Методические указания к лабораторной работе по курсу "Основы компьютерного проектирования и моделирования рэс" для студентов всех форм обучения специальности

СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

6.1. Задание к лабораторной работе

1. Сформировать уравнение радиоэлектронной схемы методом узловых потенциалов в виде матрицы узловых проводимостей Y и вектора токов J независимых источников.

2. Вычислить чувствительность коэффициента усиления по напряжению усилительного каскада относительно элементов схемы, указанных преподавателем.

Примечание. Каждый студент формирует уравнение для одного из вариантов схемы и числовых данных. Порядок выбора варианта определяется преподавателем.

Варианты схем усилительного каскада приведены в прил. 1, числовых данных для вариантов схем с биполярным типом транзистора –в прил. 2, а для полевого транзистора – в прил.3. Параметры spice-моделей биполярных транзисторов перечислены в прил. 4, а полевых – в прил.5.

Величина ЭДС (Ег) источника сигнала во всех вариантах полагается равной 1 мВ. Расчеты выполняются на фиксированной угловой частоте  = 10⁶ рад/с. Параметры элементов, определяющих режим работы каскада на постоянном токе, выбирать из условия: Е_п = 10 В для биполярного и Е_п = 60 В для полевого транзисторов, рабочая точка должна находиться на середине нагрузочной прямой по постоянному току.

6.2. Этапы и содержание работы

1. Подготовительный этап включает ознакомление с описанием лабораторной работы, изучение теоретической части методических указаний и дополнительной литературы и выполнение домашнего задания. Домашнее задание заключается в выполнении следующих пунктов:

• 
  расчет параметров рабочей точки транзистора;
  
• 
  расчет параметров линеаризованной эквивалентной схемы замещения транзистора;
  
• 
  составление эквивалентной линеаризованной схемы усилителя;
  
• 
  формирование уравнения схемы методом узловых потенциалов;
  
• 
  расчет коэффициента усиления каскада по напряжению на средней и на рабочей частотах;
  
• 
  расчет чувствительности выходного напряжения усилителя к вариациям параметров электронных компонентов усилителя.
  

3. Компьютерный этап выполнения лабораторной работы включает в себя следующие шаги:

• 
  запуск компьютерной программы LAB1;
  
• 
  формулировка цели работы, выбор транзистора, схемы включения транзистора, параметров источника питания и нагрузки по постоянному току, количества выходных характеристик;
  
• 
  расчет входной и выходных ВАХ, выбор положения рабочей точки;
  
• 
  ввод описания схемы и расчет параметров эквивалентной схемы замещения;
  
• 
  составление и решение уравнения эквивалентной схемы усилителя (определение вектора узловых потенциалов и коэффициента передачи по напряжению на рабочей частоте);
  
• 
  расчет коэффициентов чувствительностей выходного напряжения к вариациям всех параметров компонентов эквивалентной схемы;
  
• 
  составление файла отчета;
  
• 
  сравнительный анализ результатов домашней подготовки и машинных расчетов, принятие решения о продолжении вычислений или об их окончании.
  

7. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

7.1. Расчет каскада по постоянному току

Расчет или выбор режима работы по постоянному току (рабочей точки) является важнейшей проектной процедурой для аналоговых электронных схем, содержащих полупроводниковые компоненты, и предшествует выполнению процедур анализа и параметрической оптимизации.

Для гарантированного обеспечения линейного режима работы транзистора необходимо, в соответствии с заданием, рабочую точку выбрать на середине нагрузочной прямой. В этом случае параметры рабочей точки можно определить по формулам, приведенным в табл. 1. При таком подходе расчета рабочей точки не требуются статические ВАХ транзисторов, которые в современных справочных источниках, как правило, отсутствуют.

Примечание. Обратите внимание на полярность включения источника смещения Есм в случае полевого транзистора на R_з, которое выбирается в диапазоне от 3 до 5 МОм, .

Таблица 1

Окончание табл. 1

7.2. Составление полной эквивалентной схемы

7.2.1. По принципиальной схеме усилительного каскада составляется его эквивалентная схема на переменном токе. При этом полагается, что внутреннее сопротивление источника питания Еп равно нулю.

7.2.2. Источник напряжения входного сигнала Ег преобразуется в соответствии с теоремой об эквивалентных генераторах в источник тока.

7.2.3. Транзистор заменяется малосигнальной схемой замещения. Схемы замещения представлены в разделе 2 на рис. 5 и рис. 6 для полевого и биполярного транзисторов соответственно.

7.2.4. В качестве базового выбирается узел, к которому подключается наибольшее количество элементов схемы и ему присваивается нулевой номер. Как правило, таким узлом является общий (“земля”). Относительно базового узла отсчитываются напряжения в остальных узлах (узловые потенциалы).

7.2.5. Узлы нумеруются цифрами от 1 до n, где n – количество незаземленных узлов. Причем узел подключения источника входного сигнала нумеруется цифрой 1, узел подключения нагрузки – цифрой n, а остальные узлы могут нумероваться в произвольном порядке. Рекомендуется нумеровать узлы при обходе эквивалентной схемы слева направо и сверху вниз.

7.2.6. Задается направление тока независимого источника. Ток, вытекающий из узла, считается положительным, а втекающий – отрицательным.

7.2.7. На эквивалентной схеме штрихпунктиром выделяется четырехполюсник – источник тока, управляемый напряжением. Фиксируются номера узлов, к которым подключены его полюсы.

7.2.8. Все сопротивления преобразуются в проводимости.

Результатом выполнения пп. 7.2.1 – 7.2.8 является полная эквивалентная схема усилительного каскада на переменном токе в режиме малого сигнала.

7.3. Расчет параметров схемы замещения биполярного транзистора

7.3.1. Используя токи коллектора и базы в рабочей точке определяются дифференциальные сопротивление эмиттера и крутизна транзистора

rЭ [Ом] = ,	(40)
Gm[A/B] = 1/rЭ = gЭ.	(41)

7.3.2 Дифференциальное сопротивление пересчитывается в сопротивление , а затем в

,

(42)

7.3.3. Используя ток коллектора и напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке, а также напряжение Эрли (VAF), численное значение которого приведено в spice-модели заданного транзистора (прил.4), определяются выходная (Iэ=Iк-Iб)

gКЭ [См] = IЭ/(VAF+VКЭ),

(43)

и проходная

gК [См] ≈ gКЭ/(1+h21Э)

(44)

проводимости транзистора.

4. 
   Емкость перехода база-эмиттер определяется по формуле
   

при; при.

(45)

Аналогичным образом рассчитывается , для этого необходимо

заменить индексы «бэ» на «к» и латинские буквы «E» на «C».

4. Формирование параметров схемы замещения полевого транзистора

1. 
   Используя ток стока Iс, напряжения Vси и Vзи в рабочей точке определяются крутизна транзистора
   

,

(46)

выходная проводимость

,

(47)

и емкости Сзи и Cзс

,при ,при.

(48)

Примечание. Для вычисления Cзс в формуле (48) необходимо заменить индексы «ЗИ» на «ЗС» и латинские буквы «S» на «D».

4. Расчет проводимостей пассивных элементов каскада

Проводимость резистивных, емкостных и индуктивных ветвей вычисляется соответственно по формулам:

gR [См] = 1/R,	(49)
gС [См] = jωC,	(50)
gL [См] = 1/(jωL).	(51)

4. Формирование уравнения цепи методом узловых потенциалов

7.6.1. Составление матрицы узловых проводимостей Y и вектора токов J независимых источников в матрично-векторном виде.

7.6.2. Подстановка в матрицу Y и вектор J числовых значений.

4. Расчет чувствительности выходного напряжения каскада

Для точного расчета коэффициентов чувствительности выходного напряжения, а следовательно, и коэффициента усиления по напряжению к вариациям внутренних параметров каскада, можно воспользоваться методом присоединенной (транспонированной) системы уравнений (см. раздел 4) и компьютерными программами MatCAD или MatLAB.

В ряде, практически важных случаев, можно воспользоваться методом экспресс-анализа. Если, например, двухполюсник G_К, влияние которого на выходное напряжение оценивается, включен параллельно выходу усилителя, как это показано на рис. 15, то для вычисления модуля нормированного коэффициента чувствительности для схем с ОЭ, ОИ, ОБ и ОЗ можно воспользоваться соотношением

,

(52)

а для схем с ОК и ОС

,

(53)

где G_НЭ = [(G_i+G_К+G_Н)²+(jωC_Н)²]^1/2 – модуль полной эквивалентной проводимости нагрузки.

Рис. 15. Выходная цепь усилительного каскада

4. Расчет основных параметров усилительного каскада

Расчет основных параметров усилительного каскада К_V, К_Е и R_ВХ выполняется по формулам, приведенным в табл. 2. В случае каскада на биполярном транзисторе не учитывалось влияние R_б на входное сопротивление каскада R_ВХ, а на полевом транзисторе – входное сопротивление транзистора для схем с ОИ и ОС.

Примечание. В формулах для биполярного транзистора используется дифференциальная крутизна, поэтому потери сигнала на объемном омическом сопротивлении базы транзистора учитываются коэффициентом

КВХ =[ rЭ· (1+h21Э)]/[ rЭ + rб / (1+h21Э)].

(54)

Таблица 2

Биполярный транзистор
№ п/п	Параметр		Схема включения
			ОЭ	ОБ	ОК
1	RВХ		rб +rЭ· (1+h21Э)	rЭ + rб / (1+h21Э)	rб +(rЭ+RЭ)·(1+h21Э)
2	KV =		-S··КВХ	S··КВХ
3	KE =		KV · RВХ /(RВХ + RГ)
	Полевой транзистор
	Параметр	ОИ		ОЗ	ОС
4	RВХ	RЗ		1/S	RЗ
5	KV =	-S·		S·
6	KE =	KE = KV		KV·RВХ/(RВХ+RГ)	KE = KV

7. 
   
   жүктеу/скачать 0.58 Mb.
   
   Достарыңызбен бөлісу: