Моделювання підсилювача на біполярному транзисторі.. Курсова робота з Основи автоматизації проектування РЕА. Робота № 202910

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:

2015

Тип роботи:

Курсова робота

Предмет:

Основи автоматизації проектування РЕА

Група:

РТ-3

Варіант:

Завантажити

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, прийнявши 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) 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: 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. 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 і керованих джерел струму чи напруги напрямки струму або напруги завжди задаються. 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 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 φk деякого вузла k (k=1,2, .... п) - це напруга між даним вузлом і 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= 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 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() = J'(). 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: 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 сигналу 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 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.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 лінеаризацією 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 переповнення або зникнення порядку при виконанні арифметичних операцій в програмі приймемо gmг=0, тоді Rμ=∞. Із малосигнальної 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 дорівнює нулеві; 3) перетворити незалежне гармонічне 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 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 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 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): 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.

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