Автоматизированый анализ резисторного каскада усиления на биполярных транзисторах

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФФЕСИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

Воронежский государственный  технический университет

(ФГБОУВПО «Воронежский  государственный технический университет»)

Радиотехнический факультет

Кафедра радиоэлектронных устройств и систем

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Схемотехника электронных средств»

 

Тема: «Автоматизированый анализ резисторного каскада усиления на биполярных транзисторах»

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы РК-101 Стуруа Р. М.

  Проверил:  проф. Мушта А.И.

 

 

 

 

 

Воронеж 2012

 

Техническое задание

 

     Номер варианта 1

1. Тип усилителя – резисторный каскад усиления на полевом транзисторе.
2. Тип усилительного элемента – BF244A
3. Диапазон рабочих частот:

Нижняя  граничная частота 

f_н.г. =50N = 50 [Гц].

Верхняя граничная частота 

f_в.г= 200N = 200 [кГц].

4. Диапазон рабочих температур  от -28 °С до +31 °С

 

Оглавление

 

1. Введение……………………………………………………………………4
2. Принципиальная электрическая схема усилителя……………………....5
3. Расчет АЧХ каскада усиления…………………………………………….6
4. Определение фазового сдвига…………………………………………….7
5. Исследование влияния температуры на АЧХ…………………………....8
6. Исследование влияния разделительного конденсатора…………………8
7. Исследование влияния нагрузки на АЧХ…………………………………9
8. Исследование влияния  ООС……………………………………………..10
9. Разработка усилителя, АЧХ которого соответствует ТЗ……………….11
10. Заключение………………………………………………………………..12
11. Библиографический список………………………………………………13

 

Введение

Усилители на полевых  транзисторах (ПТ) обладают большим  входным сопротивлением. Обычно такие  усилители используются как первые каскады предварительных усилителей, усилителей постоянного тока измерительной и другой радиоэлектронной аппаратуры. 

Применение в первых каскадах усилителей с большим входным  сопротивлением позволяет согласовывать  источники сигнала с большим внутренним сопротивлением с последующими более мощными усилительными каскадами, имеющими небольшое входное сопротивление. Усилительные каскады на полевых транзисторах чаще всего выполняются по схеме с общим истоком.

Так как напряжение смещения между затвором и истоком равно нулю, то режим покоя транзистора VT характеризуется положением точки А на сток-затворной характеристике при U_ЗИ=0 (рис. 15,б).  
 В этом случае при поступлении на вход усилителя переменного гармонического (то есть синусоидального) напряжения U_ЗИ с амплитудой U_mЗИ положительный и отрицательный полупериоды этого напряжения будут усиливаться неодинаково: при отрицательном полупериоде входного напряжения U_ЗИ амплитуда переменной составляющей тока стока I'_mc будет больше, чем при положительном полупериоде (I''_mc), так как крутизна сток-затворной характеристики на участке АВ больше по сравнению с крутизной на участке АС: Вследствие этого форма переменной составляющей тока стока и создаваемого им переменного напряжения на нагрузке U_ВЫХ будет отличаться от формы входного напряжения, то есть возникнут искажения усиливаемого сигнала.  
Для уменьшения искажений сигнала при его усилении необходимо обеспечить работу полевого транзистора при постоянной крутизне его сток-затворной характеристики, то есть на линейном участке этой характеристики.

 

Принципиальная электрическая  схема усилителя 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• пассивные компоненты R - служит для выделения напряжения усиленного сигнала и подачи питающего напряжения от источника питания на выходной электрод транзистора
• разделительный конденсатор С - не пропускает постоянную составляющую напряжения из выходной цепи на вход следующего каскада.
• делитель напряжения, состоящий из резисторов R1, R2, используется для подачи напряжения смещения на вход следующего усилительного элемента. Резистор в цепи затвора выполняет два назначения: во-первых, как элемент резисторно-емкостного делителя он позволяет передать на вход следующего каскада усиленное переменное напряжение, во-вторых, через него заводится на затвор напряжение смещения.
• Полевой транзистор VT1 – предназначен для изменения тока

 

Расчет АЧХ каскада усиления

 

Для расчёта АЧХ  каскада усиления используется схема, представленная на рис. 3. Питание всех цепей усилительного каскада осуществляется от общего источника постоянного тока V1. Для устранения паразитных междукаскадных связей через источник питания используется развязывающий фильтр на элементах C1, R4.

Резисторы R1, R2, R4 задают требуемый ток стока транзистора. Температурная стабилизация режима осуществляется за счет использования последовательной отрицательной обратной связи по постоянному току. Напряжение отрицательной обратной связи создается на резисторе R2.

Рис. 3.

Разделительный конденсатор  С2 пропускает во входную цепь каскада  только переменную составляющую напряжения источника сигнала. Разделительный конденсатор С3 выполняет аналогичную функцию по отношению к нагрузке, образуемой резистором R5. Источником входного сигнала является генератор V2 с внутренним сопротивлением R6.

При вводе схемы использовались компоненты из следующих библиотек:

• analog.slb – пассивные компоненты (R, C);
• jfet.slb – полевой транзистор (J1);
• port.slb - узел с нулевым потенциалом, общий провод (AGND);
• source.slb – источники постоянного и синусоидального напряжений (VDC, VSIN).

Условия  моделирования  приведены на рис. 2.32. Расчёт АЧХ  производится в диапазоне 20 Гц – 100000 МГц с декадным шагом, количество точек на декаду – 1010.

В результате расчёта  получается АЧХ, изображённая на рис. 4. На графике определяются максимальное значение выходного напряжения U_max и границы полосы пропускания на уровне 0,707U_max.

 

Рис. 4

 

 

Определение фазового сдвига

 

Для определения фазового сдвига между сигналами на входе и выходе, обусловленного инвертированием сигнала транзистором, производится расчёт ФЧХ, представленная на рис. 5.

 

Рис. 5.

 

Исследование влияния температуры на АЧХ

 

Для исследования влияния  температуры на АЧХ каскада усиления производится расчёт АЧХ при различных значениях температуры.

На рис. 6 приведены АЧХ для температур -37 и +42 °С.

 

Рис. 6.

 

Исследование влияния разделительного конденсатора

 

Для исследования влияния  разделительного конденсатора на АЧХ каскада следует изменить ёмкость конденсатора C4. На рис. 7 представлена АЧХ каскада при значении ёмкости C4, равной 680 пФ. С уменьшением ёмкости полоса пропускания усилителя сужается в области нижних частот.

 

Рис. 7

 

Исследование влияния нагрузки на АЧХ

 

Для исследования влияния  нагрузки на АЧХ каскада необходимо параллельно сопротивлению R5 включить конденсатор C14 ёмкостью 10 пФ (рис. 8)

Рис. 8

 

Увеличение ёмкости  нагрузки приводит к уменьшению полосы пропускания в области верхних  частот (рис. 9).

 

 

 

Рис. 9

 

Исследование влияния  ООС

 

Для исследования влияния  параллельной ООС по напряжению на АЧХ каскада следует ввести указанную обратную связь путем включения в схему усилителя резистора R12 (рис. 10).

Рис. 10

АЧХ каскада усиления при ООС (рис. 11)

Рис. 11

Таблица 1

Рисунок	Umax	U0.707	fн.г	fв.г	Комментарий результатов
4	1,372 В	982.9мВ	166,5Гц	11,77МГц	Исходные значения атрибутов  элементов
5			209,8Гц	10,4МГЦ	ФЧХ
6	1.531 В	1.007В	167.19Гц	11,67МГц	-37
	1.210 В	966,7мВ	165,7Гц	11,83МГц	+42
7	1,354 В	982.9мВ	240,8Гц	11,601МГц	Уменьшение ёмкости  разделительного конденсатора увеличивает  нижнюю граничную частоту
9	1,372 В	982.9мВ	170,126Гц	1,908МГц	Увеличение ёмкости  нагрузки приводит к снижению верхней  граничной частоты
11	1.214 В	850.2мВ	164,107Гц	13,100МГц	Параллельная ООС расширяет  рабочий диапазон частот

 

Разработка усилителя, АЧХ которого соответствует ТЗ

 

По ТЗ f_н.г=50 Гц, f_в.г=200 КГц

 

 

В таблице 2 предоставлен путь нахождения заданных по ТХ границ.

 

Таблица 2 

№		Umax	U0.707	fн.г	fв.г
1	R4=7 кОм R5=1.5 кОм	1.356 В	971.031мВ	167.1Гц	11.95МГц
2	С12=12 пф	1.366 В	971.038мВ	166.8Гц	1.64МГц
3	С12=120 пф	1.356 В	971.631мВ	165.7Гц	0.14МГц
4	С12=100 пф,	1.358 В	971.065мВ	170Гц	0.2МГц
5	С4=680 пф	1.336 В	971.531мВ	105Гц	1.8МГц
6	С4=6800 пф	1.306 В	971.231мВ	50Гц	1.8МГц

 

Заключение

В процессе исследований, удалось выяснить характер влияния нагрузки, ООС, разделительного конденсатора на АЧХ каскада усиления и влияния ООС на ФЧХ. Полученные результаты были представлены в виде таблицы.

Для построения каскада  усиления с заданной АЧХ, можно воспользоваться  одной из ранее полученных характеристик. После, используя результаты табл. 1, а так же основываясь на теоретическом курсе, без труда можно реализовать усилительный каскад, у которого значения АЧХ будет иметь параметры, заданные в условии.

 

Библиографический список

 

1. Мушта А.И., Балашов Ю.С.,  Новожилов О.П. Схемотехническое моделирование аналоговых электронных устройств усиления и генерации колебаний  Учебное пособие. –Воронеж: Воронеж, гос. техн. ун-т, 2003. -144 с.

2. Мушта А.И., Балашов  Ю.С.,  Новожилов О.П. Исследование  аналоговых электронных устройств с использованием персональных ЭВМ.(Курсовое проектирование). Учебное пособие. –Воронеж: Воронеж, гос. техн. ун-т, 2005. -147 с. {гриф УМО РФ}.

3. Мушта А.И., Балашов Ю.С. Компьютерный анализ цифровых электронных устройств. Учебное пособие. –Воронеж:

Воронеж, гос. техн. ун-т, 2006. -150 с. {гриф УМО РФ}.

4. Мушта А.И., Балашов  Ю.С. Исследование радиоэлектронных  устройств с применением персональной  ЭВМ и средств измерительной  техники. Учебное пособие./ Воронеж;  Воронеж, гос. техн. ун-т, 2006. -176 с.

5. Новожилов О.П. Основы  компьютерной техники: учебн.  пособие.  – М.: РадиоСофт, 2008.

6. Новожилов О.П. Электротехника  и электроника. Учебник для  вузов. – М.: Гардарики, 2008.