Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Комп'ютерне моделювання транзисторного підсилювача
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2002
Тип роботи:
Курсова робота
Предмет:
Основи автоматизації проектування РЕА
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний Університет
“Львівська політехніка”
Курсова робота
з дисципліни “Основи автоматизації проектування РЕА”
на тему:
“Комп'ютерне моделювання транзисторного підсилювача.”
Зміст
Вступ.................................................................
1. Початкові дані..................................................
2. Аналіз підсилювача в режимі постійного струму.....................
2.1. Заступна схема кола в режимі постійному струму...............
2.2. Нумерація вузлів заступної схеми.............................
2.3. Прийняття умовних додатніх напрямків струмів і напруг компонентів....................................................
2.4. Компонентні рівняння........................................
2.5. Вектор вузлових струмів J(()................................
2.6. Матриця Якобі G(().........................................
2.7. Алгоритм і програма статичного аналізу......................
2.8. Статичний аналіз............................................
2.9. Результати статичного аналізу...............................
3. Аналіз підсилювача в режимі малого сигналу........................
З.1. Заступна малосигнальна схема підсилювача....................
3.2. Нумерація вузлів заступної малосигнальної схеми..............
3.3. Математична модель кола в режимі малого сигналу...............
3.4. Частотний аналіз............................................
3.5 Результат частотного аналізу..................................
4. Моделювання підсилювача за допомогою програми MісгоСар V..........
4.1 Розрахунок АЧХ Кu в режимі АС................................
Висновки..............................................................
Література............................................................
ВСТУП
Завдання до курсової роботи підготовлене із застосуванням ПМК PSpice і складається з операторів опису схеми, директив керування завданням та результатів аналізу.
Початковими
Користуючись завданням до курсової роботи, в якому наведено опис кола, директиви аналізу та результати аналізу за допомогою ПМК РSрiсе, необхідно нарисувати електричну схему підсилювача, нанести позначення та номінали компонентів, вказати номери вузлів.
У вхідній мові ПМК РSрiсе в описі кожного компонента послідов но вказуються: Ім'я компонента, вузли приєднання компонента, ім'я моделі (Ідентифікатор в директиві .МОDEL) або числові дані. Ім'я компонента складається з символів латинського алфавіту і цифр. Пер ший символ імені компонента визначає його тип, а саме: R - резис тор, С- конденсатор, Q - біполярний транзистор, V - незалежне джерело напруги, L - котушка індуктивності, D - діод, І - незалежне джерело струму тощо.
Номери вузлів вказуються в певній послідовності, прийнятій для кожного компонента. В описі двополюсних компонентів вважається, що перший вузол - додатний ("+"), а другий - від'ємний ("-"). Тому для незалежних 1 керованих джерел напруги першим вказується вузол, що має вищий потенціал, для незалежних 1 керованих джерел струму - вузол. з якого струм виходить, для діодів - анод (емітер). Для непо лярних компонентів (лінійні резистори, конденсатори, iндуктивності) перший вузол вибирається довільно, однак умовний додатний напрямок теж приймається від першого вузла до другого. В описі біполярних транзисторів вузли завжди вказуються в такій послідовності: вузол колектора, вузол бази, вузол емітера.
При заданні числових даних можна використовувати такі масштабні множники: F=10-15, Р=ІО-12, №1С-9, N =10-6, М=10-3, K=103. МЕG=106, G=109, Т=1О12
Біполярний транзистор й1 описується директивою .МODEL, в якій послідовно вказано: ім'я (Ідентифікатор) моделі , тип (провідність) - NРN i в круглих дужках - список парамет рів транзистора. Вказані параметри транзистора використовуються в універсальній моделі Еберса-Молла (нелінійній гібридній π-моделі), наведеній на рис.1. 1 мають такий фізичний зміст:
Іs - струм насичення р-п переходу;
Вf - коефіцієнт передачі струму для великого сигналу в нор мальному режимі при ввімкненні за схемою зі спільним емітером;
Вr - коефіцієнт передачі струму для великого сигналу в Інверс ному режимі при ввімкненні за схемою зі спільним емітером;
Rb - омічний опір бази;
Rс - омічний опір колектора;
Rе - омічний опір емітера;
Сjс - бар'єрна ємність колекторного переходу для нульового зміщення ;
Vjc- бар'єрний потенціал або контактна різниця потенціалів колекторного переходу;
Мjc - коефіцієнт зміни ємності колекторного переходу:
Сje - бар'єрна ємність емітерного переходу для нульового змі щення ;
Vje- бар'єрний потенціал або контактна різниця потенціалів емітерного переходу;
Мje - коефіцієнт зміни ємності емітерного переходу:
Тf - час перенесення заряду в нормальному режимі;
Тr - час перенесення заряду в інверсному режимі.
Нелінійна гібридна π-модель (рис.1) з однією з численних моди фікацій моделі Еберса-Молла i реалізована в ПМК Мiсго-САР V та РSрісе. Ця універсальна модель моделює біполярний транзистор при дії сигналів будь-якої амплітуди i частоти в усіх режимах роботи (нормальному, інверсному, відтину та насичення).
В моделі біполярного транзистора р-n-р типу необхідно змінити на протилежні напрямки: керуючих напруг Ubе, Ubc; діодів і струмів Іbе, Ibc нелінійних керованих напругами джерел струмів Іcc, Іес.
Отже, на Рис 1.2 показана схема підсилювача:
Рис 1.2
2. Аналіз підсилювача в режимі постійного струму
2.1. Складаємо заступну схему кола в режимі постійному струму
Для складання заступної схеми кола в режимі постійному струму необхідно:
- замінити транзистор статичною моделлю Еберса-Молла;
- вилучити зі схеми ємності і незалежні змінні в часі джерела напруги 1 струму, закоротити Індуктивності;
- перетворити незалежне джерело постійної напруги VS, прийняв ши його внутрішній опір RS=0.001 Ом, у незалежне джерело постійного струму JS з внутрішньою провідністю YS (рис. 2).
Перетворення незалежного джерела напруги в незалежне джерело струму або навпаки для вказаної полярності джерел-(рис. 2) здійсню ється за формулами:
Ijs=Uvs/RS
YS=1/RS
і є еквівалентним відносно зовнішніх полюсів m і l, тобто напруга U i струм І в обох випадках є однаковими. Однак потужність, що розсі юється на внутрішній провідності YS джерела струму JS, на відміну від джерела напруги VS, є дуже великою i не має фізичного змісту.
Робити топологічні перетворення в заступній схемі, тобто об' єднувати послідовно або паралельно з'єднані компоненти, не дозволя ється.
Отже, заступна схема кола в режимі постійного струму набуде вигляду:
2.2. Пронумеровуємо послідовно всі вузли заступної схеми.
Вузол - це точка з'єднання двох або більше компонентів. Спіль ний вузол ("земля") завжди необхідно позначати номером "0". Номери вузлів, що об'єднуються внаслідок закорочення індуктивностей або стають ізольованими після вилучення ємностей та незалежних змінних в часі джерел напруги чи струму, необхідно присвоювати внутрішнім вузлам заступної схеми транзистора. В Інших випадках змінювати но мери вузлів, що вказані в завданні до курсової роботи, не дозволя ється.
2.3. Приймаємо умовні додатні напрямки струмів і напруг компонентів.
Отже, в заступній схемі необхідно вказати лише умовні додатні напрямки струмів компонентів, а напрямки напруг компонентів, за ви нятком керуючих напруг, вказувати недоцільно.
Довільно приймати напрямки струмів і напруг можна лише для не полярних компонентів, до яких належать лінійні опори та провіднос ті. Для діодів умовний додатний напрямок завжди необхідно приймати від анода (емітера) до катода (бази). Для незалежних 1 керованих джерел струму чи напруги напрямки струму або напруги завжди зада ються 1 змінювати їх, так само як 1 напрямок керуючої напруги, не можна, бо це призведе до зміни кола, що підлягає аналізу.
Істинні напрямки струмів 1 напруг всіх компонентів можна виз начити лише після розрахунку. Від'ємний знак розрахованої величини означає, що дійсний напрямок є протилежним до прийнятого.
2.4. Записуємо компонентні рівняння
Для кожного компонента записати компонентне рівняння, з якого визначити струм компонента і похідну струму по напрузі, тобто дифе ренціальну провідність компонента (крім незалежних джерел струму ). Напругу кожного компонента згідно з заданим або вибраним напрямком та прийнятою домовленістю про відлік (додатний напрямок - від "плю са" до "мінуса" (п.2.3)) виразити через відповідні вузлові потенці али.
Вузловий потенціал фk деякого вузла k (k=1,2, .... п) - це напруга між даним вузлом 1 базисним опорним вузлом, за який прийня тий спільний вузол ("земля"). що завжди повинен мати номер "О". Умовний додатний напрямок кожного вузлового потенціалу приймається від відповідного вузла до нульового (базисного) вузла.
UR1=φ3;UR2=φ2-φ3;UR3=φ5; URн=φ4-φ2;Ube=φ1-φ7; Ubc=φ1-φ6; URc=φ2-φ6;URe=φ7-φ5;URb=φ3-φ1.
2.5. Складаємо вектор вузлових струмів J(ф)
Нелінійне коло в режимі постійного струму описується системою нелінійних алгебраїчних рівнянь.
Рівняння для нульового вузла не складається, оскільки воно є лінійно залежним стосовно рівнянь для всіх інших вузлів. Отже J(ф)=0
2.6. Складаємо матрицю Якобі G(ф)
Як відомо, матриця Якобі системи - це матриця пер ших частинних похідних функцій , з яких складається век тор-функція f(х), за всіма невідомими Хs.
З огляду на це матриця Якобі складена у вузловому ко ординатному базисі._ називається ще матрицею вузлових диференціальних провідностей G(ф) = J'(ф)
При складанні матриці вузлових диференціальних провідностей можна застосувати, як і при формуванні вектора вузло вих струмів, спосіб позиційного сумування. Згідно з цим способом кожний компонент схеми розглядається окремо і диференціальна про відність компонента з певним знаком заноситься у відповідні елемен ти матриці вузлових диференціальних провідностей.
Запишемо диференціальні провідності для кожного елемента. В дужках подані номери вузлів, між якими знаходиться даний елемент. Для керованих джерел струму спочатку йдуть рядки, а потім стовбці.
gR1=1/R1; gR2=1/R2 gRн=1/Rн gYS=YS
grc=1/re grc=1/rc grb=1/rb
:gcc=Is/фT*exp(Ube/фT) gec= Is/фT*exp(Ubc/фT)
Отже, повна матриця вузлових диференціальних провідностей набуде вигляду
2.7. Складаємо алгоритм і програму статичного аналізу.
Складаємо алгоритм аналізу підсилювача в режимі постійного струму на підставі методу Ньютона, який перед бачає розв'язування системи нелінійних алгебраїчних рівнянь, виконуючи Ітерації за такими формулами:
G(ф(k-1))*Δφ (k)=-j(φ(k-1))
φ (k) = φ(k-1) + Δφ (k)
де k=1,2 ... - номер Ітерації. Логічна схема алгоритму статичного аналізу наведена на рис. 5.
2.8. Виконуємо статичний аналіз
1) Задати точність розв'язування системи нелінійних алгебраїч них рівнянь є = 10-6 В;
2) Прийняти початкове наближення рівним 0;
3) Запустити програму на виконання 1 стежити за збіжністю іте рацій. контролюючи норму_ вектора .
4) Якщо Ітерації не збігаються (норма вектора поправки не зменшується або зростає), то виконати таке:
а) задати напругу живлення VS = 1В;
б) повторити п. 3.
Якщо Ітерації 1 тепер не збігаються, то шукати помилку в алго ритмі (перевірити вирази для напруг, струмів та диференціальних провідностей компонентів, вектор вузлових струмів, матрицю вузлових диференціальних провідностей ) та в програмі (перевірити опис всіх змінних, розмірності масивів, оператори присвоєння тощо);
5) Якщо Ітерації для напруга живлення VS=1В збігаються, а для номінального значення напруги живлення не збігаються, то виконати п. п. 6, 7 або п. 8;
6) Результати розрахунку для тої напруги живлення, коли ітера ції збіглись Із заданою точністю, прийняти (заокругливши до 2-3 цифр) за початкове наближення 1 повторити п. З для номінальної напруги живлення;
7) Якщо ітерації не збігаються, то поступово зменшувати напру гу живлення на 2-3 В і виконувати п. З, поки не буде досягнута збіжність ітерацій, після чого повернутись до п. 6;
2.9. Наводимо результати статичного аналізу
Навести результати роботи програми аналізу підсилювача в режи мі постійного струму: початкове наближення вектора вузлових потен ціалів і вектор вузлових струмів, що йому відповідає, кількість Ітерацій, вектор вузлових потенціалів і вектор вузлових струмів після останньої ітерації, а також струм, напругу і розсіювану по тужність кожного компонента та сумарну потужність всіх компонентів.
Результати статистичного аналізу
Початкове наближення
k= 0 v0 j(v0)
1 8.57190E-01 3.58379E-05
2 8.42470E+00 -1.30545E-05
3 8.56100E-01 -3.60252E-05
4 1.80000E+01 1.59588E-03
5 1.54034E-01 -1.60000E-07
6 8.41415E+00 1.28396E-05
7 1.60196E-01 2.51137E-07
Результати методу Ньютона
k= 66 vk j(vk)
1 8.5719014571E-01 -4.3656181500E-15
2 8.4247760132E+00 -1.6421308757E-12
3 8.5860887424E-01 4.4408920985E-15
4 1.7999998404E+01 -1.4163051176E-08
5 1.5403338366E-01 2.1316282073E-14
8.4141345521E+00 -1.4243936164E-07
7 1.6019471900E-01 -1.8987211555E-14
Компонент Напруга Струм Потужність
JS -1.7999998404E+01 1.8000000000E+04 3.2399997127E+05
Ys 1.7999998404E+01 1.7999998404E+04 3.2399994255E+05
Icc 8.2539398331E+00 1.5200662861E-03 1.2546535668E-02
Iec -8.2539398331E+00 -3.0000000000E-15 2.4761819499E-14
Ibe 6.9699542670E-01 2.0267550481E-05 1.4126389996E-05
Ibc -7.5569444064E+00 -1.0000000000E-14 7.5569444064E-14
Rb 1.4187285333E-03 2.0267550475E-05 2.8754152159E-08
Rc 1.0641461078E-02 1.5202087255E-03 1.6177241983E-05
Re 6.1613353462E-03 1.5403338365E-03 9.4905133120E-06
R1 8.5860887424E-01 5.5394120919E-05 4.7561883801E-05
R2 7.5661671390E+00 7.5661671390E-05 5.7246885175E-04
R3 1.5403338366E-01 1.5403338366E-03 2.3726283281E-04
Rk 9.5752223909E+00 1.5958703985E-03 1.5280813973E-02
Сумарна потужність= 6.47999942541E+05
3. Аналіз підсилювача в режимі малого сигналу
З.1. Складаємо заступну малосигнальну схему підсилювача.
Для складання заступної схеми підсилювача в режимі малого сиг налу необхідно:
1) замінити транзистор малосигнальною моделлю 1 розрахувати її параметри, використавши результати статичного аналізу.
В режимі малого сигналу, який має місце, коли змінні складові напруг 1 струмів, спричинені, здебільшого, гармонічними джерелами сигналів, є значно менші від постійних складових, створених постій ним джерелом живлення, суто нелінійний компонент - транзистор -можна замінити малосигнальною заступною схемою.
Малосигнальну модель біполярного транзистора можна отримати з універсальної нелінійної моделі Еберса-Молла (рис.1) за допомогою лінеаризації всіх нелінійних компонентів. Отже. лінеаризоване компонентне рівняння встановлює співвідношення між приростами струму 1 напруги компонента. З цього випливає, що заступна схема нелінійного кола в режимі малого сигналу - це схема для приростів струмів 1 напруг. Мало сигнальна модель біполярного транзистора п-р-п типу наведена на рис. 6.
Компоненти цієї малосигнальної моделі (лінійної гібридної п-моделі) визначаються за співвідношеннями, що отримані лінеариза цією рівнянь (1):
Де Ube0, Ubc0 - напруги, розраховані в режимі постійного струму, gmf i gmr — крутості транзистора в нормальному та Інверсному режимах відповідно.
Оскільки в кормальному режимі роботи транзистора крутість gmr є дуже малою величиною (менше 10-20 См), то для уникнення перепов нення або зникнення порядку при виконанні арифметичних операцій в програмі приймемо gmг = 0. Тоді Rμ=оо, і з малосиг нальної моделі, наведеної на рис. 6, необхідно:
1) вилучити опір Rμ а також кероване джерело струму gmf*Ubc;
2) незалежне джерело постійної напруги живлення VS закоротити, оскільки приріст напруги на ньому (змінна складова) принципово до рівнює нулеві;
3) перетворити за допомогою формул (За), (26) незалежне гармо нічне джерело напруги сигналу VIN. прийнявши його внутрішній опір Ri=1 Ом, у незалежне гармонічне джерело струму сигналу JIN з внутрішньою провідністю Yі.
3.2. Пронумеровуємо вузли заступної малосигнальної схеми
3.3. Складаємо математичну модель кола в режимі малого сигналу
Математичну модель лінійного кола в частотній області також будемо складати за методом вузлових потенціалів. Дотримуючись рані ше викладеної методики і виконуючи п.п. 2.3-2.5, можна, як і для нелінійного кола, отримати вектор вузлових струмів і записати мате матичну модель. Правда, тепер внаслі док наявності реактивних компонентів (ємностей та індуктивностей) всі струми і напруги будуть комплексними. Але завдяки лінійності всіх компонентних рівнянь отримана математична модель є системою лінійних рівнянь з комплексними коефіцієнтами
Y(w)*ф(w)=-J
де Y(w) - матриця вузлових комплексних провідностей кола, ф(w) -вектор вузлових потенціалів. -J - вектор еквівалентних вузлових не залежних джерел струму (враховуються тільки незалежні джерела), w -кругова частота (w=2Пf, f - частота гармонічних коливань сигналу, Гц). Матриця вузлових комплексних провідностей Y(w) є квадратною матрицею розміру (пхп), де п - кількість вузлів в схемі без нульо вого (спільного) вузла, 1 має дійсну частину, в яку входять про відності резистивних компонентів, та уявну частину, утворену реак тивними компонентами, провідності яких залежать в1д_частоти. Кожний рядок матриці вузлових комплексних провідностей ї(ш} зв'язаний з вузловим струмом, а кожний стовпець - з вузловим потенціалом вузла з тим самим номером.
3.3.1. Складаємо матрицю вузлових комплексних провідностей Y(w)
Таким чином, матриця провідностей керованого напругою джере ла струму, що наведена на рис. 8,б. складається, як і матриця дво полюсного компонента (рис. 7,6), з чотирьох елементів, номери ряд ків тії яких збігаються, а номери стовпців, на відміну від двопо люсника, визначаються парок вузлів річ. Як бачимо, матриця про відностей керованого джерела струму є несиметричною, оскільки пара вузлів т 1 1 не може збігатися з парою вузлів р 1 о.
Матрицю вузлових комплексних провідностей кожного компонента необхідно занести в матрицю вузлових комплексних провідностей кола за тими самими правилами, що і матрицю диференціальних провід ностей компонента в матрицю вузлових диференціальних провідностей кола (п. 2.6).
Отже, матриця вузлових диференціальних провідностей матиме вигляд Y(w):
3.4. Виконуємо частотний аналіз
Запустити програму на виконання, послідовно вводити значення частот, що подані в завданні до курсової роботи.
На рис 9 наведена логічна схема алгоритму частотного аналізу
Після аналізу отримаємо такі результати:
Параметри малосигнальної моделі
gmf= 5.8778666986E-02 Rpi= 1.2759731353E+03
Cmu= 1.7323725233E-12 Cpi= 7.5853883767E-12 gmf*tf= 5.52519E-12
f(Гц) Kum Kufi Zbxre Zbxim 1.00000E+01 4.47146E+00 -9.55950E+01 1.56004E+03 -1.59162E+04
3.16200E+01 1.35647E+01 -1.07203E+02 1.56004E+03 -5.03565E+03
1.00000E+02 3.20132E+01 -1.34267E+02 1.56000E+03 -1.59879E+03
3.16200E+02 4.34459E+01 -1.61262E+02 1.55963E+03 -5.26216E+02
1.00000E+03 4.54759E+01 -1.71248E+02 1.55595E+03 -2.31304E+02
3.16200E+03 4.64637E+01 -1.68952E+02 1.52031E+03 -2.72068E+02
1.00000E+04 5.35699E+01 -1.53676E+02 1.24992E+03 -5.63566E+02
3.16200E+04 9.59214E+01 -1.36159E+02 5.89598E+02 -5.50820E+02
1.00000E+05 1.95445E+02 -1.48204E+02 3.25670E+02 -2.36274E+02
3.16200E+05 2.50297E+02 -1.71609E+02 2.78232E+02 -1.23211E+02
1.00000E+06 2.51338E+02 1.69420E+02 2.00923E+02 -1.21564E+02
3.16200E+06 2.00109E+02 1.41281E+02 1.11962E+02 -6.98308E+01
1.00000E+07 9.22649E+01 1.10629E+02 9.22188E+01 -2.43996E+01
4. Моделювання підсилювача за допомогою програми MісгоСар V.
4.1 Виконуємо розрахунок АЧХ Кu в режимі АС, при чому Db=20lgKu:
Частотний аналіз підсилювача при варіації опору навантаження.
Розрахунок АЧХ і ФЧХ вхідного опору підсилювача.
AC Analysis of ROMACURS.CIR
Temperature= 27 RN.Value = 3000
DC Operating Point Values
DC Operating Point Voltages
Node Voltage Node Voltage Node Voltage Node Voltage
1 0.967 2 0 3 10.4 4 0.246
5 12
Bipolar Junction Transistors
Q1
IB 3.23e-005
IC 2.43e-003
VBE 7.21e-001
VBC -9.47e+000
VCE 1.02e+001
BETADC 7.50e+001
GM 9.38e-002
RPI 8.00e+002
RX 7.00e+001
RO 1.00e+012
CPI 1.09e-011
CMU 1.62e-012
CBX 0.00e+000
CJS 0.00e+000
BETAAC 7.50e+001
FT 1.19e+009
Висновки: На основі проведеного аналізу транзисторного підсилювача, за допомогою розроблених програм аналізу транзисторного підсилювача в режимі постійного струму та малого сигналу, та моделювання заданого кола використовуючи програмно-методичний комплекс програм (Statica, Analizms, Micro-Cap V), ми робимо наступні висновки: Після проведення аналізу в режимі постійного струму ми бачимо, що при точності Δ=10-6 ітерації збігаються при к=66, к - кількість ітерацій. Отримані при виконанні результати струмів і напруг компонентів збігаються з заданими даними.
При аналізі в частотній області за допомогою програми Micro-Cap V розрахунок АЧХ коефіцієнта передачі по напрузі підсилювача в заданому частотному діапазоні (10—1*107) співпадає з даними наведеними в завданні.
В режимі малого сигналу одержані результати також співпадають із даними, що наведені в завданні.
Отже, можна зробити висновок, що проведений аналіз виконано правильно.
Список літератури:
Методичні вказівки до курсової роботи з дисципліни "Основи автоматизації проектування радіоелектронних пристроїв" О.Г. Крук, доц., канд. техн. наук. Львів: ДУЛП, 1996.—24с.
Автоматизация схемотехнического проектирования: учебн. пос. для вузов /Ильин В.Н., Фролкин В.Т., Бутко А.И.; под ред. В.Н. Ильина, – М.: Радыо и связь 1987.— 368с.
Введение в автоматизацию схемотехнического проектирования. /Глориозов Е.Л., Ссорин В.Г., Сыпчук П.П., — М.: Сов. Радио, 1976. — 234с.
Моделирование аналогових электронных устройств на персональных ЭВМ. /Разевиг В.Д., —М.: Изд-во МЭИ, 1993. — 152с.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора