Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) ФАКУЛЬТЕТ БИОМЕДИЦИНСКАЯ ТЕХНИКА КАФЕДРА БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА ОТЧЕТ ПО ДОМАШНЕМУ ЗАДАНИЮ №2 Студент _______________Кауртаев Савелий Дмитриевич________________ фамилия, имя, отчество Группа БМТ1-52Б Студент _________________ ____Кауртаев С. Д.___ подпись, дата Преподаватель фамилия, и.о. _________________ ____Трубачёв Е. А.___ подпись, дата Оценка __________________________________ 2022 г. фамилия, и.о. Цель работы Исследование характеристик модели транзистора (усилителя) в программе аналогового и цифрового моделирования электрических и электронных цепей Micro-Cap 12. Задачи работы 1. Снять входные и выходные параметры транзистора, отметить на графике выходных параметров запрещённые режимы работы; 2. Рассчитать номиналы элементов усилительного каскада; 3. Смоделировать и скорректировать схему усилительного каскада; 4. Проанализировать переходные процессы: Построить колебания напряжения на выходе и выходе; Построить гармонические составляющие сигнала; Добиться максимально возможной амплитуды сигнала на выходе при отсутствии нелинейных искажений; 5. Выполнить амплитудно-частотный анализ схемы: построить графики зависимости коэффициента усиления по мощности. 2 Исходные данные Таблица 1. Характеристики транзистора КТ325А Pк.max, rкэ нас, мВт IК max, мА Модель Pк.Т max*, fгр, UКБО max, В UЭБО max, IК и max*, элемента мВт МГц UКЭR max*, B B мА КТ325А 225 >=800 15* (3к) 4 Ом IКБО, мкА h21э Ск, пФ <=0,5 30…90 (5 <=2.5 (5 (15 В) B 10 мА) B) 30 (60*) rбэ нас, Кш, дБ tк, пс Модель Ом rб*, Ом tрас*, нс в МС12 <=125 Q2T325A Рk.max – максимально допустимая постоянная мощность, рассеивающаяся на коллекторе транзистора. Рk. T max – максимально допустимая постоянная мощность, рассеивающаяся на коллекторе транзистора с теплоотводом. fгр – граничная частота коэффициента передачи тока. UКБ0 max – максимальное напряжение коллектор-база при заданном токе коллектора и токе эмиттера, равным нулю. UКЭR max – максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора и сопротивлении в цепи база-эмиттер. UЭБ0 max – максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база при токе коллектора, равном нулю. IК max – максимально допустимый постоянный ток коллектора транзистора. IК И. max – максимально допустимый импульсный ток коллектора транзистора. IКБ0 – обратный ток коллектора. Ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор-база и разомкнутом выводе эмиттера. h21э – обратный ток коллектора. Ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор-база и разомкнутом выводе эмиттера. СК – ёмкость коллекторного перехода. rКЭ нас – сопротивление насыщения между коллектором и эмиттером. rБЭ нас – сопротивление насыщения между базой и эмиттером. Кш – коэффициент шума транзистора. 3 rб – сопротивление базы. tрас – время рассасывания. tК – постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте. Напряжение питания 𝑈𝑖𝑝 = 0.8 ⋅ 𝑃𝑘.𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑘𝑚𝑎𝑥 = 6 В. Частота на тестовом генераторе устанавливается равной 𝐹 = 90 КГц ∗ 6 = 540кГц F (6 – номер варианта). Построение графиков входных и выходных параметров транзистора Прежде всего, снимем входные (рис. 1) и выходные (рис. 2) параметры транзистора. Для этого построим соответствующие схемы (рис. 3-4). На графике выходных параметров представлена прямая ограничения по току коллектора (красная) и кривая ограничения по напряжению (зелёная). Рис. 1. Входная характеристика транзистора: зависимость IБ от напряжения UЭБ при различных Iкэ 4 Рис. 2. Семейство выходных характеристик транзистора: зависимость IК от напряжения UКЭ при различных IБ. На графике также представлена прямая ограничения по току коллектора и кривая ограничения по напряжению. Рис. 3. Схема для определения входной характеристики транзистора Рис. 4. Схема для определения выходной характеристики транзистора 5 Расчёт параметров усилителя Рассчитаем параметры схемы по графоаналитическому методу. По входным характеристикам: ℎ11 = Δ𝑢БЭ | Δ𝑖Б 𝑢 = 51,64 Ом КЭ =const −входное сопротивление при коротком замыкании на выходе ℎ12 = ΔuБЭ | Δ𝑢КЭ 𝑖 = 0,015761 Б =const – коэффициент обратной связи по напряжению По выходным характеристикам: ℎ21 = ΔiК | Δ𝑖Б Δu = 48,21 КЭ =const – коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе ℎ22 = ΔiК | Δ𝑖Б Δu = 17,417 × 10−5 См КЭ =const – выходная проводимость при холостом ходе на входе Построим линию нагрузки. Уравнение линии нагрузки: 𝑈𝑐𝑒 = 𝑈𝑖𝑝 − 𝐼с ∗ 𝑅с . Эта линия не должна пересекать построенную ранее на выходной ВАХ область, ограниченную максимальными значениями тока, напряжения и мощности коллектора (рис. 9). с Возьмем 𝑈КЭ = 0 (точка, лежащая на вертикальной оси координат). Тогда 𝐼К = 𝑈𝑖 𝑅К < 𝐼К𝑚𝑎𝑥 = 30 мА. Тогда нужно домножить Iк на коэффициент меньше 1, то есть: Пусть 𝐼К = 0.9 ∗ 𝐼К𝑚𝑎𝑥 = 0.95 ∗ 30 = 28,5 мА Тогда сопротивление коллектора: 𝑅К = Из уравнения линии нагрузки: 𝐼К = 6 𝑈𝑖𝑝 𝐼К 𝑈𝑖𝑝 −𝑈КЭ 𝑅К = = 6 28.5∗10−3 6−𝑈КЭ 210,5 = 210,5 Ом Рис. 5. Построение нагрузочной линии (розовая) на выходной характеристике транзистора. Определим положение рабочей точки. Построив нагрузочную прямую, отметим на ней крайние пересечения данной прямой с выходными характеристиками. Найдем среднюю точку на получившимся отрезке. Данная точка будет рабочей точкой. На рис. 5 показано положение рабочей точки O (𝑈КЭ ; 𝐼К0 ) на выходной характеристике транзистора. UКЭ0 IК0 928,268 ∗ 10−3 + 4.849 = = 2,89 В 2 (24.121 + 5.298) ∗ 10−3 = = 0,0147 А 2 Используя графоаналитический метод, определим рабочей точки на графике выходной характеристики (рис. 6). 7 положение Рис. 6. Координата рабочей точки на графике входной характеристики (справа). Из рисунка 6 получаем: 𝐼Б0 = 14,63 мА 𝑈БЭ0 = 695,682 мВ После проделанных расчетов получены следующие координаты рабочей точки: UКЭ0 = 2,89 В, IК0 = 0,0147 А, 𝐼Б0 = 14,63 мА, 𝑈БЭ0 = 695,682 мВ. Дальнейшие расчеты производились в программе MathCAD. (рис. 7) 8 Рис. 7 Расчёт номиналов элементов усилителя 9 Корректировка схемы по постоянному току Рис. 8. Схема со скорректированными номиналами резисторов Рассчитав номиналы элементов схемы, скорректируем в режиме Dynamic DC номиналы резисторов так (рис. 8), чтобы напряжение на коллекторе транзистора составляло 0,55…0,6 напряжения питания, а именно 𝑈𝐾 = 0,55 ∗ 𝑈𝑖𝑝 = 3,3 В ≈ 3,29 В Таблица 2. Изменение параметров схемы после корректировки. Рассчитанное Параметр значение Значение после корректировки R1, Ом 60,427 87 R2, Ом 9,719 50 Cp1, мкФ 2209 2209 Cp2, мкФ 78,371 78,371 Uip, В 6 6 Rк, Ом 210,526 86 Rэ, Ом 1,038 44 10 Анализ переходных процессов В режиме Transient analysis построим колебания напряжения на входе и на выходе, а также гармонические составляющие сигнала от первой до десятой (частота первой гармоники F=540кГц, амплитуда генератора А=10 мВ). Изменяя напряжение генератора добьёмся максимальной возможной амплитуды сигнала на выходе при отсутствии нелинейных искажений (рис. 7, б). Для того, чтобы определить, при какой максимальной возможной амплитуде на выходе будут отсутствовать, точнее будут минимальными нелинейные искажения, необходимо выполнить аранжировку амплитуды выходного сигнала от 50 до 70 мВ с шагом в 5 мВ (рис.6). Рис. 6. Временные зависимости входного и выходного сигналов для различных амплитуд входного сигнала. По рис. 6 можно сделать вывод, что при 50 мВ ещё нет серьёзных линейных искажений. Таким образом, максимальное значение амплитуды выходного сигнала при условии отсутствия нелинейных искажений имеем при амплитуде входного сигнала 50 мВ. 11 а) б) Рис. 7. Сигналы и гармонические составляющие при наличии (а) и отсутствии (б) нелинейных искажений для F=540 КГц 12 Амплитудно-частотный анализ Рис. 7. Рабочая полоса усилителя (сверху) и фазочастотная характеристика (снизу) Используя графики, изображенные на рис. 7, определим: Нижнюю граничную частоту: fн = 17.11 Гц Верхняя граничная частота: fв = 180,279 МГц Полоса пропускания усилителя: fв-fн ≈ 180,278 МГц Из рис. 8 определим максимальную мощность выходного сигнала, которая принимает значение, равное 548 мкВт. Рис. 8. Рабочая полоса усилителя 13 Таблица 3 Определенные параметры усилителя. Параметр Значение Максимальная возможная мощность 548 мкВт на выходе усилителя Максимальный коэффициент 52,147 дБ усиления по мощности Нижняя граничная частота 17.11 Гц Верхняя граничная частота 180,279 МГц Ширина рабочей полосы H, МГц ≈180.278 МГц Вывод Были получены и исследованы характеристики биполярного транзистора КТ325А, а также соответствующего усилительного каскада. На основе графика выходной ВАХ можно заметить, что при росте тока базы Iб происходит смещение выходной ВАХ вверх, а ток коллектора Iк при одном и том же шаге тока базы Iб изменяется неравномерно в силу нелинейных искажений, вызванных внутренними свойствами биполярного транзистора. По графикам также можно заметить, что входные характеристики биполярного транзистора при 2,5 В и 6 В совпадают. Это значит, что для усиления сигнала достаточно питания 2,5 В. При использовании графиков временного анализа входного и выходного анализов была найдена максимальная амплитуда входного сигнала 50 мВ, при которой отсутствуют нелинейные искажения. С помощью амплитудно-частотного анализа мы построили зависимость коэффициента усиления по мощности от частоты, фазочастотной характеристики была определена максимальная мощность выходного сигнала и ширина рабочей полосы. Можно сделать вывод, что при подаче сложного сигнала, состоящего из гармоник от fн до fв сигнал на выходе будет усиливаться одинаково без значительных искажений. На амплитудно14 частотную характеристику коэффициента усиления по мощности имеется 3 участка: подъём, плато и спад. Литература 1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. Учеб. Для вузов – 5-е изд., стер. – М.: Высш. Шк., 2008. – 798 с.: ил. 2. Павлов В.Н., Ногин В.Н.. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов – 2-е изд., исправ. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 320с., ил. 3. Волович В.С. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М.: Изд. Дом «Додэка – ХХ1», 2005. – 528 с. 4. Родюков М.С. Расчет усилительного каскада с общим эмиттером: методические указания — М.: МГУПИ, 2008 г. 49 с. 15