Моделирование усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером с помощью программы «proteus isis»

 

Цель работы: Исследовать основные характеристики усилительного каскада низкой частоты на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером путем моделирования в программе «Proteus ISIS»:

- амплитудную характеристику усилителя

- амплитудно-частотную характеристику усилителя

Исследовать влияние отрицательной обратной связи на качество усилителя.

 

Продолжительность работы – 4 часа.

 

 

Описание автоматизированного рабочего места студента

Автоматизированное рабочее место студента базируется на стандартных IBM PC — совместимых компьютерах. Пример конфигурации компьютера приводится ниже.

Системный блок с двухъядерным процессором Intel Celeron E1200 (2x1.6 Ггц), ОЗУ 1024 Мб, жёсткий диск 250 Гб, DVD±RW привод, встроенные видео, аудио и сетевые карты.
Монитор 16" TFT ASUS AS VW161D Black
Клавиатура Genius KB-06XE Black
Мышь Genius NetScroll 100 Silver
Для работы программы «Proteus ISIS» требуется операционная система Windows 95/98/Me/NT/2000/XP

Основные части программы «Proteus ISIS» показаны на Рисунке 1. Ввод схемы осуществляется путём запроса из базы данных нужных элементов и приборов. Элементы соединяются проводами. В программе моделирования создаётся внутреннее описание схемы с использованием уравнений элементов (например, закона Ома для линейных элементов или модели Эберса-Молла для биполярного транзистора) и соединений (Законы Кирхгофа). Численное решение уравнений цепи выполняется для разных видов сигналов.

 

Рисунок 1

В схему можно включить контрольно измерительные приборы (вольтметр, амперметр). Для визуального наблюдения за формой сигнала используется виртуальный осциллограф. Для исследования схемы предусмотрены генераторы сигналов различной формы (в том числе и синусоидальные)

Для ознакомления с работой программы рекомендуется воспользоваться видеоматериалом, расположенным на сайте www.proteus123.narod.ru.

Рабочее задание:

I Включить компьютер и запустить программу «Proteus ISIS».

II Собрать схему усилителя в соответствии с номером задания.

III Настроить начальное положение рабочей точки усилителя без обратной связи.

IV Исследовать амплитудную характеристику усилителя.

V Исследовать амплитудно-частотную характеристику усилителя.

VI Настроить рабочую точку с обратной связью на резисторе R4.

VII Исследовать амплитудную характеристику.

VIII Исследовать амплитудно-частотную характеристику.

IX Настроить рабочую точку с глубокой обратной связью на резисторе R3.

X Исследовать амплитудную характеристику.

XI Исследовать амплитудно-частотную характеристику.

XII Выполнить сравнительный анализ для трех случаев: без обратной связи, с обратной связью на резисторе R4 и с глубокой обратной связью на резисторе R3.

Методические указания

 

I Включить компьютер и запустить программу «Proteus ISIS».

При запуске программы появляется окно представленное на Рисунке 2

 

 

Рисунок 2

Для набора схемы необходимо сначала кликнуть мышкой по пиктограмме «Component Mode», а затем по пиктограмме «Pick from Libraries». При этом появляется выпадающие окно библиотеки компонентов, из которого необходимо выбрать требуемый компонент. При этом надо иметь в виду, что в библиотеке имеются только компоненты зарубежного производства. Их условные графические обозначения могут несколько отличаться от принятых в России.

Для ввода УГО резистора необходимо выбрать категорию «Resistors». При этом появляется набор подкатегорий, в котором выбираем, например, подкатегорию «0,6W Metal Film». В появившемся списке выбираем нужный резистор, например, «MINRES2K4 RESISTORS 2K4 0,6W Resistors (Maplin Stock Code = M2K4)», при этом появляется его УГО. Щелкнув мышкой по пиктограмме «Ок», курсор приобретает форму карандаша. При первом щелчке мышкой появляется фантом УГО, который можно переместить с помощью мышки в нужную точку на схеме. При повторном щелчке резистор устанавливается в нужную позицию.

Для того, что бы изменить величину резистора на 2,7 кОм необходимо щелкнуть мышкой по пиктограмме и навести курсор на резистор 2,4 кОм, а затем правой кнопкой мыши вызвать контекстное меню, показанное на рисунке 3. В контекстном меню выбрать пункт «Edit Properties» и в появившемся окне, показанном на рисунке 4, изменить «Resistance» c 2k4 на 2k7.

Для разворота резистора необходимо в контекстном меню, показанном на рисунке 3 выбрать пункт «Rotate Clockwise» или «Rotate Anti-Clockwise».

 

Рисунок 3

Для настройки схемы удобно использовать так называемые «активные компоненты», параметры которых можно изменять в процессе моделирования схемы. Для установки активного подстроечного резистора необходимо сначала кликнуть мышкой по пиктограмме «Component Mode», а затем по пиктограмме «Pick from Libraries». Далее необходимо выбрать категорию «Resistors» и в окне «Keywords» набрать слово «active». В появившемся окне выбираем позицию «POT-HG ACTIVE High Granularity Interactive Potentiometer(Lin,Log Antilog Law)» и щелкаем по кнопке «Ок», устанавливая его в нужное место.

Для ввода УГО электролитического оксидного конденсатора необходимо выбрать категорию «Capacitors». При этом появляется набор подкатегорий в котором выбираем, например, подкатегорию «Electrolytic Aluminum». В появившемся списке выбираем нужный конденсатор, например, «A700(X477M002ATE015 Capipc 7351 Digikey 399-3040-2-NP CAPAO TYPE 470uF 2V 20% SMD)».

Для того чтобы иметь возможность переключать режимы работы схемы в наборе компонентов имеются активные выключатели. Для их установки в схему выбираем категорию «Switches&Relays» и в окне «Keywords» вводим слово «active». В появившемся списке выбираем позицию «SW-SPST ACTIVE Interactive SPST Switch (Latched Action)».

 

Рисунок 4

 

Для питания электронной схемы можно использовать либо гальванические элементы, либо «идеальные источники постоянного тока». Для ввода батареи гальванических элементов необходимо сначала кликнуть мышкой по пиктограмме «Component Mode», а затем по пиктограмме «Pick from Libraries» и в окне «Keywords» набрать слово «Battery» и в появившемся списке выбрать позицию «Battery DEVICE Battery (multi-cell)». По умолчанию появляется батарея с напряжением 9В. Для изменения напряжения необходимо навести курсор на батарею и правой кнопкой мыши вызвать контекстное меню, в котором выбрать пункт «Edit Properties» и в появившемся окне изменить величину напряжения на требуемую.

Для исследования усилителя необходим источник переменного сигнала. Обычно используют сигнал синусоидальной формы. Для этого необходимо кликнуть мышкой по пиктограмме «Generator Mode» и в появившемся списке выбрать позицию «SINE». Курсор приобретает форму карандаша и можно установить источник синусоидального сигнала в нужное место схемы.

Для установки транзистора необходимо сначала кликнуть мышкой по пиктограмме «Component Mode», а затем по пиктограмме «Pick from Libraries» и в окне «Keywords» набрать марку транзистора, например, «BC546BP».

Для измерений напряжений необходимо установить вольтметры, кликнув по пиктограмме «Virtual Instrument Mode», затем выбрать «DC VOLTMETR» для измерения постоянного напряжения и «AC VOLTMETR» для измерения переменного напряжения. Для измерения переменного тока необходимо выбрать «AC AMMETR». Для изменения предела измерения вольтметра с вольт на милливольты или микровольты необходимо навести курсор на вольтметр и правой кнопкой мыши вызвать контекстное меню, в котором выбрать пункт «Edit Properties».В появившемся окне в позиции «Display Range» выбрать необходимый диапазон измерения. Аналогично изменяется диапазон измерения у амперметра.

Наиболее наглядно электрические сигналы можно наблюдать с помощью осциллографа. Для его установки необходимо выбрать «ODCILLOSCOPE». Осциллограф имеет четыре канала: A, B, C, D. Сигнал поступающий на канал А отображается желтым цветом, на канал B – синим, на канал С - красным, на канал D – зеленым. Сигналы измеряются осциллографом всегда относительно общей точки схемы, поэтому в схему необходимо добавить УГО «земля» - . Для этого необходимо кликнуть мышкой по пиктограмме «TERMINALS MODE» и выбрать компонент «GROUND».

Теперь все компоненты установлены, и необходимо соединить их в соответствии со схемой. Для этого необходимо кликнуть по пиктограмме «2D Graphics Line Mode», при этом курсор приобретает вид карандаша, которым можно будет соединить элементы схемы.

II Собрать схему усилителя в соответствии с номером задания.

1 Создать папку с номером группы, например 6-AIU-3, в которой будет сохранён проект.

2 Студентам предлагается выполнять лабораторную работу по варианту в соответствии с номером по списку:

- предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер Uкэ выбрать по формуле:

[В]

- предельно допустимую силу тока коллектор выбрать по формуле:

[mA]

- Напряжение питания выбрать из условия Uп < Uкэ max, округляя значения, например для 1-ого варианта можно задать напряжение питание равное 12 или 15 Вольт

- Резистор в цепи коллектора выбрать по формуле:

Поскольку величина резистора стандартизирована, то необходимо выбрать ближайшее большее значение по ряду E12:

1,0

1,2

1,5

1,8

2,2

2,7

3,3

3,9

4,7

5,6

6,8

8,2

Допускается использование последовательне или параллельне соединение двух резисторов.

3 Для создания схемы необходимо произвести следующие действия:

- найти и выбрать необходимые элементы и приборы;

- разместить элементы на рабочем пространстве окна;

- соединить элементы проводами;

- установить значения параметров элементов;

- подключить контрольно-измерительные приборы;

 

Пример собранной схемы для одного из вариантов представлен на Рисунке 5.

Резистор в цепи коллектора R2 ограничивает максимальный ток коллектора и выбирается в соответствии с параметрами транзистора BC546BP. Резистор R1 и подстроечный резистор RV1 необходимы для установки начального положения рабочей точки усилительного каскада. Резисторы R3 и R4 выполняют функцию отрицательной обратной связи. Резистор R5 выполняет функцию нагрузки усилительного каскада. Конденсаторы С1 иС3 являются разделительными и предназначены для пропускания только переменной составляющей сигнала. Конденсатор С2 предназначен для шунтирования резисторов R3 и R4. Благодаря этому конденсатору большая часть переменной составляющей сигнала проходит через конденсатор, что позволяет повысить коэффициент усиления, не ухудшая качественные параметры усилительного каскада.

Рисунок 5