Моделирование биполярного транзистора при проектировании электронных схем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет "ЛЭТИ"

Курсовая работа

по дисциплине “Твердотельная электроника”

Моделирование биполярного транзистора при проектировании электронных схем

Санкт-Петербург 2013

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы

Знание методов теоретического и экспериментального исследования параметров полупроводниковых приборов и устройств, овладение современными методами компьютерного проектирования приборов и устройств, умение практического применения этих навыков при проектировании приборов и устройств.

Исходные данные.

Усилитель низкой частоты класса А;

Диапазон частот кГц: 0,05-100

Содержание работы.

Измерение основных параметров биполярного транзистора и формирование его малого и большого сигнала, расчет схемы усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе методом компьютерного моделирования, экспериментальное измерение параметров усилителя

транзистор биполярный усилитель

1. ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Рис.1 Модель Гуммеля-Пуна биполярного транзистора в=11.8- коэффициент передачи по току в нормальном режиме; I_S=1.04nA- ток насыщения; N_F=0.927- коэффициент неидеальности в нормальном режиме; V_AF=218B- напряжение Эрли; I_KF=0.156A- ток начала спада в I_se=0.088nA- ток насыщения эмиттерного перехода; N_E=1.4- коэффициент неидеальности эмиттерного перехода; в_r=0.527- коэффициент передачи по току; N_R=0.966- коэффициент неидеальности в инверсном режиме; V_AR=150B- напряжение Эрли в инверсном режиме; I_kr=1.22мА- ток насыщения спада в в инверсном режиме; I_SC=1.96nA- ток насыщения коллекторного перехода; N_C=1.29- коэффициент неидеальности коллекторного перехода; r_b=400Ом- сопротивление базы при нулевом токе; I_rb=0.4мА- ток половинного сопротивления базы; r_bm=12.2Ом- минимальное сопротивление базы; r_e=0.878Ом- сопротивление эмиттера; r_c=6Ом- сопротивление коллектора; C_je=284.4пФ- емкость эмиттерного перехода; V_je=0.878B- контактная разность потенциалов для эмиттерного перехода; MJE=MJC=0.5- коэффициенты, характеризующие профиль легирования переходов;T_f=0.63мкс- время задержки сигнала; X_tf=2; V_tf=10B; I_tf=250мА; C_jc=1823пФ- емкость коллекторного перехода; V_jc=0.657B- контактная разность потенциалов для коллекторного перехода; X_cjc=0.61- коэффициент расщепления емкости коллектор-эмитор

2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ, НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Имеются три основные схемы включения транзистора в усилительные цепи. В зависимости от того, присоединен ли эмиттер, коллектор или база к общей точке, различают соответственно схемы с общим эмиттером, коллектором или базой. Исследуется схема с общим эмиттером.

- выходное напряжение - выходной ток - входное напряжение - выходное напряжения - коллекторное сопротивление, используется для получения выходного напряжения. - сопротивление, с помощью которого реализуется схема с отрицательной обратной связью. Схема вводиться для уменьшения нелинейных искажений. Вследствие отрицательной обратной связи по току выходное сопротивление растет незначительно и стремится (в случае глубокой отрицательной обратной связи) к Rc. - сопротивления, с помощью которых устанавливается рабочая точка (представляет собой делитель напряжения). - разделительные емкости. Емкость выбирается так, что бы за время прохождения сигнала напряжение не изменялось. - конденсатор, шунтирующий переменное напряжение в требуемой области частот (определяет “глубину” отрицательной обратной связи по переменному напряжению)

Емкости ограничивают влияние обратной связи на переменном сигнале.

Линейный усилитель - устройство, в котором осуществляется увеличение амплитуды сигнала низкой частоты за счет энергии вспомогательного источника.

Принцип действия:

Пусть приложено такое входное напряжение Uе0,6В, чтобы мог протекать коллекторный ток порядка миллиампер.

Схема с общим эмиттером

Упрощенное изображение.

Коэффициент усиления по напряжению:

A = Ua/Ue = -S(R_c r_CE)

Входное сопротивление r_E = r_BE;

Выходное сопротивление r_a = Rc r_CE.

Если входное напряжение повысить на небольшую величину Uе, то коллекторный ток увеличится. Поскольку выходные характеристики проходят почти горизонтально, можно сделать допущение о том, что ток Ic зависит только от U_ВЕ , но не зависит от U_CЕ . Тогда увеличение Ic составит:

ДIc ? S·ДUbe = S·ДUe

Так как коллекторный ток источника напряжения протекает через сопротивление Rc, то падение напряжения на Rc тоже повышается и выходное напряжение Ua возрастает на величину:

ДUa = - ДIc·Rc ? -S·Rc ·ДUe

Таким образом, схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению:

A = ДUa/ДUe ? -S·Rc

3. РАСЧЕТ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ

Расчет сопротивлений усилителя R1, R2, R_С, R_E с учетом таблицы номиналов и положения рабочей точки I_CA, E_CA

Для используемых транзисторов типичное значение , следовательно получаем:

Ток делителя вычисляется из условия , отсюда

тогда:

Выбор сопротивлений по таблице номиналов:

Графоаналитический расчет рабочей точки и малосигнальных параметров транзистора

Расчет параметров усилителя по малосигнальной схеме

Малосигнальная схема усилителя

Схема без отрицательной связи по току

Схема отрицательной связи по току

Схема усилителя с отрицательной обратной связью

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ В РЕЖИМЕ БОЛЬШОГО СИГНАЛА

1.1. Расчет амплитудных характеристик усилителей

f=1кГц

Расчет амплитудно-частотных характеристик усилителей. U=0.05B

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ

Определение положения рабочей точки

Измерение амплитудных характеристик усилителей

Измерение амплитудно-частотных характеристик усилителей

ВЫВОДЫ

В данной работе были исследованы основные параметры биполярного транзистора с учетом отрицательной обратной связи и без нее.

В ходе проведения расчетов и построения графиков можно сделать следующие выводы:

1. С учетом погрешностей удалось рассчитать биполярный транзистор, который усиливать напряжение будет. Отклонение коэффициента усиления можно объяснить погрешностью расчетов и округлением сопротивлений до табличных номиналов.

2. Из графиков видно, что в случае без отрицательной обратной связи по току насыщение происходит быстрей; и коэффициент усиления по напряжению выше (что соответствует нашим расчетам).

3. Из АЧХ можно сказать следующее: случай с отрицательной связью по току можно использовать на промежутке частот от110 Гц до 95 кГц; случай без отрицательной связи по току целесообразней использовать на промежутке частот от 20 Гц до 10кГц.

Размещено на Allbest.ru