Проектування резисторних каскадів посилення на польових транзисторах
Схема підсилювача розрахунку по постійному струму наведено на рис. 2.28. При введенні цієї схеми використовувалися компоненти таких бібліотек:
- analog.slb - пасивні компоненти (R);
- jfet.slb - польовий транзистор (J1);
- port.slb - вузол з нульовим
потенціалом, загальний провід (AGND);
- source.slb – джерело постійної напруги (VDC).
Мал. 2.28 Схема для розрахунку каскаду посилення на польовому транзисторі по постійному струму
Режим роботи транзистора визначається напругою усунення Uзі на затворі транзистора. Напруга зміщення створюється на резистори R5 (за рахунок проходження через нього постійної складової струму витоку транзистора) і заводиться на затвор транзистора через опір витоку затвора R3. Необхідне напруження усунення і допустимі межі зміни струму стоку можна визначити за передавальної характеристиці, тобто. залежності струму стоку транзистора від напруги затвор-витік.
Перевірка режиму роботи транзистора виконується розрахунком перехідних процесів для отриманої схеми підсилювача. Завдання на моделювання представлене на рис. 2.29.
Мал. 2.29. Вікна вибору режиму та завдання
Після закінчення розрахунку у програмі Probe виконанням команди Add
Мал. 2.30. Діаграма напруги зміщення
Traces виводиться діаграма напруги затвор-витік (рис.2.28).
- V(J1: s)). Підбором величини опору резистора R5 на затворі щодо початку транзистора встановлюється необхідна напруга зміщення.
Для розрахунку АЧХ каскаду посиленнявикористовується схема, представлена на рис. 2.31. Живлення всіх кіл підсилювального каскаду здійснюється від загального джерела постійного струму V1. Дляусунення паразитних міжкаскадних зв'язків через джерело живлення використовується фільтр, що розв'язує на елементах C2, R6.
Резистори R4, R5, R6 задають необхідний струм стоку транзистора. Температурна стабілізація режиму здійснюється за рахунок використання послідовного негативного зворотного зв'язку по постійному струму. Напруга негативного зворотного зв'язку створюється на резисторі R5.
Мал. 2.31. Завдання на моделювання для розрахунку АЧХ каскаду посилення
Роздільний конденсатор С1 пропускає у вхідний ланцюг каскаду лише змінну складову напруги джерела сигналу. Роздільний конденсатор С4 виконує аналогічну функцію по відношенню до навантаження, що утворюється резистором R7. Джерелом вхідного сигналу є генератор V2 із внутрішнім опором R1.
Під час введення схеми використовувалися компоненти з таких бібліотек:
- analog.slb – пасивні компоненти (R, C);
- jfet.slb - польовий транзистор (J1);
- port.slb - вузол з нульовим потенціалом, загальний провід (AGND);
- source.slb – джерела постійної та синусоїдальної напруги (VDC, VSIN).
Умови моделювання наведено на рис. 2.32. Розрахунок АЧХ виробляється у діапазоні 10 Гц – 100 МГц з декадним кроком, кількість точок на декаду – 101.
Мал. 2.32. Вікна вибору режиму та завдання
Через війну розрахунку виходить АЧХ, зображена на рис. 2.33. На графіку визначаються максимальне значення вихідної напруги Umax та межі смуги пропускання на рівні 0,707Umax.
Мал. 2.33. АЧХ каскаду посилення
Для визначення фазового зсувуміж сигналами на вході та виході, обумовленого інвертуванням сигналу транзистором, проводиться розрахунок ФЧХ. За командою Delete All Traces,очищується робоча область програми Probe. Висновок ФЧХ здійснюється за командою Add Traces. Ця команда відкриває однойменне вікно. У рядку Trace Expression вказується вираз P(V(C4:2)) + 180, що означає виведення значення фази сигналу у точці установки маркера (вузол з'єднання конденсатора С4 та резистора R7). Для зручності обробки виконано зміщення графіка вертикальної осі на 180°. Через війну розрахунку виходить ФЧХ, подана на рис. 2.34.
Мал. 2.34. Фазочастотна характеристика каскаду посилення
На отриманому графіку визначається частоти фазового зсуву, що становлять - 45° і 45°. Переконатись у наявності фазового зсуву на вихідній частоті можна, якщо додати
Мал. 2.35. Фазове співвідношення сигналів
на вході та виході каскаду посилення
маркер, що контролює напругу джерела VSIN сигналу. Завдання на моделювання відповідає рис. 2.31. Результат моделювання подано на рис. 2.35.
Для дослідження впливу температурина АЧХ каскаду посилення проводиться розрахунок АЧХ при різних значеннях температури. Варіація температури проводиться за директивою Temperature у вікні конфігурації Analysis Setup (рис. 2.36). Тут вказується перелік значень температури в градусах Цельсія, котрим потрібно виконати розрахунок частотних показників.
Мал. 2.36. Вікно завдання варіації температури
На рис. 2.37 наведено АЧХ для температур -60 і +70 °С.
Мал. 2.37. Ілюстрація впливу температури на АЧХ каскаду
Для дослідження впливу розподільного конденсаторана АЧХ каскаду слід змінити ємність конденсатора C4. На рис. 2.38 представлена АЧХ каскаду при значенні ємності C4, що дорівнює 680 пФ. Зі зменшенням ємності смугапропускання підсилювача звужується в ділянці нижніх частот.
Мал. 2.38. АЧХ каскаду посилення при зменшенні
ємності роздільного конденсатора
Для дослідження впливу навантаженняна АЧХ каскаду необхідно паралельно опору R7 включити конденсатор C5 ємністю 10 пФ (рис. 2.38).
Мал. 2.39. Схема на дослідження впливу
навантаження на АЧХ каскаду посилення
Збільшення ємності навантаження призводить до зменшення смуги пропускання області верхніх частот (рис. 2.40).
Мал. 2.40. АЧХ каскаду посилення при
збільшення ємності навантаження
Для дослідження впливу паралельної ООС по напрузіна АЧХ каскаду слід ввести зазначений зворотний зв'язок шляхом включення до схеми підсилювача резистора R2 (рис. 2.41).
Мал. 2.41. Схема на дослідження впливу
паралельної ООС по напрузі на АЧХ каскаду
Мал. 2.42. АЧХ каскаду посилення при введенні паралельної ООС за змінною напругою
Для дослідження впливу послідовної ООС по струмуна АЧХ каскаду слід виключити конденсатор С3, який шунтував по змінному струму опір R5 в ланцюзі витоку транзистора (рис. 2.43).
Мал. 2.43. Схема на дослідження впливу
послідовної ООС струму на АЧХ каскаду
Наведені на рис. 2.44 результати моделювання доводять розширення смуги пропускання
амплітудно-частотної характеристики підсилювача. Для порівняння дивіться АЧХ, наведену на рис. 2.33.
Мал. 2.44. АЧХ каскаду посилення під час введення
послідовної ООС по змінному струму
Вплив ООС на ФЧХ каскаду ілюструє рис. 2.45. На отриманому графіку визначаютьсязначення фазового зсуву на тих же частотах, які були визначені під час аналізу підсилювача без негативного зворотного зв'язку (рис. 2.31).
Введення ООС змінного струму покращує фазову характеристику резисторного каскаду.
Проведені вище дослідження дозволили виявити характер впливу
Мал. 2.45. ФЧХ каскаду посилення під час введення
послідовної ООС по змінному струму
навантаження, ООС, розподільного конденсатора на АЧХ каскаду посилення, а також вплив негативного зворотного зв'язку на його фазочастотну характеристику. Результати проведеного аналізу поведінки ФЧХ зручно звести таблицю виду 2.2.
Для реалізації каскаду посилення із заданою АЧХ можна взяти за основу одну з раніше отриманих характеристик. Далі, використовуючи результати табл. 2.2 та основні положення теорії з даного питання, неважко реалізувати підсилювальний каскад, АЧХ якого має необхідні значення нижньої та верхньої граничних частот.
Результати комп'ютерного аналізу резисторних каскадів посилення
на польових транзисторах
| Ілюстрація | Нижня гранична частота | Верхня гранична частота | Коментар результатів |
| 2.33 | 205,616 Гц | 15,985 МГц | Початкові значення атрибутів елементів |
| 2.38 | 272,176 Гц | 15,783 МГц | Зменшення ємності роздільного конденсатора збільшує нижню граничну частоту |
| 2.40 | 205,775 Гц | 3,5855 МГц | Збільшення ємності навантаження призводить до зниження верхньої граничної частоти |
| 2.42 | 205,027 Гц | 17,002 МГц | Паралельна ООС розширює робочий діапазон частот |
| 2.44 | 158,489 Гц | 19,304 МГц | Послідовна ООС розширює робочий діапазон частот |
2.5. Контрольні питання та завдання
1. Дайте визначення резисторно-ємнісного (резисторного) каскаду посилення.
2. Намалювати еквівалентні схеми резисторного каскаду посилення нижніх, середніх, верхніх частотах. Обґрунтувати їхній вигляд.
3. Наведіть векторні діаграми, що ілюструють процеси у резисторному каскаді посилення при wср C2H). Поясніть вигляд цих параметрів.
15. Поясніть призначення елементів резисторного каскаду посилення на біполярному транзисторі.
16. Який вплив розподільчого конденсатора на частотні властивості каскаду посилення?
17. Які способи живлення ланцюга бази та способи стабілізації робочої точки каскаду посилення на біполярному транзисторі Вам відомі? Поясніть їхню фізичну сутність.
18. Покажіть шлях постійної складової колекторного струму транзистора у резисторному каскаді посилення. Обґрунтуйте Ваше рішення.
19. Покажіть шлях змінної складової колекторного струму транзистора у досліджуваному підсилювачі при позитивній (негативній) напівхвилі вхідної напруги. Поясніть наявність та величину фазового зсуву коливань на вході та виході підсилювача.
20. Як зміниться висота потенційного бар'єру емітерного переходу: а) p-n-p транзистора; б) n-p-n транзистора, якщо до його бази докласти позитивну (негативну) напівхвилю змінної напруги? Як це вплине величину струму колектора транзистора?
21. На одному малюнку, використовуючи декартову систему координат, намалюйте дві перехідні характеристики підсилювального каскаду в області великих часів, що відповідають різним значенням ємності конденсатора роздільного (С P1> C P2). Поясніть вигляд цих параметрів. Наведіть фізичне пояснення виду амплітудно-частотної характеристики резисторного посилення каскаду.
22. Наведіть фізичне пояснення виду фазочастотної характеристики резисторного каскаду посилення.
23. Наведіть перехідну характеристику резисторного каскаду посилення: а) у сфері великих часів; б) у сфері малих часів. Поясніть вигляд наведених графічних залежностей.
24. Дайте поняття негативного зворотний зв'язок у підсилювачах.
26. Поясніть порядок оцінки впливу температури навколишнього середовища на АЧХ каскаду посилення.
27. Поясніть вплив величини опору ємнісного навантаження на частотні властивості каскаду посилення (АЧХ, частотні спотворення).
28. Наведіть фізичне та аналітичне пояснення впливу негативного зворотного зв'язку в підсилювачі на його частотні властивості.
29. Поясніть призначення елементів резисторного каскаду посилення на транзисторах польових.
30. Які способи живлення ланцюга затвора каскаду посилення на польовому транзисторі Вам відомі? Як здійснюється стабілізація робочої точки траєзистора? Поясніть фізичну суть.
31. Покажіть шлях постійної складової струму стоку польового транзистора. Обґрунтуйте Ваше рішення.
32. Покажіть шлях змінної складової струму стоку польового транзистора резисторного каскаду посилення при позитивній (негативній) напівхвилі вхідної напруги. Чому фаза вихідного коливання відрізняється від фази вхідного коливання на 180 о?
33. Наведіть необхідну полярність напруги живлення польового транзистора з керуючим p-n-переходом: а) n-каналом; б) p-каналом. Обґрунтуйте Ваше рішення.
34. Як поводиться опір а) n-каналу; б) p-каналу та площа його поперечногоперерізу, якщо до затвора транзистора докласти позитивну (негативну) напівхвилю змінної напруги? Як це вплине величину струму стоку транзистора?