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.7501 |
|
Исаков А.О. |
|
Преподаватель |
|
Боброва Ю.О. |
|
|
|||
|
|
|
|
Санкт-Петербург
2020
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.
Основные теоретические положения
Основой для построения многокаскадных схем являются отдельные одиночные каскады усиления. На рисунке 1 представлен одиночный каскад усиления на биполярном транзисторе (БПТ) по схеме с общим эмиттером
(ОЭ). В нём, как и в любом, электронном усилителе всегда можно выделить 5
основных элементов:
•источник питания;
•управляемое сопротивление;
•постоянное сопротивление;
•источник входного сигнала;
•узел выходного сигнала.
Вприведенной схеме перечисленным пяти элементам соответствуют:
источнику питания – V1, управляемому сопротивлению (Rvar) – сопротивление коллектор-эмиттер транзистора Q1, постоянному сопротивлению (Rconst) –
коллекторный резистор R1, источнику входного сигнала – генератор тока I1,
узлу выходного сигнала – вывод Uвых.
При проектировании усилительных каскадов вначале всегда производится расчёт, именно, по постоянному току (direct current),
являющийся основой для дальнейших расчетов.
Следует обратить внимание на отсутствие в схеме при начале расчета следующих элементов: генератора входного воздействия (напряжения),
разделительных конденсаторов, сопротивления нагрузки и прочих
2
сопротивлений, кроме постоянного сопротивления в цепи коллектора R1
(Rconst).
Начальным параметром для расчета усилительного каскада является параметр «рабочая точка» – это параметр, состоящий из двух величин – напряжения коллектор-эмиттер UКЭ и тока коллектора IК (точка на плоскости в координатах IК, UКЭ).
Относительно этого параметра происходит изменение выходного
сигнала (напряжения или тока) под воздействием входного (напряжения или тока).
Выбор рабочей точки усилительного каскада – это задание значения напряжения UКЭ. Если оно будет равно половине напряжения питания Uпит, то это обеспечит получение максимального размаха выходного напряжения Uвых.
Коллекторный ток маломощного усилительного каскада обычно задаётся разработчиком в диапазоне от 0,1 до 10 мА. Это значение также можно определить из характеристик самого транзистора, выбранного для усилительного каскада.
3
Обработка результатов моделирования
1. Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером
Используемый транзистор – 2N2222, напряжение питания Uпит ( КЭ = 5 В), коллекторный ток ~ 0.5 мА, тем самым мы описали нашу рабочую точку.
Рисунок 1 – Усилительный каскад по схеме с ОЭ
|
|
5В |
|
|
= |
1 |
= |
|
= 10 кОм |
|
|
|||
1 |
|
0.5мА |
|
|
|
|
|
|
|
4
Рисунок 2 – Зависимость тока коллектора от напряжения К-Э при разном токе базы
Рассмотрим усиление по току стат = ( К) транзистора на рисунке 2.
|
При |
= 0,5 мА |
= 200, тогда воспользуемся формулой |
= |
К |
|||
|
|
|||||||
|
|
|
|
стат |
стат |
|
Б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
К |
= |
0,5мА |
= 2,9 мкА |
|
|
||
|
|
|
|
|||||
Б |
стат |
172 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
Рисунок 3 – Формирование рабочей токи каскада (Uce = 5 В, Ic = 0,5 мА) за счет источника-генератора фиксированного базового тока
5
Промоделировали Dynamic DC Analysis цепи по постоянному току.
6
2. Использование резистора для задания тока базы.
Рисунок 4 – Формирование рабочей точки каскада Uce = 5 В, Ic = 0,5 мА за счет источника-генератора фиксированного базового тока из источника питания и резистора R2
Поскольку пит = 10 В и напряжение |
Б-Э БЭ = 623,7 мВ, то падение |
||||
напряжения на этом резисторе составит |
10 − 0,6237 = 9,3763 В. |
||||
Следовательно, значение сопротивления |
= |
9,3763 |
|
= 3233 МОм. |
|
2,3 10−6 |
|||||
Б |
|
|
|||
7
3. Усилитель переменного напряжения
Рисунок 5 Схема усилителя переменного напряжения с генератором тока Б задаваемым резистором 2
Подаем на вход схемы напряжение входного источника переменного
напряжения через 1.
Рисунок 6 – График входного и выходного напряжений усилителя переменного напряжения
На рисунке 6 проиллюстрирован анализ переходных процессов при
усилении переменного сигнала.
Фактическое значение = 39,897,55мВВ = 189,34 , статическая погрешность
(постоянная составляющая) составляет 5В, что соответствует заданной РТ.
8
Внутреннее сопротивление транзистора:
25 25мВ= = 0,5мА = 50 Ом
Расчетное значение коэффициента усиления:
|
= |
1 |
= |
10000 |
= 200 |
|
|
||||
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
9
4.Задание рабочей точки путём формирования значения напряжения база-эмиттер БЭ.
Рисунок 7 – Схема усилителя напряжения с задание БЭ генератором напряжения 3
В данном случае требуемые значения U и I задаются не с помощью генератора фиксированного базового тока, а за счет задания напряжения,
также обеспечивает необходимое значение Б см. рисунок 7. С помощью резистора 3 и источника постоянного напряжения 3 (установим подбором)
зададим БЭ = 623,7 мВ.
Рисунок 8 – График входного и выходного напряжений усилителя переменного напряжения
10