ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

__________________________________________________________________

ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

в г. Смоленске

М.А. АМЕЛИНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Методические указания к лабораторным работам

по курсу

«КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»

Смоленск 2005

УДК

А

Утверждено учебно-методическим Советом филиала ГОУ ВПО МЭИ (ТУ) в г. Смоленске

в качестве методического указания для студентов, обучающихся по направлению 550700 «Электроника и микроэлектроника» и специальности «Промышленная электроника»

Подготовлено на кафедре промышленной электроники

Рецензент:

Канд. техн. наук, доц. филиала ГОУВПО МЭИ (ТУ) в г. Смоленске А.А. Пеньков

АМЕЛИНА М.А.

Моделирование усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Компьютерный анализ и синтез электронных устройств». — Смоленск: филиал ГОУ ВПО МЭИ (ТУ), 2005. – 56 с.

В методических указаниях содержится семестровый цикл лабораторных работ по курсу «Компьютерный анализ и синтез электронных устройств», выполняемых с помощью программы схемотехнического анализа MicroCap-7. Лабораторные работы рассчитаны на 32 часа аудиторных занятий в компьютерном классе. В процессе выполнения лабораторных работ закрепляются основные знания по компьютерному анализу и синтезу электронных устройств: вводу электронных схем с помощью графического редактора, оформлению задания на моделирование, методике проведения анализа по постоянному току, малосигнальному частотному анализу, анализу переходных процессов. В пособии подробно рассмотрен графоаналитический синтез усилительных каскадов, построенных на основе биполярных и полевых транзисторов, а также методика минимизации нелинейных искажений в них. Кроме того, большое внимание уделено синтезу частотнозависимых цепей усилителей и спектральному анализу выходных сигналов.

Методические указания предназначены для студентов, изучающих дисциплину «Компьютерный анализ и синтез электронных устройств». Кроме того, они могут быть полезны студентам этой и других специальностей в ходе изучения линейных устройств промышленной электроники.

 Московский энергетический институт, филиал в г. Смоленске, 2005 г.

Лабораторная работа № 1 Демонстрация основных возможностей программы microcap

1. Цель работы

1. Знакомство с инсталляцией и основными возможностями программы схемотехнического моделирования электронных схем MICROCAP-7(8).

2. Знакомство с основными режимами работы программы: графическим вводом схем, режимами анализа переходных процессов, малосигнальных частотных характеристик, передаточных характеристик на постоянном токе.

3. Знакомство с наиболее употребительными режимами обработки графиков: масштабированием (автоматическим и ручным), измерениями параметров сигналов, нанесением текстовых надписей.

2. Подготовка к работе

1. Изучить основные приемы работы с программой MICROCAP при создании принципиальных схем и составлении задания на моделирование по конспекту лекций и [1, c. 36–54, 72–84].

3. Рабочее задание

Лабораторная работа имеет ознакомительный характер и выполняется в начале изучения курса. В связи с этим пункты рабочего задания для этой работы будут сопровождаться краткими сведениями о программе. Для отделения пунктов рабочего задания от сведений о программной среде первые будут заключены в рамку.

3.1. Установка системы

Автором изменены изображения часто используемых компонентов электронных схем (например резисторов, индуктивностей…) в соответствии с российскими стандартами. Кроме того, дополнена библиотека электронных компонентов — в нее включены модели некоторых отечественных полупроводниковых приборов (диодов, стабилитронов, биполярных и полевых транзисторов). Поэтому, для того чтобы создаваемая электронная схема имела привычный и близкий к отечественному стандарту вид и были доступны модели российских компонентов, необходимо придерживаться порядка установки, изложенного в текстовом файле READ_ME.TXT.

3.2. Демонстрация основных возможностей

Прежде чем перейти к компьютерному анализу и синтезу электронных схем с помощью программы MICROCAP-7(8), продемонстрируем ее основные возможности на demo-файлах и простейших примерах заранее подготовленных и загружаемых с диска. После вызова программы МС7 двойным щелчком на ее пиктограмме на экране появится основное окно программы, сверху которого помещена строка системного меню, в которой размещены имена режимов File, Edit, Component, Windows, Options, Analysis, Design, Help (рис. 1.1). Ниже под этой строкой расположены панели инструментов с пиктограммами кнопок команд. Здесь и далее для удобства начинающего пользователя программы для вызова команды будут даваться 3 равноценных варианта: с помощью команды меню, горячей клавиши и кнопки панели инструментов.

Рис. 1.1. Схема амплитудного детектора для моделирования с помощью MICROCAP-7

1. Установить с помощью команды FILE/Path для файлов схем DATA путь …\MC7\DATA (необходимо для работы DEMO-примера).

2. Запустить основной демонстрационный файл программы Help/General Demo. Приостановить работу demo-примера (для чтения поясняющих сообщений на английском языке) можно с помощью нажатия клавиши <PAUSE>, возобновить воспроизведение — с помощью нажатия любой клавиши.

Ускорить показ фрагментов можно последовательным нажатием любой клавиши. Просмотреть работу demo-файла до конца и усвоить основные приемы создания и редактирования электронной схемы с помощью графического редактора и команды основных видов анализа (Transient — анализ переходных процессов, AC — малосигнальный частотный анализ, DC — анализ по постоянному току).

Можно запустить отдельные демонстрационные элементы: Help/schematic demo — для просмотра режимов редактирования схемы и Help/Analysis demo — для просмотра режимов анализа.

а) Загрузка схемы. Вначале курсором выбирается режим File. По команде New... предлагается сделать выбор:

Schematic — создание нового чертежа схемы, который заносится в файл с расширением *.CIR;

SPICE/Text — создание нового текстового файла с описанием схемы или текстового файла библиотеки математической модели компонента в формате SPICE (расширение имени *.СКТ);

Library — создание нового бинарного файла библиотек (расширение имени *.LIВ). В этом файле помещаются модели биполярных транзисторов (BJT), полевых транзисторов (JFET), МОП-транзисторов (MOSFET), арсенид-галлиевых полевых транзисторов (GaAsFET), биполярных транзисторов с изолированным затвором (IBGT), диодов (Diode), источников синусоидальных сигналов (Sinusoidal), источников импульсных сигналов (Pulse), операционных усилителей (Ораmр), линий передачи с потерями (TRN), магнитных сердечников (Core), конденсаторов (Capacitor), индуктивностей (Inductor), резисторов (Resistor), ключей, управляемых напряжением (S) и током (W).

Демонстрацию возможностей МС7 проведем на подготовленной заранее схеме, загрузив ее по команде File/Open... В открывшемся окне выбираем каталог …\MC7\Примеры, в котором находятся файлы схем, рассматриваемые в конспекте лекций и лабораторном практикуме.

На строке «Тип файлов» (Files of Type) указывается тип просматриваемых файлов:

Schematic (*.CIR) — схемы в формате МС7 (устанавливаются по умолчанию);

Macro (*.МАС) — макромодели в формате МС7;

SPICE (*.CKT; *.STM) — текстовое описание схем и сигналов в формате SPICE;

SPICE LIBRARY (*.LIB) — текстовое описание библиотек в формате SPICE;

Model Library (*.LBR) — библиотеки математических моделей в формате МС7;

Model Data (*.MDL) — параметры математических моделей отдельных компонентов в формате МС7 (эти файлы создаются с помощью программы MODEL);

Filter (*.RES, *.CAP, *.IND) — результаты синтеза фильтров;

All Files (*.*) — все файлы.

Выбираем тип файлов Schematic и затем имя файла AmplDet.CIR. В результате загружается схема, показанная на рис. 1.1.

Схема состоит из резонансного усилителя на биполярном транзисторе, настроенного на частоту 10 кГц, и последовательного амплитудного детектора. На вход усилителя подается гармонический сигнал с частотой 10 кГц и амплитудой 10 мВ (источник сигнала V1). В качестве источника питания включена батарея V2 с напряжением 5 В.

Экран на рис. 1.1 разделен на две части выбором в меню Windows команды Split Horizontal, чтобы в нижнем окне просмотреть (и при необходимости отредактировать) тексты математических моделей компонентов схемы: в данном примере источника синусоидального сигнала и биполярного транзистора. Показ номеров узлов схемы может быть включен/выключен командой Options/View/Node Numbers или нажатием на пиктограмму .

б) Вид анализа характеристик схемы указывается в меню Analysis:

Transient — анализ переходных процессов;

АС — анализ частотных характеристик на малом сигнале;

DC — анализ передаточных функций по постоянному току;

Dynamic DC — расчет режима по постоянному току и отображение на схеме узловых потенциалов, токов ветвей, рассеиваемой компонентами мощности, состояний приборов;

Transfer Function — расчет малосигнальных передаточных функций по постоянному току;

Sensitivity — расчет чувствительностей по постоянному току выходных переменных к изменению параметров схемы;

Probe Transient, AC, DC — оперативное построение графиков путем указания мышью необходимого узла или компонента.

За исключением режимов Dynamic DC и Probe этот перечень такой же, как и для известной программы PSpice [4].

Продемонстрируем основные возможности моделирования электронных схем с помощью программы, выполнив предлагаемое задание.

3. Загрузить в окно схемного редактора схему AMPLDET.Cir из каталога Примеры.

4. Отобразить номера узлов загруженной схемы, выполнив команду Options/View/Node Numbers (или нажав пиктограмму на панели инструментов).

5. Показать текстовое окно вместе со схемным окном одновременно, выполнив команду Windows /Split Vertical. Экран должен приобрести вид, показанный на рис. 1.1.

6. Вернуть отображение в исходное состояние, выполнив команду Windows/Remove splits

7. Последовательно переключиться между схемным и текстовым окном с помощью закладок Page 1, Text (или последовательного нажатия <CTRL>+ <G>).