Лаба 4 / Лаба_4 (Андрей)

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра БТС

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «САПР и Конструирование МП»

Тема: Расчёт параметров и моделирование работы усилительных каскадов на биполярных транзисторах

Студент гр.7502		Дегилевич А.А.
Преподаватель		Боброва Ю.О.

Санкт-Петербург

2020

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

«РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ»

Цель работы: изучить возможности динамического анализа по постоянному току на примере расчёта параметров и моделирования работы усилительных каскадов на биполярных транзисторах по схемам с общим эмиттером (ОЭ), коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Используемое оборудование: Работа выполняется в виде компьютерной симуляции с использованием САПР MicroCap 12.

Результаты моделирования:

Соберем усилительный каскад по схеме с общим эмиттером, представленную на рисунке 1.

Рисунок 1 – Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером

Начальным параметром для расчета усилительного каскада является параметр «рабочая точка» – это параметр, состоящий из двух величин – напряжения коллектор-эмиттер U_КЭ и тока коллектора I_К.

Выберем напряжения коллектор-эмиттер равным половине напряжения питания U_пит (U_КЭ=5 В). Это обеспечит получение максимального размаха выходного напряжения U_вых.

Коллекторный ток маломощного усилительного каскада возьмем 0.5 мА (исходя из характеристик используемого транзистора 2N2222).

Поскольку R₁ = U_R1 / I_К, то при выбранном токе I_К = 0,5 мА, R₁ = 5 В / 0,5 мА = 10 кОм.

Поскольку БПТ управляется током, то при заданном напряжении перехода коллектор-эмиттер U_КЭ выбором значения тока базы I_Б всегда можно получить требуемое значение сопротивления перехода коллектор-эмиттер R_КЭ, а значит обеспечить для данного конкретного транзистора задание рабочей точки по напряжению.

Рассмотрим характеристику усиления по току β_стат = f (I_K) транзистора 2N2222 представленную на рисунке 2. Как видно при I_K = 0,5 мА β_стат = 200. Тогда, поскольку β_стат = I_K / I_Б, то I_Б = I_K / β_стат = 0,5 мА /172 = 2.9 мкА.

Рисунок 2 – Зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при разном токе базы

Промоделируем цепь по постоянному току (Dynamic DC Analysis). Результаты моделирования (рисунок 3) подтверждают правильность расчета.

Рисунок 3 – Формирование рабочей точки каскада U_ce = 5 В, I_c = 0,5 мА за счет источника – генератора фиксированного базового тока

Сформируем требуемый базовый ток из имеющегося источника напряжения питания и последовательного резистора в цепи базы. Поскольку U_пит = 10 В и напряжение база-эмиттер U_be = 623,7 мВ = 0,6237 В, то падение напряжения на этом резисторе составит 10 – 0,6237 = 9,3763 В. Следовательно, значение сопротивления базового резистора R_b = 9,3763 / 2,3·10^–6 = 3233 кОм = 3,233 МОм. На рисунке 4, где представлены результаты моделирования.

Рисунок 4 – Формирование рабочей точки каскада U_ce = 5 В, I_c = 0,5 мA за счет источника – генератора фиксированного базового тока из источника питания и резистора R₂

Подав на вход схемы напряжение входного источника переменного напряжения через разделительный конденсатор С1, получим усилитель переменного напряжения (Рисунок 5).

Рисунок 5 - Схема усилителя переменного напряжения с генератором тока I_b, задаваемым резистором R₂

Анализ переходных процессов, иллюстрирующий усиление переменного сигнала представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 – График входного (сверху) и выходного (снизу) напряжений усилителя переменного напряжения

По итогам моделирования видно, что каскад с общим эмиттером инвертирует входной сигнал и обеспечивает фактическое значение коэффициента усиления по напряжению 7.58 В / 40 мВ = 190, что соответствует диапазону типичных значений для усилительных каскадов на основе транзистора общего назначения. Постоянная составляющая выходного напряжения (постоянное значение напряжения) составляет примерно 5 В, что соответствует заданной рабочей точке.

Расчетное значение коэффициента усиления по напряжению определяется как отношение сопротивления резистора R₁ к внутреннему сопротивлению транзистора re, которое может быть найдено по формуле:

re = 25 / I_e = 25 мВ / 0,5 мA = 50 Ом.

Тогда расчетное значение коэффициента усиления:

K_U = R₁ / re = 10 000 / 50 = 200.

4.5 Существует другой способ задания рабочей точки. При его использовании требуемые значения U и I задаются не с помощью генератора фиксированного базового тока, а за счет задания напряжения, также обеспечивающего необходимое значение базового тока (рисунок 7). С помощью резистора R3 и источника постоянного напряжения V₃ задается U_be = 623,7 мВ. Значение напряжения источника V₃ найдено подбором и равно 626,7 мВ.

Рисунок 7 – Схема усилителя напряжения с заданием U_be генератором напряжения V₃

Результаты моделирования в режиме переходных процессов для рассматриваемой схемы практически идентичны результатам моделирования для предыдущей схемы и соответствуют приведенным на рисунке 6.

Исключив из схемы источник постоянного напряжения V3 и заменив его резистивным делителем (R2 и R3), создающим на своем выходе напряжение, равное 623,7 мВ, получим схему, представленную на рисунке 8.

Ток, проходящий через делитель, должен превышать базовый ток примерно в 50…100 раз, поэтому сопротивление двух последовательно включенных резисторов R_общ должно быть не более R_общ ≤ U_пит / (50…100) I_b.

Рисунок 8 – Схемы усилителя переменного напряжения с генератором напряжения

4.6 - 4.7 Преобразуем схему добавив в цепь эмиттера транзистора дополнительный резистор R₄, зашунтированный конденсатором С₂ (рисунок 9).

При достаточно большой ёмкости конденсатора С₂ на переменном токе его реактивное сопротивление мало, поэтому результирующее сопротивление также будет мало. В этом случае можно считать, что схема ведет себя с точки зрения усиления так же, как и в предыдущем случае с заземленным эмиттером, что подтверждается результатами моделирования (рисунок 10).

Рисунок 9 – Схема усилителя напряжения с RC-звеном в цепи эмиттера

Рисунок 10 – Результаты моделирования ее работы

При сравнении кривой выходного сигнала и идеального синусоидального сигнала (U_вых = 2.85 sin (2π•60t + 1,15π) + 5) видно, что выходное напряжение имеет заметные нелинейные искажения, проявляющиеся в несимметричности сигнала относительно его постоянного среднего значения. Можно добиться уменьшения уровня нелинейных искажений ценой снижения коэффициента усиления по напряжению.

4.8 Исключим из схемы конденсатор С₂ (рисунок 11). Тогда, учитывая последовательное соединение резистора R₄ с внутренним сопротивлением эмиттера транзистора Q₁ re = 25 / I_Э (I_Э ≈ I_К = 0,5 мА), т. е. re = 25 / 0,5 мА = 50 Ом, получим коэффициент усиления K_U = R₁ / (re + R₄) = 10 кОм / (50 Ом + 450 Ом) =10 / 0,5 = 20.

Рисунок 11 – Схема усилителя напряжения с отрицательной обратной связью по току за счет резистора R₄ в цепи эмиттера

Выходного сигнал U_вых, аналогично предыдущему случаю, имеет уровень постоянного напряжения 5 В, частоту 60 Гц и в отличие от него переменную составляющую 0,4 В при фазовом сдвиге, равном точно 180 º, и меньших нелинейных искажениях. K_U = 400 мВ / 10 мВ = 40, что примерно соответствует расчетному значению.

Рисунок 12 – Результаты моделирования схемы усилителя напряжения с отрицательной обратной связью по току за счет резистора R₄ в цепи эмиттера

4.9 Если увеличить сопротивление в цепи эмиттера и сделать его равным значению сопротивления в цепи коллектора (рисунок 13), то можно получить на двух выводах усилительного каскада (out_A и out_B), а именно с коллектора и эмиттера, равные, но противоположные по фазе выходные напряжения (рисунок 14), они показаны в диапазоне U_пит от 0 до 10 В.

Рисунок 13 – Схема усилителя напряжения с K_U = –1 за счет R₁ = R₄

Рисунок 14 – Напряжение с выходов out_A и out_B

На рисунке 14, а представлены результаты моделирования схемы фазорасщепителя в режиме по постоянному току. Следует отметить, что уровни постоянного напряжения на выходах out_A и out_B, полученные в результате такого моделирования, соответствуют средним значениям напряжений на этих выходах.

4.10 При уменьшении сопротивления резистора R1 (рисунок 15) происходит перемещение выходного синусоидального напряжения вверх к шине источника питания и уменьшение его амплитуды. Выходное напряжение на эмиттерном резисторе остается неизменным.

Рисунок 15 - Результаты моделирования схемы фазорасщепителя в режиме переходных процессов при различных значениях сопротивления

Важно отметить, что выходная характеристика транзистора – ток коллектора I_К практически не зависит от напряжения U_КЭ. Поэтому данную схему можно считать генератором тока.

4.11 - 4.12 Из рисунка 16 видно, что β_стат = 198,84 мкА / 1,23 мкА = 162, U_БЭ = 2,6 В – 2,0 В = 0,6 В, а из рисунка 17 следует, что выходное сопротивление R_вых = 1,26 В / 44,2 нА = 29 МОм. Это значение R_вых свидетельствует о получении высококачественного генератора тока, поскольку значение его выходного сопротивления стремится к бесконечности.

Рисунок 16 - Результаты моделирования схемы с ОК как генератора тока в режиме по постоянному току

Рисунок 17 – Зависимость значения I_К от напряжения V₁

4.13 Каскад усиления с ОБ (рисунок 18) может быть получен при подаче входного напряжения на эмиттер транзистора.

Рисунок 18 – Схема усилителя с общей базой

Коллекторный ток I_К, проходящий через коллекторный резистор R₁, даёт выходное напряжение каскада. Отрицательная полуволна входного напряжения, вызывающая увеличение коллекторного тока из-за открывания транзистора, приводит к уменьшению выходного напряжения. Положительная полуволна, вызывающая уменьшение коллекторного тока из-за закрывания транзистора – к увеличению выходного напряжения. Следовательно, каскад с ОБ не инвертирует (не меняет фазу) входного сигнала.

Рисунок 19 – Результаты моделирования схемы с ОБ при различных значениях входного напряжения V₂

График выходного напряжения (рисунок 19) подтверждает, что фазы входного и выходного напряжений совпадают. Коэффициент усиления по напряжению для схемы равен 100. Следует отметить резкий рост нелинейных искажений при увеличении значения входного напряжения свыше 25 мВ, т. е. при выходе из динамического диапазона схемы.

Вывод

В ходе данной лабораторной работы были изучены возможности динамического анализа по постоянному току на примере расчёта параметров и моделирования работы усилительных каскадов на биполярных транзисторах по схемам с общим эмиттером (ОЭ), коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). Были рассмотрены различные конфигурации схем, произведены расчёты их компонентов, рассмотрены их достоинства и недостатки.

Доказано, что схеме с ОЭ обеспечивает максимальное усиление (по напряжению, по току, т. е. по мощности), а также инвертирует сигнал.

Схема с ОК усиление идет только по току, однако за счёт сильной ООС схемы её можно использовать для согласования каскадов по сопротивлению. Так же схема не инвертирует сигнал.

Схема с ОБ дает наименьшее усиление, однако в ней не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах самый низкий.