Моделювання підсилювача на біполярному транзисторі. Курсова робота з Основи автоматизації проектування РЕА. Робота № 120488

Моделювання підсилювача на біполярному транзисторі

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Не вказано

Факультет:

Не вказано

Кафедра:

Кафедра ТРР

Інформація про роботу

Рік:

2015

Тип роботи:

Курсова робота

Предмет:

Основи автоматизації проектування РЕА

Група:

РТ-31

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

Міністерство освіти і науки України Національний університет (Львівська політехніка( Кафедра ТРР КУРСОВА РОБОТА з дисципліни: ( Основи автоматизації проектування РЕА( на тему: (Моделювання підсилювача на біполярному транзисторі( Варіант№55 Львів – 2008 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 VIII. 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. Рис.1 Електрична схема транзисторного підсилювача 2. АНАЛІЗ ПІДСИЛЮВАЧА В РЕЖИМІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ 2.1.Заступн схема кола в режимі постійного 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 і 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. Заступна схема статичного режиму 2.2. Визначення напруг, струмів і диференціальних провідностей компонентів 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. 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. 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" 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= φ1;UR2=φ5-φ1;URн=φ6-φ3;Ube=φ2-φ7; Ubc=φ2-φ8; URc=φ8-φ3;URe=φ7- φ4;URb=φ1-φ2. 2.3. Формування вектора вузлових струмів J(() 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 2.4. Складання матриці вузлових диференціальних провідностей 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 gR2=1/R2 gR3=1/R3 gRн=1/Rн gYS=YS gre=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: 2.5. Розробка та описання програми статичного аналізу Нашу електричну схему підсилювача наберемо в програмі Micro-CAP VIII задамо всі параметри елементів і за допомогою підменю «аналіз по постійному струму» знайдемо потенціал в кожному вузлі. 2.6. Результати статичного аналізу Результати статичного аналізу проведені в програмі Micro-CAP VIII співпадають з результами прогами PSpice і Mathcad. 3. Аналіз підсилювача в режимі малого сигналу З.1. Лінеаризація нелінійної універсальної моделі біполярного Транзистора 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. Рис.3. Малосигнальна модель Еберса-Молла 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. Заступна малосигнальна схема підсилювача 3.3. Складання вектора еквівалентних вузлових незалежних джерел Струму 3.4. Складання матриці вузлових комплексних провідностей Математичну модель лінійного кола в частотній області також будемо складати за методом вузлових потенціалів. Дотримуючись раніше викладеної методики , 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 -кутова частота (w=2Пf, f - частота гармонічних коливань сигналу, Гц). Матриця вузлових комплексних провідностей Y(w) є квадратною матрицею розміру (n*n), де n - кількість вузлів в схемі без нульового (спільного) вузла, 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 і 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 складається, як і матриця двополюсного компонента з чотирьох елементів, номери рядків ті яких збігаються, а номери стовпців, на відміну від двополюсника, визначаються парок вузлів річ. Як бачимо, матриця провідностей керованого джерела струму є несиметричною. 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 . Отже, матриця вузлових диференціальних провідностей матиме вигляд Y(w): 3.5. Розробка та описання програми частотного аналізу. Результати частотного аналізу Сформувавши матрицю провідностей введемо її в Mathcad Моделювання підсилювача за допомогою програми ПКМ Micro-CAP VIII \ ВИСНОВOК : На основі проведеного аналізу транзисторного підсилювача, за допомогою розроблених програм аналізу підсилювального каскаду в режимі постійного струму та малого сигналу, та моделювання цього кола , використовуючи програмно-методичний комплекс програм (Mathcad, Micro-Cap VІІІ), я роблю наступні висновки: після проведення аналізу в режимі постійного струму переконався , що при незначному відхиленні , отримані при розрахунках в програмах SAPR Mathcad i Micro-Cap VІІІ , струмів і напруг компонентів збігаються з заданими даними . При аналізі в частотній області за допомогою програми Micro-Cap VІІІ розрахунок АЧХ коефіцієнта передачі по напрузі підсилювача в заданому частотному діапазоні (10—1*107) співпадає з даними наведеними в завданні і несуттєво відхиляється з виведеними АЧХ і ФЧХ в програмі Micro-Cap VІІІ . 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