Расчет и моделирование усилительного каскада на биполярном транзисторе

 Таким  образом, для получения хорошего  усиленного сигнала, следует выбрать  режим, при котором мы получаем  достаточно не плохое усиление  при малых нелинейных искажениях. В нашем случае это номинальный режим.

3.3 Расчет конденсаторов.

 

Используем  общую формулу для расчета  конденсаторов усилительного каскада:

, где

 - коэффициент частотных искажений конденсатора;

- минимальная частота (нижняя граничная), которая задана 60Гц;

- сумма сопротивлений справа  и слева от рассматриваемого  конденсатора, когда остальная часть  цепи КЗ.

Необходимо  самостоятельно задать коэффициенты для трех рассчитываемых конденсаторов так, чтобы их произведение равнялось . Таким образом, зададим: ,

Расчет:

_,  ,  ,   

Ом

Ом 

 

 

Рассчитав данные ёмкости, приведем их в соответствие с рядом Е6, получим:

      

4. Моделирование  усилительного каскада с помощью пакета MicroCap

 

Соберем принципиальную схему рассчитанного  усилительного каскада на рабочем  столе пакета Micro-Cap. Используем транзистор 2SC2458G, из библиотеки данного пакета, близкий по своим параметрам с коэффициентом усиления по току. Произведем экспериментальные исследования, и полученные значения параметров сравним с расчетными.

Рисунок 4.1. Схема каскада, собранная в Micro-Cap

4.1 Проверка режима по постоянному  току.

Рисунок 4.2. Напряжения в каскаде 

Рисунок 4.3. Токи в каскаде 

 

 

 

Составим  сравнительную таблицу расчетных  и экспериментальных значений (таблица 4.1).

Таблица 4.1. Расчетные и экспериментальные  параметры по постоянному току

Параметр	Значение
	Экспериментальное	Расчетное
	11,688 мА	11,44 мА
	81.705 мkА	80 мkА
	11,769 мА	11,52 мА
	3.857 В	3,77 В
	2,7 В	2,64 В
	0.65 В	0,63 В
	5.143 В	5,04 В
	3,084 В	3,03 В
	2,434 В	2,4 В
	408.525 мкА	400 мкА

 

 

Как видно  из таблицы расхождения между  расчетными  и экспериментальными данными очень небольшие, объясняются  они, прежде всего тем, что Micro-Cap считает более точно. Также при расчете, получив определенное значение сопротивления резистора, мы округляли его до ближайшего значения из ряда Е24 (также округляли значения емкостей конденсаторов до ближайшего значения из ряда Е6), чем также вносили некоторую погрешность в расчетные данные.  

 

4.2 Проверка нестабильности рабочей  точки транзистора в температурном  диапазоне (20˚±50˚).

4.2.1Проверка нестабильности коэффициента усиления :

 

 

 

Расчетная:

,    

Практическая:

=14,461

 

Практическая  нестабильность коэффициента оказалась  меньше,  чем рассчитанная в 2 раза. Это можно объяснить тем, что транзистор, который мы используем пакете Micro-Cap, мало зависит от температуры, в характеристиках выбранного транзистора практически все температурные коэффициенты равны нулю или имеют очень маленькое значение.

4.2.2 Проверка нестабильности рабочего  тока Iok.

 

Расчетная:

 

Практическая: 

 

 

Практическая нестабильность рабочего тока получилась больше, чем расчетная.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3. Графики сигналов на входе  и выходе каскада и спектральная  диаграмма выходного сигнала.

4.3.1.Номинальный режим

      

Рисунок 4.8. Входной и выходной сигналы, спектральная характеристика.

 

Амплитуда в источнике: A = =0.1

Рассчитываем коэффициент гармоник по спектральной характеристике:

  

     Коэффициент усиления рассчитываем как отношение амплитуды выходного к амплитуде входного сигнала:

   Получив экспериментальные  значения можно сравнить их  с расчетными. Для этого составим соответствующую таблицу 4.2.

Таблица 4.2. Параметры сигнала

Параметр	Значение
	Расчетное	Экспериментальное
	6,5 %	5,3%
	16,1	16,093

 

    Как  видно из таблицы, в эксперименте  получили немного меньше коэффициент гармоник следовательно нелинейные искажения в эксперименте меньше чем в расчете, коэффициенты усиления практически равны.

4.3.2. Rэ1=0.

        

Рисунок 4.9. Входной и выходной сигналы, спектральная характеристика.

 

Амплитуда в источнике: A = =0.02

 

Рассчитаем  коэффициент гармоник по спектральной характеристике:

     Коэффициент усиления:

   Получив экспериментальные значения сравниваем их с расчетными таблице 4.3.

Таблица 4.3. Параметры сигнала

Параметр	Значение
	Расчетное	Экспериментальное
	20 %	11,15%
	49,4	49,81

 

Коэффициент усиления мало отличается от расчетного, коэффициент гармоник принял значение меньше чем при расчете, следовательно, нелинейные искажения меньше. По сравнению с номинальным режимом в связи с отсутствием обратной связи усиление значительно больше, но и нелинейные искажения то же больше.

4.3.3. Сэ=0.

Рисунок 4.10. Входной и выходной сигналы, спектральная характеристика.

Амплитуда в источнике: A = = 1

Рассчитаем  коэффициент гармоник:

     Коэффициент усиления:

   Получив  экспериментальные значения можно  сравниваем их с расчетными в таблице 4.4.

Таблица 4.4. Параметры сигнала

Параметр	Значение
	Расчетное	Экспериментальное
	0.31%	0.18%
	0,78	0,78

 

    В этом режиме работы, когда обратная связь максимальна, усиления не получили, поскольку коэффициент усиления меньше 1. Значение коэффициента усиления сходиться с расчетным, нелинейные искажения в эксперименте меньше чем в расчете.

Проведя моделирование входных и выходных сигналов и сравнивая все три  режима видно, что расчетные данные не совпадают с экспериментальными, но имеют тот же характер. При Rэ=0 отрицательная обратная связь равна единице, увеличивается до максимума коэффициент усиления и возрастает коэффициент гармоник. При Сэ=0 наоборот, коэффициенты уменьшаются и минимально искажение. При номинальном режиме экспериментальные данные наиболее близки к расчётным по сравнению с другими режимами.

 

4.4. Амплитудно-частотные характеристики  усилителя.

 

4.4.1. Номинальный режим.           

Рисунок 4.11. Амплитудно-частотная характеристика.

 

По полученному  графику АЧХ  можно определить некоторые параметры:

Коэффициент усиления по напряжению:

Нижняя граница  полосы пропускания:

 Гц

Верхняя граница  полосы пропускания:

 МГц

Полоса пропускания:

 МГц

                         

Рисунок 4.12. Амплитудно-частотная характеристика в температурном диапазоне Т=(20˚,-+40˚).

 

 Экспериментальное значение  нестабильности коэффициента усиления:

 %

    Расчетное значение этого коэффициента в номинальном режиме работы усилителя: . Экспериментальное значение получилось , это несколько лучше, поскольку значения достаточно близкие следовательно каскад может примерно одинаково усиливать в данном режиме.

 

4.4.2. Rэ1=0.

     

Рисунок 4.11. Амплитудно-частотная характеристика.

 

По полученному  графику АЧХ  можно определяем некоторые параметры:

  Коэффициент усиления по напряжению:

  Нижняя граница полосы пропускания:

 Гц

  Верхняя граница полосы пропускания:

 МГц

  Полоса пропускания:

 МГц

                 

Рисунок 4.14. Амплитудно-частотная характеристика в температурном диапазоне Т=(20˚-+40˚).

   

По этому  графику сразу видно, что хотя усиление значительно выше, коэффициент  нестабильности его будет больше. Рассчитаем по графику экспериментальное  значение :

        Расчетное значение  =-9,9%, практическое =-6,2%, что несколько хуже. В сравнении с номинальным режимом, коэффициент усиления при отсутствии обратной связи и при изменении температуры становиться более нестабильным.

 

4.4.3. Сэ=0.          

Рисунок 4.15. Амплитудно-частотная характеристика.

 

 

По полученному графику АЧХ  можно определить некоторые параметры:

  Коэффициент усиления по напряжению:

В этом режиме  усиление практически нет коэффициент усиления очень маленький, поэтому данный режим работы каскада, когда максимальна обратная связь, не приемлем для усилителя, т.к. не отвечает основной его цели - усиления.

 

Рисунок 4.16. Амплитудно-частотная характеристика в температурном диапазоне Т=(20˚-+40˚).

    Так как температурная нестабильность  слишком мала, для расчета экспериментального  значения нестабильности коэффициента  усиления, получили увеличенное изображение показательной части графика.

 

Определим экспериментальное значение  :

Расчетное значение =-0,02%, практическое =-0,02%, расчетное и практическое значения равны. Так как нестабильность коэффициента усиления в этом режиме меньше, можно сделать вывод что в режиме когда обратная связь максимальна, усиление более устойчивое к воздействиям температуры.

 

Получив амплитудно-частотные характеристики транзистора, рассчитав нестабильность коэффициента усиления и сравнив полученные результаты с результатами расчёта для трёх режимов видно, что экспериментальные и расчётные данные отличаются, но в большинстве случаев незначительно. Экспериментальные значения коэффициентов усиления немного меньше расчетных, зато в номинальном режиме и режиме с максимальной обратной связью они более устойчивы к изменениям температуры в заданном диапазоне ±40˚. Если работать в широком диапазоне температур, лучше выбирать именно номинальный режима работы усилительного каскада.

 

 

4.5. Определение  сопротивлений и влияние на  них емкостей.

 

Сопротивления , , будем определять на средних частотах в режиме измерения их АЧХ.

Сопротивление на входе усилителя.

 

 

Входное сопротивление, определяемое относительно входных зажимов усилителя, определяется сопротивлением разделительного конденсатора и сопротивлением . На высоких частотах входное сопротивление становиться очень маленьким, на средних частотах достигает значения , на низких частотах входное сопротивление за счет того, что на входе стоит разделительный конденсатор , стремиться к бесконечности.