Ñîçäàíèå àíàëîãîâûõ PSPICE

софт
(Ïðîäîëæåíèå. Íà÷àëî — ¹2—8/2001)
ìåíÿÿ, òîê áàçû îò 0,1 äî 10 ìÀ, ïðîñ÷èòàåì, êàê áóäåò èçìåíÿòüñÿ íàïðÿæåíèå íà áàçå UB è êîëëåêòîðå UC
(ðèñ. 29). Âîñïîëüçóåìñÿ äëÿ ýòîãî âîçìîæíîñòÿìè äèðåêòèâ .DC. Òåêñò çàäàíèÿ íà ìîäåëèðîâàíèå (Ïðîãðàììà-5)
âêëþ÷àåò â ñåáÿ äâà çàäàíèÿ, ñëåäóþùèõ äðóã çà äðóãîì, äëÿ òðàíçèñòîðà
ÊÒ315À è òðàíçèñòîðà ÊÒ312À. Èç ãðàôèêîâ âèäíî, ÷òî òðàíçèñòîð ÊÒ315À
îáëàäàåò íåïëîõèìè õàðàêòåðèñòèêàìè
â ðåæèìå íàñûùåíèÿ: ïðè òîêå 20 ìÀ
íàïðÿæåíèå íà êîëëåêòîðå ñîñòàâëÿåò
Ñîçäàíèå àíàëîãîâûõ
PSPICE-ìîäåëåé ðàäèîýëåìåíòîâ
2
IB
0...0,4 mA
0
VC
–1 V...+9 V
0
0
ïÿòè çíà÷åíèé òîêà áàçû IB, èçìåíÿþùåãîñÿ â ïðåäåëàõ 0…0,4 ìÀ ñ øàãîì
0,08 ìÀ.
Âûõîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà — ýòî çàâèñèìîñòü òîêà êîëëåêòîðà òðàíçèñòîðà
îò íàïðÿæåíèÿ íà êîëëåêòîðå. Ïðè âàðèàöèè òîêà áàçû êðèâàÿ áóäåò õàðàêòåðíûì îáðàçîì èçìåíÿòüñÿ, îáðàçóÿ ñåìåéñòâî âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê. Ðàñ÷åò
ïðîâåäåí äëÿ òðàíçèñòîðà ÊÒ315À
(ðèñ. 26) è èäåàëüíîãî òðàíçèñòîðà ñ ïàðàìåòðàìè ïî óìîë÷àíèþ (ðèñ. 27). Çàäàíèå íà ìîäåëèðîâàíèå (Ïðîãðàììà-4)
â òåêñòîâîì âèäå âûãëÿäèò óäèâèòåëüíî
ïðîñòî. Äëÿ òîãî ÷òîáû ïðîèçâåñòè ðàñ÷åò ÂÀÕ äëÿ èäåàëüíîãî òðàíçèñòîðà, â
ïðîãðàììå íåîáõîäèìî óáðàòü çâåçäî÷IC (q1), (mA)
Ib = 0,4 мА
KT315A
20
IB = 0.24 mA
20
Ib = 0,32 мА
IB = 0.8 mA
IB = 0 mA
0
1.0
Ib = 0,16 мА
–2
0
2
4
6
8
10
êó “*” ïåðåä ñòðî÷êîé * Q1 1
2 0
IDEAL è äîáàâèòü ïåðåä ñòðî÷êîé ( Q1
1 2 0 KT315A ).
Õàðàêòåðèñòèêè íàñûùåíèÿ ìîäåëè áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà
Ïðè ïîñòðîåíèè êëþ÷åâûõ ñõåì
âàæíî çíàòü õàðàêòåðèñòèêè ðåæèìà
íàñûùåíèÿ òðàíçèñòîðà. Ïîñòðîèì
çàâèñèìîñòü íàïðÿæåíèÿ íàñûùåíèÿ
êîëëåêòîðà è áàçû ìîäåëåé áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ ÊÒ315À è ÊÒ312À îò
èõ òîêîâ.
Äëÿ íà÷àëà ïðèâåäåì èõ äàííûå èç
ñïðàâî÷íèêà.
Íàïðÿæåíèå íàñûùåíèÿ êîëëåêòîðýìèòòåð ïðè Iê=20 ìÀ, Iá=2 ìÀ ñîñòàâëÿåò íå áîëåå 0,8  äëÿ ÊÒ312À è 0,4 Â
äëÿ ÊÒ315À.
Íàïðÿæåíèå íàñûùåíèÿ áàçà-ýìèòòåð
ïðè Iê=20 ìÀ, Iá=2 ìÀ ñîñòàâëÿåò íå áîëåå 1,1  äëÿ ÊÒ312À è 1,1  äëÿ ÊÒ315À.
Èñïîëüçóÿ ñõåìó èçìåðåíèÿ (ðèñ. 28),
çàäàäèìñÿ îòíîøåíèåì òîêà êîëëåêòîðà ê òîêó áàçû ðàâíûì 10, èñïîëüçóÿ
äëÿ ýòîãî çàâèñèìûé èñòî÷íèê òîêà óïðàâëÿåìûé òîêîì F1 ñ êîýôôèöèåíòîì
ïåðåäà÷è 0,1. Óïðàâëÿþùèì áóäåò òîê
÷åðåç èñòî÷íèê íàïðÿæåíèÿ V1 ñ íóëåâûì íàïðÿæåíèåì (ýòî òðåáîâàíèå
PSPICE). Âàðüèðóÿ òîê èñòî÷íèêà I1 â
äèàïàçîíå îò 1 äî 100 ìÀ, à, çíà÷èò
2
F1 = 0.1 * I (V1)
1
V1
0Vdc
3
UC (Q1)
Q1
KT315A
Ib = 0,08 мА
Ib = 0 мА
0
0
–10
–2
0
2
4
6
8
VC, (V)
Ðèñ. 26. Âûõîäíûå ÂÀÕ òðàíçèñòîðà
ÊÒ315À
10
A
T315
VB K
–10
Ib = 0,24 мА
10
VB (Q1), VC (Q1), VB (Q2), VC (Q2)
1.5
IB = 0.16 mA
Ðèñ. 27. Âûõîäíûå ÂÀÕ èäåàëüíîãî
òðàíçèñòîðà
IC
Ðèñ. 25. Ñõåìà èçìåðåíèÿ âûõîäíûõ
âîëüòàìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê
òðàíçèñòîðà ÊÒ315À
30
IB = 0.32 mA
VC, (V)
K
Q1
KT315A
E
B
IB = 0.4 mA
40
KT
31
2A
Âûõîäíûå âîëüòàìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà
Ïîñòðîèì ñåìåéñòâî âûõîäíûõ âîëüòàìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê áèïîëÿðíîãî
òðàíçèñòîðà ñòðóêòóðû n-p-n, âêëþ÷åííîãî â ñõåìå èçìåðåíèÿ (ðèñ. 25) ïî
ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì. Èñïîëüçóÿ
âîçìîæíîñòè äèðåêòèâû .DC (ìíîãîâàðèàíòíûé ðàñ÷åò ðåæèìà ïî ïîñòîÿííîìó òîêó) ÿçûêà PSPICE, ïîäàäèì ëèíåéíî èçìåíÿþùååñÿ â äèàïàçîíå îò –1 äî
9  íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà VC êîëëåêòîðíîãî íàïðÿæåíèÿ òðàíçèñòîðà äëÿ
1
IC (q1), (mA)
60
VB
Òåñòèðîâàíèå
áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ
UC (Q1)
0
I1
1...100 mA
0
Ðèñ. 28. Ñõåìà èçìåðåíèÿ íàïðÿæåíèÿ
íàñûùåíèÿ áàçû è êîëëåêòîðà
áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà ñòðóêòóðû n-p-n
0.5
VC
3
KT
12
VC
A
KT
31
5A
0
0
20
40
60
80
100
I1, (mA)
Ðèñ. 29. Çàâèñèìîñòü íàïðÿæåíèÿ
íàñûùåíèÿ áàçû è êîëëåêòîðà
òðàíçèñòîðîâ Q1 ÊÒ315À è Q2 ÊÒ312À
îò òîêà
âñåãî 250 ìÂ. Òàêèì îáðàçîì, åãî ìîæíî èñïîëüçîâàòü äëÿ óïðàâëåíèÿ ðåëå
èëè ñâåòîäèîäîì, è ïðè ýòîì íà íåì
áóäåò ðàññåèâàòüñÿ íåáîëüøàÿ ìîùíîñòü. Íåñêîëüêî âåëèêî íàïðÿæåíèå íà
áàçå, íî áàçîâûé òîê íà ïîðÿäîê ìåíüøå, ñîîòâåòñòâåííî ãîðàçäî ìåíüøèì
áóäåò åãî âêëàä â ðàñõîä ìîùíîñòè.
Âûáèðàÿ òðàíçèñòîð ñ áîëåå âûñîêèì
óñèëåíèåì, ìîæíî óìåíüøèòü áàçîâûé
òîê ïðè ñîõðàíåíèè ðåæèìà íàñûùåíèÿ. Ýòî ìîæåò ñóùåñòâåííî óïðîñòèòü
ðàäèîëþáèòåëüñêóþ êîíñòðóêöèþ, åñëè
òðåáóåòñÿ, íàïðèìåð, ñîãëàñîâàòü âûõîä ÊÌÎÏ ìèêðîñõåìû ñ ìîùíîé íàãðóçêîé.
Ãîðàçäî õóæå â ðåæèìå íàñûùåíèÿ
ðàáîòàåò ìîäåëü òðàíçèñòîðà ÊÒ312À.
×àñòîòíûå õàðàêòåðèñòèêè
áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà
 êà÷åñòâå ïðèìåðà ñïîñîáà îöåíêè
÷àñòîòíûõ ñâîéñòâ ìîäåëåé òðàíçèñòîðîâ, ïîñòðîèì ñåìåéñòâî ÷àñòîòíûõ
õàðàêòåðèñòèê òðàíçèñòîðà ÊÒ315À ïðè
÷åòûðåõ çíà÷åíèÿõ òîêà êîëëåêòîðà.
Ñõåìà èçìåðåíèÿ ïîêàçàíà íà ðèñ. 30.
Äëÿ ýòîãî èñïîëüçóåì ñîâìåñòíûå âîçìîæíîñòè äèðåêòèâ .ÀÑ (ðàñ÷åò À×Õ) è
.STEP (ìíîãîâàðèàíòíûé àíàëèç), ñîñòàâèì çàäàíèå íà ìîäåëèðîâàíèå
(Ïðîãðàììà-6) è ðàññ÷èòàåì IB(Q1) è
IC(Q1).
Ïîñëå âûïîëíåíèÿ ìîäåëèðîâàíèÿ
ñðàâíèì ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû (ðèñ.
31) ñ äàííûìè ñïðàâî÷íèêîâ [4, 5]. Äëÿ
ýòîãî ïîñòóïèì ñëåäóþùèì îáðàçîì.
софт
1 IC
Ïðîãðàììà–4
2 IB
IB
VC
10 V
I1
0
0
0
i = 100 мкА
F = 10 кГц...1 ГГц
I0 = 21.8 мкА
0
Ðèñ. 30. Ñõåìà èçìåðåíèÿ ìîäóëÿ
êîýôôèöåíòà óñèëåíèÿ ïî ïåðåìåííîìó
ïî òîêó áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà
80
IC (Q1) / IB (Q1)
IK = 5 мкА
h21Э = 7
60
100 мГц
UK = 10 V
IБ = 21,8 мкА
h21Э = 0,3
40
Ïðîãðàììà – 5 .
IK = 1 мкА
IK = 0,07 мкА
h21Э = 2.6
20
h21Э = 0,14
IK = 0,015 мкА
0
0,01
0,1
1,0
10
100
1000
Frequency, (MHz)
Ðèñ. 31. Ãðàôèê ìîäóëÿ êîýôôèöåíòà
óñèëåíèÿ ïî òîêó ÊÒ315À
Ãðàôè÷åñêèé ïîñòïðîöåññîð ïðîãðàìì
ìîäåëèðîâàíèÿ ïîçâîëÿåò ïðîèçâîäèòü
ìàòåìàòè÷åñêèå îïåðàöèè íàä ãðàôèêàìè. Âîñïîëüçóåìñÿ ýòèì è ïîñòðîèì ãðàôèê îòíîøåíèÿ òîêà êîëëåêòîðà IC(Q1)
ê òîêó áàçû IB(Q1).  èòîãå ìû ïîëó÷èì
÷àñòîòíóþ õàðàêòåðèñòèêó ìîäóëÿ êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è òðàíçèñòîðà ïî òîêó
ïðè ðàçëè÷íûõ òîêàõ êîëëåêòîðà. Ïîëüçóÿñü ðåæèìîì êóðñîðíûõ èçìåðåíèé, îïðåäåëèì ìîäóëü êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ïî òîêó íà ÷àñòîòå 100 ÌÃö. Äëÿ âñåõ
âàðèàíòîâ öèôðû óêàçàíû íà ãðàôèêàõ.
Ñâåðèâ ýòè öèôðû ñî ñïðàâî÷íèêîì, óâèäèì, ÷òî ïðåäëîæåííàÿ ìîäåëü òðàíçèñòîðà ÊÒ315À, ñ ó÷åòîì ðàçáðîñà, áëèçêà ê ðåàëüíîñòè, ïî ñïðàâî÷íèêó: Ki=2,5
ïðè Iê=1 ìÀ, Uê=10 Â. Íàëèöî òàêæå çàâèñèìîñòü ÷àñòîòíûõ ñâîéñòâ òðàíçèñòîðà îò òîêà êîëëåêòîðà, ÷òî òîæå ñîãëàñóåòñÿ ñ òåîðèåé è ñî ñïðàâî÷íèêàìè.
Îëåã Ïåòðàêîâ
petrakov@mtu-net.ru
Ïðîäîëæåíèå ñëåäóåò
KT315A.cir Âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè n-p-n òðàíçèñòîðà ÊÒ315À.
.OPTIONS RELTOL 0.00001 ; îòíîñèòåëüíàÿ òî÷íîñòü âû÷èñëåíèé.
.probe IC(Q1) ; äèðåêòèâà ïðåäïèñûâàþùàÿ âûâåñòè îñöèëëîãðàììó òîêà
* êîëëåêòîðà òðàíçèñòîðà Q1 ñ ïîìîùüþ ãðàôè÷åñêîãî ïîñòïðîöåññîðà.
VC 1 0 DC 9V ; Ïèòàíèå êîëëåêòîðà.
IB 0 2 DC 0.4m ; Ïèòàíèå áàçû.
*
.DC VC -2v 9v 0.01v IB 0m 0.4m 0.08m ; äèðåêòèâà çàäàåò ðàñ÷åò çàâèñèìîñòè
* òîêà êîë ë åêòîðà, IC(Q1), ïðè èçìåíåíèè íàïðÿ æåíèÿ íà êîë ë åêòîðå, VC ,
* â äèàïàçîíå (-2…9) ñ øàãîì 0.01 äëÿ ïÿòè çíà÷åíèé òîêà áàçû IB, êîòîðûé * ìåíÿåòñÿ
â äèàïàçîíå ( 0…0,4) ìÀ ñ øàãîì 0,08 ìÀ.
*
*
C B E
Q1 1 2 0 KT315A ; Ïîäêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà ÊÒ315À â ñõåìó.
* Q1 1 2 0 IDEAL ; Ïîäêëþ÷åíèå èäåàëüíîãî òðàíçèñòîðà â ñõåìó.
*
.model KT315A NPN (Is=23.68f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=60 Bf=108 Ne=1.206
+
Ise=23.68f Ikf=.1224 Xtb=1.5 Br=4.387G Nc=1.8 Isc=900p
+
Ikr=20m Rc=5 Cjc=7p Mjc=.333 Vjc=.7 Fc=.5 Cje=10p
+
Mje=.333 Vje=.7 Tr=130.5n Tf=0.1n Itf=40m Vtf=80 Xtf=1.1 Rb=10)
.model IDEAL NPN ; Ìîäåëü èäåàëüíîãî òðàíçèñòîðà.
.END
QSAT.cir - Õàðàêòåðèñòèêè íàñûùåíèÿ ÊÒ315À è ÊÒ312À.
.OPTIONS RELTOL=.0001
.DC I1 1m 100m 1m
.PROBE VC(Q1) VB(Q1)
I1 0 1
F1 0 2 V1 .1
V1 1 3
* Ñ B E
Q1 3 2 0 KT315A
*
.model KT315A NPN( Is=23.68f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=60 Bf=108 Ne=1.206
+ Ise=23.68f Ikf=.1224 Xtb=1.5 Br=4.387G Nc=1.8 Isc=900p Ikr=20m
+ Rc=10 Rb=30 Cjc=7p Mjc=.333 Vjc=.7 Fc=.5 Cje=10p Mje=.333 Vje=.7 Tr=130.5n
+ Tf=1n Itf=40m Vtf=80 Xtf=1.1 TRE1=1 TRB1=1 TRM1=1 TRC1=1 )
.END
*
.OPTIONS RELTOL=.0001
.DC I1 1m 50m 1m
.PROBE VC(Q2) VB(Q2)
I1 0 1
F1 0 2 V1 .1
V1 1 3
* Ñ B E
Q2 3 2 0 KT312A
*
.model KT312A NPN (Is=21f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=126.2 Bf=86.76 Ne=1.328
+ Ise=189f Ikf=.164 Nk=.5 Xtb=1.5 Br=1 Nc=1.385 Isc=66.74p Ikr=1.812
+ Rc=15 Rb=150 Cjc=8p Mjc=.29 Vjc=.692 Fc=.5 Cje=26.53p Mje=.333
+ Vje=.75 Tr=10n Tf=1.743n Itf=1)
.END
Ïðîãðàììà – 6.
dinamic.cir
.LIB C:\Userlib\BJT_rus.lib ; äèðåêòèâà óêàçûâàåò áèáëèîòåêó ìîäåëåé òðàíçèñòîðîâ.
.PROBE IC(Q1) IB(Q1); âûçîâ ãðàôè÷åñêîãî ïîñòïðîöåññîðà.
. AC DEC 100 10K 1000MEG ; ðàc÷èòàòü 100 òî÷åê À×Õ ïðè èçìåíåíèè ÷àñòîòû îò
* 10êÃö äî 1000ìÃö.
.STEP I_I1 LIST 5u 21.8u 95u ; âàðèàöèè òîêà áàçû çàäàííûå ñïèñêîì.
VC 1 0 DC 10V; ïèòàíèå êîëëåêòîðà.
I_I1 0 2 DC 0Adc; èñòî÷íèê ïîñòîÿííîãî òîêà.
IB 0 2 DC 10uAdc AC 10uac SIN 0 10u 100MEG; èñòî÷íèê ïåðåìåííîãî òîêà
* ñèíóñîèäàëüíîé ôîðìû: àìïëèòóäà-10ìêÀ, ÷àñòîòà 100 ìÃö.
* K B E
Q1 1 2 0 KT315A
.END