;doc

Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(государственный технологический университет)
Кафедра электронных приборов
Моделирование усилительного каскада на
биполярном транзисторе
Методическое пособие для выполнения курсовой работы по
дисциплине «Моделирование в электронике» для студентов
направления 210100.62 «Электроника и наноэлектроника»
Составитель: М.А. Асланов
Владикавказ, 2014
Рецензент:
Заведующий кафедрой электронных приборов, доктор
технических наук, профессор Козырев Е.Н.
Асланов Микис Арчилович
Методическое пособие для выполнения курсовой работы по
дисциплине «Моделирование в электронике». – Владикавказ:
2014. – 59 с.
Пособие предназначено для выполнения курсовой
работы по дисциплине «Моделирование в электронике».
Рекомендовано
для
студентов
направления
"Электроника и наноэлектроника" (бакалавриат).
Подготовлено кафедрой «Электронные приборы»
210100.62
-
Задание.
каскада
в
Смоделировать
схеме
схемотехнического
с
работу
общим
моделирования
транзисторного
эмиттером
Multisim
в
и
среде
собрать
каскад из реальных компонентов на макетной панели
станции NI ELVIS.
Выполнить
I.
предварительный
расчет
усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим
эмиттером.
Перед моделированием усилительного каскада в среде
Multisim необходимо провести предварительный расчет.
Усилительный каскад, собранный по схеме с общим
эмиттером, показан на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема усилительного каскада с общим
эмиттером
1
Расчет по постоянному току
Вначале необходимо знать параметры транзистора (по
заданию
преподавателя)
характеристики.
и
его
Воспользуемся
входные
схемой,
и
выходные
позволяющей
в
обычном режиме или в автоматическом (DC Sweep) получить
входные и выходные характеристики транзистора в схеме с
общим эмиттером (рисунок 2).
В схеме на рисунке выбран транзистор 2N2219 из
библиотеки
Multisim.
Помимо
входных
и
выходных
характеристик необходимо иметь значения ΔIБ, UКЭmax, IКmax,
PКmax и CК, которые можно взять из модели данного транзистора
в библиотеке программы. Можно также ввести модель любого
транзистора,
отсутствующего
в
библиотеке
и
проводить
дальнейшие действия уже с новой моделью.
Рисунок 2 - Виртуальная установка для снятия
статических ВАХ транзистора в схеме ОЭ
2
После получения характеристик следует определить hпараметры
транзистора
в
схеме
с
общим
, ℎ12э =
∆𝑈бэ
∆𝑈кэ
эмиттером
графическим методом.
ℎ11э =
∆𝑈бэ
∆𝐼б
ℎ21э =
∆𝐼к
∆𝐼б
𝑈кэ =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
𝑈кэ =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
, ℎ12э =
∆𝐼к
∆𝑈кэ
𝐼б =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
𝐼б =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
Далее необходимо произвести следующие действия.
1. Изобразить семейство выходных характеристик,
входную характеристику при UКЭ = 5В и оси для построения
переходной (IК = f(IБ)) характеристики заданного транзистора
как показано на рисунке 3.
Входная характеристика изображается повѐрнутой на 90◦
против часовой стрелки. Оси для построения передаточной
характеристики строятся в размерности, соответствующих осей
входной и выходной характеристик и на одной линии с осями
этих характеристик (пунктирные линии на рисунке 3).
3
Рисунок 3 - Расположение входной, выходных и осей
переходной характеристик при графоаналитическом методе
расчѐта
2. На выходных характеристиках нанести кривую
максимальной мощности, рассеиваемой на коллекторе PКmax
(строится на основе выражения PКmax = UКЭIК = const, например,
по зависимости IК = PКmax/UКЭ, в этом случае на оси UКЭ
произвольные значения напряжения, и для них рассчитываются
значения IК – полученные таким образом точки образуют кривую
PКmax), а также линии UКЭmax и IКmax.
Эти линии ограничивают область допустимых значений
(рисунок 4).
4
3. Выбрать значение напряжения источника питания EК в
пределах (0,7. . .0,9)UКЭmax (следует учитывать, что
EК ≈ 3UmaxВых и EК ≈ UКЭ0 + IК(RК + RЭ).
Эту величину, в дальнейшем, после выбора RК, RЭ, и
UmaxВых, следует скорректировать.
4. Из условия передачи максимальной мощности от
источника энергии к потребителю (согласованный режим)
выбрать RК ≈ RВыхТр, однако сопротивление нагрузки часто
меньше или равно сопротивлению коллектора (RН ≤ RК),
поэтому рекомендуется выбирать RК = (0,3. . .1)RВыхТр, так чтобы
его величина лежала в диапазоне RК = 0,5. . .10кОм и
обеспечивала максимум амплитуды выходного сигнала.
5. На выходных характеристиках транзистора построим
нагрузочную линию. Нагрузочная линия строится по уравнению
UКЭ = EК − IКRК, которое имеет линейный характер и является
прямой линией. Для этой линии нужно найти точки пересечения
с осями, т. е. значения этого выражения при UКЭ = 0 и IК = 0
(точки d и c соответственно):
𝑈кэ = 𝐸к
𝐼к =
𝐸к
𝑅к
5
𝐼к =0 ,
.
𝑈кэ =0
Полученные
точки
строятся
на
выходных
характеристиках транзистора и соединяются прямой линией,
которая
не
должна
пересекать
область,
ограниченную
максимальными значениями тока, напряжения и мощности
коллектора (рисунок 4).
Рисунок 4 - Построение области недопустимых значений и
нагрузочной линии на выходных характеристиках транзистора
6. Построить переходную характеристику. Для этого
необходимо отметить на оси IБ входной характеристики точки,
соответствующие токам базы, для которых приведены выходные
6
характеристики, пересекаемые нагрузочной линией. По точкам
пересечения линий, проведѐнных из выделенных точек входных
и
выходных
характеристик,
построим
переходную
характеристику (рисунок 5).
Рисунок 5 - Построение переходной характеристики
7. На переходной характеристике транзистора (с учетом входной
характеристики) выбрать линейный участок ab, в диапазоне
7
которого усилитель усиливает без искажения. На середине
участка ab нанесем рабочую точку A, соответствующую режиму
работы транзистора по постоянному току (рисунок 6).
8. По координатам рабочей точки A определим токи и
напряжения каскада в режиме покоя (постоянные составляющие
входных и выходных токов и напряжений): IБ0, IК0, UБЭ0, UКЭ0
(рисунок 6).
Рисунок 6 - Определение рабочей точки и постоянных
составляющих входных и выходных токов и напряжений
8
Расчет каскада по переменному току
По построениям, проведенным в предыдущем разделе
(рисунок 6), определить максимальные амплитуды входного и
выходных токов и напряжений (IБm, IКm, UБЭm, UКЭm). Изменение
переменной составляющей сигнала должно происходить между
точками a и b соответствующих характеристик, а нулевой
уровень переменной составляющей находится в точке A
(рабочей точке).
2. Графически показать изменение токов и напряжений
на построениях, сделанных выше, считая входное напряжение
uВх синусоидальным.
Записать
выражения,
соответствующие
полученным
зависимостям тока и напряжения от времени в следующем виде:
iБ = IБ0 +IБm sin(ωt);
uБЭ = UБЭ0 +UБЭm sin(ωt)
iК = IК0 +IКm sin(ωt);
uКЭ = UКЭ0 +UКЭm sin(ωt)
9
Расчёт параметров элементов усилителя с ОЭ
1. Рассчитать элементы цепи термостабилизации RЭ и СЭ.
- Увеличение RЭ повышает глубину отрицательной обратной
связи
во
входной
цепи
усилителя
(улучшает
термостабилизацию), с другой стороны, при этом падает КПД
усилителя из–за дополнительных потерь мощности на этом
сопротивлении.
Обычно
выбирают
величину
падения
напряжения на RЭ порядка (0,1. . .0,3)EК, что равносильно
выбору RЭ ≈ (0,05. . .0,15)RК в согласованном режиме работы
транзистора.
Используя
последнее
соотношение,
выбрать
величину RЭ.
- Для коллекторно–эмиттерной цепи усилительного каскада в
соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать
уравнение электрического состояния по постоянному току:
EК = UКЭ0 + (RК +RЭ)IК0
Используя это уравнение скорректировать выбранные ранее
значение EК и величину RК.
- Определить величину CЭ из условия RЭ = (5. . .10)XЭ, где
XЭ—емкостное сопротивление конденсатора CЭ.
Для
расчѐта
ѐмкости
конденсатора
выражением:
𝐶э =
107
,
2𝜋𝑓н 𝑅э
10
CЭ
воспользоваться
выбрав нижнюю граничную частоту равной fн=50..100Гц (для
каскада усиления звуковой частоты).
2. Для исключения шунтирующего действия делителя R1R2 на
входную цепь транзистора выбрать сопротивление RБ:
RБ = R1 || R2 = (2. . .5)RВхТр и ток делителя IД = (2. . .5)IБ0, что
повышает температурную стабильность UБ0. Исходя из этого
определить сопротивления:
R1, R2 и RБ будут равны:
𝑅1 =
𝐸к − 𝑈БЭ0
,
𝐼Д − 𝐼Б0
𝑅2 =
𝑅Б =
𝑈БЭ0 𝑅Э 𝐼К0 + 𝑈БЭ0
=
,
𝐼Д
𝐼Д
𝑅1 𝑅2
.
𝑅1 + 𝑅2
Определить емкость разделительного конденсатора CР1 из
условия
RВх = (5. . .10)XР1,
где
XР1––
емкостное
сопротивление
разделительного
конденсатора, RВх–– входное сопротивление каскада. При этом
𝐶Р1
107
≈
, мкФ
2𝜋𝑓Н 𝑅вх
а Rвх=RБ||RвхТр.
11
2.1.4 Определить параметры усилительного каскада.
1. Коэффициент усиления каскада по току Ki:
𝐾𝑖 =
𝐼вых
=𝛽
𝐼вх
2. Входное сопротивление каскада RВх:
RВх = RБ || RВхТр, если RБ >> RВхТр, то RВх ≈ RВхТр.
3. Выходное сопротивление каскада RВых:
𝑅вых =
𝑅к
≈ 𝑅К
ℎ22 𝑅к
4. Коэффициент усиления по напряжению Ku:
𝐾𝑈 = −
𝑈𝑚𝑎𝑥 Вых
𝑅К
= −𝛽
𝑈𝑚𝑎𝑥 Вх
𝑅вх
5. Коэффициент усиления по мощности Kp:
𝐾𝑃 = 𝐾𝑖 𝐾𝑈
6. Полезная выходная мощность каскада:
𝑃вых = 0,5
2
𝑈𝑚𝑎𝑥
Вых
𝑅К
7. Полная мощность, расходуемая источником питания:
2
𝑃ист = 𝐼к0 𝐸к + 𝐼Д2 𝑅1 + 𝑅2 + 𝐼Б0
𝑅1
12
8. КПД каскада:
𝜂=
𝑃вых
∙ 100%
𝑃ист
II. Смоделировать работу каскада в среде Multisim
Получить
статические
входные
характеристики
заданного транзистора (2N2219) при напряжениях на коллекторе
0В и 5В показаны на рисунке 7. С помощью курсоров
определить параметры h11(рисунок 18) и h12 (рисунок 8). По
выходным ВАХ определить параметры h21 h22 (рисунок 9).
Рисунок 7 - Статические входные характеристики транзистора
2N2219. Определение параметра h11
13
Рисунок 8 - Определение параметра h12
Рисунок 9 - Определение параметров h21 и h22
14
Нанести на хар-ки кривую предельной мощности (рисунок 10).
Рисунок 10 - Выходные характеристики транзистора 2N2219 с
ограничивающей кривой мощности
Нанести на характеристики нагрузочную прямую, как
показано на рисунке 11.
Рисунок 11 - Нагрузочная прямая на выходных ВАХ
15
По
осциллограммам
с
помощью
курсоров
определить
коэффициент усиления по напряжению (рисунок 12).
С помощью анализатора амплитудно-частотных характеристик
получить АЧХ смоделированного каскада.
Рисунок 12 - Осциллограммы входного и выходного напряжения
Показать
нелинейные
искажения
в
виде
отсечки
выходного сигнала при превышении амплитуды входного
напряжения (рисунок 13).
16
Рисунок 13 - Отсечка выходного сигнала
III. Собрать смоделированный каскад на макетной панели
лабораторной станции NI ELVIS.
Произвести анализ работы каскада при помощи приборов,
входящих в состав комплекса NI ELVIS.
IV.
Сравнить
результаты
п.III
моделирования в среде Multisim.
V Составить отчет к курсовой работе.
17
с
результатами