2.3. Методика автоматизированного проектирования резисторных каскадов усиления на биполярных транзисторах
Режим работы транзистора определяется высотой потенциального барьера эмиттерного p-n перехода, что регулируется напряжением смещения (или током базы) транзистора. Напряжение и ток в свою очередь зависят от значений сопротивлений, используемых в усилителе, и величины напряжения источника питания. Схема усилителя для расчёта по постоянному току приведена на рис. 2.10.
При вводе этой схемы использовались компоненты из следующих библиотек:
analog.slb – пассивные компоненты (R);
bipolar.slb – биполярный транзистор (Q1);
port.slb – узел с нулевым потенциалом, общий провод (AGND);
source.slb – источник постоянного напряжения (VDC).
Проверка режима работы транзистора выполняется путем расчёта переходных процессов для полученного устройства. Задание параметров моделирования представлено на рис. 2.11.
Рис. 2.10. Схема для расчёта каскада усиления
по постоянному току
Рис. 2.11. Окна выбора режима и задания
параметров моделирования
По окончании расчёта в программе Probe выполнением команды Add Traces выводится диаграмма напряжения база-эмиттер (рис. 2.12). Для этого в строке Trace Expression вводится выражение: V(Q1:b) - V(Q1:e). Установка требуемого напряжения смещения производится подбором сопротивлений резисторов R2, R3.
Рис. 2.12. Диаграмма напряжения смещения
Для расчёта АЧХ каскада усиления используется задание на моделирование, представленное на рис. 2.13. Питание всех цепей усилительного каскада осуществляется от общего источника постоянного тока V1. Для устранения паразитных междукаскадных связей Для через источник питания используется развязывающий фильтр C2R7.
Резисторы R4, R5, R6 задают требуемый ток коллектора транзистора. Для установления требуемого режима работы на базу транзистора Q1 подается напряжение смещения, получаемое на делителе напряжения R2, R3. Это уменьшает зависимость напряжения смещения от параметров транзистора. Температурная стабилизация режима осуществляется за счет использования отрицательной обратной связи по постоянному току. Напряжение отрицательной обратной связи создаётся на резисторах R5, R6.
Разделительный конденсатор С1 пропускает во входную цепь каскада только переменную составляющую напряжения источника сигнала. Разделительный конденсатор С4 выполняет аналогичную функцию по отношению к нагрузке, образуемой резистором R8. Источником входного сигнала является генератор V2 с внутренним сопротивлением R1.
При вводе схемы усилителя использовались компоненты следующих библиотек:
analog.slb – пассивные компоненты (R, C);
bipolar.slb – биполярный транзистор (Q1);
Рис. 2.13. Задание на моделирование
амплитудно-частотной характеристики
каскада усиления
port.slb – узел с нулевым потенциалом, общий провод (AGND);
source.slb – источники постоянного и синусоидального напряжений (VDC, VSIN).
Задание параметров моделирования приведено на рис. 2.14.
Расчёт АЧХ производится в диапазоне 10 Гц – 100 МГц с декадным шагом, количество точек на декаду – 101.
В результате расчёта получается АЧХ, изображённая на рис. 2.15. На графике определяются максимальное значение выходного напряжения Umax и границы полосы пропускания на уровне 0,707Umax.
Рис. 2.14. Окна выбора режима и задания
параметров моделирования
Рис. 2.15. АЧХ каскада усиления
Для исследования влияния температуры на АЧХ каскада усиления производится расчёт АЧХ при различных значениях температуры. Вариация температуры производиться по директиве Temperature в конфигурационном окне Analysis Setup (рис. 2.16). Здесь указывается список значений температуры в градусах Цельсия, для которых требуется выполнить расчёт частотных характеристик.
Рис. 2.16. Окно задания вариации температуры
На рис. 2.17 приведены АЧХ каскада усиления для температур -60 и +70 °С.
Рис. 2.17. Иллюстрация влияния температуры
на АЧХ каскада усиления
Для исследования влияния разделительного конденсатора на АЧХ каскада следует изменить ёмкость конденсатора C4. На рис. 2.18 представлена АЧХ каскада при значении ёмкости C4 0,1 мкФ. С уменьшением ёмкости полоса пропускания усилителя сужается в области нижних частот.
Рис. 2.18. АЧХ каскада усиления при уменьшении
ёмкости разделительного конденсатора
Для определения фазового сдвига между сигналами на входе и выходе, обусловленного инвертированием сигнала транзистором, производится расчёт ФЧХ. По команде Delete All Traces, очищается рабочая область программы Probe. Вывод ФЧХ осуществляется по команде Add Traces.
Эта команда раскрывает одноимённое окно. В строке Trace Expression указывается выражение P(V(C4:2)) + 180, что означает вывод значения фазы сигнала в точке установки маркера (узел соединения конденсатора С4 и резистора R8). Для удобства обработки выполнено смещение графика по вертикальной оси на 180°. В результате расчёта получается ФЧХ, представленная на рис. 2.19.
На полученном графике определяется частоты фазового сдвига, составляющие - 45° и 45°.
Убедиться в наличии фазового сдвига на исходной частоте можно, если добавить маркер, контролирующий напряжение источника сигнала VSIN. Задание на моделирование соответствует рис. 2.11. Результат моделирования представлен на рис. 2.20.
Рис. 2.19. ФЧХ каскада усиления
Рис. 2.20. Фазовое соотношение сигналов на входе
и выходе каскада усиления
Для исследования влияния нагрузки на АЧХ каскада усиления необходимо параллельно сопротивлению R8 включить конденсатор C5 ёмкостью 10 пФ (рис. 2.21).
Рис. 2.21. Задание на моделирование для
исследования влияния нагрузки на АЧХ каскада
Рис.2.22. АЧХ каскада усиления при увеличении ёмкости нагрузки
Увеличение ёмкости нагрузки приводит к уменьшению полосы пропускания в области верхних частот (рис. 2.22).
Для исследования влияния отрицательной обратной связи на АЧХ каскада следует ввести обратную связь по переменному току, изменив схему в соответствии с рис. 2.23.
При этом на резисторе R5 создаётся напряжение последовательной ООС по переменному току. Это вызывает снижение коэффициента усиления, но расширяет полосу пропускания (рис. 2.24).
Рис. 2.23. Схема для исследования влияния ООС на АЧХ каскада усиления
Рис. 2.24. АЧХ каскада усиления после
введения отрицательной обратной связи
Влияние ООС на ФЧХ каскада иллюстрирует рис. 2.25.
На полученном графике определяются значения фа-
Рис. 2.25. ФЧХ каскада усиления после введения ООС
зового сдвига на тех же частотах, которые были определены при анализе схемы, изображённой на рис. 2.21.
Введение отрицательной обратной связи существенно улучшает фазо-частотную характеристику усилительного каскада.
Для исследования влияния эмиттерной высокочастотной коррекции необходимо в усилитель, охваченный ООС (рис. 2.23), ввести цепь коррекции путём подключения конденсатора С8 к узлам эмиттер, земля (рис. 2.26).
Конденсатор C6 шунтирует резистор R5 на высоких частотах, уменьшая влияние ООС. Результат расчёта представлен на рис.27.
Проведённые выше исследования позволили выявить характер влияния нагрузки, ООС, разделительного конденсатора на АЧХ каскада, а также влияние отрицательной обратной связи на поведение фазо-частотной характеристики усилителя усиления.
Рис. 2.26. Схема для исследования влияния
эмиттерной высокочастотной коррекции
.
Рис. 2.27. АЧХ каскада с ООС и эмиттерной
высокочастотной коррекцией
Результаты анализа поведения амплитудно-частотной характеристики усилителя удобно свести в табл 2.1.
Для реализации каскада усиления с заданной АЧХ, можно взять за основу одну из ранее полученных характеристик. Далее, используя результаты табл. 1 и основные положения теории по данному вопросу, реализовать усилительный каскад, АЧХ которого имеет требуемые значения нижней и верхней граничных частот.
Таблица 2.1
Результаты автоматизированного проектирования резисторных каскадов усиления на биполярных транзисторах
Иллюстрация |
Нижняя граничная частота |
Верхняя граничная частота |
Комментарий результатов |
2.15 |
8,0447 кГц |
1,9917 МГц |
Исходные значения атрибутов элементов |
2.18 |
8,5016 кГц |
1,9917 МГц |
Уменьшение ёмкости разделительного конденсатора увеличивает нижнюю граничную частоту |
2.22 |
8,0447 кГц |
1,7205 МГц |
Увеличение ёмкости нагрузки приводит к снижению верхней граничной частоты |
2.24 |
693,857 Гц |
20,395 МГц |
Последовательная ООС расширяет рабочий диапазон частот |
2.27 |
695,957 Гц |
29,387 МГц |
Высокочастотная эмиттерная коррекция увеличивает верхнюю граничную полосу частот |