Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Моделювання підсилювача на біполярному транзисторі.
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Кафедра теоретичної радіотехніки та радіовимірювання (ТРР)
Інформація про роботу
Рік:
2007
Тип роботи:
Курсова робота
Предмет:
Основи автоматизації проектування РЕА
Група:
РТ-3
Варіант:
30
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний університет „Львівська Політехніка”
КУРСОВА РОБОТА
з курсу:
² Основи автоматизації проектування РЕА²
на тему:
²Моделювання підсилювача на біполярному транзисторі²
Варіант№30
Виконала:
студентка гр. РТ-3
Прийняв:
Львів–2007
ЗМІСТ
Вступ…………………………………………………………………………...……….3
Початкові дані……………………………………………..……..……………..….…..4
Аналіз підсилювача в режимі постійного струму………………..…………...……..6
Побудова заступної схеми кола в режимі постійного струму …………...……..6
Визначення напруг, струмів та диференціальних провідностей компонентів ……………………………………………………………….………………...…….7
Формування вектора вузлових струмів J()......……………………………...…..8
Складання матриці вузлових диференціальних провідностей ……………...….8
Розробка та описання програми статичного аналізу ………………………........9
Аналіз підсилювача в режимі малого сигналу……………………………………...11
Лінеаризація нелінійної універсальної моделі біполярного транзистора ……..11
Складання матриці вузлових комплексних провідностей ……………………..13
Розробка та описання програми частотного аналізу ……………………….......14
Моделювання підсилювача за допомогою ПМК Micro-CAP 8……………………18
Висновки…………………………………………………………………………..…19
Література………………………………………………………………………........20
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.1.1), 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.1.1. Електрична схема транзисторного підсилювача.
2. АНАЛІЗ ПІДСИЛЮВАЧА В РЕЖИМІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ.
2.1. Побудова заступної схеми 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, прийняв ши його внутрішній опір RS=0.001 Ом, у незалежне джерело постійного струму JS з внутрішньою провідністю YS (рис.2.1).
Перетворення незалежного джерела напруги в незалежне джерело струму або навпаки для вказаної полярності джерел (рис.2.1) 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:
Рис.2.1. Заступна схема статичного режиму.
2.2. Визначення напруг, струмів і диференціальних провідностей компонентів.
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.
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 і керованих джерел струму чи напруги напрямки струму або напруги завжди зада ються. Змінювати їх, так само як і напрямок керуючої напруги, не можна, бо це призведе до зміни кола, що підлягає аналізу.
Істинні напрямки струмів і напруг всіх компонентів можна виз начити 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 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" виразити через відповідні вузлові потенці али.
Вузловий потенціал φk деякого вузла k (k=1,2, .... п) - це напруга між даним вузлом і 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= φ5-φ1;UR2=φ6-φ5;URн=φ5-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()=0.
2.4. Складання матриці вузлових диференціальних провідностей.
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() = J'().
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 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:
EMBED Mathcad
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.
Результати статичного аналізу:
EMBED Mathcad
EMBED Mathcad
Рис.2.5. Електрична схема транзисторного підсилювача з результатами 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 сиг налу необхідно:
1) замінити транзистор малосигнальною моделлю і розрахувати її параметри, використавши результати статичного аналізу:
2) в режимі малого сигналу, який має місце, коли змінні складові напруг і 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.3.1.) за допомогою лінеаризації всіх нелінійних компонентів. Отже, лінеаризоване компонентне рівняння встановлює співвідношення між приростами струму і напруги компонента. З цього випливає, що заступна схема нелінійного кола в режимі малого сигналу - це схема для приростів струмів і напруг. Малосигнальна модель біполярного транзистора п-р-п типу наведена на рис.3.1. Компоненти цієї малосигнальної моделі (лінійної гібридної п-моделі) визначаються за співвідношеннями, що отримані лінеариза цією рівнянь (1):
де Ube0, Ubc0 - напруги, що розраховані в режимі постійного струму, gmf i gmr крутості транзистора в нормальному та інверсному режимах відповідно.
Рис.3.1. Малосигнальна модель Еберса-Молла.
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=∞. Із малосиг нальної моделі, наведеної на рис.3.1. 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 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.
Рис.3.2. Заступна малосигнальна схема підсилювача.
3.2. Складання матриці вузлових комплексних провідностей.
Математичну модель лінійного кола в частотній області також будемо складати за методом вузлових потенціалів. Дотримуючись рані ше викладеної методики, 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 – 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 нульо вого (спільного) вузла, має дійсну частину, в яку входять про відності резистивних компонентів, та уявну частину, утворену реак тивними компонентами, провідності яких залежать від частоти. Кожний рядок матриці вузлових комплексних провідностей 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 джере ла струму, що складається, як і матриця дво полюсного компонента з чотирьох елементів, номери ряд ків ті яких збігаються, а номери стовпців, на відміну від двопо люсника, визначаються парок вузлів річ. Як бачимо, матриця про відностей 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 провід ностей компонента в матрицю вузлових диференціальних провідностей кола. Отже, матриця вузлових диференціальних провідностей матиме вигляд Y(w): EMBED Mathcad
3.3. Розробка та описання програми частотного аналізу.
Результати частотного аналізу:
Сформувавши матрицю провідностей введемо її в Mathcad
EMBED Mathcad
EMBED Mathcad
EMBED Mathcad
EMBED 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 я переконалась, що при незначному відхиленні, отримані при розрахунках в програмах 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.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора