ELEKTRONIKK 2 DAK-ØVING 6 Endre i transistormodell, DCsvip, AC-svip, impedans 2004

Transkript

1 ELEKTRONIKK 2 DAK-ØVING 6 Endre i transistormodell, DCsvip, AC-svip, impedans 2004 Vi skal i denne oppgaven forsøke å simulere et enkelt forsterkertrinn med bipolar transistor. Vi har imidlertid ikke modell for akkurat den benyttede transistoren i biblioteket og prøver først å lage en slik modell. Transistorparametrene i SPICE har sære navn og er ikke dokumentert i hjelpefilene i EWB så en er henvist til å sjekke i litteratur om SPICE-modeller. Noen av parametrene som brukes er imidlertid relativt lette å skjønne ut fra det vi kjenner fra grunnkurset i elektronikk: DC-parametere: βf står for β forward dvs. maksimalverdien av den normale Felles-Emitter strømforsterkningen. Denne kan vi som oftest finne en tilnærmingsverdi for i databladet som h FE (eller eventuelt tilnærmet som h fe ) VA er Earley-spenningen som i lærebøker også kalles V A. Dersom ikke denne er oppgitt i databladet, er det ofte oppgitt h oe eller h o ved et spesifisert arbeidspunkt V CE og I C. Da kan vi sette VA = (I C /h oe ) - V CE AC-parametere AC-parametrene er avhengig av arbeidspunktet, bruk I C 1mA ved avlesning. τf, τ F eller TF er transittida og kan regnes ut fra transittfrekvensen f T slik: τf = 1/(2πf T ) f T er frekvensen der strømforsterkningen h fe = β dyn blir lik 1 (0 db). Enkelte transistordatablad kan ha kurve for h fe som funksjon av frekvensen og da kan f T også avleses fra kurven for h fe. CE basis-emitter-kapasitansen ved null bas-emitter forspenning kalles i databladet ofte C ib eller C be. CC collektor-basis-kapasitansen ved null kollektor-basis forspenning kalles i databladene ofte C ob C o eller C cb. a) Finne tilnærmelsesverdier til viktigste SPICE-parametere for 2N3903 Se på databladet og finn (regn ut) βf, VA, τf, CE, CC b) Endre den ideelle transistormodellen (default) og sett inn de funne parametere. Start EWB og hent en NPN-transistor. Dobbelklikk på komponenten, Under fanen Models i vinduet som kommer opp, finner vi at "default" modell er "ideal". Vi skal modifisere denne. Klikk på EDIT. På Sheet 1-2 endres parametrene "βf", VA, τf, CE og "CC" til de verdier du fant i oppgave a. OK OK. c) DC Sweep Vi kan nå bruke den modifiserte transistoren i simuleringer, men vi bør passe på å ikke lagre den som default modell i biblioteket. Svar nei hver gang du ved lagring får spørsmålet

2 "Save changes made to NPN TransistorLlibrary default?" Den modifiserte transistormodellen vil likevel følge med selve kretsskjemaet når du lagrer det. For å sjekke hvordan transistoren ble, skal du plotte ut transistorkarakteristikker for den. Til dette kan vi bruke analysefunksjonen DC Sweep. Tegn kretsen til venstre rundt transistoren: Vi ønsker nå å "måle" transistorens utgangskarakteristikk ved å svipe V ce fra 0 til 20V mens V be steges i trinn på 0.01V fra 0.02 til 0.82V. (Utgangskarakteristikken viser I c som funksjon av V ce med V be som parameter). Det er ikke uten videre mulig å plotte kollektorstrømmen I c i en SPICE-basert simulator som EWB5, men et kjent knep er å sette inn en spenningskilde på 0V. Dette er begrunnelsen for spenningskilden med "Label" Ic. Pass på retningen, ellers blir avlest strøm negativ. De andre spenningskildenes verdi i skjemaet er uten betydning. Velg Analysis - DC Sweep og skriv inn data som vist til høyre. Ved at vi haker av for Use source 2 kan vi lage "nested sweep", "Source 2" settes til sin første verdi og "Source 1" gjennomgår alle verdier, deretter gis "Source 2" sin neste verdi Source 1 svipes gjennom alle verdier, osv. og Klikk på Simulate og se på karakteristikken. Se hva som skjer når du peker med musa på kurvene. Tekstingen på aksene er nokså "dum". Endre den for eksempel slik som vist til venstre og ta en utskrift. (For å endre: Høyreklikk på en akse)

3 d) AC Sweep Kjør AV-analyse av forsterkeren nedenfor, både direkte fra menyvalget Analysis og med innkobling av Bode-plotter. Finn forsterkerens frekvensgang og inngangsimpedans. Tegn nedenstående skjema rundt den modifiserte transistoren fra punktene foran. Under simulering kan aldri kondensatorer henge fritt, alle knutepunkter må ha en DC-vei til "jord". Selv om det ikke var noen lastmotstand i koplingen, burde vi likevel for eksempel satt inn en R L på 100MΩ. En slik lastmotstand ville ikke endret simuleringsresultatene, men ville sikre at simuleringsprogrammet virket. AC-simulering utfører EWB på samme måte som når vi gjør forsterkningsberegninger for hånd på kretsen. Transistorens arbeidspunkt beregnes og transistorparametrene regnes ut for arbeidspunktet. Transistoren erstattes av en småsignalmodell (utvidet hybrid-π modell) og utgangsspenningen beregnes for et antall valgte frekvenser av inngangssignalet. Resultatet plottes som funksjon av frekvensen. For plottingen kan vi kople inn instrumentet Bode-Plotter eller bruke valget AC Frequency under Analysis-menyen. Bruk av Bode-Plotter Kople opp som vist og sjekk hvilken forsterkning du får. (Bodeplotter-skjermen kommer opp når du dobbelklikker på instrumentsymbolet, og den startes med vippebryteren i øvre høyre skjermhjørne)

4 Bruk av Analysis-menyen Siden det er en lineær småsignalmodell som benyttes i beregningen, kan vi godt sette inngangsspenningen til 1V. Da vil utgangsspenningen i volt direkte være det samme tallet som spenningsforsterkningen i ganger. Endre i skjemaet spenningen for signalkilden V i til 1V. Velg Analysis - AC Frequency og sett for eksempel inn verdier som nedenfor. Velg det knutepunktnummer som hos deg er tilkoplet R L under "Nodes for analysis" Klikk på Simulation Hva blir forsterkningen? Hva blir forsterkerens 3dB båndbredde? Nøyaktig avlesning får du ved å bruke "Cursorene" (knappen "Toggle Cursors")

5 Måling av inngangs- og utgangsimpedans: EWB5 har ingen enkel funksjon for dette. Vi må kople sammen et oppsett for impedansmåling sjøl. Kople inn en AC strømkilde i serie med den forsterkerterminalen der du skal måle impedansen. Kople inn multimeteret for å måle spenningen over inngangen, avles V og I og beregn Z=V/I Husk å stille multimeteret på vekselspenning! Får du en sannsynlig verdi for inngangsimpedans? e) Gjenta simuleringene under punkt d med ferdig SPICE-modell for 2N3903 Dersom du har tid, kan du skifte ut transistormodellen til en ferdig modell du finner for 2N3903 i modellbibliotekene til EWB. Sammenlign resultatene du får med den profesjonelle modellen og de du fikk med din hjemmesnekrede forenklede modell.