Усилительный каскад с емкостной связью

Размещено на http://www.allbest.ru/

20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пояснительная записка

к курсовой работе

по курсу: «Общая электротехника и электроника»

на тему

Усилительный каскад с емкостной связью

Содержание

1.Ведение

2.Анализ задания

3.Математические модели компонентов схемы

4.Расчет схемы по постоянному току

5.Идентификация моделей компонентов

6.Топологическое описание схемы

7.Математическая модель схемы

8.Моделирование схемы с применением ППП «MathCad», «Micro-Cap»

9.Заключение

10.Библиографический список

1. Введение

На сегодняшний день тенденция развития большинства областей науки и техники неразрывно связаны с совершенствованием, прежде всего, электронных устройств. Поступательное движение к более сложным электронным системам стимулирует коренные изменения в подавляющем большинстве отраслей промышленности. Эта тенденция сохраняется и в быту: появление новых, более сложных электронных устройств значительно облегчает домашний труд, избавляя индивидуума от множества рутинных занятий, освобождая время для интересной и насыщенной жизни.

Это является результатом развития интегральной технологии, обусловившей массовый выпуск микроэлектронных функциональных устройств различного назначения, представляющие собой полупроводниковые пластины малой толщины, на которых выполнены десятки тысяч элементов электроники: транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы и др.Смоделировать и сконструировать столь сложные микроэлектронные схемы без ЭВМ невозможно.Поэтому необходимо применение машинных методов анализа электронных схем.

Основными задачами анализа электронных схем являются:

1.Определение выходных сигналов схемы и режимов при заданных входных воздействияхи параметрахкомпонентов схемы.

2.Определение работоспособности схемы при изменении температуры окружающей среды, питающих напряжений, параметров схемных компонентов.

3.Определение статических (вероятностных) характеристик параметров схемы.

Структура анализа электронных схем содержит:

1. Входной блок - ведущая программа, которая обеспечивает решение задачи и производит прием информации о конфигурации, типах и параметрахкомпонентов схемы.

2. Блок математических моделей компонентов (ММК). Содержит математическое описание всех компонентов схемы.

3. Блок математического моделирования конфигурации схемы. Описывает способы соединения компонентов в схему: графы, матрицы, списки.

4. Блок формирования математической модели схем (ММС).Осуществляет объединение ММК в соответствии с конфигурацией схемы в общую систему уравнений определенного вида. Математическое обеспечение этого блока - методы моделирования электронных схем: метод узловых потенциалов, метод переменных состояний, метод контурных токов, метод напряжения связи.

5. Блок анализа ММС. Обеспечивает решение полученных уравнений при заданных значениях параметров компонентов и входныхпеременных, математическим обеспечением которого являются численные методы решениясистем алгебраических и дифференциальных уравнений

2. Анализ задания

В данной курсовой работе требуется рассчитатьусилительный каскад, включенный по схеме с ОЭ (рис. 1). Исходные данные:

транзистор ГТ 109Б;

рабочая температура схемы ;

напряжение питания ;

нижняя граничная частота ;

сопротивление , ;

входной сигнал , где - постоянный уровень входного напряжения в рабочей точке;

амплитуда входного сигнала ;

Каскад выполнен на биполярном транзисторе ГТ 109Б. Это германиевый, сплавной, маломощный, низкочастотный, миниатюрный транзистор, который предназначен для работы во входных каскадах усилителей низкой частоты. Корпус металло-стеклянный, герметичный и с гибкими выводами. Масса транзистора не более 0.1 г.Входная и выходная ВАХ транзистора приведены на рис. 2 [1], а электрические параметры - в таблице 1[1][2].

Таблица 1

3. Математические модели компонентов

Математические модели компонентов схемы приведены в таблице 2. В качестве моделей биполярных транзисторов в современных пакетах схемотехнического моделирования используются схемы замещения по Моллу-Эберсу и Гуммелю-Пуну. В курсовой работе будем использовать модель Молла-Эберса.

Таблица 2

4. Расчет схемы по постоянному току

Режим работы, при котором в схеме протекают только постоянные токи называется режимом работы схемы по постоянному току. В таком режиме определяется рабочая точка усилителя.

Для расчета данной схемы (рис. 1) определим рабочую точку транзистора с помощью графоаналитического метода.Для этого построим на выходной ВАХ транзистора линию нагрузки, представляющую функцию :

При

Размещено на http://www.allbest.ru/

20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Линия нагрузки представлена на выходной ВАХ транзистора (рис. 3).

Из рисунка видно, что . Отметив значение на входной ВАХ, получим

Вычислим потенциал входного узла каскада :

- минус в уравнениях учитывает направление токов в схеме.

Зафиксируем с помощью переменного источника напряжения на входе.

Найдем потенциал выходного узла усилителя , определяющий постоянный уровень сигнала в активном режиме работы.

5. Идентификация моделей компонентов

Размещено на http://www.allbest.ru/

20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биполярный транзистор можно представить в виде четырехполюсника (рис. 4) [4]. Входные и выходные величины могут быть связаны через различные системы параметров: параметры - сопротивления, параметры - напряжения, но наибольшее распространение получили параметры транзистора, измеряемые со стороны внешних выводов или вычисляемые по вольт-амперным характеристикам. По эквивалентной схеме транзистора (рис. 5) составим систему уравнений:

Из системы уравнений видно, что - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе; - коэффициент обратной передачи напряжения при холостом ходе на входе; - коэффициент прямой передачи тока при коротком замыкании на выходе; - выходная проводимость при холостом токе на входе.

Размещено на http://www.allbest.ru/

20

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Рассчитаем параметры транзистора, включенного по схеме с ОЭ, по ВАХ, представленным на рис. 3, и формулам из источника [4].

2. Вычислим физические параметры транзистора:

По результатам моделирования транзистора в подпрограмме Modelпакета Micro-Capбыли получены параметры транзистора, в том числе

3. Найдем тепловые токи коллектора и эмиттера. Согласно справочным значениям обратный ток коллектора и эмиттера соответственно равны:

при при

Найдем обратный ток коллектора при по формуле [3]. Для этого вычислим значение , подставив в формулу предельные значения тока:

Согласно формуле [3]:

Тепловые токи коллекторного и эмиттерного диодов транзистора вычислим по следующим формулам [3]:

4. Определим емкость конденсатора ослабляющего отрицательную обратную связь по переменному току:

Пусть

Емкость конденсатора выбрана по ряду предпочтительных значений E12, согласно ГОСТ 28884-90.

6. Топологическое описание схемы

Топологическая структура (топология) элементов схемы - способ соединения отдельных компонентов (конфигурация схемы). Топология может быть описана:

графом;

топологическими матрицами;

списками;

Граф - совокупность отрезков произвольной длины и формы (ветвей) и точек их пересечения (узлов). Направления ребер в графе соответствуют направлениям токов и противоположны полярностям источников тока и напряжения.

Любая совокупность ветвей, принадлежащая графу, называется подграфом. Подграфы, не имеющие общих вершин, образуют несвязный граф.

Контуром называется замкнутая цепь, состоящая из части ребер графа, причем каждая узловая точка соединяет только два ребра данного контура.

Деревом графа называют связанный подграф, не имеющий контуров и соединяющий все узлы графа. Ветви - это ребра, входящие в дерево графа, связи - это остальные ребра графа. Дерево, включающее в себя только источники напряжения и емкости, называется собственным. При подключении к дереву графа одной связи образуется контур, ориентированный по направлению связи.

Для описания эквивалентной схемы усилителя (рис. 6) будем использовать топологическую матрицу. Это матрица, в которой строки соответствуют связям, а столбцы - ветвям. Каждая строка матрицы определяет состав и направление ветвей, входящих в контур, ориентированный по соответствующей связи. При этом на пересечении строки со столбцами ставится 1, если направление ветвей совпадает с направлением обхода контура, минус 1 в обратном случае и 0, если ветвь не входит в контур.

Размещено на http://www.allbest.ru/

20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Составим граф и дерево графа схемы (рис. 7) и сформируем топологическую матрицу

Размещено на http://www.allbest.ru/

20

Размещено на http://www.allbest.ru/

7. Математическая модель схемы

Найдем систему уравнений, соответствующей ММС с помощью топологической матрицы

1. По напряжению ветвей находим вектор напряжений связей:

2. Через ММК переходим к токам связей.

3. Через транспонированную матрицу перейдем к вектору токов ветвей.

4. Подставим в ММК, причем подстановка и тривиальна, т.к. источники напряжения не зависят от тока.

Полученная система уравнений представляет ММС, причем она кроме двух ДУ в нормальной форме Коши содержит алгебраическое уравнение относительно . Найдем решение ММС с использованием пакета Mathcad 15.0. Рабочий фрагмент вычислений приведен в следующем пункте.

8. Моделирование схемы с применением ППП «MathCad», «Micro-Cap»

1. Рабочий фрагмент расчета ММС, выполненный в пакете MathCad15.0:

Анализ усилителя с емкостной связью проведен в пакете Micro-Cap 9.0. Рабочая схема представлена на рис. 8. Параметры, задаваемые в библиотеках элементов, приведены в таблице 3.

Таблица 3

б) Анализ в режиме Transient. Входной и выходной сигналы каскада приведены на рис. 10.

Рис. 10.

9. Заключение

усилительный каскад схема эмиттер

В данной курсовой работе проанализирована схема усилительного каскада с общим эмиттером, реализованная на биполярном транзисторе, моделирование которой производилось с помощью MathCad15.0 и Micro-Cap9.0. Результаты анализа в программах отражают статический и усилительный режим работы транзистора, который показывает, что каскад инвертирует фазу входного сигнала с коэффициентом усиления по напряжению.

10. Библиографический список

1. К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова, Г.Г. Коровин, Б.Л. Перельман. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник/Под ред. Б.Л. Перельмана.- М.: Радио и связь, 1981.- с. 34-37.

2. В.Л. Аронов, А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др. Полупроводниковые приборы: транзисторы: Справочник / Под ред. Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - с. 116-118.

3. И.В. Баскакова. Лекции по курсу: «Основы электротехники и электроники». Рязань: РГРТУ, 2010.

4. И.П. Степаненко. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: «Энергия», 1977. с. 173-226.

5. А.А. Черняк, Ж.А. Черняк, Ю.А. Доманова. Высшая математика на базе MathCad. Общий курс. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 608 с. Глава IV. «Дифференциальные уравнения».

6. В.Д. Разевиг. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003. 368с.

Размещено на Allbest