Расчет и моделирование усилительного каскада на биполярном транзисторе

Министерство науки и образования РФ

Томский Государственный Университет Систем Управления и Радиоэлектроники

(ТУСУР)

Кафедра Электронных систем автоматизации и управления (ЭСАУ)

Курсовая работа

по дисциплине

"Схемотехника электронных средств автоматизированных систем"

"РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ"

Выполнил: студент гр. № 539 Бушуева А.О.

Принял: доцент каф. ЭСАУ Сиверцев В.Ф.

Оглавление

 

1. Введение

2. Исходные данные

3. Расчетная часть

3.1 Расчет параметров каскада по постоянному току

3.2 Расчёт режима по переменному току

3.3 Расчет обобщенных параметров усилительного каскада

3.3.1 Номинальный режим

3.2.2 Режим при максимальной обратной связи ().

3.4 Расчет конденсаторов

3.5 Проверка режима на насыщение и отсечку

4. Моделирование усилительного каскада с помощью пакета MicroCap

4.1 Проверка режима по постоянному току

4.2 Проверка нестабильности

4.3 Графики сигналов на входе и выходе каскада и спектральная диаграмма выходного сигнала

4.3.1 Номинальный режим

4.3.2 Rэ=0

4.3.3 Сэ=0

4.4 Амплитудно-частотные характеристики усилителя

4.4.1 Номинальный режим

4.4.2 Rэ=0

4.4.3 Сэ=0

4.5 Определение сопротивлений и влияние на них емкостей

4.5.1 Номинальный режим

4.5.2 Rэ=0

4.5.3 Сэ=0

5. Заключение

1. Введение

Цель работы: расчёт и компьютерное моделирование усилителя на примере усилительного каскада на биполярном транзисторе в схеме включения с общим эмиттером, получение навыков в выборе параметров, соответствующих максимальному использованию транзистора, а также приобретение навыков компьютерного моделирования электрических схем в пакете схемотехнического моделирования Micro-Cap.

 

2. Исходные данные

Электрическая схема каскада рисунок 2.1.1

Рисунок 2.1.1 Электрическая схема каскада

Параметры идеализированного транзистора, схемы и режима работы транзистора таблица 2.2.1

Таблица 2.2.1

β0	Rтр Ом	rнас Ом	Iоб мкА	Eк В	εi	RЭ1 Ом	RЭ2 Ом	RК кОм	∆T град	fmin Гц
500	2600	80	10	15	0,6	18	470	1,6	±40	100

Выберем из библиотеки пакета Micro-CAP транзистор 2Т3102Е с наиболее подходящим к заданному значением  r_Э = 0 Ом, r_б = 0 Ом. Начальные параметры режима работы транзистора и каскада возьмём из таблицы.

усилительный каскад транзистор схема

3. Расчетная часть

Получим входные и выходные характеристики выбранного транзистора и по ним определим некоторые его параметры.

Рисунок 3.1 Схема для снятия входных характеристик

Рисунок 3.2 Входные характеристики транзистора

По входным характеристикам определяем U_0бэ = 576мВ.

Рисунок 3.3 Схема для снятия выходных характеристик транзистора

Рисунок 3.4 Выходные характеристики транзистора

3.1 Расчет параметров каскада по постоянному току

,

Расчет делителя:

Принимаем номинальные значения из стандартного ряда Е24 для резисторов  и

Сопротивление делителя представляет собой параллельное соединение и , следовательно:

 

3.2 Расчёт режима по переменному току

Амплитудные значения токов и напряжений:

Примем R_н = R_к = 1600 Ом

Рассчитаем эквивалентное сопротивление нагрузки

Рассчитаем амплитудное напряжение в нагрузке:

Рассчитаем амплитудное значение тока в нагрузке:

,

 - ток делителя

 - амплитудное значение входного тока

Рассчитав основные параметры режима каскада и элементы принципиальной электрической схемы, можем составить сводную таблицу параметров режима (Таблица 3.2.1).

Таблица 3.2.1

Рабочая точка		Амплитудные параметры		Сопротивления
Параметр	Значение	Параметр	Значение	Параметр	Значение
5 мА3мА2530 Ом
10 мkА 6 мkА18 Ом
5.01 мА3.006 мА470 Ом
8 В1.5 мА488 Ом
4.56 В2.4 В1.6 kОм
0.576 В0.054В1.6 kОм
7 В0.0692 В200 кОм
3.09 В0.0152 В62 кОм
2.44 В2.454 В47328Ом
50 мкА1.46 мkА800 Ом
15 В7.46 мkА

 

3.3 Расчет обобщенных параметров усилительного каскада

3.3.1 Номинальный режим

В этом режиме включены все ёмкости и все сопротивления, т.е. это режим, в котором мы можем реально оценить, что мы получим в результате задания рассчитанных выше параметров.

Входное сопротивление усилителя:

.

Входное сопротивление каскада:

Коэффициент обратной связи:

Нестабильность :

Коэффициент усиления:

Нестабильность температуры:

Нестабильность рабочего тока:

Нестабильность усиления: при R_г= =11548 Ом

. При R_г=0

Максимальный коэффициент усиления:

КПД транзистора:

КПД каскада:

 

3.3.2 Режим без обратной связи ()

.

. При R_г=

. При R_г=0

3.2.2 Режим при максимальной обратной связи ().

. При R_г=

. При R_г=0

Рассчитав обобщенные параметры усилительного каскада для трёх случаев глубины обратной связи, можем составить сводную таблицу по этим значениям (Таблица 3.3.1).

Таблица 3.3.1 - Обобщенные параметры усилительного каскада

Параметр	Номинальный режим
11548 Ом2530 Ом247018 Ом
9283 Ом2402 Ом39718 Ом
4.56197,6
3.3 %15 %0.158 %
34.61581.71

-1.6%

(R_г=0) 9.2%

(R_г= ) -7.5%

(R_г=0) 15%

(R_г=) -0.037 %

(R_г=0) 0.86%

(Rг=)

Сопротивление Rэ = Rэ1+ Rэ2 является сопротивлением отрицательной обратной связи по постоянному току и при любых отклонениях рабочих токов ведет к уменьшению этих отклонений, то есть стабилизирует рабочую точку.

Отрицательная обратная связь по переменному току снижает усиление, поэтому ее действие в отдельном каскаде должно быть ограничено. Поэтому Rэ разбито на две части, и большая часть Rэ2 закорочена большой емкостью. Из этого следует, что для переменного тока обратная связь создается только сопротивлением Rэ1.

При увеличении Rэ1 увеличивается обратная связь, снижается уровень искажений сигнала и нестабильность усиления, но при этом снижается усиление.

Таким образом, введение обратной отрицательной связи уменьшает нелинейные искажения сигнала и уменьшает его усиление, при увеличении обратной отрицательной связи мы получаем уменьшение искажений сигнала и в то же время снижение его усиления, что можем наблюдать в приведенной выше таблице, поэтому чтобы получить качественное усиление сигнала необходимо учитывать эти факторы. Наиболее оптимальным является номинальный режим, когда получается среднее значение усиления и сравнительно небольшие искажения, которые для усилительного каскада вполне допустимы.

 

3.4 Расчет конденсаторов

Используем общую формулу для расчета конденсаторов усилительного каскада:

,

где

 - коэффициент частотных искажений конденсатора;  - минимальная частота (нижняя граничная), которая задана 100Гц;  - сумма сопротивлений справа и слева от рассматриваемого конденсатора, когда остальная часть цепи КЗ. Необходимо самостоятельно задать коэффициенты  для трех рассчитываемых. Пусть , , .

Пусть R_г = R_вх^’=11548 Ом

Принимаем номинальное значение из стандартного ряда Е6 для конденсаторов, тогда

Принимаем номинальное значение из стандартного ряда Е6 для конденсаторов, тогда

Принимаем номинальное значение из стандартного ряда Е6 для конденсаторов, тогда . Пусть R_г =0

Принимаем номинальное значение из стандартного ряда Е6 для конденсаторов, тогда

Принимаем номинальное значение из стандартного ряда Е6 для конденсаторов, тогда

 

3.5 Проверка режима на насыщение и отсечку

Нестабильность рабочей точки:

Т. е условие на отсечку выполняется:

Проверим режим на насыщение:

Условие для проверки на насыщение:

Т. е условие выполняется:

4. Моделирование усилительного каскада с помощью пакета MicroCap

Соберем принципиальную схему рассчитанного усилительного каскада на рабочем столе пакета Micro-Cap. Используем выбранный транзистор 2Т3102Е, из библиотеки данного пакета, с коэффициентом передачи по току 500. Произведем экспериментальные исследования и полученные значения параметров сравним с расчетными.

Рисунок 4.1 Схема каскада, собранная в Micro-Cap

4.1 Проверка режима по постоянному току

Рисунок 4.1.1 Напряжения в каскаде по постоянному току

Рисунок 4.1.2 Токи в каскаде по постоянному току

Составим сравнительную таблицу расчетных и экспериментальных значений (таблица 4.1.1).

Таблица 4.1.1 Расчетные и экспериментальные параметры по постоянному току

Параметр	Значение
	Экспериментальное	Расчетное
5.001 мА5 мА
12.327 мкА10 мкА
5.013 мА5.01мА
8.001 В8 В
4.553 В4.56 В
0.52 В0.576 В
6.999 В7 В
2.966 В3.02 В
2.446 В2.44 В
47.842 мкА50 мкА

По этой таблицы можно увидеть, что рассчитанные значения токов и напряжений отличаются от экспериментальных совсем незначительно. Это связано с тем, что при моделировании был выбран не заданный транзистор, а с очень схожими параметрами, а так же пакет Micro-Cap считает более точно по сложным формулам. К тому же значения резисторов выставлялись в соответствии с рядом Е24, что привело к их округлению. Тем не менее получившиеся экспериментальные параметры близки с расчетным.

Также по этим данным мы можем рассчитать статическое

Проверка нестабильности рабочей точки транзистора в температурном диапазоне (20˚±40˚).

4.2 Проверка нестабильности

Рисунок 4.2.1  в температурном диапазоне (20˚±40˚).

Расчетная: ,  

Экспериментальная:

Практическая нестабильность коэффициента на ∆Т = 80 оказалась 34%, значит, на ∆Т = 40 . Тогда нестабильность рабочего тока:

Нестабильность усиления: при R_г= =11548 Ом

. При R_г=0

_г=

. При R_г=0

.

. При R_г=

. При R_г=0

 

Проверка нестабильности рабочего тока Iok:

Расчетная:

Экспериментальная:

Рисунок 4.2.4 Iok при Т= (20˚±40˚).

Рассчитаем экспериментальную нестабильность рабочей точки по току:

mA.  на ∆Т = 80, значит, на ∆Т = 40

Это значение чуть меньше расчетного, значит, транзистор устойчивее к температуре.

Рисунок 4.3.1 Входной и выходной сигналы, спектральная характеристика.

Амплитуда в источнике: A = 0.07

Можем рассчитать коэффициент гармоник по спектральной характеристике:

Коэффициент усиления можно рассчитать как отношение амплитуды выходного к амплитуде входного сигнала:

.

Получив экспериментальные значения можно сравнить их с расчетными. Для этого составим таблицу 4.3.1

Таблица 4.3.1 Параметры сигнала

Параметр	Значение
	Расчетное	Экспериментальное
3.3%3.8%
34.637.1

Как видно из таблицы, в эксперименте получили немного больший коэффициент гармоник и большее усиление.

 

.3.2 Rэ=0

Рисунок 4.3.2 Входной и выходной сигналы, спектральная характеристика.

Амплитуда в источнике: A = =0.015

Рассчитаем коэффициент гармоник по спектральной характеристике:

Коэффициент усиления можно рассчитать как отношение амплитуды выходного к амплитуде входного сигнала:

Получив экспериментальные значения можно сравнить их с расчетными. Для этого составим таблицу 4.3.2

Таблица 4.3.2 Параметры сигнала

Параметр	Значение
	Расчетное	Экспериментальное
15%12.7%
158187.7

Экспериментальный коэффициент усиления получился больше, чем расчетный. Обратной связи нет, поэтому искажение сигнала и коэффициент  больше, чем в номинальном режиме.

4.3.3 Сэ=0

Рисунок 4.10. Входной и выходной сигналы, спектральная характеристика.

Амплитуда в источнике: A = =1.48

Рассчитаем коэффициент гармоник по спектральной характеристике:

Коэффициент усиления можно рассчитать как отношение амплитуды выходного к амплитуде входного сигнала:

Получив экспериментальные значения можно сравнить их с расчетными. Для этого составим соответствующую таблицу 4.4.

Таблица 4.4 Параметры сигнала

Параметр	Значение
	Расчетное	Экспериментальное
0.154%0.194%
1.621.7

В этом режиме работы, когда обратная связь максимальна, мы почти не получаем усиления сигнала, причем экспериментальное значение коэффициента усиления почти сходится с рассчитанным. Проведя моделирование входных и выходных сигналов и сравнивая все три режима видно, что расчетные данные не совпадают с экспериментальными, но имеют тот же характер. При Rэ=0 отрицательная обратная связь равна единице, увеличивается до максимума коэффициент усиления и возрастает коэффициент гармоник. При Сэ=0 наоборот, коэффициенты уменьшаются и минимально искажение.

4.4 Амплитудно-частотные характеристики усилителя

4.4.1 Номинальный режим

Рисунок 4.4.1 Амплитудно-частотная характеристика.

По полученному графику АЧХ можно определить некоторые параметры:

Коэффициент усиления по напряжению:

Нижняя граница полосы пропускания:

Верхняя граница полосы пропускания: МГц

Полоса пропускания: МГц

Рисунок 4.4.2 Амплитудно-частотная характеристика в температурном диапазоне Т= (-20˚-+60˚).

Экспериментальное значение нестабильности коэффициента усиления:

Экспериментальное значение при ∆Т = 80 получилось, значит при ∆Т = 40 . Расчетное значение - 1.7 Оба значения получены при R_г = 0.

4.4.2 Rэ=0

Рисунок 4.4.3 Амплитудно-частотная характеристика.

По полученному графику АЧХ можно определить некоторые параметры:

Коэффициент усиления по напряжению:

Нижняя граница полосы пропускания: Гц

Верхняя граница полосы пропускания: МГц

Полоса пропускания: МГц.

Рисунок 4.4.4 Амплитудно-частотная характеристика в температурном диапазоне Т= (-20˚-+60˚).

По этому графику сразу видно, что хотя усиление значительно выше, коэффициент нестабильности его будет больше. Рассчитаем по графику экспериментальное значение :

4.4.3 Сэ=0

Рисунок 4.4.5 Амплитудно-частотная характеристика.

По полученному графику АЧХ можно определить некоторые параметры:

Коэффициент усиления по напряжению:

Нижняя граница полосы пропускания: Гц

Верхняя граница полосы пропускания: МГц

Полоса пропускания: МГц. В этом режиме ширина полосы пропускания очень велика, но усиления каскад почти не даёт, поэтому данный режим работы каскада, когда максимальна обратная связь, не слишком приемлем для усилителя, т.к. не отвечает основной его цели - усиления.

Рисунок 4.4.6 Амплитудно-частотная характеристика в температурном диапазоне Т= (-20˚-+60˚).

Так как температурная нестабильность слишком мала, для расчета экспериментального значения нестабильности коэффициента усиления, получим увеличенное изображение показательной части графика.

Рисунок 4.4.7 Амплитудно-частотная характеристика в температурном диапазоне Т= (-20˚-+60˚) (увеличение).

Определим экспериментальное значение :

Экспериментальное значение при ∆Т = 80 получилось, значит при ∆Т = 40 . Расчетное значение - 0.0475%. Оба значения получены при R_г = 0.

Получив амплитудно-частотные характеристики транзистора, по которым определили коэффициент усиления, рассчитав его нестабильность и сравнив полученные результаты с результатами расчёта для трёх режимов видно, что экспериментальные и расчётные данные отличаются, но в большинстве случаев незначительно. Если работать в широком диапазоне температур, лучше придерживаться номинального режима работы усилительного каскада.

4.5 Определение сопротивлений и влияние на них емкостей

Сопротивления , ,  будем определять на средних частотах в режиме измерения их АЧХ.

 

4.5.1 Номинальный режим

1)      Сопротивление транзистора.

Рисунок 4.5.1 Сопротивление транзистора

Экспериментальное значение сопротивления: =2303Ом

Расчетное значение сопротивления: =2530 Ом.

2)      Входное сопротивления усилителя.

Рисунок 4.5.2 Входное сопротивление усилителя .

Экспериментальное значение сопротивления:  =9654Ом

Расчетное значение сопротивления: =11548кОм.

3)      Входное сопротивление каскада

Рисунок 4.5.3 Входное сопротивление каскада .

Экспериментальное значение сопротивления:  =8019Ом

Расчетное значение сопротивления: =9283 Ом.

По полученным результатам видно, что входные сопротивления усилителя и каскада немного отличаются от расчетных.

4.5.2 Rэ=0

1)      Сопротивление транзистора.

Рисунок 4.5.4 Сопротивление транзистора

Экспериментальное значение сопротивления: =2236 Ом

Расчетное значение сопротивления: =2530 Ом.

2) Входное сопротивления усилителя.

Рисунок 4.5.5 Входное сопротивление усилителя .

Экспериментальное значение сопротивления:  =2247Ом. Расчетное значение сопротивления: =2530 Ом.

3)      Входное сопротивление каскада

Рисунок 4.5.6 Входное сопротивление каскада .

Экспериментальное значение сопротивления:  =2145 Ом

Расчетное значение сопротивления:  =2402 Ом

4.5.3 Сэ=0

1)      Сопротивление транзистора.

Рисунок 4.5.7 Сопротивление транзистора

Экспериментальное значение сопротивления: =2303 Ом. Расчетное значение сопротивления: =2530Ом.

2)      Входное сопротивления усилителя.

Рисунок 4.5.8 Входное сопротивление усилителя .

Экспериментальное значение сопротивления:  =196.624 кОм

Расчетное значение сопротивления: =247.018 кОм.

3)      Входное сопротивление каскада

Экспериментальное значение сопротивления:  =38.147кОм

Расчетное значение сопротивления:  =39.718 кОм

По полученным графикам были определены требуемые сопротивления. Результаты экспериментального их определения получились немного отличными от расчетных.

Таблица 4.5 Результаты.

	Расчетные значения			Практические значения
	(Om)  (Om)  (Om)  (Om)  (Om) Rtr (Om)
Ном.	115488	9283	2530	9654	8019
Re1=0	2530	2402	2530	2247	2145	2236
Ce=0	247018	39718	2530	196624	38147	2442

Сравнивая значения сопротивлений, полученных в результате моделирования с расчётными видно, что результаты как и в предыдущих случаях немного отличаются, но имеют тот же характер. Сопротивление транзистора во всех режимах одинаково. Сопротивление усилителя и сопротивление каскада в режиме с Rэ1=0 уменьшаются, а в режиме с Сэ=0 увеличиваются, по сравнению с номинальным режимом.

Из полученных графиков амплитудно-частотных характеристик сопротивлений видно, что графики сопротивления транзистора при любых режимах остаются одинаковыми. Это объясняется тем, что сопротивление транзистора не зависит от конденсаторов Ср1, Ср2 и Сэ. При низких частотах сопротивление транзистора максимально, а с увеличением частоты уменьшается. Это объясняется наличием в транзисторе паразитной ёмкости , сопротивление которой на низких частотах стремится к бесконечности, а на высоких частотах - к нулю. Так как эта ёмкость очень мала, то уменьшение сопротивления транзистора с ростом частоты происходит медленно.

Сопротивление усилителя определяется сопротивлением транзистора и сопротивлением эмиттерной нагрузки, состоящей из сопротивлений Rэ1 и Rэ2, включенной в параллель с Сэ. В номинальном режиме сопротивление усилителя на низких частотах максимально, т.к. сопротивление Сэ стремится к бесконечности. С увеличением частоты сопротивление усилителя начинает уменьшаться и на низких частотах становится минимальным, что также определяется конденсатором Сэ. В режиме с Rэ1=0 сопротивление усилителя на низких частотах максимально, а с увеличением частоты уменьшается сильнее, по сравнению с номинальным режимом, потому что всё сопротивление определяется сопротивлением Сэ и сопротивлением транзистора, которое определяет ёмкость . В режиме с Сэ=0 сопротивление усилителя определяется сопротивлениями Rэ1 и Rэ2, и сопротивлением транзистора. На низких частотах оно максимально, а с увеличением частоты начинает медленно уменьшаться, так же как сопротивление транзистора. АЧХ сопротивления усилителя в этом режиме схожа с АЧХ транзистора.

Сопротивление каскада определяется сопротивлением разделительного конденсатора Ср1 и сопротивлениями делителя и усилителя, включенными параллельно. В данном случае на разных частотах сопротивление каскада зависит от конденсатора Ср1, стоящего на входе. В номинальном режиме на низких частотах сопротивление каскада максимально, а с увеличением частоты начинает резко уменьшаться и на высоких частотах достигает минимального значения. В режиме с Rэ1=0 сопротивление каскада с увеличением частоты уменьшается быстрее, по сравнению с номинальным режимом, так как определяется сопротивлением транзистора и сопротивлением делителя. В режиме с Сэ=0 сопротивление каскада уже определяется разделительным конденсатором Ср1 и включенными параллельно сопротивлениями делителя и транзистора. В этом случае сопротивление каскада уменьшается медленнее.

5. Заключение

В данной работе был произведён расчёт параметров усилительного каскада на биполярном транзисторе в схеме включения с общим эмиттером при максимальном использовании параметров транзистора и проведена проверка этих параметров с помощью компьютерного моделирования усилительного каскада в пакете схематического моделирования Micro-Cap.

В результате моделирования были получены значения параметров каскада, немного отличающиеся от рассчитанных. Это связано с тем, что при моделировании использовался не тот транзистор, для которого был произведён расчёт, а его аналог, имеющий сходные параметры. И всё-таки не смотря на это можно сказать, что результаты моделирования подтвердили результаты расчётов, потому что данные моделирования и расчётов имеют одинаковый характер.

В ходе моделирования была произведена проверка режима по постоянному току, проверка нестабильности рабочей точки транзистора в заданном температурном диапазоне. Для трёх режимов были получены графики сигналов на входе и выходе каскада; спектральная диаграмма выходного сигнала, по которой был рассчитан коэффициент гармоник; получена амплитудно-частотная характеристика усилителя, по которой был определён коэффициент усиления и границы полосы пропускания, а также нестабильность коэффициента усиления в том же температурном диапазоне; определены сопротивления транзистора, усилителя, каскада и влияние на них емкостей.

Чтобы усилитель нормально работал в заданном режиме, нужно обеспечить постоянный ток коллектора и постоянное напряжение на нем. Вследствие зависимости от температуры и других факторов, параметры усилительного элемента могут меняться, поэтому необходима стабилизация рабочей точки. Стабилизировать рабочую точку можно введением отрицательной обратной связи, которая создается резистором Rэ.

Введение ООС позволяет уменьшить нестабильность коэффициента усиления во столько же раз, во сколько снижается само усиление. Кроме того, во столько же раз уменьшаются нелинейные искажения сигнала, и расширяется полоса пропускания усилителя.

Таким образом, удалось как можно более подробно изучить не только теоретически, но и увидеть экспериментально работу усилительного каскада на БПТ в схеме с ОЭ.