Контрольное задание 1 (зач.№51) В первом задании необходимо определить параметры нелинейной модели Эберса-Молла и линейной модели Джиаколетто. Структура транзистора – p-n-p (№6=5+1=6, табл.3.2); Тип транзистора – КТ315В (№51, табл.1.1); Напряжение питания схемы – 14 В (№51, табл.1.2).
1.1 Определение параметров нелинейной модели биполярного транзистора Эберса - Молла. Эквивалентная схема нелинейной модели биполярного транзистора Эберса - Молла изображена на рисунке 1.1.
Исходными данными для расчета параметров модели являются: статические коэффициенты передачи тока в схеме с общим эмиттером и , модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте, постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте τК, напряжение насыщения UКЭн, время рассасывания tрас, емкость эмиттерного перехода СЭ, емкость коллекторного перехода СК, а также условия измерения этих параметров. Параметры Режим измерения КТ306А
Кроме того, необходимы входные и выходные характеристики транзистора IБ = f(UБЭ) и IК = f(UКЭ), представленные на рисунке 1.2. В результате расчета требуется определить прямой F и инверсный R коэффициенты передачи по току в схеме с общей базой, ток насыщения IБ, омические сопротивления базы rБ, эмиттера rЭ и коллектора rК, прямое F и инверсное R время пролета носителей через базу, барьерную емкость эмиттерного СЭБ и коллекторного СКБ переходов при нулевых смещениях на переходах.
В результате расчета требуется определить прямой и инверсный коэффициенты передачи по току в схеме с общей базой, ток насыщения I , омические сопротивления базы r , эмиттера r и коллектора r , прямое и инверсное время пролета носителей через базу, барьерную емкость эмиттерного С и коллекторного С переходов при нулевых смещениях на переходах. Указанные параметры определяются в следующей последовательности. Вычисляется среднегеометрическое значение статического коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ: (1.1)
Определяется значение :
(1.2) По выходным характеристикам транзистора (см. рисунок 1.2) определяется омическое сопротивление коллектора: кОм; (1.3)
а) б) Рис. 1.2. – Входная (а) и выходная (б) характеристики транзистора Вычисляется инверсный коэффициент передачи:
(1.4)
где токи, при которых измеряется температурный потенциал. При Т = 293К 0,026 В.
Определяются значения барьерных емкостей при нулевых смещениях:
= 13,19 пФ; пФ; (1.5) где и - напряжения на коллекторном и эмиттерном переходах, при которых производились измерения емкостей и (находятся по справочникам); и – коэффициенты, характеризующие крутизну вольт-фарадных характеристик переходов ( для транзисторов , изготовленных по диффузионной технологии, и для транзисторов , изготовленных по сплавной технологии); –контактная разность потенциалов, для кремния равная 0,8...1,0 В.
Граничная частота усиления в схеме с ОЭ равна:
Гц = 300 МГц; (1.6)
где – частота, на которой произведено измерение .
Вычисляется среднее время полета в прямом включении :
, (1.7)
где – ток коллектора, и –емкости эмиттерного и коллекторного переходов при измерении . Для определения находят ток базы транзистора, соответствующий режиму измерения : А. (1.8) По входной характеристике находят напряжение , которое соответствует заданной величине . Значения и вычисляются по формулам : пФ; пФ (1.9) где - напряжение коллектор-база, при котором измерялась величина . При этом необходимо учесть, что > 0 , а < 0. нс Постоянная времени рассасывания вычисляется через время рассасывания :
нс; (1.10)
где – режимы измерения , определяемые по справоч-никам. Если ток рассасывания в справочнике не указан, его можно принять . Определяется среднее время пролета в инверсном включении из следующего соотношения: (1.11) Вычисляется объемное сопротивление базы : Ом; (1.12) где - емкость коллекторного перехода, соответствующая режиму измерения (определяется по формуле, аналогичной (1.9)). По справочным данным определить не представляется возможным, поэтому для транзисторов малой мощности можно принять Ом, а средней и большой мощности - Для определения теплового тока насыщения задаемся величиной базового тока мА. По входной характеристике при (см. рисунок.1.2) находим значение соответсвующее выбранному току и вычисляем по формуле (1.13)
1.2 Методика определения параметров линейной модели биполярного транзистора Джиаколетто.
Предположим, что принципиальная схема усилителя имеет вид, представленный на рисунке 1.3.
Расчет схемы по постоянному току проводится в следующем порядке. Рассчитать ток делителя в базовых цепях транзисторов: (1.14) Определить потенциалы баз транзисторов по формуле , (1.15) Найти потенциалы эмиттеров транзисторов по формуле , (1.16) Напряжение выбирается в интервале 0,5…0,7 В для кремниевых транзисторов и 0,3…0,4 В для германиевых транзисторов. Рассчитать ток в резисторе , подключенном к эмиттеру транзистора: , (1.17) где = R3 сопротивление в цепи эмиттера. Рассчитать ток коллектора в рабочей точке: = 3,128•10-3•60/(1+60)=3,08∙〖10〗^(-3)=3,08 мА (1.18) Определить напряжение на коллекторе в рабочей точке (1.19) и напряжение коллектор-эмиттер (1.20) Напряжение на коллекторном переходе равно (1.21)
1.3 Линейная модель биполярного транзистора Джиаколетто.
Эквивалентная схема линейной (малосигнальной) модели типа n-p-n Джиаколетто в активном режиме изображена на рисунке 1.4.
Исходные данные для расчета те же, что и для модели Эберса-Молла. В результате расчета требуется определить: дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер , крутизну S управляемого источника I, омическое сопротивления базы и коллектора , дифференциальное сопротивление коллектор-эмиттер , а также емкости переходов коллектор-база и база-эмиттер . Параметры элементов модели Джиаколетто определяются исходя из справочных данных и режима транзистора по постоянному току. Определяется дифференциальное сопротивление эмиттера : Ом; (1.22) где – температурный потенциал, – постоянная Больцмана, – температура переходов транзистора в кельвинах, – заряд электрона, – поправочный коэффициент, зависящий от технологии изготовления транзистора, – ток коллектора в рабочей точке. При комнатной температуре и Коэффициент для транзисторов , изготовленных по диффузионной технологии, и для транзисторов , изготовленных по сплавной технологии). Крутизна управления определяется по формуле . (1.23) Дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер равно (1.24) где – коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером (формула 1.1). Емкость коллекторного перехода определяется по формуле пФ; Напряжение на переходе определяется из статического режима транзистора. Емкость эмиттерного перехода определяется через предельную частоту усиления транзистора: пФ; (1.25)
В справочниках приводятся частота или частота единичного усиления , которые связаны соотношением (1.26) Сопротивление коллектор- эмиттер транзистора определяется по выходным характеристикам (см. рисунок 1.2,б): . (1.27) Вычисляется объемное сопротивление базы : Ом; (1.12)
Контрольное задание 2 (зач. №51) В втором задании необходимо составить математическую модель усилительного каскада (рис.2.1).
2.1 Составление математической модели схемы в базисе узловых потенциалов для статического режима. Эквивалентная схема математической модели усилителя по постоянному току представлена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Эквивалентная схема математической модели усилителя по постоянному току
Таким образом, математическую модель схемы, приведенной на рисунке 2.2, принимает вид:
Здесь проводимость GЭ эмиттерного перехода равна , а крутизна S1 управляемого источника I1: .
2.2 Составление математической модели схемы по переменному току в базисе узловых потенциалов. Эквивалентная схема усилителя по переменному току для линейного (малосигнального) режима изображена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Эквивалентная схема усилителя (см. рисунок 2.1) по переменному току Здесь использована малосигнальная модель транзистора Джиаколетто. В этой модели источником управляющего напряжения для управляемого источника тока I является падение напряжения на сопротивлении rБЭ, создаваемое источником переменного сигнала.
Математическая модель схемы по переменному току для малосигнального режима, принимает вид:
1 2 3 4 5 * U = I 1
2
3
4
5
Параметры модели транзистора, записываемые в матрицу узловых проводимостей, определяются по результатам расчета статического режима транзистора. Ток источника сигнала определяется по формуле IГ=EГ/RГ.
Контрольное задание 3 (зач. №51) В третьем задании необходимо составить принципиальную схему моделируемого устройства, выполнить анализ статического режима, АЧХ и переходных характеристик.
Рисунок 3.1 – Структурная схема моделируемого устройства Принципиальная схема блока 1 – вариант 6 (№6=5+1=6, табл.3.1); Принципиальная схема блока 2 – вариант 1 (№51, табл.3.2); Тип транзистора – КТ340В, КТ342А (№51, табл.1.1); Напряжение питания схемы – 14 В (№51, табл.1.2).
3.1 Определение принципиальной схемы моделируемого устройства
Рисунок 3.1 – Принципиальная схема моделируемого устройства
3.2 Моделирование параметров устройства 3.2.1 Анализ статического режима (режима по постоянному току)
Рисунок 3.2 – Расчет потенциалов узлов моделируемого устройства 3.2.2 Анализ АЧХ и ФЧХ
Рисунок 3.3 – Расчет АЧХ и ФЧХ моделируемого устройства
Рисунок 3.4 – Расчет частотных искажений моделируемого устройства
Рисунок 3.5 – Расчет переходной характеристики моделируемого устройства
Рисунок 3.6 – Расчет потенциалов узлов моделируемого устройства при R1=60 кОм
Рисунок 3.7 – Расчет частотных искажений моделируемого устройства при R1=60 кОм
Рисунок 3.8 – Расчет нелинейных характеристик при вариации параметров схемы при R1=60 кОм
ЛИТЕРАТУРА 1. Основы компьютерного проектирования: метод. указания и контр. задания для студ. спец. 1-39 01 01 «Радиотехника» заоч. формы обуч. / сост. Н. И. Шатило. – Минск: БГУИР, 2009. – 24 с. : ил. 2. Шатило, II. И. Основы автоматизации проектирования радиоэлектронных устройств: учеб.-метод. пособие для студ. спец. «Радиотехника» заоч. формы обуч. В 3 ч. Ч. 2. / Н. И. Шатило. – Минск: БГУИР, 1998. 3. Автоматизация схемотехнического проектирования / под ред. В. М. Ильина. – М.: Радио и связь, 1987. 4. Рыбаков, С. А. Основы компьютерного проектирования: лаб. практикум для студ. спец. «Радиотехника» / С. А Рыбаков, Н. И. Шатило. – Минск: БГУИР, 2005. 5. Амелин, М. А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 8 / М. А. Амелин, С. А. Амелина. - М.: Горячая линия – Телеком, 2007. 6. Алексеев. О. В. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств / О. В. Алексеев, А. А. Головков. – М.: Высш. шк., 2000. 7. Фидлер, Дж. К. Машинное проектирование электронных схем / Дж. К. Филлер, К.Найтингейл. – М.: Высш. шк., 1985.
