tema 3 – psftema 3 – psf asist. dr. ing. arcadie cracan, [email protected] 2 octombrie 2017...
TRANSCRIPT
Tema 3 – PSF
asist. dr. ing. Arcadie Cracan, [email protected]
2 octombrie 2017
RezumatÎn cadrul acestei teme veți determina punctul static de funcționare (PSF) și amplificarea de la intrare la ieșire în circuite
cu tranzistoare bipolare. Obiectivele acestui exercițiu va fi să determinați rapid o soluție care să aibă o eroare nu mai marede 10%. Pentru a atinge o viteză mare de calcul se vor face o serie de ipoteze și aproximări.
1 Introducere 1
2 Principii generale 2
3 Exemple rezolvate 23.1 Exemplul 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3.1.1 Determinarea PSF-ului . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.1.2 Determinarea amplificării de semnal mic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.1.3 Validarea rezultatelor analizei manuale cu ajutorul simulatorului . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.2 Exemplul 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2.1 Determinarea PSF-ului . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.2 Determinarea amplificării de semnal mic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.2.3 Validarea rezultatelor analizei manuale cu ajutorul simulatorului . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4 Exerciții propuse 164.1 Exercițiul 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.2 Exercițiul 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.3 Exercițiul 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.4 Exercițiul 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1 IntroducereCalculul cu precizie al punctului static de funcționare implică, de cele mai multe ori, rezolvarea unor ecuații neliniare,majoritatea transcendente, pentru care putem determina doar soluții numerice. Determinarea soluțiilor numerice a uneiecuații neliniare transcendente este o sarcină mult mai potrivită unui calculator decât unui om. Totuși, ca ingineri, atuncicând proiectăm un circuit, trebuie să fim capabili să apreciem rapid care sunt factorii cei mai importanți care determinăperformanța unui circuit pentru a putea, prin ajustarea acestor factori, să încadrăm circuitul în specificațiile impuse. Așacum vom constata și în exercițiile propuse în această temă, acești factori depind de punctul static de funcționare.
Problema determinării PSF-ului devine chiar mai complicată atunci când realizăm că dispozitivele neliniare (tranzis-toare, diode, etc.) pot avea mai multe regimuri de funcționare, iar fiecare regim este caracterizat de ecuații de funcționarespecifice. De exemplu, un tranzistor bipolar se poate găsi în regimul activ normal sau în regimul de saturație sau în regimulde blocare sau chiar în regimul activ invers, iar fiecărui regim îi corespund alte ecuații de funcționare.
Bineînțeles, pentru a ajunge la o soluție, este necesar să scriem mai întâi un sistem de ecuații pe care mai apoi să-lrezolvăm, însă cum putem face asta fără să știm în ce regim de funcționare se găsesc dispozitivele neliniare? Iar regimul defuncționare îl putem ști abia după ce știm valoarea mărimilor electrice (curenți, tensiuni) care caracterizează dispozitiveleneliniare. Ne vedem ajunși într-o situație de genul „oul sau găina?”: pentru a rezolva circuitul trebuie să cunoaștem regimulde funcționare, iar pentru a cunoaște regimul de funcționare trebuie să știm soluția circuitului.
Pentru a ieși din această dilemă a cauzalității și a găsi PSF-ul circuitului vom face inițial presupuneri relativ la regimulde funcționare al dispozitivelor neliniare. Dacă, în timpul sau după rezolvarea ecuațiilor circuitului pe care le-am scriscu ajutorul presupunerilor pe care le-am făcut, nu ajungem la o contradicție, vom spune că soluția obținută este o soluțievalidă pentru circuitul analizat.
Cam care sunt șansele să ghicim din prima regimurile de funcționare pentru tranzistoarele dintr-un circuit? De exemplu,dacă am avea un circuit cu numai trei tranzistoare, pentru care avem, în principiu, patru regimuri de funcționare, numărulde posibilități pentru acest circuit ar fi de 34 = 243, adică șansa de a ghici corect (fără să ne ghidăm după niciun principiu)ar fi de una la 243, ceea ce este foarte puțin. Ca să greșim mai puțin o să ne ghidăm după intuiție, care este, de cele maimulte ori, rezultatul experienței: cu cât exersăm mai mult, cu atât o să greșim mai puțin pe viitor.
1
În această temă vom presupune că tranzistoarele sunt în regim activ normal, iar după ce ajungem la soluție, vom verificaaceastă presupunere inițială.
2 Principii generaleAtunci când vom urmări să determinăm punctul static de funcționare o să ne ghidăm după următoarele principii:
• într-o sumă (sau diferență) o să neglijăm termenii a căror valoare este de 10 ori mai mică decât ceilalți termeni(introducând astfel o eroare mai mică de 10%);
• vom presupune toate tranzistoarele în regimul activ normal;
• tensiunea bază-emitor pentru un tranzistor npn în regim activ normal este VBEnpn ≈ 0,65V ;
• tensiunea emitor-bază pentru un tranzistor pnp în regim activ normal este VEBpnp ≈ 0,7V ;
• amplificarea în curent pentru un tranzistor bipolar în regim activ normal este β ≈ 100;
• curentul de colector pentru un tranzistor bipolar în regim activ normal este aproximativ egal cu cel de emitor;
• toate condensatoarele le considerăm întreruperi;
• toate bobinele le considerăm scurt-circuite;
• toate sursele de semnal sunt pasive (scurt-circuite pentru surse de tensiune și întreruperi pentru surse de curent).
Atunci când vom determina amplificarea de semnal mic ne vom ghida după următoarele principii:
• într-o sumă (sau diferență) o să neglijăm termenii a căror valoare este de 10 ori mai mică decât ceilalți termeni(introducând astfel o eroare mai mică de 10%);
• transconductanța unui tranzistor în regim activ normal se determină după formula gm = IC/Vt, în care IC estecurentul de colector de PSF, iar Vt este tensiunea termică, având expresia Vt = kT/q și care la temperatura de 27°C este aproximativ 25 mV, iar expresia lui gm are forma aproximativă gm = 40IC ;
• rezistența rπ are expresia rπ = β/gm;
• în banda circuitului toate condensatoarele le considerăm scurt-circuite;
• în banda circuitului toate bobinele le considerăm întreruperi;
• toate sursele continue sunt pasivizate (scurt-circuite pentru sursele de tensiune continuă și întreruperi pentru surselede curent continuu).
3 Exemple rezolvate3.1 Exemplul 1Să considerăm următorul exemplu:
E = 5V
VCC
R1
R2
VCC
Q1
R3 C2
R4
VCC
vin
C1
vout
cu următoarele valori numerice:
• E = 5 V
• R1 = 3,9 kΩ
2
• R2 = 1,1 kΩ
• R3 = 220 Ω
• R4 = 1 kΩ
• C1 = 220 µF
• C2 = 820 µF
3.1.1 Determinarea PSF-ului
Vom redesena circuitul eliminând condensatoarele și pasivizând sursa de semnal:
E = 5V
VCC
R1
R2
VCC
Q1
R3
R4
VCC
Vom înlocui subcircuitul format din sursa de alimentare, R1 și R2 cu echivalentul Thévenin:
R2
R1+R2E
Q1
R3
R4
VCC
R1 ∥ R2E = 5V
VCC
Potențialul din baza tranzistorului Q1 are expresia
VB1 =R2
R1 +R2E − (R1 ∥ R2)IB1
în care IB1 este curentul de bază al tranzistorului Q1. În această diferență vom urmări să comparăm cei doi termeni pentrua estima în ce măsură se poate neglija unul dintre ei. Pentru aceasta vom avea nevoie de o estimare sau o limită superioarăpentru curentul de bază al tranzistorului.
Curentul maxim de colector apare atunci când tranzistorul intră în regimul de saturație, având VCE1 < VCEsat. Lalimită, atunci când tensiunea colector-emitor este 0, obținem valoarea maximă pentru curent. În circuitul nostru, dacătranzistorul Q1 ar fi în saturație adâncă, cu VCE1 = 0, am avea
E = R4IC1max +R3(IC1max + IB1max) > R4IC1max +R3IC1max ⇒
IC1max <E
R3 +R4
Se poate spune spune că valoarea maximă a curentului de colector nu poate depăși curentul care ar apărea prin elimi-narea tranzistorului Q1 și înlocuirea lui cu un scurt-circuit, obținând în felul acesta un circuit în care R3 și R4 sunt în serie.Numeric putem scrie:
IC1max <5 V
1 kΩ + 0,22 kΩ≈ 4,1 mA
În regimul activ normal curentul de bază este de β ori mai mic decât curentul de colector, prin urmare
IB1max <4,1 mA
β= 41 µA
3
iar de aici(R1 ∥ R2)IB1 < (R1 ∥ R2)IB1max < 0,86 kΩ · 41 µA = 35,3 mV
Pe de altă parteR1
R1 +R2E =
1,1 kΩ3,9 kΩ + 1,1 kΩ
· 5 V = 1,1 V
Se poate observa imediat căR2
R1 +R2E ≫ (R1 ∥ R2)IB1
iar expresia lui VB1 poate fi aproximată ca
VB1 ≈ R2
R1 +R2E = 1,1 V
Se poate concluziona că am neglijat căderea de tensiune pe rezistența internă a echivalentului Thévenin deoarece cădereade tensiune pe aceasta, datorată curentului de bază a tranzistorului, este nesemnificativă. Cu alte cuvinte putem spune căeste ca și cum divizorul rezistiv ar funcționa în gol (încărcarea produsă de curentul de bază este nesemnificativă). În acestecondiții circuitul poate fi văzut ca în figura de mai jos:
R2
R1+R2E
Q1
R3
R4
VCC
R1 ∥ R2E = 5V
VCC
Din acest moment, cunoscând potențialul din baza tranzistorului (VB1 ≈ 1,1 V) și tensiunea bază-emitor (VBE1 ≈0,65 V) putem determina căderea de tensiune pe rezistorul R3
VR3 = VB1 − VBE1 ≈ 0,45 V
iar din aceasta, curentul prin R3
IR3 =VR3
R3≈ 0,45 V
0,22 kΩ≈ 2 mA
Dar curentul prin R3 este chiar curentul de emitor al tranzistorului care este practic egal cu cel de colector
IC1 ≈ IR3 ≈ 2 mA
Pentru a determina tensiunea colector-emitor a tranzistorului Q1 ne vom folosi de faptul că
E = VR4 + VCE1 + VR3
iarVR4 = R4IR4 = R4IC1 ≈ 1 kΩ · 2 mA = 2 V
și, prin urmareVCE1 ≈ 5 V − 0,45 V − 2 V = 2,55 V
Punctul static de funcționare determinat este
Q1(2 mA; 2,55 V)
și validează presupunerea inițială că tranzistorul este în regim activ normal.
4
3.1.2 Determinarea amplificării de semnal mic
Vom redesena circuitul în ipoteza funcționării în semnal mic, în bandă, așa cum este arătat mai jos:
E = 5V
VCC
R1
R2
VCC
Q1
R3 C2
R4
VCC
vin
C1
vout
care mai poate fi desenată și astfel:
R1 ∥ R2
Q1
R4
vin
vout
Expresia amplificării a forma
voutvin
= −R4 · β · 1
rπ1 + (β + 1) · 0= −R4 · gm1
Pentru a obține un rezultat numeric vom determina parametrii de semnal mic ai tranzistorului Q1:
• gm1 ≈ 40IC1 = 40 V−1 · 2 mA = 80 m℧;
• rπ1 = β/gm1 ≈ 100/80 m℧ = 1,25 kΩ.
Cu aceste valori obținem amplificarea de
voutvin
= −1 kΩ · 80 m℧ = −80
3.1.3 Validarea rezultatelor analizei manuale cu ajutorul simulatorului
Pentru a valida rezultatele analizei anterioare cu ajutorul simulatorului vom introduce circuitul din figura de mai jos:
cell: psf_ex01
view: schematic
5
����������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������
Inventar:
Nume Bibliotecă/Componentă Parametri Model utilizat
V1 sources_lib/dc_v_source DC=5 SPICE
V2 sources_lib/ac_v_source mag=1 SPICE
R1 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=3.9k SPICE
R2 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.1k SPICE
R3 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=220 SPICE
R4 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1k SPICE
C1 device_lib/ideal_capacitor_h CAPACITANCE=220u SPICE
C2 device_lib/ideal_capacitor CAPACITANCE=820u SPICE
VCC generic_lib/vcc - -
masă generic_lib/ground - -
⊠ generic_lib/noConn - -
Q1 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Etichete pe fire:
Nume Locațievout între R4 și Q1vin între V2 și C1
Vom realiza următoarele analize, creând pentru fiecare analiză o configurație de simulare nouă, așa cum se indică.
1. Determinarea punctului static de funcționare.Numele configurației: psf
Tipul analizei: OP
Setări analiză: –Semnale urmărite: –Semnale obținute cu calculatorul: –Parametri: –Măsurători definite în simulator: –Opțiuni suplimentare: –
6
Fișiere cu modele: –
Fișiere rezultate:
Nume fișier Forme de undă/măsurători conținute
psf.ps
PSF pentru Q1, cu afișarea luiIB, IC, VBE, VCE, GM, RPI, RO
potentialul din baza lui Q1
Dosar pentru rezultate: rezultate/psf_ex01
Rezultate scontate:
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������
psf.ps
2. Amplificarea de semnal mic.Numele configurației: amplificare_semnal_mic
Tipul analizei: AC
Setări analiză:Start Freq: 1mStop Freq: 1G
pts/decade: 20
Semnale urmărite: vout
Semnale obținute cu calculatorul: –Parametri: –Măsurători definite în simulator: –Opțiuni suplimentare: –Fișiere cu modele: –Fișiere rezultate:
7
Nume fișier Forme de undă/măsurători conținute
amplificare_semnal_mic_banda.pdf
vout (măsurat în dB)se vor plasa două cursoare
la marginile benzii(în punctele în care câștigul
scade cu 3dB)
amplificare_semnal_mic_castig.pdf
vout (măsurat în valoareabsolută)
se va plasa un cursorîn interiorul benzii
Dosar pentru rezultate: rezultate/psf_ex01
Rezultate scontate:
amplificare_semnal_mic_banda.pdf
8
amplificare_semnal_mic_castig.pdf
În final vom compara rezultatele obținute prin analiză manuală și cele obținute cu ajutorul simulatorului în următorul tabel
Analiză manuală SimulatorQ1(2 mA; 2,55 V) Q1(1,93 mA; 2,64 V)
vout
vin= −80 vout
vin= −68,16
3.2 Exemplul 2Să analizăm alt circuit, prezentat în figura de mai jos:
E = 5V
VCC
R1
R2
VCC
Q1
C2
R3
VCC
vin
C1
voutQ3
R5
Q2
R4
VCC
Q4
R7
R8
VCC
R6
cu următoarele valori numerice:
• E = 5 V
• R1 = 3,3 kΩ
• R2 = 1,6 kΩ
• R3 = 240 Ω
9
• R4 = 1,8 kΩ
• R5 = 680 Ω
• R6 = 1 kΩ
• R7 = 1,5 kΩ
• R8 = 3,6 kΩ
• C1 = 22 µF
• C2 = 820 µF
3.2.1 Determinarea PSF-ului
Vom presupune toate tranzitoarele în regim activ normal. Vom începe analiza cu tranzistoarele Q2 și Q3 (care, așa cumse poate observa, datorită condensatorului de decuplare C2, nu participă în schema de semnal și, prin urmare, rolul lor sereduce numai la fixarea punctului static de funcționare).
Se poate observa că
VR5 = VBE2 ≈ 0,65 VVR4 = E − VBE3 − VBE2 ≈ 5 V − 0,65 V − 0,65 V = 3,7 V
Valorile curenților prin rezistoarele rezultă imediat
IR5 =VR5
R5=
0,65 V0,68 kΩ
≈ 1 mA
IR4 =VR4
R4=
3,7 V1,8 kΩ
≈ 2 mA
Pe de altă parte
IR5 = IE3 − IB2
IR4 = IC2 + IB3
Se poate arăta că IB2 ≪ IE3 și IB3 ≪ IC2, iar IE3 ≈ IC3, prin urmare
IC3 ≈ IR5 ≈ 1 mAIC2 ≈ IR4 ≈ 2 mA
În acest fel am determinat curenții de colector ai tranzistoarelor Q2 și Q3.Din circuit se poate observa că
IE1 = IC3
iar IC1 ≈ IE1, de unde rezultă căIC1 ≈ IC3 ≈ 1 mA
Pentru a finaliza determinarea PSF-urilor pentru tranzistoarele Q1, Q2 și Q3 trebuie să determinăm tensiunile colector-emitor corespunzătoare. De pe circuit se deduce că
VCE2 = VBE3 + VBE2 ≈ 0,65 V + 0,65 V = 1,3 VVCE3 = VB1 − VBE1 − VBE2
Determinarea lui VB1 (potențialul din baza tranzistorului Q1) se face din divizorul rezistiv cu R1 și R2 cu observația că
R2
R1 +R2E ≫ (R1 ∥ R2)IB1
(vezi explicația în rezolvarea de la exemplul anterior), observație care ne indică faptul că divizorul funcționează ne-încărcat:
VB1 ≈ R2
R1 +R2E =
1,6 kΩ3,3 kΩ + 1,6 kΩ
· 5 V =1,6 kΩ4,9 kΩ
· 5 V ≈ 1,6 V
Prin urmareVCE3 ≈ 1,6 V − 0,65 V − 0,65 V = 0,3 V
10
Astfel am determinat tensiunea colector-emitor pentru tranzistoarele Q2 și Q3. Pentru determinarea tensiunii colector-emitor pentru tranzistorul Q1 este necesar să cunoaștem căderea de tensiune pe rezistorul R3, iar pentru aceasta estenevoie să știm cât este potențialul din baza lui Q4.
Pentru a determina potențialul din baza lui Q4 trebuie să știm dacă divizorul rezistiv cu R7 și R8 este sau nu încărcat.Dacă curentul de bază a lui Q4 este semnificativ atunci potențialul din baza lui Q4 nu va mai fi dat de raportul rezistiv aldivizorului. Pentru a verifica faptul că divizorul funcționează ne-încărcat trebuie să ne asigurăm că următoarea condițieeste îndeplinită
R8
R7 +R8E ≫ (R7 ∥ R8)IB4
Valoarea maximă a curentului IB4 o putem estima considerând tranzistorul în saturație adâncă (așa cum am făcut la exem-plul anterior) și calculând curentul maxim de colector
IC4max ≈ E
R3 +R6≈ 5 V
0,24 kΩ + 1 kΩ≈ 4 mA
Prin urmare valoarea maximă a curentului de bază este
IB4max =IC4max
β= 40 µA
În aceste condiții se poate vedea că
R8
R7 +R8E ≈ 3,6 V ≫ (R7 ∥ R8)IB4max ≈ 40 mV
deci divizorul funcționează ne-încărcat, iar potențialul din baza lui Q4 este
VB4 ≈ R8
R7 +R8E ≈ 3,6 V
Cunoscând potențialul din baza lui Q4 se poate determina potențialul din colectorul lui Q1
VC1 = VB4 + VEB4 ≈ 3,6 V + 0,7 V = 4,3 V
Potențialul din emitorul lui Q1 este
VE1 = VB1 − VBE1 ≈ 1,6 V − 0,65 V = 0,95 V
Tensiunea colector-emitor se poate scrie ca diferență de potențiale
VCE1 = VC1 − VE1 = 4,3 V − 0,95 V = 3,35 V
Pentru a determina punctul static al lui Q4 trebuie să observăm că
IR3 = IC1 + IE4
Dar IR3 = VR3/R3 = (E − VC1)/R3 = (5 V − 4,3 V)/0,24 kΩ ≈ 3 mA, iar IE4 ≈ IC4, prin urmare
IC4 = IR3 − IC1 ≈ 3 mA − 1 mA = 2 mA
Pentru a determina tensiunea emitor-colector al lui Q4 observăm că
VE4 = VC1 ≈ 4,3 V
iar VC4 = VR6 = IR6R6 = IC4R6 ≈ 2 mA · 1 kΩ = 2 V, deci
VC4 ≈ 2 V
Astfel că tensiunea emitor-colector rezultă ca
VEC4 = VE4 − VC4 ≈ 4,3 V − 2 V = 2,3 V
Rezumând rezultatele anterioare putem scrie
Tranzistor RegimQ1(1 mA; 3,35 V) RANQ2(2 mA; 1,3 V) RANQ3(1 mA; 0,3 V) RAN (la limită între RAN și saturație)Q4(2 mA; 2,3 V) RAN
11
3.2.2 Determinarea amplificării de semnal mic
Pentru început vom desena schema de semnal mic, așa cum este reprezentat mai jos:
R1 ∥ R2
Q1
R3
vinvout
Q4
R7 ∥ R8R6
în care am scurt-circuitat condensatoarele și am eliminat componentele care nu sunt pe calea de semnal.Expresia amplificării este
voutvin
= R6 · α · (−1) · R3
R3 +rπ4+R7∥R8
β+1
· β · 1
rπ1
Pentru a determina valoarea numerică a amplificării trebuie să calculăm (în funcție de PSF) valorile parametrilor de semnalmic pentru tranzistoarele din calea de semnal
gm1 ≈ 40IC1 = 40 · 1 mA = 40 m℧rπ1 = β/gm1 ≈ 100/40 m℧ = 2,5 kΩgm4 ≈ 40IC4 = 40 · 2 mA = 80 m℧rπ4 = β/gm4 ≈ 100/80 m℧ = 1,25 kΩ
În continuare vom determina valoarea aproximativă a amplificării făcând următoarele aproximări:
• α ≈ 1
• rπ4+R7∥R8
β+1 ≈ 1,25 kΩ+1,05 kΩ100 ≈ 23 Ω ≪ R3 = 240 Ω ⇒ R3 +
rπ4+R7∥R8
β+1 ≈ R3
voutvin
≈ −R6 · 1 ·R3
R3· β
rπ1= −gm1R6 = −40 m℧ · 1 kΩ = −40
3.2.3 Validarea rezultatelor analizei manuale cu ajutorul simulatorului
Pentru a valida rezultatele analizei anterioare cu ajutorul simulatorului vom introduce circuitul din figura de mai jos:
cell: psf_ex02
view: schematic
12
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
Inventar:
Nume Bibliotecă/Componentă Parametri Model utilizat
V1 sources_lib/dc_v_source DC=5 SPICE
V2 sources_lib/ac_v_source mag=1 SPICE
R1 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=3.3k SPICE
R2 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.6k SPICE
R3 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=240 SPICE
R4 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.8k SPICE
R5 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=680 SPICE
R6 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1k SPICE
R7 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.5k SPICE
R8 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=3.6k SPICE
C1 device_lib/ideal_capacitor_h CAPACITANCE=22u SPICE
C2 device_lib/ideal_capacitor CAPACITANCE=820u SPICE
VCC generic_lib/vcc - -
masă generic_lib/ground - -
⊠ generic_lib/noConn - -
Q1 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Q2 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Q3 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Q4 cia_lib/transistors/BC557 - SPICE
Etichete pe fire:
Nume Locațievout între R6 și Q4vin între V2 și C1
13
Vom realiza următoarele analize, creând pentru fiecare analiză o configurație de simulare nouă, așa cum se indică.
1. Determinarea punctului static de funcționare.Numele configurației: psf
Tipul analizei: OP
Setări analiză: –Semnale urmărite: –Semnale obținute cu calculatorul: –Parametri: –Măsurători definite în simulator: –Opțiuni suplimentare: –Fișiere cu modele: –
Fișiere rezultate:
Nume fișier Forme de undă/măsurători conținute
psf.ps
PSF pentru Q1, Q2, Q3, Q4, cu afișarea luiIB, IC, VBE, VCE, GM, RPI, RO
potentialul din baza lui Q1 și Q4
Dosar pentru rezultate: rezultate/psf_ex02
Rezultate scontate:
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
psf.ps
2. Amplificarea de semnal mic.Numele configurației: amplificare_semnal_mic
Tipul analizei: AC
14
Setări analiză:Start Freq: 1mStop Freq: 1G
pts/decade: 20
Semnale urmărite: vout
Semnale obținute cu calculatorul: –Parametri: –Măsurători definite în simulator: –Opțiuni suplimentare: –Fișiere cu modele: –Fișiere rezultate:
Nume fișier Forme de undă/măsurători conținute
amplificare_semnal_mic_banda.pdf
vout (măsurat în dB)se vor plasa două cursoare
la marginile benzii(în punctele în care câștigul
scade cu 3dB)
amplificare_semnal_mic_castig.pdf
vout (măsurat în valoareabsolută)
se va plasa un cursorîn interiorul benzii
Dosar pentru rezultate: rezultate/psf_ex02
Rezultate scontate:
amplificare_semnal_mic_banda.pdf
15
amplificare_semnal_mic_castig.pdf
În final vom compara rezultatele obținute prin analiză manuală și cele obținute cu ajutorul simulatorului în următorul tabel
Analiză manuală SimulatorQ1(1 mA; 3,35 V) Q1(0,98 mA; 3,29 V)Q2(2 mA; 1,3 V) Q2(2,04 mA; 1,31 V)Q3(1 mA; 0,3 V) Q3(0,99 mA; 0,32 V)Q4(2 mA; 2,3 V) Q4(2,03 mA; 2,24 V)
vout
vin= −40 vout
vin= −33,6
4 Exerciții propusePentru următoarele exerciții veți urmări să determinați punctele statice ale tranzistoarelor și amplificarea circuitului atâtprin analiză manuală, cât și cu ajutorul simulatorului. În final veți compara și veți comenta rezultatele obținute.
4.1 Exercițiul 1cell: psf_01
view: schematic
16
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
Inventar:
Nume Bibliotecă/Componentă Parametri Model utilizat
V1 sources_lib/dc_v_source DC=5 SPICE
V2 sources_lib/ac_v_source mag=1 SPICE
R1 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=2k SPICE
R2 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=3k SPICE
R3 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.3k SPICE
R4 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=2.7k SPICE
C1 device_lib/ideal_capacitor_h CAPACITANCE=10u SPICE
VCC generic_lib/vcc - -
masă generic_lib/ground - -
⊠ generic_lib/noConn - -
Q1 cia_lib/transistors/BC557 - SPICE
Etichete pe fire:
Nume Locațievout între R4 și Q1vin între V2 și C1
Vom realiza următoarele analize, creând pentru fiecare analiză o configurație de simulare nouă, așa cum se indică.
1. Determinarea punctului static de funcționare.Numele configurației: psf
Tipul analizei: OP
Setări analiză: –Semnale urmărite: –Semnale obținute cu calculatorul: –Parametri: –Măsurători definite în simulator: –Opțiuni suplimentare: –
17
Fișiere cu modele: –
Fișiere rezultate:
Nume fișier Forme de undă/măsurători conținute
psf.ps
PSF pentru Q1, cu afișarea luiIB, IC, VBE, VCE, GM, RPI, RO
potentialul din baza lui Q1
Dosar pentru rezultate: rezultate/psf_01
Rezultate scontate:
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
psf.ps
2. Amplificarea de semnal mic.Numele configurației: amplificare_semnal_mic
Tipul analizei: AC
Setări analiză:Start Freq: 1mStop Freq: 1G
pts/decade: 20
Semnale urmărite: vout
Semnale obținute cu calculatorul: –Parametri: –Măsurători definite în simulator: –Opțiuni suplimentare: –Fișiere cu modele: –Fișiere rezultate:
18
Nume fișier Forme de undă/măsurători conținute
amplificare_semnal_mic_banda.pdf
vout (măsurat în dB)se vor plasa două cursoare
la marginile benzii(în punctele în care câștigul
scade cu 3dB)
amplificare_semnal_mic_castig.pdf
vout (măsurat în valoareabsolută)
se va plasa un cursorîn interiorul benzii
Dosar pentru rezultate: rezultate/psf_01
Rezultate scontate:
amplificare_semnal_mic_banda.pdf
19
amplificare_semnal_mic_castig.pdf
În final vom compara rezultatele obținute prin analiză manuală și cele obținute cu ajutorul simulatorului în următorul tabel
Analiză manuală SimulatorQ1(1 mA; 1 V) Q1(0,98 mA; 1,08 V)
vout
vin= −2 vout
vin= −2,02
4.2 Exercițiul 2cell: psf_02
view: schematic
20
����������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
Inventar:
Nume Bibliotecă/Componentă Parametri Model utilizat
V1 sources_lib/ac_v_source mag=1 SPICE
V2 sources_lib/dc_v_source DC=5 SPICE
R1 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=820 SPICE
R2 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=270 SPICE
R3 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=3.6k SPICE
R4 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=3.3k SPICE
R5 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.8k SPICE
R6 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.6k SPICE
R7 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=300 SPICE
R8 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.5k SPICE
C1 device_lib/ideal_capacitor_h CAPACITANCE=33u SPICE
C2 device_lib/ideal_capacitor CAPACITANCE=33u SPICE
VCC generic_lib/vcc - -
masă generic_lib/ground - -
⊠ generic_lib/noConn - -
Q1 cia_lib/transistors/BC557 - SPICE
Q2 cia_lib/transistors/BC557 - SPICE
Q3 cia_lib/transistors/BC557 - SPICE
Q4 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Etichete pe fire:
Nume Locațievout între R8 și Q4vin între V1 și C1
Vom realiza următoarele analize, creând pentru fiecare analiză o configurație de simulare nouă, așa cum se indică.
1. Determinarea punctului static de funcționare.Numele configurației: psf
Tipul analizei: OP
21
Setări analiză: –Semnale urmărite: –Semnale obținute cu calculatorul: –Parametri: –Măsurători definite în simulator: –Opțiuni suplimentare: –Fișiere cu modele: –
Fișiere rezultate:
Nume fișier Forme de undă/măsurători conținute
psf.ps
PSF pentru Q1, Q2, Q3, Q4, cu afișarea luiIB, IC, VBE, VCE, GM, RPI, RO
potentialul din baza lui Q3
Dosar pentru rezultate: rezultate/psf_02
Rezultate scontate:
����������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
psf.ps
2. Amplificarea de semnal mic.Numele configurației: amplificare_semnal_mic
Tipul analizei: AC
Setări analiză:Start Freq: 1mStop Freq: 1G
pts/decade: 20
Semnale urmărite: vout
Semnale obținute cu calculatorul: –Parametri: –Măsurători definite în simulator: –Opțiuni suplimentare: –Fișiere cu modele: –
22
Fișiere rezultate:Nume fișier Forme de undă/măsurători conținute
amplificare_semnal_mic_banda.pdf
vout (măsurat în dB)se vor plasa două cursoare
la marginile benzii(în punctele în care câștigul
scade cu 3dB)
amplificare_semnal_mic_castig.pdf
vout (măsurat în valoareabsolută)
se va plasa un cursorîn interiorul benzii
Dosar pentru rezultate: rezultate/psf_02
Rezultate scontate:
amplificare_semnal_mic_banda.pdf
23
amplificare_semnal_mic_castig.pdf
În final vom compara rezultatele obținute prin analiză manuală și cele obținute cu ajutorul simulatorului în următorul tabel
Analiză manuală SimulatorQ1(1 mA; 0,7 V) Q1(0,95 mA; 0,71 V)Q2(3 mA; 1,8 V) Q2(2,78 mA; 1,72 V)Q3(3 mA; 2,5 V) Q3(2,76 mA; 2,52 V)Q4(1 mA; 1,6 V) Q4(0,98 mA; 1,65 V)
vout
vin= −5 vout
vin= −4,55
4.3 Exercițiul 3cell: psf_03
view: schematic
24
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
Inventar:
Nume Bibliotecă/Componentă Parametri Model utilizat
V1 sources_lib/dc_v_source DC=5 SPICE
V2 sources_lib/ac_v_source mag=1 SPICE
R1 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=3.3k SPICE
R2 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.8k SPICE
R3 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=3.6k SPICE
R4 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=330 SPICE
R5 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=100 SPICE
R6 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=100 SPICE
R7 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.6k SPICE
R8 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=3.3k SPICE
R9 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.8k SPICE
C1 device_lib/ideal_capacitor_h CAPACITANCE=10u SPICE
VCC generic_lib/vcc - -
masă generic_lib/ground - -
⊠ generic_lib/noConn - -
Q1 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Q2 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Q3 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Q4 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Etichete pe fire:
Nume Locațievout între R7 și Q2vin între V1 și C1
Vom realiza următoarele analize, creând pentru fiecare analiză o configurație de simulare nouă, așa cum se indică.
25
1. Determinarea punctului static de funcționare.Numele configurației: psf
Tipul analizei: OP
Setări analiză: –Semnale urmărite: –Semnale obținute cu calculatorul: –Parametri: –Măsurători definite în simulator: –Opțiuni suplimentare: –Fișiere cu modele: –
Fișiere rezultate:
Nume fișier Forme de undă/măsurători conținute
psf.ps
PSF pentru Q1, Q2, Q3, Q4, cu afișarea luiIB, IC, VBE, VCE, GM, RPI, RO
potentialul din baza lui Q1 și Q2
Dosar pentru rezultate: rezultate/psf_03
Rezultate scontate:��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
psf.ps
2. Amplificarea de semnal mic.Numele configurației: amplificare_semnal_mic
Tipul analizei: AC
Setări analiză:Start Freq: 1mStop Freq: 1G
pts/decade: 20
26
Semnale urmărite: vout
Semnale obținute cu calculatorul: –Parametri: –Măsurători definite în simulator: –Opțiuni suplimentare: –Fișiere cu modele: –Fișiere rezultate:
Nume fișier Forme de undă/măsurători conținute
amplificare_semnal_mic_banda.pdf
vout (măsurat în dB)se vor plasa două cursoare
la marginile benzii(în punctele în care câștigul
scade cu 3dB)
amplificare_semnal_mic_castig.pdf
vout (măsurat în valoareabsolută)
se va plasa un cursorîn interiorul benzii
Dosar pentru rezultate: rezultate/psf_03
Rezultate scontate:
amplificare_semnal_mic_banda.pdf
27
amplificare_semnal_mic_castig.pdf
În final vom compara rezultatele obținute prin analiză manuală și cele obținute cu ajutorul simulatorului în următorul tabel
Analiză manuală SimulatorQ1(1 mA; 3,85 V) Q1(0,97 mA; 3,89 V)Q2(1 mA; 2,25 V) Q2(0,97 mA; 2,34 V)Q3(1 mA; 1,3 V) Q3(1,01 mA; 1,31 V)Q4(2 mA; 0,4 V) Q4(1,95 mA; 0,37 V)
vout
vin= 8 vout
vin= 6,07
4.4 Exercițiul 4cell: psf_04
view: schematic
������������������������������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
28
Inventar:
Nume Bibliotecă/Componentă Parametri Model utilizat
V1 sources_lib/dc_v_source DC=5 SPICE
V2 sources_lib/ac_v_source mag=1 SPICE
R1 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=3k SPICE
R2 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=2k SPICE
R3 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.6k SPICE
R4 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=220 SPICE
R5 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=1.1k SPICE
R6 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=2.7k SPICE
R7 device_lib/ideal_resistor RESISTANCE=220 SPICE
C1 device_lib/ideal_capacitor_h CAPACITANCE=47u SPICE
C2 device_lib/ideal_capacitor CAPACITANCE=47u SPICE
VCC generic_lib/vcc - -
masă generic_lib/ground - -
⊠ generic_lib/noConn - -
Q1 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Q2 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Q3 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Q4 cia_lib/transistors/BC547 - SPICE
Etichete pe fire:
Nume Locațievout între Q3 și Q4vin între V1 și C1
Vom realiza următoarele analize, creând pentru fiecare analiză o configurație de simulare nouă, așa cum se indică.
1. Determinarea punctului static de funcționare.Numele configurației: psf
Tipul analizei: OP
Setări analiză: –Semnale urmărite: –Semnale obținute cu calculatorul: –Parametri: –Măsurători definite în simulator: –Opțiuni suplimentare: –Fișiere cu modele: –
Fișiere rezultate:
Nume fișier Forme de undă/măsurători conținute
psf.ps
PSF pentru Q1, Q2, Q3, Q4, cu afișarea luiIB, IC, VBE, VCE, GM, RPI, RO
potentialul din baza lui Q1
Dosar pentru rezultate: rezultate/psf_04
Rezultate scontate:
29
������������������������������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
����������������������������������������
������������������������������������������������������������
psf.ps
2. Amplificarea de semnal mic.Numele configurației: amplificare_semnal_mic
Tipul analizei: AC
Setări analiză:Start Freq: 1mStop Freq: 1G
pts/decade: 20
Semnale urmărite: vout
Semnale obținute cu calculatorul: –Parametri: –Măsurători definite în simulator: –Opțiuni suplimentare: –Fișiere cu modele: –Fișiere rezultate:
Nume fișier Forme de undă/măsurători conținute
amplificare_semnal_mic_banda.pdf
vout (măsurat în dB)se vor plasa două cursoare
la marginile benzii(în punctele în care câștigul
scade cu 3dB)
amplificare_semnal_mic_castig.pdf
vout (măsurat în valoareabsolută)
se va plasa un cursorîn interiorul benzii
Dosar pentru rezultate: rezultate/psf_04
Rezultate scontate:
30
amplificare_semnal_mic_banda.pdf
amplificare_semnal_mic_castig.pdf
În final vom compara rezultatele obținute prin analiză manuală și cele obținute cu ajutorul simulatorului în următorul tabel
31
Analiză manuală SimulatorQ1(1 mA; 2,05 V) Q1(1,01 mA; 2,0 V)Q2(1,4 mA; 1,3 V) Q2(1,34 mA; 1,33 V)Q3(3 mA; 2,1 V) Q3(2,96 mA; 2,02 V)Q4(3 mA; 2,25 V) Q4(2,95 mA; 2,33 V)
vout
vin= −6.5 vout
vin= −6,44
32