП-транзистора (рис. 3.1, в).

3.3.1. Графоаналитический расчет по постоянному току в режиме

DC Analysis

37. Построить с помощью схемного редактора MICROCAP схему для снятия

семейства выходных ВАХ транзистора с изолированным затвором и инду-

цированным каналом n-типа DNMOS (рис. 3.6). Максимально допусти-

мую рассеиваемую мощность сток-исток транзистора P

DSmax

принять рав-

ной 2 Вт, максимально допустимый ток стока I

Dmax

принять равным

250 мA.

Рис. 3.6. Схема для снятия характеристик МОП-транзистора

38. 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

(VT0+0,5). Шаг изменения напряжения затвор-исток выбрать в пределах

0.01–0.02 В. Установить в окне Analysis Limits пределы по оси X (X range)

несколько больше чем диапазон изменения первой переменной. Напри-

мер, источник в цепи стока V2 изменяется от 0 до 15 В, а X range не-

обходимо установить 16, 0. В позиции таблицы вывода графиков Y range

выбрать Auto. Для построения семейства выходных ВАХ, в поле X expres-

sions набрать Vds(M1), в поле Y expressions — Id(M1).

39. Построить семейство выходных ВАХ МОП-транзистора, нажав кнопку

RUN. При необходимости изменить масштаб в поле Y range для более

полного заполнения графического окна характеристиками. Построить на

одном графике с семейством выходных характеристик транзистора пря-

мую линию ограничения тока покоя транзистора на уровне 0,8

DMAX

кривую ограничения тока стока по максимальной мощности, рассеиваемой

транзистором,

)1(

max

. Для этого в окне DC analysis limits необходимо

установить курсор в таблице графиков на строке зависимости Id(M1) от

Vds(M1), а затем добавить командой Add два графика в существующее

графическое окно и внести в их поля Y expressions вышеуказанные форму-

лы. Запустить анализ, нажав кнопку RUN. Получившиеся графики должны

примерно соответствовать графикам на рис. 3.7. В случае если линии ог-

раничения по току и мощности не видны в графическом окне, можно уве-

личить масштаб по оси Y (Y range). При необходимости можно также уве-

личить диапазон изменения напряжения батареи V1, подключенной к за-

твору.

Рис. 3.7. К графоаналитическому синтезу усилительного каскада на МОП-транзисторе

40. Построить на одном графике с выходными ВАХ нагрузочную прямую

другим цветом так, чтобы она не зашла в заштрихованную запрещенную

область. Подписать выходные характеристики, выполнив команду

SCOPE/Label Branches. Теперь для каждой выходной характеристики (за-

висимости I

)) видно при каком напряжении на затворе V

она снята.

Можно также выбрать сопротивление в цепи стока усилительного кас-

када R

в соответствии с заданным сопротивлением нагрузки R

LOAD

, а затем

проверить, не зашла ли нагрузочная прямая в запрещенную область. Обычно,

при заданном сопротивлении нагрузки сопротивление в цепи стока R

выби-

рается в пределах 0,1–0,2 от сопротивления нагрузки R

LOAD

, для того чтобы не

допустить снижения переменной составляющей выходного напряжения из-за

деления напряжения в выходной цепи. При этом обеспечивается выполнение

поставленной задачи: обеспечение максимального размаха переменной со-

ставляющей выходного напряжения.

41. Определить ток стока в точке покоя I

. Очевидно, он должен находиться

посередине между максимальным и минимальным значениями. Макси-

мальное возможное для рассматриваемого каскада значение тока стока I

D-

MAX

достигается в точке пересечения нагрузочной прямой с пологим участ-

ком выходной характеристики, расположенной наиболее высоко (точка B

на рис. 3.7). За минимальное значение тока стока можно взять 0,1×I

DMAX

для достижения наилучшей линейности преобразования:

1,1

maxminmax DDD

III

= .

42. Определить положение точки покоя каскада на линии нагрузки (точка A

на рис. 3.7), построив на нее перпендикуляр из точки на оси токов с орди-

натой равной току стока покоя I

. Далее можно определить значение на-

пряжения сток-исток в точке покоя V

DSA

и приближенное значение напря-

жения затвор-исток V

GSA

в точке покоя V

GSA

GS16

(см. рис. 3.7).

43. Определить точное значение напряжения затвор-исток в точке покоя V

GSA

по передаточной (сток-затворной) характеристике I

) при напряжении

между стоком и истоком равном V

DSA

44. Определить сопротивления резистивного делителя в цепи затвора R

, R

обеспечивающие смещение на затворе в точке покоя. Для этого необхо-

димо задаться суммарным сопротивлением делителя R

DIV

в диапа-

зоне сотен кОм и рассчитать значения R

и R

по формулам:

DIV

GSA

R ×=

;

DIV

GSAD

R ×

45. Измерить малосигнальные параметры МОП-транзистора в точке покоя —

дифференциальные сопротивления со стороны всех электродов (затвора,

стока, истока) так, как при выполнении пунктов 12…15 лабораторной ра-

боты.

46. На этом графоаналитический расчет по постоянному току рабочей точки

усилительного каскада на МОП-транзисторе считается законченным. На

этом этапе определены сопротивления резистора в цепи стока R

, сопро-

тивления резистивного делителя R

, R

и малосигнальные дифференци-

альные сопротивления.

3.3.2. Анализ схемы (рис. 3.1, в) на переменном токе

для малого сигнала в режиме AC analysis

47. Задать коэффициенты частотных искажений на нижних частотах для двух

цепей каскада, содержащих конденсаторы: входной M

выходной M

OUT

— так чтобы M

OUT

. Поскольку самой низкоомной

цепью является цепь стока транзистора M1 (выход усилителя), то целесо-

образно самый большой коэффициент частотных искажений выбрать для

этой цепи. Например, для заданного результирующего коэффициента час-

тотных искажений

M , можно задать следующие значения:

OUT

=1,41, M

=1,0029.

48. Рассчитать величины емкостей конденсаторов C

OUT

и C

для каскада на

рис. 3.1, в по формулам (10) и (12) соответственно:

( )

1//2

-××××

INMIN

MRRf

. (12)

49. Построить с помощью схемного редактора MICROCAP схему усилителя с

общим стоком на основе МОП-транзистора (см. рис. 3.1, в) для малосиг-

нального частотного анализа AC и анализа переходных процессов TRAN-

SIENT. Обратить внимание на правильный ввод номинальных значений

всех рассчитанных в предыдущих пунктах компонентов (R

, R

, C

OUT

50. Проверить режим по постоянному току усилителя, для чего выбрать из

меню Analysis режим Dynamic DC, включить показ токов (

) и проверить

карту напряжений и токов в схеме в точке покоя.

51. Запустить малосигнальный анализ по переменному току АС. Построить

амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики коэффициента

передачи по напряжению в различных масштабах по оси Y аналогично

тому, как это делалось в п. 19.

52. Открыть окно Stepping. Установить увеличение входной емкости транзи-

стора M1 СGS0 в десять раз на каждом шаге расчета от номинального зна-

чения до значения в 100 раз больше номинального. Включить многовари-

антный анализ, установив флажок YES на панели Step it. Запустить анализ,

объяснить полученные результаты. Выключить Stepping на текущей за-

кладке, щелкнув мышью на флажке NO.

53. Повторить действия из пункта 52, открыв новую закладку в окне Stepping

для изменения проходной емкости транзистора M1 CGD0 аналогичным

образом. Запустить анализ, объяснить полученные результаты. Выключить

Stepping на используемой закладке.

54. Повторить действия из пункта 52, открыв новую закладку в окне Stepping

для изменения сопротивления затвора RG (параметр модели MOSFET) со-

гласно следующему списку 0, 30, 300, 3000 Ом. Запустить анализ, объяс-

нить полученные результаты. Выключить Stepping на используемой за-

кладке.