Комп'ютерне моделювання транзисторного підсилювача. Курсова робота з Основи автоматизації проектування РЕА. Робота № 120362

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:

2015

Тип роботи:

Курсова робота

Предмет:

Основи автоматизації проектування РЕА

Завантажити

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............................................ 4. Моделювання підсилювача за допомогою програми MісгоСар V.......... 4.1 Розрахунок АЧХ Кu в режимі АС................................ Висновки.............................................................. Література............................................................ ВСТУП В даній роботі виконується аналіз підсилювача в режимі постійного струму, аналіз підсилювача в режимі малого сигналу та моделювання підсилювача за допомогою ПКМ Micro-CAP III. При аналізі підсилювача в режимі постійного струму транзистор заміняємо статичною моделлю Еберса-Молла, вилучаємо зі схеми ємності і незалежні змінні в часі джерела напруги і струму, закорочуємо індуктивності, перетвотворюємо незалежне джерело постійної напруги у незалежне джерело постійного струму та знаходимо струм, напругу і розсіювану потужність кожного компонента. При аналізі підсилювача в режимі малого сигналу транзистор заміняємо малосигнальною моделлю і розраховуємо її параметри, використавши результати статичного аналізу. 1.ПОЧАТКОВІ ДАНІ Завдання до курсової роботи підготовлене із застосуванням ПМК PSpice і складається з операторів опису схеми, директив керування завданням та результатів аналізу. Початковими даними до курсової роботи є електрична схема транзисторного підсилювача(Рис.1), який складається з біполярного транзистора, джерела живлення, режимозадавальних резисторів, джерела гармонічного сигналу, розділювальних конденсаторів та навантаження. Задається також універсальна модель Еберса-Молла (нелінійна гібридна π-модель)біполярного транзистора та її параметри. TRANSISTOR test 7 .OPT ACCT LIST NODE OPTS NOPAGE .OP .LIB nom.lib R1 3 0 15.5K R2 2 3 100K R3 5 0 100 RH 2 4 6K VS 4 0 DC 12V Q1 2 3 5 KT316B C1 1 3 1U C2 5 0 0.1U VIN 1 0 AC 10E-3 0 .MODEL KT316B NPN (Is=3e-15 Bf=75 +Br=0.3 Rb=70 Rc=7 Re=4 +Cjc=4p Vjc=0.65 Mjc=0.33 +Cje=1.2p Vje=0.70 Mje=0.35 Tf=94p Tr=66n) .DC VS 12 12 0.5 .SENS V(2) .AC DEC 2 10 1E7 .PRINT DC V(3),V(5),V(2),IB(Q1),IC(Q1),IE(Q1) .PRINT AC V(1),VM(2),VP(2),V(3),V(5) .PROBE .END VS V(3) V(5) V(2) IB(Q1) IC(Q1) 1.200E+01 7.666E-01 8.188E-02 6.790E+00 1.077E-05 8.081E-04 FREQ V(1) VM(2) VP(2) V(3) V(5) 1.000E+01 1.000E-02 4.404E-02 -9.618E+01 1.078E-03 7.896E-04 3.162E+01 1.000E-02 1.325E-01 -1.089E+02 3.242E-03 2.375E-03 1.000E+02 1.000E-02 2.998E-01 -1.372E+02 7.336E-03 5.374E-03 3.162E+02 1.000E-02 3.910E-01 -1.630E+02 9.567E-03 7.008E-03 1.000E+03 1.000E-02 4.061E-01 -1.721E+02 9.921E-03 7.266E-03 3.162E+03 1.000E-02 4.143E-01 -1.701E+02 9.958E-03 7.285E-03 1.000E+04 1.000E-02 4.744E-01 -1.569E+02 9.963E-03 7.199E-03 3.162E+04 1.000E-02 8.019E-01 -1.447E+02 9.970E-03 6.457E-03 1.000E+05 1.000E-02 1.335E+00 -1.591E+02 9.988E-03 3.757E-03 3.162E+05 1.000E-02 1.510E+00 -1.756E+02 9.996E-03 1.359E-03 1.000E+06 1.000E-02 1.507E+00 1.715E+02 9.998E-03 4.304E-04 3.162E+06 1.000E-02 1.310E+00 1.490E+02 9.998E-03 1.206E-04 1.000E+07 1.000E-02 7.039E-01 1.169E+02 1.000E-02 2.405E-05 Рис.1 Електрична схема транзисторного підсилювача 2. АНАЛІЗ ПІДСИЛЮВАЧА В РЕЖИМІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ 2.1.Заступн схема 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, прийнявши 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) здійснюється 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 розсіюється 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 дозволяється. Отже, заступна схема кола в режимі постійного струму набуде вигляду: 2.2. Нумерація вузлів заступної схеми. Вузол - це точка з'єднання двох або більше компонентів. Спільний 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 номери вузлів, що вказані в завданні до курсової роботи, не дозволяється. 2.3. Прийняття умовних додатних напрямків струмів і напруг компонентів. Отже, в заступній схемі необхідно вказати лише умовні додатні напрямки струмів компонентів, а напрямки напруг компонентів, за винятком керуючих напруг, вказувати недоцільно. Довільно приймати напрямки струмів і напруг можна лише для неполярних компонентів, до яких належать лінійні опори та провідності. 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 задаються 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 визначити лише після розрахунку. Від'ємний знак розрахованої величини означає, що дійсний напрямок є протилежним до прийнятого. 2.4. Компонентні рівняння Для кожного компонента записати компонентне рівняння, з якого визначити струм компонента і похідну струму по напрузі, тобто диференціальну провідність компонента (крім незалежних джерел струму ). Напругу кожного компонента згідно з заданим або вибраним напрямком та прийнятою домовленістю про відлік (додатний напрямок - від "плюса" до "мінуса" (п.2.3)) виразити через відповідні вузлові потенціали. Вузловий потенціал фk деякого вузла k (k=1,2, .... п) - це напруга між даним вузлом 1 базисним опорним вузлом, за який прийнятий 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. 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. Матриця Якобі G(ф) Як відомо, матриця Якобі системи - це матриця перших частинних похідних функцій , з яких складається вектор-функція f(х), за всіма невідомими Хs. З огляду на це матриця Якобі складена у вузловому координатному базисі._ називається ще матрицею вузлових диференціальних провідностей G(ф) = J'(ф) При складанні матриці вузлових диференціальних провідностей можна застосувати, як і при формуванні вектора вузлових струмів, спосіб позиційного сумування. Згідно з цим способом кожний компонент схеми розглядається окремо і диференціальна провідність компонента з певним знаком заноситься у відповідні елементи 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 gRн=1/Rн gYS=YS grc=1/re grc=1/rc grb=1/rb gcc=Is/фT*exp(Ube/фT) gR2=1/R2 gec= Is/фT*exp(Ubc/фT) Отже, повна матриця вузлових диференціальних провідностей набуде вигляду 2.7. Алгоритм і програма статичного аналізу. Складаємо алгоритм аналізу підсилювача в режимі постійного струму на підставі методу Ньютона, який передбачає 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.Статичний аналіз 1) Задати точність розв'язування системи нелінійних алгебраїчних рівнянь є = 10-6 В; 2) Прийняти початкове наближення рівним 0; 3) Запустити програму на виконання 1 стежити за збіжністю ітерацій. 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 алгоритмі (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 ітерації 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 напругу живлення на 2-3 В і виконувати п. З, поки не буде досягнута збіжність ітерацій, після чого повернутись до п. 6; 2.9. Результати статичного аналізу Навести результати роботи програми аналізу підсилювача в режимі постійного струму: початкове наближення вектора вузлових потенціалів 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 потужність 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. Заступна малосигнальна схема підсилювача. Для складання заступної схеми підсилювача в режимі малого сигналу 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 постійним 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 лінеаризацією 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 переповнення або зникнення порядку при виконанні арифметичних операцій в програмі приймемо gmг = 0. Тоді Rμ=оо, і з малосигнальної 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 дорівнює нулеві; 3) перетворити за допомогою формул (За), (26) незалежне гармонічне джерело напруги сигналу VIN. прийнявши його внутрішній опір Ri=1 Ом, у незалежне гармонічне джерело струму сигналу JIN з внутрішньою провідністю Yі. 3.2. Нумерація вузлів заступної малосигнальної схеми 3.3. Математична модель кола в режимі малого сигналу Математичну модель лінійного кола в частотній області також будемо складати за методом вузлових потенціалів. Дотримуючись раніше викладеної методики і виконуючи п.п. 2.3-2.5, можна, як і для нелінійного кола, отримати вектор вузлових струмів і записати математичну модель. Правда, тепер внаслідок 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 незалежних 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 нульового (спільного) вузла, 1 має дійсну частину, в яку входять провідності резистивних компонентів, та уявну частину, утворену реактивними 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. Складаємо матрицю вузлових комплексних провідностей Y(w) Таким чином, матриця провідностей керованого напругою джерела струму, що наведена на рис. 8,б. складається, як і матриця двополюсного компонента (рис. 7,6), з чотирьох елементів, номери рядків тії яких збігаються, а номери стовпців, на відміну від двополюсника, визначаються парок вузлів річ. Як бачимо, матриця провідностей 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 провідностей 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 Розрахунок АЧХ Кu в режимі АС 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. ЛІТЕРАТУРА 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.

Курсова робота Основи автоматизації проектування РЕА

2015

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

поділитись