Клиначёв Николай Васильевич
Клиначёва Наталья Васильевна

Модель транзисторного каскада с ОЭ и ООС по току

Каждый начинающий электронщик рано или поздно знакомится с усилительными каскадами на транзисторах с общим эммитером, коллектором и с общей базой. Обычно для этого нужен паяльник, радиодетали и опытный наставник, который знает, как и где надо ударить по старенькому осциллографу, дабы на экране появился сигнал. Улыбнемся: :-)

Сегодня, прежде чем взяться за паяльник, начинающие могут провести множество виртуальных экспериментов. Представленная модель транзисторного усилительного каскада с ОЭ позволяет:

  1. Приобрести навык настройки каскада с ОЭ, т.е. ознакомиться с процедурой выбора рабочей точки по постоянной составляющей.
  2. Снять амплитудную характеристику усилительного каскада и определить динамический диапазон для входного сигнала.
  3. Снять частотные характеристики (ЛАЧХ & ЛФЧХ).
  4. Изучить последствия применения отрицательной обратной связи (ООС) на свойства усилительного каскада.

Порядок проведения экспериментов с моделью следующий. Для выбора рабочей точки каскада по постоянной составляющей следует регулировать ток смещения базы Iсм при заданных: напряжении питания (+E), коэффициенте усиления транзистора (h21), требуемом коэффициенте усиления каскада (Rк / Rэ) и нулевом входном сигнале. Успешной считается настройка, когда осциллограмма напряжения на коллекторе находится посередине между напряжением питания и напряжением на базе транзистора. Зачем нужно соблюдать подобное условие? Это можно легко понять, увеличивая амплитуду входного сигнала — и положительная и отрицательная полуволны напряжения на коллекторе, при насыщении каскада должны ограничиваться симметрично.

Амплитудная характеристика — это зависимость действующего значения переменной составляющей напряжения на выходе усилителя от действующего значения переменной составляющей напряжения на входе усилителя. Данная модель не имеет вольтметра, поэтому амплитудную характеристику можно снять как отношение амплитуд переменных составляющих выходного и входного напряжений. При уменьшении амплитуды входного синусоидального воздействия ниже уровня шумов выходное напряжение на коллекторе более не уменьшается (амплитуду шума можно определить увеличив фрагмент осциллограммы мышкой при удержании клавиши Ctrl). Второй излом амплитудной характеристики наблюдается при увеличении входного сигнала и насыщении каскада.

Для проведения эксперимента по снятию ЧХ, следует для настроенной по умолчанию модели, установить галочки "Авторестарт" и "+IC" в форме "Свойства симуляции", и, запустив симуляцию, плавно перемещать ползунок регулятора настройки частоты синусоидального генератора.

Задача, которую решает резистор в цепи эмиттера, создающий ООС по току — это стабилизация коэффициента усиления каскада при изменении влияющих факторов. Так например известно, что при изготовлении транзисторов одного типа, из-за несовершенства технологий, нельзя добиться стабильного повторения коэффициента усиления у экземпляров транзисторов (паспортный параметр h21). Так же известно, что коэффициент усиления транзистора меняется от температуры. Но попробуйте провести эксперименты с моделью. При разных значениях параметра h21, у каскада почти не меняется коэффициент усиления. Главное — соблюдение условия — отношение (Rк / Rэ) должно меньше параметра h21.


Но отвлечемся от экспериментов с моделью и поговорим о проблемах моделирования. Прежде всего надо отметить, что исторически, данная модель является первой из тех, что обслуживаются математическим ядром K2.SimKernel и конфигурируют его по технологии бинаправленных графов [4]. Другими словами можно считать, что со дня публикации данной модели в математическом ядре K2.SimKernel заложен "Философский Камень" дисциплины ТОЭ. Напомним, что цель дисциплины ТОЭ состоит в развитии методов расчета электрических цепей. Сегодня учебники этой дисциплины не содержат описание универсального, строго формализованного (поддающегося алгоритмизации) метода, который можно было бы использовать для расчета любой электрической цепи. Именно такой метод мы называем "Философским Камнем" дисциплины ТОЭ. В ближайшем будущем метод и соответствующие алгоритмы будут опубликованы.

Примечание: Если щелкнуть мышкой по условным графическим обозначениям радиодеталей в схеме электрической принципиальной (например, по транзистору), то, в первую очередь, откроется окно соответствующей схемы замещения. Напомним, согласно определению, схемы замещения могут содержать только пять элементов: три потребителя энергии — RLC-элементы, и два источника E и J. Если же щелкать по элементам схемы замещения и ее узлам, то откроются окна соответствующих моделей, которые построены по технологии бинаправленных графов. В действительности, модели RLC-элементов [4] несущественно модифицируются внутри математического ядра (меняются знаки у сумматоров) в зависимости от полярности подключения элементов к узлам и порядка их связывания бинаправленными шинами.

7.01.2006