проектирования резисторных каскадов усиления на полевых транзисторах

Состав курсовой работы, техническое задание на проектирование, содержание пояснительной записки приведены в подразделе 2.2.

Схема усилителя для расчёта по постоянному току приведена на рис. 2.28. При вводе этой схемы использовались компоненты из следующих библиотек:

• analog.slb – пассивные компоненты (R);
• jfet.slb – полевой транзистор (J1);
• port.slb – узел с нулевым

потенциалом, общий провод (AGND);

• source.slb – источник постоянного напряжения (VDC).

Рис. 2.28 Схема для расчёта каскада усиления на полевом транзисторе по постоянному току

Режим работы транзистора определяется напряжением смещения U_зи на затворе транзистора. Напряжение смещения создаётся на резисторе R5 (за счёт прохождения через него постоянной составляющей тока истока транзистора) и заводится на затвор транзистора через сопротивление «утечки» затвора R3. Требуемое напряжение смещения и допустимые пределы изменения тока стока можно определить по передаточной характеристике, т.е. зависимости тока стока транзистора от напряжения затвор-исток.

Проверка режима работы транзистора выполняется путем расчёта переходных процессов для полученной схемы усилителя. Задание на моделирование представлено на рис. 2.29.

Рис. 2.29. Окна выбора режима и задания

параметров моделирования

 

По окончании расчёта в программе Probe выполнением команды Add

Рис. 2.30. Диаграмма напряжения смещения

Traces выводится диаграмма напряжения затвор-исток (рис.2.28).

- V(J1:s)). Подбором величины сопротивления резистора R5 на затворе относительно истока транзистора устанавливается требуемое напряжение смещения.

Для расчёта АЧХ каскада усиления используется схема, представленная на рис. 2.31. 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 C2, R6.

Резисторы R4, R5, R6 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 R5.

Рис. 2.31. Задание на моделирование для расчёта АЧХ каскада усиления

Разделительный конденсатор С1 пропускает во входную цепь каскада только переменную составляющую напряжения источника сигнала. Разделительный конденсатор С4 выполняет аналогичную функцию по отношению к нагрузке, образуемой резистором R7. Источником входного сигнала является генератор V2 с внутренним сопротивлением R1.

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 10 Гц – 100 МГц с декадным шагом, количество точек на декаду – 101.

 

Рис. 2.32. Окна выбора режима и задания

параметров моделирования

 

В результате расчёта получается АЧХ, изображённая на рис. 2.33. На графике определяются максимальное значение выходного напряжения U_max и границы полосы пропускания на уровне 0,707U_max.

 

Рис. 2.33. АЧХ каскада усиления

Для определения фазового сдвига между сигналами на входе и выходе, обусловленного инвертированием сигнала транзистором, производится расчёт ФЧХ. По команде Delete All Traces, очищается рабочая область программы Probe. Вывод ФЧХ осуществляется по команде Add Traces. Эта команда раскрывает одноимённое окно. В строке Trace Expression указывается выражение P(V(C4:2)) + 180, что означает вывод значения фазы сигнала в точке установки маркера (узел соединения конденсатора С4 и резистора R7). Для удобства обработки выполнено смещение графика по вертикальной оси на 180°. В результате расчёта получается ФЧХ, представленная на рис. 2.34.

Рис. 2.34. Фазо-частотная характеристика каскада усиления

 

На полученном графике определяется частоты фазового сдвига, составляющие - 45° и 45°. Убедиться в наличии фазового сдвига на исходной частоте можно, если добавить

Рис. 2.35. Фазовое соотношение сигналов

на входе и выходе каскада усиления

маркер, контролирующий напряжение источника сигнала VSIN. Задание на моделирование соответствует рис. 2.31. Результат моделирования представлен на рис. 2.35.

Для исследования влияния температуры на АЧХ каскада усиления производится расчёт АЧХ при различных значениях температуры. Вариация температуры производиться по директиве Temperature в конфигурационном окне Analysis Setup (рис. 2.36). Здесь указывается список значений температуры в градусах Цельсия, для которых требуется выполнить расчёт частотных характеристик.

Рис. 2.36. Окно задания вариации температуры

 

На рис. 2.37 приведены АЧХ для температур -60 и +70 °С.

Рис. 2.37. Иллюстрация влияния температуры на АЧХ каскада

усиления

Для исследования влияния разделительного конденсатора на АЧХ каскада следует изменить ёмкость конденсатора C4. На рис. 2.38 представлена АЧХ каскада при значении ёмкости C4, равной 680 пФ. С уменьшением ёмкости полоса пропускания усилителя сужается в области нижних частот.

Рис. 2.38. АЧХ каскада усиления при уменьшении

ёмкости разделительного конденсатора

 

Для исследования влияния нагрузки на АЧХ каскада необходимо параллельно сопротивлению R7 включить конденсатор C5 ёмкостью 10 пФ (рис. 2.38).

Рис. 2.39. Схема для исследования влияния

нагрузки на АЧХ каскада усиления

 

Увеличение ёмкости нагрузки приводит к уменьшению полосы пропускания в области верхних частот (рис. 2.40).

Рис. 2.40. АЧХ каскада усиления при

увеличении ёмкости нагрузки

Для исследования влияния параллельной ООС по напряжению на АЧХ каскада следует ввести указанную обратную связь путем включения в схему усилителя резистора R2 (рис. 2.41).

Рис. 2.41. Схема для исследования влияния

параллельной ООС по напряжению на АЧХ каскада

 

Рис. 2.42. АЧХ каскада усиления при введении параллельной ООС по переменному напряжению

Для исследования влияния последовательной ООС по току на АЧХ каскада следует исключить конденсатор С3, который шунтировал по переменному току сопротивление R5 в цепи истока транзистора (рис. 2.43).

Рис. 2.43. Схема для исследования влияния

последовательной ООС по току на АЧХ каскада

 

Приведённые на рис. 2.44 результаты моделирования доказывают расширение полосы пропускания

амплитудно- частотной характеристики усилителя. Для сравнения смотрите АЧХ,приведённую на рис. 2.33.

 

Рис. 2.44. АЧХ каскада усиления при введении

последовательной ООС по переменному току

 

Влияние ООС на ФЧХ каскада иллюстрирует рис. 2.45. На полученном графике определяются значения фазового сдвига на тех же частотах, которые были определены при анализе усилителя без отрицательной обратной связи (рис. 2.31).

Введение ООС по переменному току улучшает фазовую характеристику резисторного каскада.

Проведённые выше исследования позволили выявить характер влияния

 

Рис. 2.45. ФЧХ каскада усиления при введении

последовательной ООС по переменному току

 

нагрузки, ООС, разделительного конденсатора на АЧХ каскада усиления, а также влияние отрицательной обратной связи на его фазо-частотную характеристику. Результаты проведённого анализа поведения ФЧХ удобно свести в таблицу вида 2.2.

Для реализации каскада усиления с заданной АЧХ, можно взять за основу одну из ранее полученных характеристик. Далее, используя результаты табл. 2.2 и основные положения теории по данному вопросу, нетрудно реализовать усилительный каскад, АЧХ которого имеет требуемые значения нижней и верхней граничных частот.

Таблица 2.2

Результаты компьютерного анализа резисторных каскадов усиления

на полевых транзисторах

Иллюстрация	Нижняя граничная частота	Верхняя граничная частота	Комментарий результатов
2.33	205,616 Гц	15,985 МГц	Исходные значения атрибутов элементов
2.38	272,176 Гц	15,783 МГц	Уменьшение ёмкости разделительного конденсатора увеличивает нижнюю граничную частоту
2.40	205,775 Гц	3,5855 МГц	Увеличение ёмкости нагрузки приводит к снижению верхней граничной частоты
2.42	205,027 Гц	17,002 МГц	Параллельная ООС расширяет рабочий диапазон частот
2.44	158,489 Гц	19,304 МГц	Последовательная ООС расширяет рабочий диапазон частот

2.5. Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение резисторно-емкостного (резисторного) каскада усиления.

2. Нарисовать эквивалентные схемы резисторного каскада усиления на нижних, средних, верхних частотах. Обосновать их вид.

3. Приведите векторные диаграммы, иллюстрирующие процессы в резисторном каскаде усиления при w_ср < w_i < ¥, w ® ¥, 0 < w_к < w_ср, w_к ®0.

4. Запишите выражение коэффициента усиления усилительного каскада с отрицательной обратной связью.

5. Как снять передаточную характеристику биполярного транзистора при схемотехническом моделировании?

6. Как по известной передаточной

характеристике транзистора выбрать величину напряжения смещения и амплитуду входного гармонического колебания?

7. Поясните порядок снятия АЧХ каскада усиления.

8. Поясните порядок снятия ФЧХ каскада усиления.

9. Каков механизм влияния изменения температуры окружающей среды на АЧХ каскада усиления?

10. Почему введение отрицательной обратной связи изменяет величину рабочего диапазона частот усилителя?

11. На одном рисунке, используя декартову систему координат, нарисовать две фазо-частотные характеристики усилительного каскада, соответствующих случаям: а) усиления без отрицательной обратной связи; б) усиления с введённой ООС. Поясните вид этих характеристик.

12. Какова физическая сущность эмиттерной высокочастотной коррекции амплитудно-частотной характеристики усилительного каскада?

13. Почему изменение величины емкости нагрузки влияет только в области верхних частот усилителя? Как изменяется АЧХ усилителя при вариации величины емкости нагрузки?

14. На одном рисунке, используя декартову систему координат, нарисовать две переходные характеристики усилительного каскада в области малых времен, соответствующих различным значениям емкости нагрузки (С_1H > C_2H). Поясните вид этих характеристик.

15. Поясните назначение элементов резисторного каскада усиления на биполярном транзисторе.

16. Каково влияние разделительного конденсатора на частотные свойства каскада усиления?

17. Какие способы питания цепи базы и способы стабилизации рабочей точки каскада усиления на биполярном транзисторе Вам известны? Поясните их физическую сущность.

18. Покажите путь постоянной составляющей коллекторного тока транзистора в резисторном каскаде усиления. Обоснуйте Ваше решение.

19. Покажите путь переменной составляющей коллекторного тока транзистора в исследуемом усилителе при положительной (отрицательной) полуволне входного напряжения. Объясните наличие и величину фазового сдвига колебаний на входе и выходе усилителя.

20. Как изменится высота потенциального барьера эмиттерного перехода: а) p-n-p транзистора; б) n-p-n транзистора, если к его базе приложить положительную (отрицательную) полуволну переменного напряжения? Как это повлияет на величину тока коллектора транзистора?

21. На одном рисунке, используя декартову систему координат, нарисуйте две переходные характеристики усилительного каскада в области больших времен, соответствующих различным значениям емкости разделительного конденсатора (С _P1 > C _P2). Поясните вид этих характеристик. Приведите физическое объяснение вида амплитудно-частотной характеристики резисторного каскада усиления.

22. Приведите физическое объяснение вида фазо-частотной характеристики резисторного каскада усиления.

23. Приведите переходную характеристику резисторного каскада усиления: а) в области больших времен; б) в области малых времен. Объясните вид приведенных графических зависимостей.

24. Дайте понятие отрицательной обратной связи в усилителях.

25. Поясните содержание задания на моделирование для снятия АЧХ каскада усиления.

26. Поясните порядок оценки влияния температуры окружающей среды на АЧХ каскада усиления.

27. Поясните влияние величины емкостного сопротивления нагрузки на частотные свойства каскада усиления (АЧХ, частотные искажения).

28. Приведите физическое и аналитическое объяснения влияния отрицательной обратной связи в усилителе на его частотные свойства.

29. Поясните назначение элементов резисторного каскада усиления на полевых транзисторах.

30. Какие способы питания цепи затвора каскада усиления на полевом транзисторе Вам известны? Как осуществляется стабилизация рабочей точки траезистора? Поясните физическую сущность.

31. Покажите путь постоянной составляющей тока стока полевого транзистора. Обоснуйте Ваше решение.

32. Покажите путь переменной составляющей тока стока полевого транзистора резисторного каскада усиления при положительной (отрицательной) полуволне входного напряжения. Почему фаза выходного колебания отличается от фазы входного колебания на 180 ^о?

33. Приведите требуемую полярность питающих напряжений полевого транзистора с управляющим p-n-переходом: а) n-каналом; б) p-каналом. Обоснуйте Ваше решение.

34. Как ведет себя сопротивление а) n-канала; б) p-канала и площадь его поперечного сечения, если к затвору транзистора приложить положительную (отрицательную) полуволну переменного напряжения? Как это повлияет на величину тока стока транзистора?