Министерство образования и науки РФ

Московский государственный технический университет «МАМИ»

Кафедра «Автоматика и процессы управления»

Лабораторная работа №5

Моделирование однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе в среде «Proteus ISIS»

Преподаватель. Ефимов М.И.

Студент. Сандуляк Д.А.

Группа. 7МТ-2

Москва 2011г.

“ Моделирование однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе в среде «Proteus ISIS»".

Цель работы: Изучение программы «Proteus ISIS» для моделирования работы электронных схем на примере однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе.

Продолжительность работы – 2 часа.

Описание программы “Proteus ISIS” : Программа разработана фирмой Labсenter Electronics и предназначена для моделирования работы электронных схем на персональном компьютере. Программа позволяет моделировать как аналоговые схемы, так и цифровые, в том числе современные однокристальные микроконтроллеры.

Для набора схемы необходимо сначала кликнуть мышкой по пиктограмме «Component Mode», а затем по пиктограмме «Pick from Libraries». При этом появляется выпадающие окно библиотеки компонентов, из которого необходимо выбрать требуемый компонент. При этом надо иметь ввиду что в библиотеке имеются только компоненты зарубежного производства. Их условные графические обозначения могут несколько отличаться от принятых в России.

Для ввода УГО резистора необходимо выбрать категорию «Resistors». При этом появляется набор подкатегорий, в котором выбираем, например, подкатегорию «0,6W Metal Film». В появившемся списке выбираем нужный резистор, например, «MINRES2K4 RESISTORS 2K4 0,6W Resistors (Maplin Stock Code = M2K4)», при этом появляется его УГО. Щелкнув мышкой по пиктограмме «Ок», курсор приобретает форму карандаша. При первом щелчке мышкой появляется фантом УГО, который можно переместить с помощью мышки в нужную точку на схеме. При повторном щелчке резистор устанавливается в нужную позицию.

Для того, что бы изменить величину резистора на 2,7 кОм необходимо щелкнуть мышкой по пиктограмме и навести курсор на резистор 2,4 кОм, а затем правой кнопкой мыши вызвать контекстное меню. В контекстном меню выбрать пункт «Edit Properties» и в появившемся окне, изменить «Resistance» c 2k4 на 2k7.

Для разворота резистора необходимо в контекстном меню выбрать пункт «Rotate Clockwise» или «Rotate Anti-Clockwise».

Для настройки схемы удобно использовать так называемые «активные компоненты», параметры которых можно изменять в процессе моделирования схемы. Для установки активного подстроечного резистора необходимо сначала кликнуть мышкой по пиктограмме «Component Mode», а затем по пиктограмме «Pick from Libraries». Далее необходимо выбрать категорию «Resistors» и в окне «Keywords» набрать слово «active». В появившемся окне выбираем позицию «POT-HG ACTIVE High Granularity Interactive Potentiometer(Lin ,Log Antilog Law)» и щелкаем по кнопке «Ок», устанавливая его в нужное место.

Для ввода УГО электролитического оксидного конденсатора необходимо выбрать категорию «Capacitors». При этом появляется набор подкатегорий в котором выбираем, например, подкатегорию «Electrolytic Aluminum». В появившемся списке выбираем нужный конденсатор, например, «A700(X477M002ATE015 Capipc 7351 Digikey 399-3040-2-NP CAPAO TYPE 470uF 2V 20% SMD)».

Для того чтобы иметь возможность переключать режимы работы схемы в наборе компонентов имеются активные выключатели. Для их установки в схему выбираем категорию «Switches&Relays» и в окне «Keywords» вводим слово «active». В появившемся списке выбираем позицию «SW-SPST ACTIVE Interactive SPST Switch (Latched Action)».

Для питания электронной схемы можно использовать либо гальванические элементы, либо «идеальные источники постоянного тока». Для ввода батареи гальванических элементов необходимо сначала кликнуть мышкой по пиктограмме «Component Mode», а затем по пиктограмме «Pick from Libraries» и в окне «Keywords» набрать слово «Battery» и в появившемся списке выбрать позицию «Battery DEVICE Battery (multi-cell)». По умолчанию появляется батарея с напряжением 9В. Для изменения напряжения необходимо навести курсор на батарею и правой кнопкой мыши вызвать контекстное меню, в котором выбрать пункт «Edit Properties» и в появившемся окне изменить вольтаж на нужный.

Для исследования усилителя необходим источник переменного сигнала. Обычно используют сигнал синусоидальной формы. Для этого необходимо кликнуть мышкой по пиктограмме «Generator Mode» и в появившемся списке выбрать позицию «SINE». Курсор приобретает форму карандаша и можно установить источник синусоидального сигнала в нужное место схемы.

Для установки транзистора необходимо сначала кликнуть мышкой по пиктограмме «Component Mode», а затем по пиктограмме «Pick from Libraries» и в окне «Keywords» набрать марку транзистора, например, «BC546BP».

Для измерений напряжений необходимо установить вольтметры, кликнув по пиктограмме «Virtual Instrument Mode», затем выбрать «DC VOLTMETR» для измерения постоянного напряжения и «AC VOLTMETR» для измерения переменного напряжения. Для измерения переменного тока необходимо выбрать «AC AMMETR». Для изменения предела измерения вольтметра с вольт на милливольты или микровольты необходимо навести курсор на вольтметр и правой кнопкой мыши вызвать контекстное меню, в котором выбрать пункт «Edit Properties».В появившемся окне в позиции «Display Range» выбрать необходимый диапазон измерения. Аналогично изменяется диапазон измерения у амперметра.

Наиболее наглядно электрические сигналы можно наблюдать с помощью осциллографа. Для его установки необходимо выбрать «ODCILLOSCOPE». Осциллограф имеет четыре канала: A, B, C, D. Сигнал поступающий на канал А отображается желтым цветом, на канал B – синим, на канал С - красным, на канал D – зеленым. Сигналы измеряются осциллографом всегда относительно общей точки схемы, поэтому в схему необходимо добавить УГО «земля» - . Для этого необходимо кликнуть мышкой по пиктограмме «TERMINALS MODE» и выбрать компонент «GROUND».

Теперь все компоненты установлены, и необходимо соединить их в соответствии со схемой. Для этого необходимо кликнуть по пиктограмме «2D Graphics Line Mode», при этом курсор приобретает вид карандаша, которым можно будет соединить элементы схемы.

Описание схемы однокаскадного усилителя :

Собранная схема однокаскадного усилителя представлена на рисунке 4.

Рисунок 4

Резистор в цепи коллектора R2 ограничивает максимальный ток коллектора и выбирается в соответствии с параметрами транзистора BC546BP. Резистор R1 и подстроечный резистор RV1 необходимы для установки начального положения рабочей точки усилительного каскада. Резисторы R3 и R4 выполняют функцию отрицательной обратной связи. Резистор R5 выполняет функцию нагрузки усилительного каскада. Конденсаторы С1 иС3 являются разделительными и предназначены для пропускания только переменной составляющей сигнала. Конденсатор С2 предназначен для шунтирования резисторов R3 и R4. Благодаря этому конденсатору большая часть переменной составляющей сигнала проходит через конденсатор, что позволяет повысить коэффициент усиления, не ухудшая качественные параметры усилительного каскада.

Настройка начального положения рабочей точки усилителя :

Обычно настройка усилителя производиться без подачи на вход переменного сигнала. Поэтому выключатель на входе схемы должен быть разомкнут. Биполярный транзистор усиливает электрические сигналы только в том случае, когда его эмиттерный переход включен в прямом (проводящем) направлении, а коллекторный в обратном (непроводящем). В этом случае напряжение между базой и эмиттером должно составлять 0,6 - 0,74 В, а напряжение на коллекторе может быть найдено в первом приближении по формуле .

Поэтому необходимо изменять положение подстроечного резистора RV1 так чтобы на коллекторе было напряжение примерно 7В. После этого необходимо проверить величину напряжения между базой и эмиттером.

Исследование амплитудной характеристики усилителя :

Частота входного сигнала постоянна f = 1000Гц

Начальное значение входного напряжения всегда U_вх =0 вольт. В этом случае напряжение на выходе U_вых определяет собственные шумы усилителя U_вых = U_щума. Это значение выходного напряжения получают при разомкнутом входе.

Следующие значение входного напряжения для обычных усилителей низкой частоты (НЧ): 10 мкВ, 20мкВ, 50мкВ, 100мкВ, 200мкВ и т.д.

Для усилителей высшего качества (Hi-End) следующие значения входного напряжения: 1 мкВ, 2мкВ, 5 мкВ, 10 мкВ, 20мкВ, 50мкВ ит.д.

Входное напряжение увеличивают до тех пор, пока коэффициент усиления K_U не станет в два раза меньше того значения KU, которое соответствует среднему значению линейного участка амплитудной характеристики.

Исследование амплитудно-частотной характеристики усилителя.

Величина входного напряжения U_вх остается постоянной.

Величина входного напряжения U_вх выбирается на основе предварительного анализа амплитудной характеристике, примерно на середине линейного участка.

Для обычных усилителей низкой частоты (НЧ) начальное значение частоты от 10 герц.

Для усилителей высшего качества (Hi-End) начальное значение частоты от 1 герца.

Частоту увеличивать до тех пор, пока U_вых станет примерно в два раза меньше чем U_вых на частоте 1 кГц

I_{к мах} = 50 +10 N_вар = 50 + 140 = 190мА

U_{кэ мах} = 10 +5 N_вар = 10 + 5*14 = 80мВ

Результаты исследования по пунктам 2;5;8 записать в таблицы по следующей форме

Uвх	0 мВ	1мВ	2 мВ	5 мВ	10 мВ	20 мВ	50 мВ	100 мВ	200 мВ
Uвых	36,6мкВ	0,19 В	0,39 В	0,98 В	1,93 В	3,85 В	9,38	16,8 В	21,9 В
Ku	___	190	185	196	193	193	188	168	109,5

П

= 20 lg 21900000/36.6 = 115.5 db

о результатам построить график и определить динамический диапазон (сигнал – шум) в децибелах(db) по формуле:

Амплитудная характеристика усилителя

Результаты исследования по пунктам 3;6;9 записать в таблицы по следующей форме

U_вх = 10 мВ

частота	10 Гц	20 Гц	50 Гц	100 Гц	200 Гц	500 Гц	1 кГц	2 кГц	5 кГц
Uвых	76,2мВ	149 мВ	366мВ	698 мВ	1,19 В	1,76 В	1,93В	1,93 В	1,92 В
Ku	7,62	14,9	36,6	69,8	119	176	193	193	192

По результатам построить график и определить полосу пропускания, задав ширину допустимой вариации в 3 db, что будет соответствовать 0,707 K_max

Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Полоса пропускания находится в пределах от 340 Гц до 8,5*10⁴ Гц

При глубокой обратной связи

Uвх	0 мВ	1мВ	2 мВ	5 мВ	10 мВ	20 мВ	50 мВ	100 мВ	200 мВ
Uвых	36,6мкВ	10 мВ	20 мВ	50 мВ	110 мВ	220 мВ	490мВ	840 мВ	1,5 В
Ku	___	190	185	196	193	193	188	168	109,5

Uвх	500 мВ	1В	5В
Uвых	3,65В	7 В	20 В
Ku	___	190	185

Амплитудная характеристика усилителя

U_вх = 3 В (середина участка прямой пропорциональности амплитудной характеристики)

частота	10 Гц	20 Гц	50 Гц	100 Гц	200 Гц	500 Гц	1 кГц	2 кГц	5 кГц
Uвых	7В	12В	18В	19 мВ	19, 2 В	19,1 В	19,3В	19 В	19,2 В
Ku	7,62	14,9	36,6	69,8	119	176	193	193	192

частота	10 кГц	20 кГц	50 кГц	100 кГц	200 кГц	500 кГц	1 кГц
Uвых	19	19,1В	19,2В	18 мВ	17, 9В	17 В	14В
Ku	7,62	14,9	36,6	69,8	119	176	193

Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Полоса пропускания находится в пределах от 20 Гц до 9*10⁵ Гц

При отсутствии обратной связи

Uвх	0 мВ	1мВ	2 мВ	5 мВ	10 мВ	20 мВ	50 мВ	100 мВ	200 мВ
Uвых	68,6мкВ	137мкВ	341 мкВ	671 мкВ	1,27 мВ	6,09 мВ	6.7В	22В	26 В
Ku	___	0,137	0,17	0,134	0,127	0,3	134	220	130

Uвх	500 мВ	1В
Uвых	26В	26В
Ku	52	26

Амплитудная характеристика усилителя