Układy Elektroniczne 2

Projekt

Obwody zasilania tranzystorów w układzie wzmacniacza -

projekt wspomagany programem PSpices

Prowadzący:

Wykonał:

dr inż. Józef Stanclik Finowski Adrian

E-KA III, 163257

Grupa - 14:15-15:25

Numer tematu: 4

Termin oddania: 00.01.2010

1. Spis treści:

Temat projektu ................................................................................................................. 4 str.

Analiza stałoprądowa (DC)

Charakterystyki statyczne tranzystorów

Schematy pomiarowe charakterystyk wyjściowych ......................................... 6 str.

Charakterystyki wyjściowe .............................................................................. 7 str.

Schematy pomiarowe charakterystyk wejściowych ......................................... 8 str.

Charakterystyki wejściowe ............................................................................... 9 str.

Ponowne obliczenie wartości elementów

Uproszczone schematy analiz ......................................................................... 10 str.

Punkty pracy tranzystorów ............................................................................... 11 str.

Porównanie obliczeń ........................................................................................ 15 str.

Nominalna analiza stałoprądowa w PSpice

Analiza „Bias Point Detail”............................................................................. 16 str.

Analiza wpływu wahań na punkt pracy tranzystora ....................................... 18 str.

Analiza wpływu tolerancji na punkt pracy tranzystora .................................. 20 str.

Analiza najgorszego przypadku (Worst Case) ............................................... 22 str.

Analiza Monte Carlo ...................................................................................... 27 str.

Analiza czasowa i widmowa

Nominalna analiza czasowa

Analiza czasowa układu bez sprzężenia zwrotnego ....................................... 29 str.

Analiza czasowa układu z sprzężeniem zwrotnym ........................................ 31 str.

Nominalna analiza Fouriera

Analiza Fouriera dla wzmacniacz bez sprzężenia zwrotnego ........................ 33 str.

Analiza Fouriera dla wzmacniacz z sprzężeniem zwrotnym ......................... 36 str.

Analiza wpływu wahań na przebiegi czasowe napięcia wyjściowego

Analiza wpływu wahań napięcia zasilającego ................................................ 39 str.

Analiza wpływu wahań temperatury .............................................................. 41 str.

Analiza zmiennoprądowa (AC)

Analiza wstępna

Oczytanie parametrów tranzystorów z wykorzystaniem modelu hybryd π ... 42 str.

Wyznaczenie macierzy [Y] tranzystorów ....................................................... 43 str.

Obliczanie parametrów wzmacniacza ............................................................ 47 str.

Obliczanie macierzy [Y] ze sprzężeniem zwrotnym ...................................... 47 str.

Obliczanie parametrów wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym ................. 52 str.

Obliczanie pojemności kondensatorów .......................................................... 52 str.

Analiza zmiennoprądowa w PSpice

Analiza zmiennoprądowa wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego .............. 55 str.

Analiza zmiennoprądowa wzmacniacza z sprzężeniem zwrotnym ................ 61 str.

Ocena stabilności układu z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego ............... 68 str.

2

3

2. Temat projektu

Jako tranzystor n-p-n zastosować 2N2222A, a jako tranzystor p-n-p użyć 2N2907A. Przyjąć

jednakowe wartości zwarciowych współczynników wzmocnienia prądowego β ≈ 150 i napięć

baza-emiter | U_BE| ≈ 0,65 V dla obu tranzystorów. Temperatura pracy układu wynosi Ta = 25

°C.

a) Obliczyć wartości rezystorów i SEM baterii zasilających we wzmacniaczu o schemacie

pokazanym na rys. 1. W obliczeniach przyjąć, że zasilanie jest symetryczne (V_cc =| V_ee|) oraz,

że rezystory R1 i R3 mają taką samą rezystancję, równą R1 = R3 = (8÷10) x R_g. Wartość

skuteczna napięcia wyjściowego wzmacniacza, które nie jest jeszcze obcinane, nie może

być mniejsza od zadanej w temacie projektu i większa od 1,5 wielkości zadanej, w całym

zakresie zmian temperatury od T_min= 10°C do T_max=50°C, i rozrzutów współczynników

wzmocnienia prądowego (od β_min= 100 do β_max=200). Do szacowania napięcia

wyjściowego założyć, że kondensatory C1 i C2 stanowią zwarcie, a kondensator C3

stanowi rozwarcie dla prądów zmiennych. W tej fazie projektu założyć, że rezystor R4 ma

wartość 0 (jest zwarciem).

b) Wyznaczyć moc prądu stałego pobieraną przez układ ze źródła zasilającego oraz

moce wydzielane w tranzystorach i rezystorach.

c) Ocenić maksymalną wartość napięcia wyjściowego wzmacniacza i zmiany punktów

pracy tranzystorów pod wpływem zadanych zmian temperatury, napiec zasilających oraz

rozrzutów współczynnika wzmocnienia prądowego.

d) Obliczyć wartości parametrów Ku, K_usk, K_i, R_wej i R_wyj wzmacniacza zaprojektowanego w

ramach projektu I dla średnich częstotliwości. Dla analizy zmiennoprądowej (AC) założyć, że

przy częstotliwości sygnału kondensatory C₁ i C₂ oraz baterie zasilające mogą być uważane za

zwarcie, a pojemności wewnętrzne tranzystorów i kondensator C₃ są rozwarcie. Parametry

modeli tranzystorów dla ustalonych prądów kolektorów obliczyć z wzorów:



⋅

y ^y21



⋅

y₂₂

y

38,5 | I_C| ,

, y

0,01 | I_C| , y₁₂ − .

21

11



22



4

e) Wyznaczyć rezystancję rezystora R₄ tak, aby uzyskać skuteczne wzmocnienie napięciowe w

zakresie średnich częstotliwości |Kuskf|= 100. Obliczenie wartości parametrów K_uf, Kuskf, K_if,

R_wef i Rwyf wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym dla średnich częstotliwości.

f) Obliczyć pojemności kondensatorów C₁ i C₂ tak, aby otrzymać dolną, trzydecybelową

częstotliwość graniczną skutecznego wzmocnienia napięciowego f_df zadaną w temacie zadnia

projektowego. Biegun związany z kondensatorem C₂ powinien być dominujący.

g) Obliczyć pojemność kondensatora C₃ tak, aby uzyskać zadaną w temacie projektu wartość

górnej częstotliwości granicznej wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym f_gf, odpowiadającą

spadkowi wzmocnienia |Kuskf(j)| o 3dB. Założyć że górne częstotliwości graniczne stopni

wzmacniających przekraczają znacznie zadaną wartość f_gf, a pojemności wewnętrzne modeli

tranzystorów są pomijalnie małe.

Dane szczegółowe do podanego numeru tematu projektu:

|Ic(T1)|, |Ic(T2)| = 0,6 mA

|Ic(T5)|= 1,0 mA

Rg = 5,0 k

RL = 12,0 k

f_df = 40 kHz

f_gf = 25 Hz

U_wy = 2,0 V

5

3. Analiza stałoprądowa (DC)

3.1. Charakterystyki statyczne tranzystorów Q2N2222 i Q2N2907A

3.1.1. Schematy pomiarowe charakterystyk wyjściowych

Rys. 2. Schemat pomiarowy charakterystyki wyjściowej tranzystora Q2N2907A

Rys. 3. Schemat pomiarowy charakterystyki wyjściowej tranzystora Q2N2222

6

3.1.2. Charakterystyki wyjściowe

Rys. 4. Charakterystyka wyjściowa tranzystora Q2N2907A

Rys. 5. Charakterystyka wyjściowa tranzystora Q2N2222

7

3.1.3. Schematy pomiarowe charakterystyk wejściowych

Rys. 6. Schemat pomiarowy charakterystyki wejściowej tranzystora Q2N2907A

Rys. 7. Schemat pomiarowy charakterystyki wejściowej tranzystora Q2N2222

8

3.1.4. Charakterystyki wejściowe

Rys. 8. Charakterystyka wejściowa tranzystora Q2N2907A

Rys. 9. Charakterystyka wejściowa tranzystora Q2N2222

9

3.2. Ponowne obliczenie wartości elementów

Uproszczone schematy analiz

Rys. 10. Schemat uproszczony dla prądu stałego

Rys. 11. Schemat uproszczony dla prądu zmiennego

Poniżej został zamieszczony skrót pierwszego projektu, obliczenia z wygenerowanych

za pomocą programu PSpice charakterystyk statycznych tranzystora oraz elementy dyskretne

z szeregu znormalizowanego.

Z symulacji przeprowadzonej w programie PSpice przy zadanych IC(T1,T2) = 0,6mA

i ICT5 = 1mA otrzymaliśmy następujące punkty pracy tranzystorów:

10

Parametr

I_C [mA]

U_CE [V]

I_B [A]

U_BE [mV]

T1,T2 - Q2N2907A

0,6049

5,310

2,7103

651,938

Tab. 1. Punkty pracy tranzystorów

T5 - Q2N2222

1,0192

5,5

6,504

647,846

Rys. 12. Analiza graficzna stopnia wyjściowego

a) wyznaczenie amplitudy napięcia wyjściowego

U_min U_wy⋅ 2  2V ⋅ 

2 2,828V

(1.1)

b) wyznaczenie R₁ i R₃

R₁=R₃=(8÷10)·5k

R₁=R₃=40kΩ÷50k

U

max^

U_min⋅1,5  2,828V ⋅1,5  4,242

V

R₁=R₃=(8÷10)·R_g

(1.2)

(2.1)

Przyjmuję z szeregu E24: R1=R3=47k

c) wyznaczenie R₅

R

obc

min

≤

≤ R

R_obcobcmax

U_wy

(3.1)

R_obcmin



U

wymin 

I_C5

2,828V

1,0192mA



Ω

2,774k

R_obc

I_C5

(3.2)

11

R_obcmax



U

wy max 

I_C5

4,242V

1,0192mA



Ω

4,162k

I

1 1 1

I

C5

U_wymax

≤   ≤

R₃R₅R_L

C 5

U_wy

min

(3.3)

1,0192

−

1

1

≤

1

≤

1,0192

1

1

4,162kΩ

47

kΩ −₁₂kΩ

1

R5

2,774

kΩ −₄₇kΩ −₁₂kΩ

0,140272mS ≤ ≤

R₅

0,262802mS

3,80515kΩ ≤ R ≤

5⁷,12901kΩ

Przyjmuję z szeregu E24: R5=5,6k

d) wyznaczenie napięć E_CC

E_CC −E_ee

(4.1)

E

cc

 ⋅ I

R₅5

(4.2)



I₅I_C

5

−

I_B

2

(4.3)

I



mA −

mA 

mA

5¹,0192

0,0027103

1,01648

E_CC

5,6kΩ ⋅1,01648mA 

5,6923V

Przyjmuję E_CC = |-E_ee| = 5,5V

e) wyznaczenie R₂

I₃ 0,0027103mA

 Ω ⋅ 0,0027103mA 

U₃47k

U  5,5  0 1273841 −

R ^U2

2_I2

U₂ U₅ U₃−U_BE

U₃ I₃⋅ R₃

I₃ I_B2

0,1273841V



2

(5.1)

(5.2)

(5.3)

(5.4)

2

V

V

0,651938

V

4,9754461

V

  I − I −

I₂I_C1 C 2 B

1

I_B1^

I

B

2

(5.5)

(5.6)



I₂0,6049mA



0,6049mA

−

I_B2⁰,0027103mA

−

0,0027103mA 0,0027103mA



1,2043mA

12

R₂



4,9754461V

1, 2043mA



Ω

4,1314k

Przyjmuję z szeregu E24: R2=3,9k

f) wyznaczanie punktów pracy tranzystorów T₃ i T₄

U_CE3^U_BE5

U_CE3^0,647846V

(6.1)

I

C 3

 I_C1 −

I_B5

(6.2)

I_C3^0,6049mA −

0,006504mA 

0,598396mA ≈

0,60mA

Dla wyliczonych parametrów, z czytano w PSpices z charakterystyk wartości I_B3 i UBE3

I_C3^0,004272mA

U_BE3^0,63565V

U_CE4^U_BE4^U_BC4

U_BC4^0

U_CE4^

U_BE4⁰,63565V

I_C4^I_C3

(6.3)

I_C4^0,60mA

g) wyznaczenie mocy na poszczególnych elementach układu

 moce na rezystorach

P  I²⋅ R

(6.4)

(7.1)

²⋅ 

⋅

−3 2

⋅ ⋅³Ω 



P_R1^IB1^R

1

P_R2^I₂2 ⋅ R₂

(0,00271 10 A) 47 10

⋅ −3 2 ⋅ ⋅³Ω 

(1,2043 10 A) 3,9 10

0,345

5,656

W

 I²⋅ R 

⋅

−3 2

⋅ ⋅³Ω 

mW



P

R3 3

3

(0,00271 10 A) 47 10

0,345

W

²⋅ 

⋅

⋅ ⋅ Ω 

P_R5 5

I R₅

(1,01648 10−3_A)²5,6 10³

5,786mW

 moce na tranzystorach

P_T I_C⋅ U_CE

(7.2)

13

 ⋅

P_T1^I1^U

1



⋅

0,6049 10

−3

A

⋅

5,31V



3,212mW



C CE

⋅



⋅

−3

⋅



P_T2

I_C2^U

 ⋅

CE 2



0,6049 10

⋅ −3

⋅

A

5,31V

3,212mW



P_T3

I U

0,60 10 A

0,647846V

0,389mW



3

C CE

⋅

3



⋅

−3

⋅



P_T4

I U

0,60 10

A

0,63565V

0,381mW

C 4

 ⋅

CE 4



⋅

−3

⋅



P

T 5

I_C5^U

CE5

1,0192 10

5,5

A V

5,6056

mW

 całkowita moc w układzie

P

 ∑









 

 



(7.3)

C

P P P

P P P P P P P

P_C

24,248mW ≈

R1

24,2mW

R2

R3

R5

T1

T 2

T 3

T 4

T 5

h) wyliczenie β dla tranzystorów

 

I

C

(8.1)

_TT

1, 2



0,6049mA

0,0027103mA



≈

223,18 223

T_IB

_T5



1,0192mA

0,006504mA

0,598mA







≈

135,911 157

≈

_TT

3, 4

0,004272mA

139,98 140

14

Porównanie otrzymanych wyników przy pomocy programu PSpice z wynikami obliczeń

ręcznych w poprzednim projekcie

Element Wartości elementów obliczonych

Wartości elementów obliczonych

R₁ [k ]

R₂ [k ]

R₃ [k ]

R₅ [k ]

E_CC=E_ee [V]

T1 I_C[mA]

U_CE[V]

T2 I_C[mA]

U_CE[V]

T3 I_C[mA]

U_CE[V]

T4 I_C[mA]

U_CE[V]

T5 I_C[mA]

U_CE[V]

ręcznie w projekcie pierwszym

47

3,9

47

5,6

5,5

0,6

5,312

0,6

5,312

0,59

0,65

0,59

0,65

1,0

5,5

przy pomocy programu PSpice

47

3,9

47

5,6

5,5

0,6049

5,31

0,6049

5,31

0,60

0,647846

0,60

0,63565

1,0192

5,5

Tab. 2. Porównanie obliczeń

Z powyższej tabeli wynika że znaczącej zmianie nie uległy żadne elementy a więc

przeprowadzone obliczenia ręczne w części pierwszej projektu zostały dobrze wykonane.

Nieznaczne różnice wynikają z pewnych uproszczeń przyjętych podczas obliczeń ręcznych jak

i większej dokładności programu komputerowego. Nie ma wiec konieczności korekty wartości

rezystorów ani napięć zasilania.

15

3.3. Nominalna analiza stałoprądowa (DC) w programie Psice

3.3.1. Analiza „Bias Point Detail”

Rys. 13. Schemat do analizy Bias Point Detail.

Potencjały ustalone na węzłach w temperaturze 25˚C

Fragment pliku wyjściowego:

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

(bT1) .1255 (bT2) .1254 (cT1) -4.8525 (cT2) -4.8642

(cT5)-483.9E-06 (eT1) .8399 (eT3) -5.5000

Prąd wyjściowy źródła napięcia zasilającego

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V_V1 -2.177E-03

V_V2 -2.174E-03

Całkowita moc wydzielana w układzie

TOTAL POWER DISSIPATION 2.39E-02 WATTS

Parametry tranzystorów wyliczone przez program Pspice

BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME Q_T4 Q_T3 Q_T2 Q_T1 Q_T5

MODEL Q2N2222 Q2N2222 Q2N2907A Q2N2907A Q2N2222

IB 4.23E-06 4.23E-06 -2.68E-06 -2.67E-06 6.37E-06

IC 5.87E-04 5.87E-04 -5.96E-04 -5.94E-04 9.85E-04

VBE 6.36E-01 6.36E-01 -7.15E-01 -7.14E-01 6.48E-01

VBC 0.00E+00 -1.17E-02 4.99E+00 4.98E+00 -4.85E+00

VCE 6.36E-01 6.48E-01 -5.70E+00 -5.69E+00 5.50E+00

BETADC 1.39E+02 1.39E+02 2.22E+02 2.22E+02 1.55E+02

GM 2.28E-02 2.28E-02 2.32E-02 2.31E-02 3.82E-02

RPI 6.79E+03 6.79E+03 9.91E+03 9.94E+03 4.48E+03

RX 1.00E+01 1.00E+01 1.00E+01 1.00E+01 1.00E+01

RO 1.26E+05 1.26E+05 2.03E+05 2.03E+05 8.01E+04

CBE 4.53E-11 4.53E-11 4.65E-11 4.64E-11 5.20E-11

CBC 7.29E-12 7.26E-12 4.93E-12 4.94E-12 3.67E-12

CJS 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00

BETAAC 1.55E+02 1.55E+02 2.30E+02 2.29E+02 1.71E+02

CBX/CBX2 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00

FT/FT2 6.90E+07 6.91E+07 7.17E+07 7.16E+07 1.09E+08

Z powyższej analizy wynika ze błędy wyliczeń Ic, ręcznych w stosunku do wyliczeń programu

Dla T1 i T2 wynoszą około 1 % a dla T5 około 1,5%. Błędy takie wielkości nie wymuszają

korekty parametrów elementów wzmacniacza.

17

3.3.2. Analiza wpływu wahań napięcia zasilającego i temperatury na punkt pracy

tranzystora stopnia wyjściowego.

Rys. 14. Schemat do badania wpływu wahań napięcia zasilającego i temperatury na punkt pracy

tranzystora stopnia wyjściowego.

Rys. 15. Wpływ wahań temperatury i napięcia zasilającego na I_CT5 (dla 15˚C, 25˚C, 45˚C)

18