Материал: Исследование аналоговых каскадов на дискретных элементах методом схемотехнического моделирования. Акимов В.И

МИНЕСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический

Университет

Кафедра системы информационной безопасности

471 - 2004

Исследование аналоговых каскадов на дискретных элементах методом схемотехнического моделирования

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных, практических и

самостоятельных работ

по курсу «Схемотехника АЭУ»

для студентов специальности 200700

«Радиотехника»

всех форм обучения

Воронеж 2004

Составитель: канд. техн. наук, доцент В.И. Акимов

УДК 621.375:681.33 (075.8)

Методические указания к выполнению лабораторных и практических работ «Основы анализа аналоговых электронных устройств» по курсу «Схемотехника АЭУ» для студентов специальности 200700 «Радиотехника» всех форм обучения / Воронеж. гос.техн. ун-т; Сост: В.И. Акимов. Воронеж, 2004. 79 с.

Методические указания содержат индивидуальные теоретические задания, методические указания по выполнению лабораторных работ и практических занятий аналоговой схемотехнике с помощью программы Electroniks Worcbench, которая позволяет проводить исследования в режиме «дистанционного образования».

Представлены лабораторные задания и методы расчёта аналоговых каскадов РЭА по постоянному и переменному токам, даны методические указания и примеры решений.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD, содержатся в файле MU 471 - 2004.doc

Предназначено для студентов третьего курса.

Ил. 18. Табл. 12. Библиогр.: 5 назв

Рецензент канд. техн. наук, доцент Е.Д. Алперин

Ответственный за выпуск зав. кафедрой

д-р техн. наук, профессор А.Г. Остапенко

Печатается по решению редакционно – издательского совета Воронежского государственного технического университета.

 Воронежский государственный

технический университет, 2004

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РАБОТУ

АНАЛОГОВЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

1 . Базовые каскады аналоговой дискретной схемотехники на биполярных транзисторах.

Р ис. 1.1. Каскад с ФТБ Рис. 1.2. Каскад с ФНБ

Рис. 1.3. Каскад ФТБ и КС Рис. 1.4. Каскад с ФТБ и ЭС

Рис. 1.5. Каскад с ФТБ и КМС Рис. 1.6. Каскад с ФНБ и ЭС

Р ис. 1.7. Каскад с ФНБ и КМС Рис. 1.8. Каскад с ФНБ и ДС

2.2. Аналитический метод анализа

Этот метод является универсальным, поскольку в его основе

лежат законы Ома и Киргофа. Методика анализа по постоянному

4

так и переменному токам адекватна. Основываясь на этих законах, олучим основные выражения для расчёта каскада, изображённого на рис. 2.1. Прежде запишем два основных уравнения биполярного транзистора:

Ie = Ib + Ic, (2.1)

Ek = Uc + Ub + Ue. (2.2)

Последнее выражение можно представить и в виде (при Е_К = 0):

Uce = Ucb + Ube. (2.3)

Для транзистора, включённого по схеме с ОЭ и работающем в линейном режиме, справедливо равенство:

Ic = β Ib. (2.4)

При малом колебании температуры, влиянием обратного (теплового) тока I^T_k0 на коллекторный ток I_K0 транзистора пренебрегают ввиду его малости (у современных кремниевых транзис торах ток I^T_k0 лежит в пределах от

10^-16 до 10^-10 А). При работе каскада в широком температурном диапазоне тепловой ток резко возрастает, что приводит и росту коллекторного тока I_K0 и вследствии этого (наряду с изменением напряжения на базе U_ВЕ0 и изменением коэффициета передачи по току β) изменением режима работы каскада по постоянному току. Учтём влияние теплового тока I^T_k0 с помощью выражения Ie0:= Ic0 + I^T_k0

Ie₀ = (Ic₀ - I^T_k0) / α, α = (β / (β +1)) (2.5)

Д алее обозначим напряжение на схеме рис. 2.1 между коллектором и эмит тером транзистора VT как Uce₀, между базой и эмиттером – Ube₀, ток, протекающий через сопротивление Rc и коллектор как Ic₀; - через сопро- тивление Re и эмиттер как Ie ₀ ток через базу, как Ib₀ ; ток через сопротивле ние Rb1 – I₁, через сопротивление Rb2 – I₂. С учётом сказанного и на осно- вании выражений (2.1) – (2.5) получаем основные соотношения, описывающие работу базового каскада по постоянному току.

Ie₀ = Ic₀ + Ib₀ , (2.6)

Ie₀ = (Ic₀ + I^T_k0). (2.7)

Из выражений (2.6) и (2.7) выразим ток базы Ib₀ в виде:

Ib₀ = [(1 – α) Ic₀ /α] + I^T_k0 / α. (2.8)

Для цепи: Ек, R1,база – эмиттер VT, Re имеем соотношение:

Ек = I₁*R1 + Ube ₀ + Ie ₀*Re. (2.9)

С учётом направления протекания тока I₂ при заданной полярности

питающего напряжения Ек и п-р-п структуры БТ, для контура: база – эмиттер VT, Re, R₂ можем записать:

I₁ = Ib₀ + I₂ , I₂ = I₁ - Ib₀ , (2.10)

I* R₂ - Ie₀*Re - Ube₀ = 0. (2.11)

5

Из последнего выражения получаем знчение тока I₂ в виде:

I₂ = (Ube₀ + Ie₀*Re) / R₂. (2.12)

Заменим в выражении (2.9) ток I₁ из (2.10) и ток I₂ из (2.12), получим:

Ек = Ube₀ + Ie₀*Re + Ib₀*R₁ + [(Ube₀ + Ie₀*Re) * (R₁ / R₂)].

Р ис. 1.9. Каскады ФНБ и ДС при прямом и обратном

включении термостабилизирующих диодов.

Рис. 1.10. Трансформаторный каскад с ФНБ , эмиттерная и па

раметрическая (ДС) температурная стабилизация

2

2. Методика расчёта базовых каскадов по постоянному току

2.1. Расчёт показателей каскадов методом схемотехнического

моделирования

Для вывода основных результатов, позволяющих проводить расчёт любых базовых каскадов по постоянному току целесообразно взять самый сложный и получить для него все необходимые соотношения, далее ими можно воспользоваться и при анализе более простых каскадов, заменяя в общих выражениях отсутствующие элементы либо 0, либо ∞, в зависимости от конфигурации конкретной

Рис. 2.1. Эмуляция работы каскада с ФНБ и ЭС

схемы. В качестве основной возьмём каскад с ФНБ и ЭС (рис. 1.6). Включим в схему контрольные приборы и активизируем схему (схемотехническое моделирование проведём с помощью программы EWB 5.12 Pro.

Осциллограммы входного и выходного сигналов представлены на рис. 2.2. На вход каскада подаём с выхода функционального генератора гармонический сигнал U_вх = 2 mV. Показания приборов по постоянному току следующие: Ib0 = 64,54 µA; Ub0 = 0,86 mV; Ie0 = 1,039 mA; Uc0 = 9,015 V. Показания приборов по переменному току следующие: Ib ~ = 0,15 µA; Ub ~ = 1,413 mV; Ie ~ 6,222 mA; Uc ~ 6,068 mV.

3

Из представленных данных можно определить параметры каскада как по постоянному, так и переменному токов, а также посмотреть осциллограммы напряжений в любых точках схемы.

Рис. 2.2. Осциллограммы входного (меньше по

амплитуде) и выходного напряжений

Остановимся подробней на основном выводе, вытекаю щим из анализа полученных выше данных. Из данных по постоянному току следует, что каскад работает на границе между активным режимом и режимом «отсечки». Это следует из величины постоянного напряжения на коллекторе транзистора.

Оптимальным, как известноо, для активного (линейного) режима является значение напряжения Uc0 ≈ Eк / 2.

Поэтому значения основных параметров этого каскада далеки от оптимальных

Примем во внимание соотношения (2.7) и (2.8), с учётом которых послед -нее выражение принимает вид:

Ек - Ube₀ - Ube₀[(R₁ / R₂) + 1] = Ic₀ {[(1 – α) R₁/α ] + (Re R₁) / →

→ (α R₂) + Re/α} - I^T_k0 [(R₁/ α) + (Re/α) + (Re R₁) / (α R₂)].

После несложных преобразований находим зависимость колл екторного тока Ic₀ от элементов схемы и режима работы, сразу отметим главное:

все соотношения справедливы только для линейного режима работы каскада. Последнее выражение (2.13) позволяет провести деталь ный анализ влияния дестабилизирующих факторов (I^T_k0, Ube₀, β) на работу базовых каскадов в широком температурном диапазоне. Для этого вводится коэффициент температурной стабилизации аналогового каскада. В общем случае он имеет три составляющие,

Рис. 2.3. Каскад с комбинированной стабилизацией

определяемые путём дифференцирования искомого значения коллекторного тока каскада Ic ₀ (2.13) по возмущяющим параметрам и

6

решения уравнений вида:

S_I = ∂ Ic₀ / ∂ I^T_k0 = 0, (2.14)

S_U = ∂ Ic₀ / ∂ Ube₀ = 0, (2.15)

S_β = ∂ Ic₀ / ∂ β = 0. (2.16)

Продифференцировав выражение (2.13) в сответствии с операторолм (2.14), получим:

S_Ic0T = [(R_Э /R₂) + (R_Э /R₁) + 1] / [(1 – α) + (R_Э /R₂) + (R_Э /R₁)]. (2.17)

Аналогичнй результат для соотношения (2.15) имеет вид:

S_Uвэ0 = [R_Э (1 + R₁ / R₂) – α(1 – α)R₁(1 + 1/R₂)] / [(1 – α)R₁ +

R_Э (1+R₁/R₂)]². (2.18)

И третья составляющая температурной нестабильности соглас но выражению (2.16) принимает вид:

S_β = (1/β²){[E_П – U_бэ0(1 + 1/R₂)] +I^T_C0[R₁ + R_Э(1 +

R₁/R₂)]}/ [(R₁ / β) + R_Э (1+R₁/R₂)]². (2.19)

Для схемы с коллекторной стабилизацией, представленной на рис.2.3, коэффициент температурной нестабильности S определяется соотношением:

S = (1 + A) / (1 – α + A), (2.20)

г де А = [R_Э(R₂ + R₁) + R_C(R_Э + R₂)] / (R₁R₂).

2 .3. Оценка температурной нестабильности резистивных каскадов на БПТ.

1. Каскад с условной комбинированной стабилизацией (КМС)

Рис. 2.4. Схема каскада с условной КМС

7

R_В1 = , где .

R_Ф = (0,1 – 0,25) R_C.

,

где E₁ = E_K – I_0K R_C – U_0K.

R_Э = . (2.21)

S = (2.22)

2. Каскад с эмиттерной стабилизацией (ЭС)

Рис. 2.5. Каскад на БПТ с ЭС

8

3. Каскад с эмиттерной стабилизацией

Схема каскада представлена на рис. 2.1.

, R_В1 = , (2.23)

(2.24)

4.Каскад с комбинированной (коллекторной и эмиттерной) стабилизацией

, , (2.25)

Е_К ≈ U_0K + ( I_0K + I_0B ) (R_C + R_Э). (2.26)

4. Каскад с фиксированным токам базы (ФТБ)

и коллекторной стабилизацией (КС) (рис 2.6-а)

, ,

E_K = U_0K + I_0KR_C + R_Э (I_0K + I_0B). (2.27)

(2.28)

а) б) с)