Исследование работы режимов биполярных транзисторов

 

Рис. 23. Окно выбора объектов в режиме

виртуальных инструментов.

 

Вид окна выбора в режиме «Generator Mode» (режим генератора) представлен на рисунке 24.

 

 

Рис. 24. Окно выбора объектов в режиме генератора.

 

В качестве источников питания для моделируемых схем в этом режиме могут быть выбраны источники постоянного напряжения, источники напряжения синусоидальной формы, импульсной формы. Возможно использование сигналов, ранее записанных в специальный файл, а также ряд других источников.

В левом нижнем углу находится панель управления симуляцией. Вид панели управления симуляцией представлен на рисунке 25.

 

 

Рис. 25. Панель управления симуляцией.

4.2. Синтез схем в программе PROTEUS VSM.

Для того, чтобы  собрать схему любого устройства, необходимо подготовить набор элементов, их которых эта схема состоит. Для этого необходимо перейти в режим элементов и нажать клавишу «Р» в окне обзора. После этого открывается окно менеджера элементов, представленное на рисунке 26. Менеджер элементов позволяет просмотреть элементы, которые содержатся в библиотеке программы.

Рис. 26. Окно менеджера элементов.

 

При выборе категории элемента, содержащиеся в библиотеке элементы выбранной категории, отображаются в окне списка элементов. Окно менеджера  элементов в этом режиме представлено на рисунке 27.

 

Рис. 27. Окно менеджера элементов после выбора категории элемента.

 

Библиотека  программы PROTEUS VSM содержит большое  количество элементов, поэтому удобно пользоваться строкой поиска, расположенной  в верхнем левом углу. При необходимости библиотека может быть дополнена элементами, созданными самим пользователем.

Когда нужный элемент  найден, двойной щелчок левой кнопки мыши по его названию добавит его  в перечень используемых элементов. Фрагмент списка используемых элементов представлен на рисунке 28. Далее из выбранных элементов можно приступать к синтезу электронной схемы.

 

Рис. 28. Фрагмент списка используемых элементов.

 

Для установки  элемента в окне редактора схемы  его необходимо выбрать в списке и двойным щелчком левой кнопки мыши установить в желаемом месте. До установки элемента на схему его можно предварительно развернуть в желаемое положение, которое можно проконтролировать в окне обзора. Вид окна обзора при выборе элемента в списке представлен на рисунке 29.

 

 

Рис. 29. Вид окна обзора при выборе элемента.

 

Если элемент  уже установлен на схеме, то изменить его параметры, удалить или развернуть его можно с помощью контекстного меню, вызвать которое можно, установив  курсор на элементе и нажав правую клавишу мыши. Вид контекстного меню представлен на рисунке 30.

Через контекстное  меню можно также устанавливать  и любые элементы, щелкнув правой клавишей мыши на пустом месте в  окне редактора схем. При этом открывается  контекстное меню, представленное на рисунке 31. Выбранные таким образом элементы автоматически попадают в список используемых элементов.

В принципе, данной информации достаточно для того, чтобы  начать использование программы  моделирования PROTEUS VSM. Следует отметить, что программа PROTEUS VSM содержит в  своем составе набор демонстрационных проектов, которые находятся в директории «Samples». Изучение демонстрационных проектов дополнительно упрощает процесс обучения работе с программой моделирования.

 

 

Рис. 30. Вид контекстного меню элемента.

 

 

 

Рис. 31. Вид контекстного меню для добавления элементов.

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

5.1. Моделирование усилителя с общим эмиттером.

Синтезируем схему  усилительного каскада, представленную на рисунке 14, в которой биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Для этого из базы данных подпрограммы моделирования электронных схем PROTEUS VSM выберем необходимые для синтеза элементы. В качестве активного элемента используем транзистор обратной проводимости BC107. Результаты синтеза схемы представлены на рисунке 32.

 

Рис. 32. Моделирование усилителя с общим эмиттером.

 

Конденсатор С1 является разделительным. Он необходим  для развязки по постоянному току источника сигнала и данного  усилительного каскада. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, который задает постоянное напряжение смещения на базе биполярного транзистора Q1.

Нагрузкой каскада  является резистор в цепи коллектора R3.

Резистор в  цепи эмиттера R4 создает напряжение обратной отрицательной связи. Эта связь необходима для стабилизации режим работы каскада по постоянному току при изменении температуры окружающей среды. Параллельно резистору R4 включен блокировочный конденсатор C2, который устраняет влияние резистора R4 на работу каскада с общим эмиттером на переменном токе. Величина конденсатора C4, как отмечалось выше, выбирается так, чтобы его сопротивление было много меньше сопротивления резистора R4 на самых низких частотах рабочего диапазона.

Конденсатор С4 обеспечивает развязку по постоянному  току данного усилительного каскада с последующим.

Примем ток  коллектора транзистора равным 5 мА, ток базового делителя напряжения R1, R2 – соответственно 0,5 мА. Рассчитаем параметры элементов схемы, использую выражения (8) – (13). При расчете принимаем напряжение на коллекторе транзистора при отсутствии входного переменного напряжения равным половине напряжения питания, то есть 5 Вольтам.

На вход синтезированной  схемы подаем испытательный сигнал, в качестве которого выбираем синусоиду амплитудой 10 мВ. К выходу усилительного каскада подключим виртуальный цифровой осциллограф. Используем два канала осциллографа: канал А – подаем на вход этого канала выходной сигнал каскада (верхний сигнал на рисунке 33); канал D – подаем на вход этого канала входной испытательный сигнал (нижний сигнал на рисунке 33). Вид выходного и входного сигналов на экране виртуального цифрового осциллографа показан на рисунке 33.

Как видно из рисунка, каскад с общим эмиттером  является инвертирующим, то есть входной  и выходной сигнал находятся в  противофазе.

Измеряя с помощью курсоров амплитуду выходного напряжения, можно определить коэффициент усиления моделируемого каскада. Можно для этого использовать возможности, предоставляемые программой PROTEUS VSM.

Программа PROTEUS VSM предоставляет пользователю множество различных аналоговых и цифровых анализаторов, которые позволяют провести подробный анализ моделируемой схемы. Для примера проведем частотный анализ каскада с общим эмиттером. Результаты анализа представлены на рисунке 34.

При проведении частотного анализа задаем диапазон изменения частоты входного тестового сигнала от 10 Гц до 10 МГц. По оси Y задаем логарифмический масштаб. Результатом работы частотного анализатора является амплитудно-частотная характеристика каскада с общим эмиттером.

 

Рис. 33. Вид выходного и входного сигнала при

моделировании усилителя с общим эмиттером.

 

 

Рис. 34. Амплитудно-частотная  характеристика

усилителя с общим эмиттером.

 

 

5.2. Моделирование усилителя с общим коллектором.

Для синтеза  схемы усилителя с общим коллектором используем те же элементы, что и для усилителя с общим эмиттером. Резистор R4 является нагрузкой усилителя с общим коллектором. Резистор в коллекторной цепи в этой схеме может отсутствовать. Результат синтеза схемы каскада с общим коллектором представлен на рисунке 35.

 

Рис. 35. Моделирование  усилителя с общим коллектором.

 

Расчет схемы  проводится по тем же выражениям, что  и для каскада с общим эмиттером. Для обеспечения большого динамического  диапазона схемы, напряжение на эмиттере при расчете принимаем равным половине напряжения питания.

Форма выходного (верхний сигнал на рисунке) и входного (нижний сигнал) представлена на рисунке 36.

 

Рис. 36. Вид выходного и входного сигналов при

моделировании усилителя с общим коллектором.

 

Как видно из рисунка, входной и выходной сигналы совпадают по фазе и практически равны по амплитуде. Поэтому часто каскад с общим коллектором называют эмиттерным повторителем.

5.3. Моделирование усилителя с общей базой.

Результаты  синтеза схемы каскада с общей базой представлены на рисунке 37. Резисторы R2, R4 задают постоянное напряжение смещение на базу транзистора. Нагрузкой каскада с общей базой является резистор R3. Расчет каскада по постоянному току проводится по выражениям (8) – (13). Напряжение на коллекторе принимаем при расчете равным половине напряжения питания.

Резистор R1 в цепи эмиттера определяет входное сопротивление каскада с общей базой. Так как этот резистор, как правило, имеет малое сопротивление, то и каскад с общей базой имеет самое низкое входное сопротивление из всех схем включения биполярных транзисторов.

Достоинством  каскада с общей базой является то, что паразитная емкость коллекторно-базового перехода не создает отрицательной обратной связи по переменному напряжению. Это позволяет строить усилители с более высокой граничной частотой. Каскады с общей базой используются, как правило, в схемах высокочастотных усилителей.

 

 

Рис. 37. Моделирование усилителя с общей базой.

 

Форма сигнала  на выходе усилителя (верхний сигнал) и на входе (нижний сигнал) представлена на рисунке 38. Амплитуда входного сигнала составляет 5 мВ, амплитуда выходного сигнала 0,6 В. То есть каскад с общей базой имеет достаточно большой коэффициент усиления по напряжению. Как видно из рисунка фаза входного и выходного сигнала совпадают.

На рисунке 39 представлен результат проведения частотного анализа каскада с  общей базой. Завал характеристики в области низких часто определяется величиной емкости блокировочного конденсатора С1, а также величиной  емкости разделительных конденсаторов С2, С3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 38. Вид выходного  и входного сигналов при

моделировании усилителя с общей базой.

 

Рис. 39. Амплитудно-частотная  характеристика

усилителя с общей базой.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В курсовой работе подробно рассмотрены основные параметры биполярных транзисторов, методы их измерения, а также основные схемы включения биполярных транзисторов. В работе приведены формулы, позволяющие рассчитать режим работы транзистора в различных схемах включения.

Для изучения работы усилительных каскадов, построенных на биполярных транзисторах, использована программа моделирования электронных схем PROTEUS VSM, разработанная компанией Labcenter Electronics (Великобритания). Программа моделирования содержит обширные базы комплектующих изделий, которые могут самостоятельно пополняться пользователем. Средства, предоставляемые данной программой, позволяют без дополнительных затрат времени и средств организовать подробное изучение режимов работы транзисторов в электронных схемах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1.  Лукьяненко  Е.Б.,  Коноплев  Б.Г.,  Рысухин   Г.В.  Руководство  к лабораторной  работе  «Математическое  моделирование  биполярных транзисторов». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1997. №2219.

2.   Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: «Солон-Р», 2001.

3.   Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000.

4.  Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования  электронных  устройств Design Lab 8.0. М.: «Солон-Р», 2000.

5.  Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник/В. Л. Аронов, А. В. Баюков, А. А. Зайцев и др. Под общ. ред. Н. Н. Горюнова.-2-е изд., перераб.-М: Энергоатомиздат, 1985.— 904 с.

6. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Сергеев Б. С. Справочник.- М.: Радио и связь, 1992. - 224 с.

7. Справочник радиолюбителя-конструктора.– М.: Радио и связь, 1983.

8. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1984.

9. 2. Бакалов В.П. и др. Теория электрических цепей. – М.: Радио и связь, 1998.