�� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2...

31
Краткое изложение содержания лекций по курсу «Компьютерное моделирование в радиотехнике» В дисциплине «Компьютерное моделирование электронных схем» рассматриваются модели электронных компонентов, таких, как длинные линии, трансформаторы, гираторы, диоды, полевые транзисторы, биполярные транзисторы, операционные усилители, идеальные усилители, и на основе метода узловых потенциалов выполняются следующие виды расчета: 1. Расчет частотных параметров электронных схем (АЧХ, ФЧХ, годограф, определение частот и добротностей резонансов). 2. Расчет шумовых параметров электронных схем. 1. Расчет частотных параметров электронных схем. В зависимости от назначения схемы могут определяться следующие параметры: Коэффициент передачи по напряжению (Ku); Коэффициент передачи по току (Ki); Коэффициент передачи по мощности (Kp); Входное сопротивление (Zin); Входная проводимость (Yin); Выходное сопротивление (Zout); Выходная проводимость (Yout); Входное последовательное сопротивление (Rs) Входная последовательная емкость (Cs) Входная последовательная индуктивность Входное параллельное сопротивление (Rp) Входная параллельная емкость (Cp) Входная параллельная индуктивность (Zp) Четырехполюсные Z параметры (Z11 входное сопротивление при холостом ходе на выходе, Z12 сопротивление обратной передачи при холостом ходе на входе, Z21 сопротивление прямой передачи при холостом ходе на выходе, Z22 выходное сопротивление при холостом ходе на входе); Четырехполюсные Y параметры (Y11 входная проводимость при коротком замыкании на выходе, Y12 проводимость обратной передачи при коротком замыкании на входе, Y21 проводимость прямой передачи при коротком замыкании на выходе, Y22 выходная проводимость при коротком замыкании на входе); Четырехполюсные H параметры (H11 входное сопротивление при коротком замыкании на выходе, H12 обратный коэффициент передачи по напряжению при холостом ходе на входе, H21 –прямой коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе, H22 выходная проводимость при холостом ходе на входе);

Transcript of �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2...

Page 1: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Краткое изложение содержания лекций по курсу laquoКомпьютерное

моделирование в радиотехникеraquo

В дисциплине laquoКомпьютерное моделирование электронных схемraquo

рассматриваются модели электронных компонентов таких как длинные линии

трансформаторы гираторы диоды полевые транзисторы биполярные

транзисторы операционные усилители идеальные усилители и на основе

метода узловых потенциалов выполняются следующие виды расчета

1 Расчет частотных параметров электронных схем (АЧХ ФЧХ годограф

определение частот и добротностей резонансов)

2 Расчет шумовых параметров электронных схем

1 Расчет частотных параметров электронных схем

В зависимости от назначения схемы могут определяться следующие

параметры

Коэффициент передачи по напряжению (Ku)

Коэффициент передачи по току (Ki)

Коэффициент передачи по мощности (Kp)

Входное сопротивление (Zin)

Входная проводимость (Yin)

Выходное сопротивление (Zout)

Выходная проводимость (Yout)

Входное последовательное сопротивление (Rs)

Входная последовательная емкость (Cs)

Входная последовательная индуктивность

Входное параллельное сопротивление (Rp)

Входная параллельная емкость (Cp)

Входная параллельная индуктивность (Zp)

Четырехполюсные Z ndash параметры (Z11 ndash входное сопротивление при

холостом ходе на выходе Z12 ndash сопротивление обратной передачи при

холостом ходе на входе Z21 ndash сопротивление прямой передачи при

холостом ходе на выходе Z22 ndash выходное сопротивление при холостом ходе

на входе)

Четырехполюсные Y ndash параметры (Y11 ndash входная проводимость при

коротком замыкании на выходе Y12 ndash проводимость обратной передачи при

коротком замыкании на входе Y21 ndash проводимость прямой передачи при

коротком замыкании на выходе Y22 ndash выходная проводимость при

коротком замыкании на входе)

Четырехполюсные H ndash параметры (H11 ndash входное сопротивление при

коротком замыкании на выходе H12 ndash обратный коэффициент передачи по

напряжению при холостом ходе на входе H21 ndashпрямой коэффициент

передачи по току при коротком замыкании на выходе H22 ndash выходная

проводимость при холостом ходе на входе)

Четырехполюсные S ndash параметры (S11 ndash коэффициент отражения от входа

при нулевом сигнале на выходе S12 ndash обратный коэффициент передачи по

напряжению при нулевом сигнале на входе S21 ndash прямой коэффициент

передачи по напряжению при нулевом сигнале на выходе S22 ndash

коэффициент отражения от выхода при нулевом сигнале на входе)

Для указанных параметров строятся графики амплитудно-частотных

характеристик (АЧХ) фазо-частотных характеристик (ФЧХ) и годограф

(амплитудно-фазовая характеристика или АФХ) Для каждого из

перечисленных параметров могут дополнительно определяться

Рабочая полоса частот (по уровню ndash3 дБ или по другому заданному

уровню)

Величина неравномерности АЧХ в рабочей полосе частот (разность

значений в децибелах между максимальным и минимальным значениями

измеряемого параметра в пределах рабочей полосы частот без учета точек

соответствующих краям рабочего диапазона)

Частоты резонансов и их добротность

Коэффициент прямоугольности фильтра по заданным уровням

коэффициента передачи

2 Расчет шумовых параметров электронных схем

В зависимости от назначения схемы могут определяться следующие

шумовые параметры

Спектральная плотность мощности шума на выходе (Pnout)

Удельное шумовое напряжение на выходе (Unout)

Парциальное удельное шумовое напряжение на выходе создаваемое

отдельным компонентом схемы (Uni)

Спектральная плотность мощности шума приведенного ко входу (Pnin)

Удельное шумовое напряжение приведенное ко входу (Unin)

Удельный коэффициент шума (Kn)

Шумовое число усилителя (M)

Эквивалентная шумовая температура схемы (Tna)

Среднеквадратическое шумовое напряжение на выходе (Ũnout)

Среднеквадратическое шумовое напряжение приведенное ко входу (Ũnin)

Для указанных параметров (кроме последних двух которые являются

интегральными величинами) строятся графики амплитудно-частотных

характеристик

2 Методики определения типовых параметров электронных схем

Для электронных схем имеющих вход и выход используют следующие

соглашения для обозначения сигналов (рис 1)

Исследуемая

схема

+ +

--

a

b

c

d

Вход Выход

Исследуемая

схема Iout

+ +

--

Iin Исследуемая

схема Iout

+ +

--

Iin

Вход находится слева а выход ndash справа

Верхние выводы соответствуют плюсу напряжения а нижние ndash минусу

Схема имеет контакт с базовым узлом (общим проводом) относительно

которого измеряются все потенциалы

При таких соглашениях и обозначениях

входное напряжение Uin = Ua ndash Ub а выходное

напряжение Uout = Uc ndash Ub

В случае когда измеряется величина

выходного тока есть разница в обозначениях

для обычных (рис 2) и четырехполюсных

параметров (рис 3) электронной схемы таких как Y ndash параметры и H -

параметры На этих рисунках ко входу подключен источник сигнала (это может

быть источник тока или источник напряжения) и положительное направление

входного тока Iin соответствует истинному направлению тока источника при

подключении нагрузочного сопротивления А вот выходной ток Iout измеряется

по-разному для обычных схем этот ток соответствует току через

сопротивление нагрузки подключенное к выходу и этот ток вытекает из схемы

по верхнему выводу схемы для четырехполюсников выходной ток измеряется

в режиме короткого замыкания и в качестве положительного тока принимается

такое направление выходного тока когда ток втекает в схему по верхнему

выводу

Рис 2 Правило измерения

выходного тока в обычной

схеме

Рис 3 Правило измерения выходного тока

короткого замыкания в

четырехполюсниках

Все перечисленные выше параметры электронных схем рассчитываются

методом узловых потенциалов

21 Коэффициент передачи по напряжению (Ku)

Коэффициент передачи по напряжению можно определить тремя

способами

1 На вход схемы подключается идеальный источник тока определяются

напряжения на входе (Uin) и выходе схемы (Uout) после чего коэффициент

передачи по напряжению определяют по формуле Ku = UoutUin

2 На вход схемы подключают идеальный источник напряжения единичной

величины после чего выполняется преобразование источника напряжения в

источник тока (преобразование эквивалента Тевенина в эквивалент

Нортона) При необходимости используется метод расщепления источников

Рис 1

напряжения Далее определяется напряжение на выходе схемы в данном

случае оно равно коэффициенту передачи по напряжению Ku = Uout|Uin=1

3 На вход схемы подключают идеальный источник напряжения единичной

величины Если этот источник одним концом соединен с общим проводом

(что является очень распространенным случаем) то можно не делать

преобразования источника напряжения в источник тока а использовать

правило включения идеального источника напряжения в матрицу

проводимости В этом случае так же как и во втором коэффициент

передачи по напряжению Ku = Uout|Uin=1

Во всех трех случаях получаются разные матрицы проводимости и

возможно разные векторы токов но результаты расчетов оказываются

одинаковыми Выбор того или иного метода расчета определяется либо

особенностями схемы либо вариантом задания

22 Коэффициент передачи по току (Ki)

Коэффициент передачи по току определяется как отношение тока в

нагрузке к величине входного тока Если на вход подключить источник тока

единичной величины то коэффициент передачи по току будет равен току в

нагрузке который в свою очередь можно определить по закону Ома через

напряжение на нагрузке (выходное напряжение) и сопротивление нагрузки

Ki = UoutZLoad|Iin=1

23 Коэффициент передачи по мощности (Kp)

Коэффициент передачи по мощности определяется как отношение

мощности в нагрузке (Pout) к величине мощности развиваемой источником

сигнала (Pin) Kp = PoutPin Если подключить ко входу схемы источник

единичного тока то мощность в нагрузке Pout = Uout2ZLoad|Iin=1 а мощность

источника сигнала будет совпадать с величиной входного напряжения Pin =

Uin|Iin=1 Из этих соотношений получаем выражение для коэффициента

передачи по мощности Kp = Uout2(Uin∙ZLoad)|Iin=1 = Ku∙Ki

24 Входное сопротивление схемы (Zin)

Входное сопротивление схемы определяется как отношение напряжения

на входе к величине входного тока Если на вход схемы подключить идеальный

источник тока единичной величины то входное сопротивление будет равно

величине входного напряжения Zin = Uin|Iin=1

25 Входная проводимость схемы (Yin)

Входная проводимость определяется как величина обратная входному

сопротивлению Yin = 1Zin Исходя из предыдущего выражения можно

записать Yin = 1Uin|Iin=1

26 Выходное сопротивление (Zout) и выходная проводимость (Yout)

Выходное сопротивление и выходная проводимость определяются так же

как и входное сопротивление и входная проводимость только единичный

источник тока сигнала подключается к выходу а напряжение измеряется на

выходе схемы Zout = Uout|Iout=1 Yout = 1Uout|Iout=1

27 Входное последовательное сопротивление (Rs)

При измерении на некоторой частоте комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Rs = Re(Zin)

28 Входная последовательная емкость (Cs)

При измерении на некоторой частоте f комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Xs = Im(Zin) Если

рассматривать реактивное сопротивление как сопротивление емкости Cs то

величина этой емкости может быть определена по формуле Cs = -1(2∙π∙f∙Xs) =

-1(2∙π∙f∙Im(Zin)) Положительное (физически реализуемое) значение емкости

при этом может получиться только при отрицательном значении мнимой части

входного сопротивления Если это условие не выполняется то реактивное

сопротивление Xs соответствует последовательной индуктивности Ls

29 Входная последовательная индуктивность (Ls)

При измерении на некоторой частоте f комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Xs = Im(Zin) Если

рассматривать реактивное сопротивление как сопротивление индуктивности

Ls то величина этой индуктивности может быть определена по формуле Ls =

Xs(2∙π∙f) = Im(Zin)(2∙π∙f) Положительное (физически реализуемое) значение

индуктивности при этом может получиться только при положительном

значении мнимой части входного сопротивления Если это условие не

выполняется то реактивное сопротивление Xs соответствует последовательной

емкости Cs

210 Входное параллельное сопротивление (Rp)

При измерении на некоторой частоте комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Gp = Re(Yin) Получаем

что Rp = 1Gp = 1Re(Yin)

211 Входная параллельная емкость (Cp)

При измерении на некоторой частоте f комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Ys = Im(Yin) Если

рассматривать реактивную проводимость как проводимость емкости Cp то

величина этой емкости может быть определена по формуле Cp = Yp(2∙π∙f) =

Im(Yin)(2∙π∙f) Положительное (физически реализуемое) значение емкости при

этом может получиться только при положительном значении мнимой части

входной проводимости Если это условие не выполняется то реактивная

проводимость Yp соответствует параллельной индуктивности Lp

212 Входная параллельная индуктивность (Lp)

При измерении на некоторой частоте f комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Yp = Im(Yin) Если

рассматривать реактивную проводимость как проводимость индуктивности Lp

то величина этой индуктивности может быть определена по формуле Lp = -

1(2∙π∙f∙Yp) = -1(2∙π∙f∙Im(Yin)) Положительное (физически реализуемое)

значение индуктивности при этом может получиться только при отрицательном

значении мнимой части входной проводимости Если это условие не

выполняется то реактивная проводимость Yp соответствует параллельной

емкости Cp

213 Четырехполюсные Z ndash параметры (компоненты матрицы

сопротивлений четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Z ndash параметров используется режим

холостого хода (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы сопротивлений) который соответствует нулевому току При этом

никакая нагрузка к четырехполюснику не подключается а в качестве источника

сигнала используется идеальный источник тока единичной величины При этом

компоненты матрицы сопротивлений определяются так

Z11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход свободен)

Z12 = Uin|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

Z21 = Uout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход свободен)

Z22 = Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

214 Четырехполюсные Y ndash параметры (компоненты матрицы

проводимости четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Y ndash параметров используется режим

короткого замыкания (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы проводимости) который соответствует нулевому напряжению

Нулевое напряжение получается при замыкании выходных (или входных)

зажимов схемы что приводит к изменению количества узлов схемы Ток на

выходе (или на входе) можно найти на основании первого закона Кирхгофа как

алгебраическую сумму токов текущих через некоторые сопротивления и

источники тока (как зависимые так и независимые) В этом случае выражение

для выходного тока усложняется но в конечном счете оно все равно сводится

к выражению через узловые потенциалы

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

тока то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = 1Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = IinUout (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = IoutUin (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = 1Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

ЭДС то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = Iin|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = Iin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = Iout|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

215 Четырехполюсные H ndash параметры (компоненты гибридной

матрицы четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных H ndash параметров используется режим

короткого замыкания на выходе и холостого тока на входе Ток на выходе

можно найти так же как он определяется при вычислении четырехполюсных Y

ndash параметров

Если в качестве источников сигнала использовать единичный источник

тока на входе и единичный источник ЭДС на выходе то выражения для

компонентов гибридной матрицы четырехполюсника можно записать так

H11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H12 = Uin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход

свободен)

H21 = Iout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход свободен)

216 Четырехполюсные S ndash параметры (параметры рассеяния)

В высокочастотных схемах измерение напряжений и токов

непосредственно на входе и выходе схемы становится проблематичным

поскольку любые соединительные провода подключаемые к схеме на высоких

частотах представляют собой длинные линии которые имеют собственные

сопротивления

Поэтому на высоких частотах измеряют так называемые падающие и

отраженные компоненты сигнала При этом под сигналами понимают

квадратный корень из мощности

Падающий сигнал ndash это такой сигнал который мог бы получиться в

случае идеального согласования сопротивления нагрузки с сопротивлением

источника сигнала Для источника синусоидального сигнала с амплитудой

напряжения E и сопротивлением R падающий сигнал равен

2

Ea

R (1)

Отраженный сигнал ndash это разность между падающим сигналом и

действительным сигналом на нагрузке

R

EVн

R

EVнEVн

R

VнEVн

R

EIнVнab

2

2

2

44

4

2222 (2)

Заметим что другое возможное значение (со знаком минус) является

неправильным тк при этом не выполняются фазовые соотношения для

напряжения (в данном кратком изложении не рассматриваются)

Размерность падающих и отраженных компонент сигналов равна В Ом

(или Вт )

В случае четырехполюсника получается система уравнений

связывающих между собой падающие и отраженные компоненты на входе и на

выходе 1 11 1 12 2

2 21 1 22 2

b S a S a

b S a S a (3)

При этом уже имеется два источника сигнала E1 ndash на входе E2 ndash на

выходе Очевидно что a1=0 при E1=0 и a2=0 при Е2=0

Из (3) можно записать правила определения S ndash параметров

2 0 2 0 1 0 1 0

2 0 2 0 1 0 1 0

1 1 1 111 12

1 1 2 2

2 2 2 221 22

1 1 2 2

a E a E

a E a E

b b b bS S

a a a a

b b b bS S

a a a a

(4)

Из этих выражений виден физически смысл S ndash параметров S11 ndash это

коэффициент отражения сигнала на входе схемы S22 ndash коэффициент

отражения от выхода S21 ndash прямой коэффициент передачи по напряжению

(корень из коэффициента передачи по мощности со входа на выход) S12 ndash

обратный коэффициент передачи по напряжению (корень из коэффициента

передачи по мощности с выхода на вход)

Выражения (4) необходимо преобразовать к виду в котором все

выражения записаны через параметры схемы и значения узловых потенциалов

Обозначим напряжения на входе и выходе четырехполюсника через V1 и V2

соответственно Тогда из (1) и (2) получаем

12

11

R

Ea (5)

22

22

R

Ea (6)

12

1121

R

EVb (7)

22

2222

R

EVb (8)

Подставляя (5)(8) в (4) получаем

020202

11

12

1

12

12

112

1

111

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (9)

010101

12

22

2

22

22

222

2

222

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (10)

010101 1

2

2

12

2

22

12

112

2

112

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (11)

020202 2

1

1

22

1

12

22

222

1

221

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (12)

Формулы (9)(12) позволяют производить расчеты S ndash параметров

электронных схем используя метод узловых потенциалов Выражения (5)(8)

позволяют вычислить падающие и отраженные компоненты напряжения на

входе и выходе электронной схемы Сопротивления линий связи (источников

сигналов) при этом рассматриваются как обычные сопротивления

217 Добротность резонансов АЧХ функции цепи

Добротность резонансов АЧХ для рассчитываемых параметров удобнее

всего определять через производную фазовой характеристики по частоте g(f) =

ndash05fdφdf где φ ndash фаза в радианах Если значение вспомогательной функции g

в точке максимума не превышает значения 05 то резонанса нет те АЧХ

анализируемой функции цепи соответствует апериодическому звену Если

значение в точке максимума gt 05 то резонанс есть и тогда частота максимума

функции g(f) соответствует частоте резонанса а значение этой функции в точке

максимума равно значению добротности резонанса

218 Годограф (амплитудно-фазовая характеристика) функции цепи

Годограф функции цепи ndash это траектория движения по комплексной

плоскости конца вектора соответствующего значению комплексной функции

цепи на данной частоте при изменении частоты от начального значения до

конечного При построении этого графика по горизонтальной оси

откладывается реальная часть функции цепи а по вертикальной ndash мнимая

часть Расстояние от начала координат до какой-либо точки графика

соответствует модулю функции цепи в данной частотной точке Угол между

реальной осью и вектором проведенным из начала координат в данную точку

соответствует фазе функции цепи в данной частотной точке Поэтому годограф

еще называют амплитудно-фазовой характеристикой исследуемой функции

цепи

3 Моделирование электронных схем

В рамках данной дисциплины электронные схемы рассматриваются в

линейном приближении когда связи между токами и напряжениями

записываются с помощью систем линейных уравнений В качестве основного

метода анализа выбран метод узловых потенциалов поскольку он может быть

алгоритмизирован наиболее просто

Процесс моделирования электронной схемы при этом разбивается на

следующие стадии

1 Представление электронных компонентов их внутренними моделями

которые представляют собой некоторые специальные электронные схемы

содержащие элементарные двухполюсники (такие как резисторы

конденсаторы катушки индуктивности) и управляемые напряжением

источники тока (ИТУН) с комплексными значениями крутизны передачи

2 Подключение к схеме источника сигнала нужного типа (это может быть

источник тока или источник напряжения)

3 Преобразование (при необходимости) источника напряжения в источник

тока

4 Выделение узлов схемы и их нумерация

5 Представление искомой функции цепи через узловые потенциалы

6 Формирование матрицы проводимости схемы

7 Формирование вектора токов схемы

8 Решение системы уравнений по методу узловых потенциалов и

вычисление значений узловых потенциалов схемы

9 Вычисление значения искомой функции цепи путем подстановки значений

узловых потенциалов определенных в пункте 8 в выражение

определенное в пункте 5

Поскольку в основе метода узловых потенциалов лежит матрица

проводимости то все компоненты схемы должны быть описаны их

проводимостями

Рассмотрим модели основных компонентов входящих в схему

31 Модели пассивных двухполюсников

Резисторы с сопротивлением R при моделировании электронной схемы

характеризуются величиной проводимости yR = 1R Таким образом резисторы

с нулевым сопротивлением не могут присутствовать в схеме тк их

проводимость при этом бесконечна а такие значения не могут участвовать в

расчетах Резисторы с бесконечным сопротивлением при этом использовать

можно тк их проводимость будут равна нулю (такие резисторы соответствуют

разрыву линии)

Конденсаторы с величиной емкости C на частоте ω = 2∙π∙f

характеризуются величиной проводимости yC = j∙ω∙C = p∙C Здесь p ndash так

называемая комплексная частота Конденсаторы с нулевой емкостью имеют

нулевую проводимость и соответствуют разрыву линии На нулевой частоте

(те на постоянном токе) все конденсаторы имеют нулевую проводимость

Катушки индуктивности с величиной индуктивности L на частоте ω =

2∙π∙f характеризуются величиной проводимости yL = 1(j∙ω∙L) = 1(p∙L) Если в

схеме есть хотя бы одна индуктивность то нулевую частоту при расчете

параметров схемы использовать нельзя тк на нулевой частоте (на постоянном

токе) проводимость индуктивности становится бесконечной (индуктивность

превращается в замычку) Обойти данное ограничение можно если считать что

индуктивность имеет отличное от нуля сопротивление по постоянному току RL

(например 001 Ом) Тогда при расчете проводимости индуктивности нужно

использовать такое выражение yL = 1(RL+p∙L)

В случае когда интерес представляют потенциалы только некоторых

узлов схемы (например входных и выходных) можно сократить число узловых

потенциалов объединяя вместе последовательно соединенные компоненты

схемы и рассматривая их совокупность как один более сложный компонент

Например последовательный колебательный контур составленный из

последовательно соединенных резистора R индуктивности L и емкости C

будет иметь проводимость yRLC = 1(R+p∙L+1(p∙C)) Это выражение позволяет

вычислить проводимости более простых совокупностей компонентов

например последовательного соединения резистора и емкости (тогда в этой

формуле полагаем L = 0) или емкости и индуктивности (тогда полагаем R = 0)

32 Линейная модель диода

Математическая модель диода приведена в [1] эквивалентная схема

диода в линейном приближении приведена ниже на рисунке В этой схеме Rs ndash

объемное сопротивление материала полупроводника

(справочный параметр) G ndash дифференциальная

проводимость PN ndash перехода (зависит от величины

прямого тока диода) С ndash емкость PN ndash перехода

(зависит от величины прямого тока через диод и от

величины обратного напряжения на диоде)

Приведем формулы для расчета параметров

модели

G

Rs

C Линеаризованная

модель диода

Дифференциальная проводимость

0

0 0

IdVd

G N Vt

Vd

Здесь Vd ndash прямое напряжение на диоде Id ndash величина прямого тока через

диод N ndash коэффициент неидеальности PN ndash перехода Vt ndash температурный

потенциал (Vt = k∙Tq где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная

температура PN ndash перехода q ndash заряд электрона) При комнатной температуре

Vt asymp 26 мВ Условие Vd gt 0 соответствует прямосмещенному PN ndash переходу

когда через диод протекает постоянный ток Id Условие Vd lt 0 соответствует

обратносмещенному PN ndash переходу когда диод заперт

Емкость диода

1

0

1

0 1 1

1

M

M

CJTT G Vd FC VJ

Vd

VJC

VdCJ FC M M

VJTT G Vd FC VJ

FC

В этой формуле Vd ndash прямое напряжение на диоде CJ0 ndash начальная

барьерная емкость диода (справочный параметр значение по умолчанию = 0)

M ndash коэффициент плавности PN ndash перехода (справочный параметр значение по

умолчанию = 033) FC ndash коэффициент нелинейности прямосмещенного PN ndash

перехода (справочный параметр значение по умолчанию = 05) VJ ndash

контактная разность потенциалов (справочный параметр значение по

умолчанию = 075) TT ndash время переноса заряда (справочный параметр

значение по умолчанию = 0) G ndash дифференциальная проводимость PN ndash

перехода зависящая от режима по постоянному току и рассчитываемая по

предыдущей формуле

Если нас не интересует потенциал внутреннего узла модели диода то его

можно рассматривать как двухполюсник с проводимостью yd которая

вычисляется по формуле

1

p C Gyd

Rs p C G

где p ndash комплексная частота Данная формула работоспособна при любых

допустимых значениях параметров диода В частности в ней можно

использовать нулевое значение объемного сопротивления Rs нулевое значение

емкости C и нулевое значение проводимости G

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 2: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Четырехполюсные S ndash параметры (S11 ndash коэффициент отражения от входа

при нулевом сигнале на выходе S12 ndash обратный коэффициент передачи по

напряжению при нулевом сигнале на входе S21 ndash прямой коэффициент

передачи по напряжению при нулевом сигнале на выходе S22 ndash

коэффициент отражения от выхода при нулевом сигнале на входе)

Для указанных параметров строятся графики амплитудно-частотных

характеристик (АЧХ) фазо-частотных характеристик (ФЧХ) и годограф

(амплитудно-фазовая характеристика или АФХ) Для каждого из

перечисленных параметров могут дополнительно определяться

Рабочая полоса частот (по уровню ndash3 дБ или по другому заданному

уровню)

Величина неравномерности АЧХ в рабочей полосе частот (разность

значений в децибелах между максимальным и минимальным значениями

измеряемого параметра в пределах рабочей полосы частот без учета точек

соответствующих краям рабочего диапазона)

Частоты резонансов и их добротность

Коэффициент прямоугольности фильтра по заданным уровням

коэффициента передачи

2 Расчет шумовых параметров электронных схем

В зависимости от назначения схемы могут определяться следующие

шумовые параметры

Спектральная плотность мощности шума на выходе (Pnout)

Удельное шумовое напряжение на выходе (Unout)

Парциальное удельное шумовое напряжение на выходе создаваемое

отдельным компонентом схемы (Uni)

Спектральная плотность мощности шума приведенного ко входу (Pnin)

Удельное шумовое напряжение приведенное ко входу (Unin)

Удельный коэффициент шума (Kn)

Шумовое число усилителя (M)

Эквивалентная шумовая температура схемы (Tna)

Среднеквадратическое шумовое напряжение на выходе (Ũnout)

Среднеквадратическое шумовое напряжение приведенное ко входу (Ũnin)

Для указанных параметров (кроме последних двух которые являются

интегральными величинами) строятся графики амплитудно-частотных

характеристик

2 Методики определения типовых параметров электронных схем

Для электронных схем имеющих вход и выход используют следующие

соглашения для обозначения сигналов (рис 1)

Исследуемая

схема

+ +

--

a

b

c

d

Вход Выход

Исследуемая

схема Iout

+ +

--

Iin Исследуемая

схема Iout

+ +

--

Iin

Вход находится слева а выход ndash справа

Верхние выводы соответствуют плюсу напряжения а нижние ndash минусу

Схема имеет контакт с базовым узлом (общим проводом) относительно

которого измеряются все потенциалы

При таких соглашениях и обозначениях

входное напряжение Uin = Ua ndash Ub а выходное

напряжение Uout = Uc ndash Ub

В случае когда измеряется величина

выходного тока есть разница в обозначениях

для обычных (рис 2) и четырехполюсных

параметров (рис 3) электронной схемы таких как Y ndash параметры и H -

параметры На этих рисунках ко входу подключен источник сигнала (это может

быть источник тока или источник напряжения) и положительное направление

входного тока Iin соответствует истинному направлению тока источника при

подключении нагрузочного сопротивления А вот выходной ток Iout измеряется

по-разному для обычных схем этот ток соответствует току через

сопротивление нагрузки подключенное к выходу и этот ток вытекает из схемы

по верхнему выводу схемы для четырехполюсников выходной ток измеряется

в режиме короткого замыкания и в качестве положительного тока принимается

такое направление выходного тока когда ток втекает в схему по верхнему

выводу

Рис 2 Правило измерения

выходного тока в обычной

схеме

Рис 3 Правило измерения выходного тока

короткого замыкания в

четырехполюсниках

Все перечисленные выше параметры электронных схем рассчитываются

методом узловых потенциалов

21 Коэффициент передачи по напряжению (Ku)

Коэффициент передачи по напряжению можно определить тремя

способами

1 На вход схемы подключается идеальный источник тока определяются

напряжения на входе (Uin) и выходе схемы (Uout) после чего коэффициент

передачи по напряжению определяют по формуле Ku = UoutUin

2 На вход схемы подключают идеальный источник напряжения единичной

величины после чего выполняется преобразование источника напряжения в

источник тока (преобразование эквивалента Тевенина в эквивалент

Нортона) При необходимости используется метод расщепления источников

Рис 1

напряжения Далее определяется напряжение на выходе схемы в данном

случае оно равно коэффициенту передачи по напряжению Ku = Uout|Uin=1

3 На вход схемы подключают идеальный источник напряжения единичной

величины Если этот источник одним концом соединен с общим проводом

(что является очень распространенным случаем) то можно не делать

преобразования источника напряжения в источник тока а использовать

правило включения идеального источника напряжения в матрицу

проводимости В этом случае так же как и во втором коэффициент

передачи по напряжению Ku = Uout|Uin=1

Во всех трех случаях получаются разные матрицы проводимости и

возможно разные векторы токов но результаты расчетов оказываются

одинаковыми Выбор того или иного метода расчета определяется либо

особенностями схемы либо вариантом задания

22 Коэффициент передачи по току (Ki)

Коэффициент передачи по току определяется как отношение тока в

нагрузке к величине входного тока Если на вход подключить источник тока

единичной величины то коэффициент передачи по току будет равен току в

нагрузке который в свою очередь можно определить по закону Ома через

напряжение на нагрузке (выходное напряжение) и сопротивление нагрузки

Ki = UoutZLoad|Iin=1

23 Коэффициент передачи по мощности (Kp)

Коэффициент передачи по мощности определяется как отношение

мощности в нагрузке (Pout) к величине мощности развиваемой источником

сигнала (Pin) Kp = PoutPin Если подключить ко входу схемы источник

единичного тока то мощность в нагрузке Pout = Uout2ZLoad|Iin=1 а мощность

источника сигнала будет совпадать с величиной входного напряжения Pin =

Uin|Iin=1 Из этих соотношений получаем выражение для коэффициента

передачи по мощности Kp = Uout2(Uin∙ZLoad)|Iin=1 = Ku∙Ki

24 Входное сопротивление схемы (Zin)

Входное сопротивление схемы определяется как отношение напряжения

на входе к величине входного тока Если на вход схемы подключить идеальный

источник тока единичной величины то входное сопротивление будет равно

величине входного напряжения Zin = Uin|Iin=1

25 Входная проводимость схемы (Yin)

Входная проводимость определяется как величина обратная входному

сопротивлению Yin = 1Zin Исходя из предыдущего выражения можно

записать Yin = 1Uin|Iin=1

26 Выходное сопротивление (Zout) и выходная проводимость (Yout)

Выходное сопротивление и выходная проводимость определяются так же

как и входное сопротивление и входная проводимость только единичный

источник тока сигнала подключается к выходу а напряжение измеряется на

выходе схемы Zout = Uout|Iout=1 Yout = 1Uout|Iout=1

27 Входное последовательное сопротивление (Rs)

При измерении на некоторой частоте комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Rs = Re(Zin)

28 Входная последовательная емкость (Cs)

При измерении на некоторой частоте f комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Xs = Im(Zin) Если

рассматривать реактивное сопротивление как сопротивление емкости Cs то

величина этой емкости может быть определена по формуле Cs = -1(2∙π∙f∙Xs) =

-1(2∙π∙f∙Im(Zin)) Положительное (физически реализуемое) значение емкости

при этом может получиться только при отрицательном значении мнимой части

входного сопротивления Если это условие не выполняется то реактивное

сопротивление Xs соответствует последовательной индуктивности Ls

29 Входная последовательная индуктивность (Ls)

При измерении на некоторой частоте f комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Xs = Im(Zin) Если

рассматривать реактивное сопротивление как сопротивление индуктивности

Ls то величина этой индуктивности может быть определена по формуле Ls =

Xs(2∙π∙f) = Im(Zin)(2∙π∙f) Положительное (физически реализуемое) значение

индуктивности при этом может получиться только при положительном

значении мнимой части входного сопротивления Если это условие не

выполняется то реактивное сопротивление Xs соответствует последовательной

емкости Cs

210 Входное параллельное сопротивление (Rp)

При измерении на некоторой частоте комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Gp = Re(Yin) Получаем

что Rp = 1Gp = 1Re(Yin)

211 Входная параллельная емкость (Cp)

При измерении на некоторой частоте f комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Ys = Im(Yin) Если

рассматривать реактивную проводимость как проводимость емкости Cp то

величина этой емкости может быть определена по формуле Cp = Yp(2∙π∙f) =

Im(Yin)(2∙π∙f) Положительное (физически реализуемое) значение емкости при

этом может получиться только при положительном значении мнимой части

входной проводимости Если это условие не выполняется то реактивная

проводимость Yp соответствует параллельной индуктивности Lp

212 Входная параллельная индуктивность (Lp)

При измерении на некоторой частоте f комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Yp = Im(Yin) Если

рассматривать реактивную проводимость как проводимость индуктивности Lp

то величина этой индуктивности может быть определена по формуле Lp = -

1(2∙π∙f∙Yp) = -1(2∙π∙f∙Im(Yin)) Положительное (физически реализуемое)

значение индуктивности при этом может получиться только при отрицательном

значении мнимой части входной проводимости Если это условие не

выполняется то реактивная проводимость Yp соответствует параллельной

емкости Cp

213 Четырехполюсные Z ndash параметры (компоненты матрицы

сопротивлений четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Z ndash параметров используется режим

холостого хода (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы сопротивлений) который соответствует нулевому току При этом

никакая нагрузка к четырехполюснику не подключается а в качестве источника

сигнала используется идеальный источник тока единичной величины При этом

компоненты матрицы сопротивлений определяются так

Z11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход свободен)

Z12 = Uin|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

Z21 = Uout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход свободен)

Z22 = Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

214 Четырехполюсные Y ndash параметры (компоненты матрицы

проводимости четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Y ndash параметров используется режим

короткого замыкания (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы проводимости) который соответствует нулевому напряжению

Нулевое напряжение получается при замыкании выходных (или входных)

зажимов схемы что приводит к изменению количества узлов схемы Ток на

выходе (или на входе) можно найти на основании первого закона Кирхгофа как

алгебраическую сумму токов текущих через некоторые сопротивления и

источники тока (как зависимые так и независимые) В этом случае выражение

для выходного тока усложняется но в конечном счете оно все равно сводится

к выражению через узловые потенциалы

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

тока то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = 1Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = IinUout (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = IoutUin (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = 1Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

ЭДС то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = Iin|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = Iin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = Iout|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

215 Четырехполюсные H ndash параметры (компоненты гибридной

матрицы четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных H ndash параметров используется режим

короткого замыкания на выходе и холостого тока на входе Ток на выходе

можно найти так же как он определяется при вычислении четырехполюсных Y

ndash параметров

Если в качестве источников сигнала использовать единичный источник

тока на входе и единичный источник ЭДС на выходе то выражения для

компонентов гибридной матрицы четырехполюсника можно записать так

H11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H12 = Uin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход

свободен)

H21 = Iout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход свободен)

216 Четырехполюсные S ndash параметры (параметры рассеяния)

В высокочастотных схемах измерение напряжений и токов

непосредственно на входе и выходе схемы становится проблематичным

поскольку любые соединительные провода подключаемые к схеме на высоких

частотах представляют собой длинные линии которые имеют собственные

сопротивления

Поэтому на высоких частотах измеряют так называемые падающие и

отраженные компоненты сигнала При этом под сигналами понимают

квадратный корень из мощности

Падающий сигнал ndash это такой сигнал который мог бы получиться в

случае идеального согласования сопротивления нагрузки с сопротивлением

источника сигнала Для источника синусоидального сигнала с амплитудой

напряжения E и сопротивлением R падающий сигнал равен

2

Ea

R (1)

Отраженный сигнал ndash это разность между падающим сигналом и

действительным сигналом на нагрузке

R

EVн

R

EVнEVн

R

VнEVн

R

EIнVнab

2

2

2

44

4

2222 (2)

Заметим что другое возможное значение (со знаком минус) является

неправильным тк при этом не выполняются фазовые соотношения для

напряжения (в данном кратком изложении не рассматриваются)

Размерность падающих и отраженных компонент сигналов равна В Ом

(или Вт )

В случае четырехполюсника получается система уравнений

связывающих между собой падающие и отраженные компоненты на входе и на

выходе 1 11 1 12 2

2 21 1 22 2

b S a S a

b S a S a (3)

При этом уже имеется два источника сигнала E1 ndash на входе E2 ndash на

выходе Очевидно что a1=0 при E1=0 и a2=0 при Е2=0

Из (3) можно записать правила определения S ndash параметров

2 0 2 0 1 0 1 0

2 0 2 0 1 0 1 0

1 1 1 111 12

1 1 2 2

2 2 2 221 22

1 1 2 2

a E a E

a E a E

b b b bS S

a a a a

b b b bS S

a a a a

(4)

Из этих выражений виден физически смысл S ndash параметров S11 ndash это

коэффициент отражения сигнала на входе схемы S22 ndash коэффициент

отражения от выхода S21 ndash прямой коэффициент передачи по напряжению

(корень из коэффициента передачи по мощности со входа на выход) S12 ndash

обратный коэффициент передачи по напряжению (корень из коэффициента

передачи по мощности с выхода на вход)

Выражения (4) необходимо преобразовать к виду в котором все

выражения записаны через параметры схемы и значения узловых потенциалов

Обозначим напряжения на входе и выходе четырехполюсника через V1 и V2

соответственно Тогда из (1) и (2) получаем

12

11

R

Ea (5)

22

22

R

Ea (6)

12

1121

R

EVb (7)

22

2222

R

EVb (8)

Подставляя (5)(8) в (4) получаем

020202

11

12

1

12

12

112

1

111

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (9)

010101

12

22

2

22

22

222

2

222

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (10)

010101 1

2

2

12

2

22

12

112

2

112

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (11)

020202 2

1

1

22

1

12

22

222

1

221

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (12)

Формулы (9)(12) позволяют производить расчеты S ndash параметров

электронных схем используя метод узловых потенциалов Выражения (5)(8)

позволяют вычислить падающие и отраженные компоненты напряжения на

входе и выходе электронной схемы Сопротивления линий связи (источников

сигналов) при этом рассматриваются как обычные сопротивления

217 Добротность резонансов АЧХ функции цепи

Добротность резонансов АЧХ для рассчитываемых параметров удобнее

всего определять через производную фазовой характеристики по частоте g(f) =

ndash05fdφdf где φ ndash фаза в радианах Если значение вспомогательной функции g

в точке максимума не превышает значения 05 то резонанса нет те АЧХ

анализируемой функции цепи соответствует апериодическому звену Если

значение в точке максимума gt 05 то резонанс есть и тогда частота максимума

функции g(f) соответствует частоте резонанса а значение этой функции в точке

максимума равно значению добротности резонанса

218 Годограф (амплитудно-фазовая характеристика) функции цепи

Годограф функции цепи ndash это траектория движения по комплексной

плоскости конца вектора соответствующего значению комплексной функции

цепи на данной частоте при изменении частоты от начального значения до

конечного При построении этого графика по горизонтальной оси

откладывается реальная часть функции цепи а по вертикальной ndash мнимая

часть Расстояние от начала координат до какой-либо точки графика

соответствует модулю функции цепи в данной частотной точке Угол между

реальной осью и вектором проведенным из начала координат в данную точку

соответствует фазе функции цепи в данной частотной точке Поэтому годограф

еще называют амплитудно-фазовой характеристикой исследуемой функции

цепи

3 Моделирование электронных схем

В рамках данной дисциплины электронные схемы рассматриваются в

линейном приближении когда связи между токами и напряжениями

записываются с помощью систем линейных уравнений В качестве основного

метода анализа выбран метод узловых потенциалов поскольку он может быть

алгоритмизирован наиболее просто

Процесс моделирования электронной схемы при этом разбивается на

следующие стадии

1 Представление электронных компонентов их внутренними моделями

которые представляют собой некоторые специальные электронные схемы

содержащие элементарные двухполюсники (такие как резисторы

конденсаторы катушки индуктивности) и управляемые напряжением

источники тока (ИТУН) с комплексными значениями крутизны передачи

2 Подключение к схеме источника сигнала нужного типа (это может быть

источник тока или источник напряжения)

3 Преобразование (при необходимости) источника напряжения в источник

тока

4 Выделение узлов схемы и их нумерация

5 Представление искомой функции цепи через узловые потенциалы

6 Формирование матрицы проводимости схемы

7 Формирование вектора токов схемы

8 Решение системы уравнений по методу узловых потенциалов и

вычисление значений узловых потенциалов схемы

9 Вычисление значения искомой функции цепи путем подстановки значений

узловых потенциалов определенных в пункте 8 в выражение

определенное в пункте 5

Поскольку в основе метода узловых потенциалов лежит матрица

проводимости то все компоненты схемы должны быть описаны их

проводимостями

Рассмотрим модели основных компонентов входящих в схему

31 Модели пассивных двухполюсников

Резисторы с сопротивлением R при моделировании электронной схемы

характеризуются величиной проводимости yR = 1R Таким образом резисторы

с нулевым сопротивлением не могут присутствовать в схеме тк их

проводимость при этом бесконечна а такие значения не могут участвовать в

расчетах Резисторы с бесконечным сопротивлением при этом использовать

можно тк их проводимость будут равна нулю (такие резисторы соответствуют

разрыву линии)

Конденсаторы с величиной емкости C на частоте ω = 2∙π∙f

характеризуются величиной проводимости yC = j∙ω∙C = p∙C Здесь p ndash так

называемая комплексная частота Конденсаторы с нулевой емкостью имеют

нулевую проводимость и соответствуют разрыву линии На нулевой частоте

(те на постоянном токе) все конденсаторы имеют нулевую проводимость

Катушки индуктивности с величиной индуктивности L на частоте ω =

2∙π∙f характеризуются величиной проводимости yL = 1(j∙ω∙L) = 1(p∙L) Если в

схеме есть хотя бы одна индуктивность то нулевую частоту при расчете

параметров схемы использовать нельзя тк на нулевой частоте (на постоянном

токе) проводимость индуктивности становится бесконечной (индуктивность

превращается в замычку) Обойти данное ограничение можно если считать что

индуктивность имеет отличное от нуля сопротивление по постоянному току RL

(например 001 Ом) Тогда при расчете проводимости индуктивности нужно

использовать такое выражение yL = 1(RL+p∙L)

В случае когда интерес представляют потенциалы только некоторых

узлов схемы (например входных и выходных) можно сократить число узловых

потенциалов объединяя вместе последовательно соединенные компоненты

схемы и рассматривая их совокупность как один более сложный компонент

Например последовательный колебательный контур составленный из

последовательно соединенных резистора R индуктивности L и емкости C

будет иметь проводимость yRLC = 1(R+p∙L+1(p∙C)) Это выражение позволяет

вычислить проводимости более простых совокупностей компонентов

например последовательного соединения резистора и емкости (тогда в этой

формуле полагаем L = 0) или емкости и индуктивности (тогда полагаем R = 0)

32 Линейная модель диода

Математическая модель диода приведена в [1] эквивалентная схема

диода в линейном приближении приведена ниже на рисунке В этой схеме Rs ndash

объемное сопротивление материала полупроводника

(справочный параметр) G ndash дифференциальная

проводимость PN ndash перехода (зависит от величины

прямого тока диода) С ndash емкость PN ndash перехода

(зависит от величины прямого тока через диод и от

величины обратного напряжения на диоде)

Приведем формулы для расчета параметров

модели

G

Rs

C Линеаризованная

модель диода

Дифференциальная проводимость

0

0 0

IdVd

G N Vt

Vd

Здесь Vd ndash прямое напряжение на диоде Id ndash величина прямого тока через

диод N ndash коэффициент неидеальности PN ndash перехода Vt ndash температурный

потенциал (Vt = k∙Tq где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная

температура PN ndash перехода q ndash заряд электрона) При комнатной температуре

Vt asymp 26 мВ Условие Vd gt 0 соответствует прямосмещенному PN ndash переходу

когда через диод протекает постоянный ток Id Условие Vd lt 0 соответствует

обратносмещенному PN ndash переходу когда диод заперт

Емкость диода

1

0

1

0 1 1

1

M

M

CJTT G Vd FC VJ

Vd

VJC

VdCJ FC M M

VJTT G Vd FC VJ

FC

В этой формуле Vd ndash прямое напряжение на диоде CJ0 ndash начальная

барьерная емкость диода (справочный параметр значение по умолчанию = 0)

M ndash коэффициент плавности PN ndash перехода (справочный параметр значение по

умолчанию = 033) FC ndash коэффициент нелинейности прямосмещенного PN ndash

перехода (справочный параметр значение по умолчанию = 05) VJ ndash

контактная разность потенциалов (справочный параметр значение по

умолчанию = 075) TT ndash время переноса заряда (справочный параметр

значение по умолчанию = 0) G ndash дифференциальная проводимость PN ndash

перехода зависящая от режима по постоянному току и рассчитываемая по

предыдущей формуле

Если нас не интересует потенциал внутреннего узла модели диода то его

можно рассматривать как двухполюсник с проводимостью yd которая

вычисляется по формуле

1

p C Gyd

Rs p C G

где p ndash комплексная частота Данная формула работоспособна при любых

допустимых значениях параметров диода В частности в ней можно

использовать нулевое значение объемного сопротивления Rs нулевое значение

емкости C и нулевое значение проводимости G

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 3: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Исследуемая

схема

+ +

--

a

b

c

d

Вход Выход

Исследуемая

схема Iout

+ +

--

Iin Исследуемая

схема Iout

+ +

--

Iin

Вход находится слева а выход ndash справа

Верхние выводы соответствуют плюсу напряжения а нижние ndash минусу

Схема имеет контакт с базовым узлом (общим проводом) относительно

которого измеряются все потенциалы

При таких соглашениях и обозначениях

входное напряжение Uin = Ua ndash Ub а выходное

напряжение Uout = Uc ndash Ub

В случае когда измеряется величина

выходного тока есть разница в обозначениях

для обычных (рис 2) и четырехполюсных

параметров (рис 3) электронной схемы таких как Y ndash параметры и H -

параметры На этих рисунках ко входу подключен источник сигнала (это может

быть источник тока или источник напряжения) и положительное направление

входного тока Iin соответствует истинному направлению тока источника при

подключении нагрузочного сопротивления А вот выходной ток Iout измеряется

по-разному для обычных схем этот ток соответствует току через

сопротивление нагрузки подключенное к выходу и этот ток вытекает из схемы

по верхнему выводу схемы для четырехполюсников выходной ток измеряется

в режиме короткого замыкания и в качестве положительного тока принимается

такое направление выходного тока когда ток втекает в схему по верхнему

выводу

Рис 2 Правило измерения

выходного тока в обычной

схеме

Рис 3 Правило измерения выходного тока

короткого замыкания в

четырехполюсниках

Все перечисленные выше параметры электронных схем рассчитываются

методом узловых потенциалов

21 Коэффициент передачи по напряжению (Ku)

Коэффициент передачи по напряжению можно определить тремя

способами

1 На вход схемы подключается идеальный источник тока определяются

напряжения на входе (Uin) и выходе схемы (Uout) после чего коэффициент

передачи по напряжению определяют по формуле Ku = UoutUin

2 На вход схемы подключают идеальный источник напряжения единичной

величины после чего выполняется преобразование источника напряжения в

источник тока (преобразование эквивалента Тевенина в эквивалент

Нортона) При необходимости используется метод расщепления источников

Рис 1

напряжения Далее определяется напряжение на выходе схемы в данном

случае оно равно коэффициенту передачи по напряжению Ku = Uout|Uin=1

3 На вход схемы подключают идеальный источник напряжения единичной

величины Если этот источник одним концом соединен с общим проводом

(что является очень распространенным случаем) то можно не делать

преобразования источника напряжения в источник тока а использовать

правило включения идеального источника напряжения в матрицу

проводимости В этом случае так же как и во втором коэффициент

передачи по напряжению Ku = Uout|Uin=1

Во всех трех случаях получаются разные матрицы проводимости и

возможно разные векторы токов но результаты расчетов оказываются

одинаковыми Выбор того или иного метода расчета определяется либо

особенностями схемы либо вариантом задания

22 Коэффициент передачи по току (Ki)

Коэффициент передачи по току определяется как отношение тока в

нагрузке к величине входного тока Если на вход подключить источник тока

единичной величины то коэффициент передачи по току будет равен току в

нагрузке который в свою очередь можно определить по закону Ома через

напряжение на нагрузке (выходное напряжение) и сопротивление нагрузки

Ki = UoutZLoad|Iin=1

23 Коэффициент передачи по мощности (Kp)

Коэффициент передачи по мощности определяется как отношение

мощности в нагрузке (Pout) к величине мощности развиваемой источником

сигнала (Pin) Kp = PoutPin Если подключить ко входу схемы источник

единичного тока то мощность в нагрузке Pout = Uout2ZLoad|Iin=1 а мощность

источника сигнала будет совпадать с величиной входного напряжения Pin =

Uin|Iin=1 Из этих соотношений получаем выражение для коэффициента

передачи по мощности Kp = Uout2(Uin∙ZLoad)|Iin=1 = Ku∙Ki

24 Входное сопротивление схемы (Zin)

Входное сопротивление схемы определяется как отношение напряжения

на входе к величине входного тока Если на вход схемы подключить идеальный

источник тока единичной величины то входное сопротивление будет равно

величине входного напряжения Zin = Uin|Iin=1

25 Входная проводимость схемы (Yin)

Входная проводимость определяется как величина обратная входному

сопротивлению Yin = 1Zin Исходя из предыдущего выражения можно

записать Yin = 1Uin|Iin=1

26 Выходное сопротивление (Zout) и выходная проводимость (Yout)

Выходное сопротивление и выходная проводимость определяются так же

как и входное сопротивление и входная проводимость только единичный

источник тока сигнала подключается к выходу а напряжение измеряется на

выходе схемы Zout = Uout|Iout=1 Yout = 1Uout|Iout=1

27 Входное последовательное сопротивление (Rs)

При измерении на некоторой частоте комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Rs = Re(Zin)

28 Входная последовательная емкость (Cs)

При измерении на некоторой частоте f комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Xs = Im(Zin) Если

рассматривать реактивное сопротивление как сопротивление емкости Cs то

величина этой емкости может быть определена по формуле Cs = -1(2∙π∙f∙Xs) =

-1(2∙π∙f∙Im(Zin)) Положительное (физически реализуемое) значение емкости

при этом может получиться только при отрицательном значении мнимой части

входного сопротивления Если это условие не выполняется то реактивное

сопротивление Xs соответствует последовательной индуктивности Ls

29 Входная последовательная индуктивность (Ls)

При измерении на некоторой частоте f комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Xs = Im(Zin) Если

рассматривать реактивное сопротивление как сопротивление индуктивности

Ls то величина этой индуктивности может быть определена по формуле Ls =

Xs(2∙π∙f) = Im(Zin)(2∙π∙f) Положительное (физически реализуемое) значение

индуктивности при этом может получиться только при положительном

значении мнимой части входного сопротивления Если это условие не

выполняется то реактивное сопротивление Xs соответствует последовательной

емкости Cs

210 Входное параллельное сопротивление (Rp)

При измерении на некоторой частоте комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Gp = Re(Yin) Получаем

что Rp = 1Gp = 1Re(Yin)

211 Входная параллельная емкость (Cp)

При измерении на некоторой частоте f комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Ys = Im(Yin) Если

рассматривать реактивную проводимость как проводимость емкости Cp то

величина этой емкости может быть определена по формуле Cp = Yp(2∙π∙f) =

Im(Yin)(2∙π∙f) Положительное (физически реализуемое) значение емкости при

этом может получиться только при положительном значении мнимой части

входной проводимости Если это условие не выполняется то реактивная

проводимость Yp соответствует параллельной индуктивности Lp

212 Входная параллельная индуктивность (Lp)

При измерении на некоторой частоте f комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Yp = Im(Yin) Если

рассматривать реактивную проводимость как проводимость индуктивности Lp

то величина этой индуктивности может быть определена по формуле Lp = -

1(2∙π∙f∙Yp) = -1(2∙π∙f∙Im(Yin)) Положительное (физически реализуемое)

значение индуктивности при этом может получиться только при отрицательном

значении мнимой части входной проводимости Если это условие не

выполняется то реактивная проводимость Yp соответствует параллельной

емкости Cp

213 Четырехполюсные Z ndash параметры (компоненты матрицы

сопротивлений четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Z ndash параметров используется режим

холостого хода (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы сопротивлений) который соответствует нулевому току При этом

никакая нагрузка к четырехполюснику не подключается а в качестве источника

сигнала используется идеальный источник тока единичной величины При этом

компоненты матрицы сопротивлений определяются так

Z11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход свободен)

Z12 = Uin|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

Z21 = Uout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход свободен)

Z22 = Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

214 Четырехполюсные Y ndash параметры (компоненты матрицы

проводимости четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Y ndash параметров используется режим

короткого замыкания (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы проводимости) который соответствует нулевому напряжению

Нулевое напряжение получается при замыкании выходных (или входных)

зажимов схемы что приводит к изменению количества узлов схемы Ток на

выходе (или на входе) можно найти на основании первого закона Кирхгофа как

алгебраическую сумму токов текущих через некоторые сопротивления и

источники тока (как зависимые так и независимые) В этом случае выражение

для выходного тока усложняется но в конечном счете оно все равно сводится

к выражению через узловые потенциалы

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

тока то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = 1Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = IinUout (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = IoutUin (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = 1Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

ЭДС то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = Iin|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = Iin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = Iout|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

215 Четырехполюсные H ndash параметры (компоненты гибридной

матрицы четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных H ndash параметров используется режим

короткого замыкания на выходе и холостого тока на входе Ток на выходе

можно найти так же как он определяется при вычислении четырехполюсных Y

ndash параметров

Если в качестве источников сигнала использовать единичный источник

тока на входе и единичный источник ЭДС на выходе то выражения для

компонентов гибридной матрицы четырехполюсника можно записать так

H11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H12 = Uin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход

свободен)

H21 = Iout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход свободен)

216 Четырехполюсные S ndash параметры (параметры рассеяния)

В высокочастотных схемах измерение напряжений и токов

непосредственно на входе и выходе схемы становится проблематичным

поскольку любые соединительные провода подключаемые к схеме на высоких

частотах представляют собой длинные линии которые имеют собственные

сопротивления

Поэтому на высоких частотах измеряют так называемые падающие и

отраженные компоненты сигнала При этом под сигналами понимают

квадратный корень из мощности

Падающий сигнал ndash это такой сигнал который мог бы получиться в

случае идеального согласования сопротивления нагрузки с сопротивлением

источника сигнала Для источника синусоидального сигнала с амплитудой

напряжения E и сопротивлением R падающий сигнал равен

2

Ea

R (1)

Отраженный сигнал ndash это разность между падающим сигналом и

действительным сигналом на нагрузке

R

EVн

R

EVнEVн

R

VнEVн

R

EIнVнab

2

2

2

44

4

2222 (2)

Заметим что другое возможное значение (со знаком минус) является

неправильным тк при этом не выполняются фазовые соотношения для

напряжения (в данном кратком изложении не рассматриваются)

Размерность падающих и отраженных компонент сигналов равна В Ом

(или Вт )

В случае четырехполюсника получается система уравнений

связывающих между собой падающие и отраженные компоненты на входе и на

выходе 1 11 1 12 2

2 21 1 22 2

b S a S a

b S a S a (3)

При этом уже имеется два источника сигнала E1 ndash на входе E2 ndash на

выходе Очевидно что a1=0 при E1=0 и a2=0 при Е2=0

Из (3) можно записать правила определения S ndash параметров

2 0 2 0 1 0 1 0

2 0 2 0 1 0 1 0

1 1 1 111 12

1 1 2 2

2 2 2 221 22

1 1 2 2

a E a E

a E a E

b b b bS S

a a a a

b b b bS S

a a a a

(4)

Из этих выражений виден физически смысл S ndash параметров S11 ndash это

коэффициент отражения сигнала на входе схемы S22 ndash коэффициент

отражения от выхода S21 ndash прямой коэффициент передачи по напряжению

(корень из коэффициента передачи по мощности со входа на выход) S12 ndash

обратный коэффициент передачи по напряжению (корень из коэффициента

передачи по мощности с выхода на вход)

Выражения (4) необходимо преобразовать к виду в котором все

выражения записаны через параметры схемы и значения узловых потенциалов

Обозначим напряжения на входе и выходе четырехполюсника через V1 и V2

соответственно Тогда из (1) и (2) получаем

12

11

R

Ea (5)

22

22

R

Ea (6)

12

1121

R

EVb (7)

22

2222

R

EVb (8)

Подставляя (5)(8) в (4) получаем

020202

11

12

1

12

12

112

1

111

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (9)

010101

12

22

2

22

22

222

2

222

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (10)

010101 1

2

2

12

2

22

12

112

2

112

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (11)

020202 2

1

1

22

1

12

22

222

1

221

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (12)

Формулы (9)(12) позволяют производить расчеты S ndash параметров

электронных схем используя метод узловых потенциалов Выражения (5)(8)

позволяют вычислить падающие и отраженные компоненты напряжения на

входе и выходе электронной схемы Сопротивления линий связи (источников

сигналов) при этом рассматриваются как обычные сопротивления

217 Добротность резонансов АЧХ функции цепи

Добротность резонансов АЧХ для рассчитываемых параметров удобнее

всего определять через производную фазовой характеристики по частоте g(f) =

ndash05fdφdf где φ ndash фаза в радианах Если значение вспомогательной функции g

в точке максимума не превышает значения 05 то резонанса нет те АЧХ

анализируемой функции цепи соответствует апериодическому звену Если

значение в точке максимума gt 05 то резонанс есть и тогда частота максимума

функции g(f) соответствует частоте резонанса а значение этой функции в точке

максимума равно значению добротности резонанса

218 Годограф (амплитудно-фазовая характеристика) функции цепи

Годограф функции цепи ndash это траектория движения по комплексной

плоскости конца вектора соответствующего значению комплексной функции

цепи на данной частоте при изменении частоты от начального значения до

конечного При построении этого графика по горизонтальной оси

откладывается реальная часть функции цепи а по вертикальной ndash мнимая

часть Расстояние от начала координат до какой-либо точки графика

соответствует модулю функции цепи в данной частотной точке Угол между

реальной осью и вектором проведенным из начала координат в данную точку

соответствует фазе функции цепи в данной частотной точке Поэтому годограф

еще называют амплитудно-фазовой характеристикой исследуемой функции

цепи

3 Моделирование электронных схем

В рамках данной дисциплины электронные схемы рассматриваются в

линейном приближении когда связи между токами и напряжениями

записываются с помощью систем линейных уравнений В качестве основного

метода анализа выбран метод узловых потенциалов поскольку он может быть

алгоритмизирован наиболее просто

Процесс моделирования электронной схемы при этом разбивается на

следующие стадии

1 Представление электронных компонентов их внутренними моделями

которые представляют собой некоторые специальные электронные схемы

содержащие элементарные двухполюсники (такие как резисторы

конденсаторы катушки индуктивности) и управляемые напряжением

источники тока (ИТУН) с комплексными значениями крутизны передачи

2 Подключение к схеме источника сигнала нужного типа (это может быть

источник тока или источник напряжения)

3 Преобразование (при необходимости) источника напряжения в источник

тока

4 Выделение узлов схемы и их нумерация

5 Представление искомой функции цепи через узловые потенциалы

6 Формирование матрицы проводимости схемы

7 Формирование вектора токов схемы

8 Решение системы уравнений по методу узловых потенциалов и

вычисление значений узловых потенциалов схемы

9 Вычисление значения искомой функции цепи путем подстановки значений

узловых потенциалов определенных в пункте 8 в выражение

определенное в пункте 5

Поскольку в основе метода узловых потенциалов лежит матрица

проводимости то все компоненты схемы должны быть описаны их

проводимостями

Рассмотрим модели основных компонентов входящих в схему

31 Модели пассивных двухполюсников

Резисторы с сопротивлением R при моделировании электронной схемы

характеризуются величиной проводимости yR = 1R Таким образом резисторы

с нулевым сопротивлением не могут присутствовать в схеме тк их

проводимость при этом бесконечна а такие значения не могут участвовать в

расчетах Резисторы с бесконечным сопротивлением при этом использовать

можно тк их проводимость будут равна нулю (такие резисторы соответствуют

разрыву линии)

Конденсаторы с величиной емкости C на частоте ω = 2∙π∙f

характеризуются величиной проводимости yC = j∙ω∙C = p∙C Здесь p ndash так

называемая комплексная частота Конденсаторы с нулевой емкостью имеют

нулевую проводимость и соответствуют разрыву линии На нулевой частоте

(те на постоянном токе) все конденсаторы имеют нулевую проводимость

Катушки индуктивности с величиной индуктивности L на частоте ω =

2∙π∙f характеризуются величиной проводимости yL = 1(j∙ω∙L) = 1(p∙L) Если в

схеме есть хотя бы одна индуктивность то нулевую частоту при расчете

параметров схемы использовать нельзя тк на нулевой частоте (на постоянном

токе) проводимость индуктивности становится бесконечной (индуктивность

превращается в замычку) Обойти данное ограничение можно если считать что

индуктивность имеет отличное от нуля сопротивление по постоянному току RL

(например 001 Ом) Тогда при расчете проводимости индуктивности нужно

использовать такое выражение yL = 1(RL+p∙L)

В случае когда интерес представляют потенциалы только некоторых

узлов схемы (например входных и выходных) можно сократить число узловых

потенциалов объединяя вместе последовательно соединенные компоненты

схемы и рассматривая их совокупность как один более сложный компонент

Например последовательный колебательный контур составленный из

последовательно соединенных резистора R индуктивности L и емкости C

будет иметь проводимость yRLC = 1(R+p∙L+1(p∙C)) Это выражение позволяет

вычислить проводимости более простых совокупностей компонентов

например последовательного соединения резистора и емкости (тогда в этой

формуле полагаем L = 0) или емкости и индуктивности (тогда полагаем R = 0)

32 Линейная модель диода

Математическая модель диода приведена в [1] эквивалентная схема

диода в линейном приближении приведена ниже на рисунке В этой схеме Rs ndash

объемное сопротивление материала полупроводника

(справочный параметр) G ndash дифференциальная

проводимость PN ndash перехода (зависит от величины

прямого тока диода) С ndash емкость PN ndash перехода

(зависит от величины прямого тока через диод и от

величины обратного напряжения на диоде)

Приведем формулы для расчета параметров

модели

G

Rs

C Линеаризованная

модель диода

Дифференциальная проводимость

0

0 0

IdVd

G N Vt

Vd

Здесь Vd ndash прямое напряжение на диоде Id ndash величина прямого тока через

диод N ndash коэффициент неидеальности PN ndash перехода Vt ndash температурный

потенциал (Vt = k∙Tq где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная

температура PN ndash перехода q ndash заряд электрона) При комнатной температуре

Vt asymp 26 мВ Условие Vd gt 0 соответствует прямосмещенному PN ndash переходу

когда через диод протекает постоянный ток Id Условие Vd lt 0 соответствует

обратносмещенному PN ndash переходу когда диод заперт

Емкость диода

1

0

1

0 1 1

1

M

M

CJTT G Vd FC VJ

Vd

VJC

VdCJ FC M M

VJTT G Vd FC VJ

FC

В этой формуле Vd ndash прямое напряжение на диоде CJ0 ndash начальная

барьерная емкость диода (справочный параметр значение по умолчанию = 0)

M ndash коэффициент плавности PN ndash перехода (справочный параметр значение по

умолчанию = 033) FC ndash коэффициент нелинейности прямосмещенного PN ndash

перехода (справочный параметр значение по умолчанию = 05) VJ ndash

контактная разность потенциалов (справочный параметр значение по

умолчанию = 075) TT ndash время переноса заряда (справочный параметр

значение по умолчанию = 0) G ndash дифференциальная проводимость PN ndash

перехода зависящая от режима по постоянному току и рассчитываемая по

предыдущей формуле

Если нас не интересует потенциал внутреннего узла модели диода то его

можно рассматривать как двухполюсник с проводимостью yd которая

вычисляется по формуле

1

p C Gyd

Rs p C G

где p ndash комплексная частота Данная формула работоспособна при любых

допустимых значениях параметров диода В частности в ней можно

использовать нулевое значение объемного сопротивления Rs нулевое значение

емкости C и нулевое значение проводимости G

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 4: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

напряжения Далее определяется напряжение на выходе схемы в данном

случае оно равно коэффициенту передачи по напряжению Ku = Uout|Uin=1

3 На вход схемы подключают идеальный источник напряжения единичной

величины Если этот источник одним концом соединен с общим проводом

(что является очень распространенным случаем) то можно не делать

преобразования источника напряжения в источник тока а использовать

правило включения идеального источника напряжения в матрицу

проводимости В этом случае так же как и во втором коэффициент

передачи по напряжению Ku = Uout|Uin=1

Во всех трех случаях получаются разные матрицы проводимости и

возможно разные векторы токов но результаты расчетов оказываются

одинаковыми Выбор того или иного метода расчета определяется либо

особенностями схемы либо вариантом задания

22 Коэффициент передачи по току (Ki)

Коэффициент передачи по току определяется как отношение тока в

нагрузке к величине входного тока Если на вход подключить источник тока

единичной величины то коэффициент передачи по току будет равен току в

нагрузке который в свою очередь можно определить по закону Ома через

напряжение на нагрузке (выходное напряжение) и сопротивление нагрузки

Ki = UoutZLoad|Iin=1

23 Коэффициент передачи по мощности (Kp)

Коэффициент передачи по мощности определяется как отношение

мощности в нагрузке (Pout) к величине мощности развиваемой источником

сигнала (Pin) Kp = PoutPin Если подключить ко входу схемы источник

единичного тока то мощность в нагрузке Pout = Uout2ZLoad|Iin=1 а мощность

источника сигнала будет совпадать с величиной входного напряжения Pin =

Uin|Iin=1 Из этих соотношений получаем выражение для коэффициента

передачи по мощности Kp = Uout2(Uin∙ZLoad)|Iin=1 = Ku∙Ki

24 Входное сопротивление схемы (Zin)

Входное сопротивление схемы определяется как отношение напряжения

на входе к величине входного тока Если на вход схемы подключить идеальный

источник тока единичной величины то входное сопротивление будет равно

величине входного напряжения Zin = Uin|Iin=1

25 Входная проводимость схемы (Yin)

Входная проводимость определяется как величина обратная входному

сопротивлению Yin = 1Zin Исходя из предыдущего выражения можно

записать Yin = 1Uin|Iin=1

26 Выходное сопротивление (Zout) и выходная проводимость (Yout)

Выходное сопротивление и выходная проводимость определяются так же

как и входное сопротивление и входная проводимость только единичный

источник тока сигнала подключается к выходу а напряжение измеряется на

выходе схемы Zout = Uout|Iout=1 Yout = 1Uout|Iout=1

27 Входное последовательное сопротивление (Rs)

При измерении на некоторой частоте комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Rs = Re(Zin)

28 Входная последовательная емкость (Cs)

При измерении на некоторой частоте f комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Xs = Im(Zin) Если

рассматривать реактивное сопротивление как сопротивление емкости Cs то

величина этой емкости может быть определена по формуле Cs = -1(2∙π∙f∙Xs) =

-1(2∙π∙f∙Im(Zin)) Положительное (физически реализуемое) значение емкости

при этом может получиться только при отрицательном значении мнимой части

входного сопротивления Если это условие не выполняется то реактивное

сопротивление Xs соответствует последовательной индуктивности Ls

29 Входная последовательная индуктивность (Ls)

При измерении на некоторой частоте f комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Xs = Im(Zin) Если

рассматривать реактивное сопротивление как сопротивление индуктивности

Ls то величина этой индуктивности может быть определена по формуле Ls =

Xs(2∙π∙f) = Im(Zin)(2∙π∙f) Положительное (физически реализуемое) значение

индуктивности при этом может получиться только при положительном

значении мнимой части входного сопротивления Если это условие не

выполняется то реактивное сопротивление Xs соответствует последовательной

емкости Cs

210 Входное параллельное сопротивление (Rp)

При измерении на некоторой частоте комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Gp = Re(Yin) Получаем

что Rp = 1Gp = 1Re(Yin)

211 Входная параллельная емкость (Cp)

При измерении на некоторой частоте f комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Ys = Im(Yin) Если

рассматривать реактивную проводимость как проводимость емкости Cp то

величина этой емкости может быть определена по формуле Cp = Yp(2∙π∙f) =

Im(Yin)(2∙π∙f) Положительное (физически реализуемое) значение емкости при

этом может получиться только при положительном значении мнимой части

входной проводимости Если это условие не выполняется то реактивная

проводимость Yp соответствует параллельной индуктивности Lp

212 Входная параллельная индуктивность (Lp)

При измерении на некоторой частоте f комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Yp = Im(Yin) Если

рассматривать реактивную проводимость как проводимость индуктивности Lp

то величина этой индуктивности может быть определена по формуле Lp = -

1(2∙π∙f∙Yp) = -1(2∙π∙f∙Im(Yin)) Положительное (физически реализуемое)

значение индуктивности при этом может получиться только при отрицательном

значении мнимой части входной проводимости Если это условие не

выполняется то реактивная проводимость Yp соответствует параллельной

емкости Cp

213 Четырехполюсные Z ndash параметры (компоненты матрицы

сопротивлений четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Z ndash параметров используется режим

холостого хода (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы сопротивлений) который соответствует нулевому току При этом

никакая нагрузка к четырехполюснику не подключается а в качестве источника

сигнала используется идеальный источник тока единичной величины При этом

компоненты матрицы сопротивлений определяются так

Z11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход свободен)

Z12 = Uin|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

Z21 = Uout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход свободен)

Z22 = Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

214 Четырехполюсные Y ndash параметры (компоненты матрицы

проводимости четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Y ndash параметров используется режим

короткого замыкания (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы проводимости) который соответствует нулевому напряжению

Нулевое напряжение получается при замыкании выходных (или входных)

зажимов схемы что приводит к изменению количества узлов схемы Ток на

выходе (или на входе) можно найти на основании первого закона Кирхгофа как

алгебраическую сумму токов текущих через некоторые сопротивления и

источники тока (как зависимые так и независимые) В этом случае выражение

для выходного тока усложняется но в конечном счете оно все равно сводится

к выражению через узловые потенциалы

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

тока то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = 1Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = IinUout (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = IoutUin (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = 1Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

ЭДС то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = Iin|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = Iin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = Iout|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

215 Четырехполюсные H ndash параметры (компоненты гибридной

матрицы четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных H ndash параметров используется режим

короткого замыкания на выходе и холостого тока на входе Ток на выходе

можно найти так же как он определяется при вычислении четырехполюсных Y

ndash параметров

Если в качестве источников сигнала использовать единичный источник

тока на входе и единичный источник ЭДС на выходе то выражения для

компонентов гибридной матрицы четырехполюсника можно записать так

H11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H12 = Uin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход

свободен)

H21 = Iout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход свободен)

216 Четырехполюсные S ndash параметры (параметры рассеяния)

В высокочастотных схемах измерение напряжений и токов

непосредственно на входе и выходе схемы становится проблематичным

поскольку любые соединительные провода подключаемые к схеме на высоких

частотах представляют собой длинные линии которые имеют собственные

сопротивления

Поэтому на высоких частотах измеряют так называемые падающие и

отраженные компоненты сигнала При этом под сигналами понимают

квадратный корень из мощности

Падающий сигнал ndash это такой сигнал который мог бы получиться в

случае идеального согласования сопротивления нагрузки с сопротивлением

источника сигнала Для источника синусоидального сигнала с амплитудой

напряжения E и сопротивлением R падающий сигнал равен

2

Ea

R (1)

Отраженный сигнал ndash это разность между падающим сигналом и

действительным сигналом на нагрузке

R

EVн

R

EVнEVн

R

VнEVн

R

EIнVнab

2

2

2

44

4

2222 (2)

Заметим что другое возможное значение (со знаком минус) является

неправильным тк при этом не выполняются фазовые соотношения для

напряжения (в данном кратком изложении не рассматриваются)

Размерность падающих и отраженных компонент сигналов равна В Ом

(или Вт )

В случае четырехполюсника получается система уравнений

связывающих между собой падающие и отраженные компоненты на входе и на

выходе 1 11 1 12 2

2 21 1 22 2

b S a S a

b S a S a (3)

При этом уже имеется два источника сигнала E1 ndash на входе E2 ndash на

выходе Очевидно что a1=0 при E1=0 и a2=0 при Е2=0

Из (3) можно записать правила определения S ndash параметров

2 0 2 0 1 0 1 0

2 0 2 0 1 0 1 0

1 1 1 111 12

1 1 2 2

2 2 2 221 22

1 1 2 2

a E a E

a E a E

b b b bS S

a a a a

b b b bS S

a a a a

(4)

Из этих выражений виден физически смысл S ndash параметров S11 ndash это

коэффициент отражения сигнала на входе схемы S22 ndash коэффициент

отражения от выхода S21 ndash прямой коэффициент передачи по напряжению

(корень из коэффициента передачи по мощности со входа на выход) S12 ndash

обратный коэффициент передачи по напряжению (корень из коэффициента

передачи по мощности с выхода на вход)

Выражения (4) необходимо преобразовать к виду в котором все

выражения записаны через параметры схемы и значения узловых потенциалов

Обозначим напряжения на входе и выходе четырехполюсника через V1 и V2

соответственно Тогда из (1) и (2) получаем

12

11

R

Ea (5)

22

22

R

Ea (6)

12

1121

R

EVb (7)

22

2222

R

EVb (8)

Подставляя (5)(8) в (4) получаем

020202

11

12

1

12

12

112

1

111

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (9)

010101

12

22

2

22

22

222

2

222

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (10)

010101 1

2

2

12

2

22

12

112

2

112

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (11)

020202 2

1

1

22

1

12

22

222

1

221

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (12)

Формулы (9)(12) позволяют производить расчеты S ndash параметров

электронных схем используя метод узловых потенциалов Выражения (5)(8)

позволяют вычислить падающие и отраженные компоненты напряжения на

входе и выходе электронной схемы Сопротивления линий связи (источников

сигналов) при этом рассматриваются как обычные сопротивления

217 Добротность резонансов АЧХ функции цепи

Добротность резонансов АЧХ для рассчитываемых параметров удобнее

всего определять через производную фазовой характеристики по частоте g(f) =

ndash05fdφdf где φ ndash фаза в радианах Если значение вспомогательной функции g

в точке максимума не превышает значения 05 то резонанса нет те АЧХ

анализируемой функции цепи соответствует апериодическому звену Если

значение в точке максимума gt 05 то резонанс есть и тогда частота максимума

функции g(f) соответствует частоте резонанса а значение этой функции в точке

максимума равно значению добротности резонанса

218 Годограф (амплитудно-фазовая характеристика) функции цепи

Годограф функции цепи ndash это траектория движения по комплексной

плоскости конца вектора соответствующего значению комплексной функции

цепи на данной частоте при изменении частоты от начального значения до

конечного При построении этого графика по горизонтальной оси

откладывается реальная часть функции цепи а по вертикальной ndash мнимая

часть Расстояние от начала координат до какой-либо точки графика

соответствует модулю функции цепи в данной частотной точке Угол между

реальной осью и вектором проведенным из начала координат в данную точку

соответствует фазе функции цепи в данной частотной точке Поэтому годограф

еще называют амплитудно-фазовой характеристикой исследуемой функции

цепи

3 Моделирование электронных схем

В рамках данной дисциплины электронные схемы рассматриваются в

линейном приближении когда связи между токами и напряжениями

записываются с помощью систем линейных уравнений В качестве основного

метода анализа выбран метод узловых потенциалов поскольку он может быть

алгоритмизирован наиболее просто

Процесс моделирования электронной схемы при этом разбивается на

следующие стадии

1 Представление электронных компонентов их внутренними моделями

которые представляют собой некоторые специальные электронные схемы

содержащие элементарные двухполюсники (такие как резисторы

конденсаторы катушки индуктивности) и управляемые напряжением

источники тока (ИТУН) с комплексными значениями крутизны передачи

2 Подключение к схеме источника сигнала нужного типа (это может быть

источник тока или источник напряжения)

3 Преобразование (при необходимости) источника напряжения в источник

тока

4 Выделение узлов схемы и их нумерация

5 Представление искомой функции цепи через узловые потенциалы

6 Формирование матрицы проводимости схемы

7 Формирование вектора токов схемы

8 Решение системы уравнений по методу узловых потенциалов и

вычисление значений узловых потенциалов схемы

9 Вычисление значения искомой функции цепи путем подстановки значений

узловых потенциалов определенных в пункте 8 в выражение

определенное в пункте 5

Поскольку в основе метода узловых потенциалов лежит матрица

проводимости то все компоненты схемы должны быть описаны их

проводимостями

Рассмотрим модели основных компонентов входящих в схему

31 Модели пассивных двухполюсников

Резисторы с сопротивлением R при моделировании электронной схемы

характеризуются величиной проводимости yR = 1R Таким образом резисторы

с нулевым сопротивлением не могут присутствовать в схеме тк их

проводимость при этом бесконечна а такие значения не могут участвовать в

расчетах Резисторы с бесконечным сопротивлением при этом использовать

можно тк их проводимость будут равна нулю (такие резисторы соответствуют

разрыву линии)

Конденсаторы с величиной емкости C на частоте ω = 2∙π∙f

характеризуются величиной проводимости yC = j∙ω∙C = p∙C Здесь p ndash так

называемая комплексная частота Конденсаторы с нулевой емкостью имеют

нулевую проводимость и соответствуют разрыву линии На нулевой частоте

(те на постоянном токе) все конденсаторы имеют нулевую проводимость

Катушки индуктивности с величиной индуктивности L на частоте ω =

2∙π∙f характеризуются величиной проводимости yL = 1(j∙ω∙L) = 1(p∙L) Если в

схеме есть хотя бы одна индуктивность то нулевую частоту при расчете

параметров схемы использовать нельзя тк на нулевой частоте (на постоянном

токе) проводимость индуктивности становится бесконечной (индуктивность

превращается в замычку) Обойти данное ограничение можно если считать что

индуктивность имеет отличное от нуля сопротивление по постоянному току RL

(например 001 Ом) Тогда при расчете проводимости индуктивности нужно

использовать такое выражение yL = 1(RL+p∙L)

В случае когда интерес представляют потенциалы только некоторых

узлов схемы (например входных и выходных) можно сократить число узловых

потенциалов объединяя вместе последовательно соединенные компоненты

схемы и рассматривая их совокупность как один более сложный компонент

Например последовательный колебательный контур составленный из

последовательно соединенных резистора R индуктивности L и емкости C

будет иметь проводимость yRLC = 1(R+p∙L+1(p∙C)) Это выражение позволяет

вычислить проводимости более простых совокупностей компонентов

например последовательного соединения резистора и емкости (тогда в этой

формуле полагаем L = 0) или емкости и индуктивности (тогда полагаем R = 0)

32 Линейная модель диода

Математическая модель диода приведена в [1] эквивалентная схема

диода в линейном приближении приведена ниже на рисунке В этой схеме Rs ndash

объемное сопротивление материала полупроводника

(справочный параметр) G ndash дифференциальная

проводимость PN ndash перехода (зависит от величины

прямого тока диода) С ndash емкость PN ndash перехода

(зависит от величины прямого тока через диод и от

величины обратного напряжения на диоде)

Приведем формулы для расчета параметров

модели

G

Rs

C Линеаризованная

модель диода

Дифференциальная проводимость

0

0 0

IdVd

G N Vt

Vd

Здесь Vd ndash прямое напряжение на диоде Id ndash величина прямого тока через

диод N ndash коэффициент неидеальности PN ndash перехода Vt ndash температурный

потенциал (Vt = k∙Tq где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная

температура PN ndash перехода q ndash заряд электрона) При комнатной температуре

Vt asymp 26 мВ Условие Vd gt 0 соответствует прямосмещенному PN ndash переходу

когда через диод протекает постоянный ток Id Условие Vd lt 0 соответствует

обратносмещенному PN ndash переходу когда диод заперт

Емкость диода

1

0

1

0 1 1

1

M

M

CJTT G Vd FC VJ

Vd

VJC

VdCJ FC M M

VJTT G Vd FC VJ

FC

В этой формуле Vd ndash прямое напряжение на диоде CJ0 ndash начальная

барьерная емкость диода (справочный параметр значение по умолчанию = 0)

M ndash коэффициент плавности PN ndash перехода (справочный параметр значение по

умолчанию = 033) FC ndash коэффициент нелинейности прямосмещенного PN ndash

перехода (справочный параметр значение по умолчанию = 05) VJ ndash

контактная разность потенциалов (справочный параметр значение по

умолчанию = 075) TT ndash время переноса заряда (справочный параметр

значение по умолчанию = 0) G ndash дифференциальная проводимость PN ndash

перехода зависящая от режима по постоянному току и рассчитываемая по

предыдущей формуле

Если нас не интересует потенциал внутреннего узла модели диода то его

можно рассматривать как двухполюсник с проводимостью yd которая

вычисляется по формуле

1

p C Gyd

Rs p C G

где p ndash комплексная частота Данная формула работоспособна при любых

допустимых значениях параметров диода В частности в ней можно

использовать нулевое значение объемного сопротивления Rs нулевое значение

емкости C и нулевое значение проводимости G

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 5: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

25 Входная проводимость схемы (Yin)

Входная проводимость определяется как величина обратная входному

сопротивлению Yin = 1Zin Исходя из предыдущего выражения можно

записать Yin = 1Uin|Iin=1

26 Выходное сопротивление (Zout) и выходная проводимость (Yout)

Выходное сопротивление и выходная проводимость определяются так же

как и входное сопротивление и входная проводимость только единичный

источник тока сигнала подключается к выходу а напряжение измеряется на

выходе схемы Zout = Uout|Iout=1 Yout = 1Uout|Iout=1

27 Входное последовательное сопротивление (Rs)

При измерении на некоторой частоте комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Rs = Re(Zin)

28 Входная последовательная емкость (Cs)

При измерении на некоторой частоте f комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Xs = Im(Zin) Если

рассматривать реактивное сопротивление как сопротивление емкости Cs то

величина этой емкости может быть определена по формуле Cs = -1(2∙π∙f∙Xs) =

-1(2∙π∙f∙Im(Zin)) Положительное (физически реализуемое) значение емкости

при этом может получиться только при отрицательном значении мнимой части

входного сопротивления Если это условие не выполняется то реактивное

сопротивление Xs соответствует последовательной индуктивности Ls

29 Входная последовательная индуктивность (Ls)

При измерении на некоторой частоте f комплексного входного

сопротивления Zin схемы полученное значение можно представить как

последовательное соединение активного сопротивления Rs и реактивного

сопротивления Xs Zin = Rs + j∙Xs Отсюда следует что Xs = Im(Zin) Если

рассматривать реактивное сопротивление как сопротивление индуктивности

Ls то величина этой индуктивности может быть определена по формуле Ls =

Xs(2∙π∙f) = Im(Zin)(2∙π∙f) Положительное (физически реализуемое) значение

индуктивности при этом может получиться только при положительном

значении мнимой части входного сопротивления Если это условие не

выполняется то реактивное сопротивление Xs соответствует последовательной

емкости Cs

210 Входное параллельное сопротивление (Rp)

При измерении на некоторой частоте комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Gp = Re(Yin) Получаем

что Rp = 1Gp = 1Re(Yin)

211 Входная параллельная емкость (Cp)

При измерении на некоторой частоте f комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Ys = Im(Yin) Если

рассматривать реактивную проводимость как проводимость емкости Cp то

величина этой емкости может быть определена по формуле Cp = Yp(2∙π∙f) =

Im(Yin)(2∙π∙f) Положительное (физически реализуемое) значение емкости при

этом может получиться только при положительном значении мнимой части

входной проводимости Если это условие не выполняется то реактивная

проводимость Yp соответствует параллельной индуктивности Lp

212 Входная параллельная индуктивность (Lp)

При измерении на некоторой частоте f комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Yp = Im(Yin) Если

рассматривать реактивную проводимость как проводимость индуктивности Lp

то величина этой индуктивности может быть определена по формуле Lp = -

1(2∙π∙f∙Yp) = -1(2∙π∙f∙Im(Yin)) Положительное (физически реализуемое)

значение индуктивности при этом может получиться только при отрицательном

значении мнимой части входной проводимости Если это условие не

выполняется то реактивная проводимость Yp соответствует параллельной

емкости Cp

213 Четырехполюсные Z ndash параметры (компоненты матрицы

сопротивлений четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Z ndash параметров используется режим

холостого хода (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы сопротивлений) который соответствует нулевому току При этом

никакая нагрузка к четырехполюснику не подключается а в качестве источника

сигнала используется идеальный источник тока единичной величины При этом

компоненты матрицы сопротивлений определяются так

Z11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход свободен)

Z12 = Uin|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

Z21 = Uout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход свободен)

Z22 = Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

214 Четырехполюсные Y ndash параметры (компоненты матрицы

проводимости четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Y ndash параметров используется режим

короткого замыкания (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы проводимости) который соответствует нулевому напряжению

Нулевое напряжение получается при замыкании выходных (или входных)

зажимов схемы что приводит к изменению количества узлов схемы Ток на

выходе (или на входе) можно найти на основании первого закона Кирхгофа как

алгебраическую сумму токов текущих через некоторые сопротивления и

источники тока (как зависимые так и независимые) В этом случае выражение

для выходного тока усложняется но в конечном счете оно все равно сводится

к выражению через узловые потенциалы

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

тока то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = 1Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = IinUout (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = IoutUin (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = 1Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

ЭДС то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = Iin|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = Iin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = Iout|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

215 Четырехполюсные H ndash параметры (компоненты гибридной

матрицы четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных H ndash параметров используется режим

короткого замыкания на выходе и холостого тока на входе Ток на выходе

можно найти так же как он определяется при вычислении четырехполюсных Y

ndash параметров

Если в качестве источников сигнала использовать единичный источник

тока на входе и единичный источник ЭДС на выходе то выражения для

компонентов гибридной матрицы четырехполюсника можно записать так

H11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H12 = Uin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход

свободен)

H21 = Iout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход свободен)

216 Четырехполюсные S ndash параметры (параметры рассеяния)

В высокочастотных схемах измерение напряжений и токов

непосредственно на входе и выходе схемы становится проблематичным

поскольку любые соединительные провода подключаемые к схеме на высоких

частотах представляют собой длинные линии которые имеют собственные

сопротивления

Поэтому на высоких частотах измеряют так называемые падающие и

отраженные компоненты сигнала При этом под сигналами понимают

квадратный корень из мощности

Падающий сигнал ndash это такой сигнал который мог бы получиться в

случае идеального согласования сопротивления нагрузки с сопротивлением

источника сигнала Для источника синусоидального сигнала с амплитудой

напряжения E и сопротивлением R падающий сигнал равен

2

Ea

R (1)

Отраженный сигнал ndash это разность между падающим сигналом и

действительным сигналом на нагрузке

R

EVн

R

EVнEVн

R

VнEVн

R

EIнVнab

2

2

2

44

4

2222 (2)

Заметим что другое возможное значение (со знаком минус) является

неправильным тк при этом не выполняются фазовые соотношения для

напряжения (в данном кратком изложении не рассматриваются)

Размерность падающих и отраженных компонент сигналов равна В Ом

(или Вт )

В случае четырехполюсника получается система уравнений

связывающих между собой падающие и отраженные компоненты на входе и на

выходе 1 11 1 12 2

2 21 1 22 2

b S a S a

b S a S a (3)

При этом уже имеется два источника сигнала E1 ndash на входе E2 ndash на

выходе Очевидно что a1=0 при E1=0 и a2=0 при Е2=0

Из (3) можно записать правила определения S ndash параметров

2 0 2 0 1 0 1 0

2 0 2 0 1 0 1 0

1 1 1 111 12

1 1 2 2

2 2 2 221 22

1 1 2 2

a E a E

a E a E

b b b bS S

a a a a

b b b bS S

a a a a

(4)

Из этих выражений виден физически смысл S ndash параметров S11 ndash это

коэффициент отражения сигнала на входе схемы S22 ndash коэффициент

отражения от выхода S21 ndash прямой коэффициент передачи по напряжению

(корень из коэффициента передачи по мощности со входа на выход) S12 ndash

обратный коэффициент передачи по напряжению (корень из коэффициента

передачи по мощности с выхода на вход)

Выражения (4) необходимо преобразовать к виду в котором все

выражения записаны через параметры схемы и значения узловых потенциалов

Обозначим напряжения на входе и выходе четырехполюсника через V1 и V2

соответственно Тогда из (1) и (2) получаем

12

11

R

Ea (5)

22

22

R

Ea (6)

12

1121

R

EVb (7)

22

2222

R

EVb (8)

Подставляя (5)(8) в (4) получаем

020202

11

12

1

12

12

112

1

111

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (9)

010101

12

22

2

22

22

222

2

222

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (10)

010101 1

2

2

12

2

22

12

112

2

112

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (11)

020202 2

1

1

22

1

12

22

222

1

221

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (12)

Формулы (9)(12) позволяют производить расчеты S ndash параметров

электронных схем используя метод узловых потенциалов Выражения (5)(8)

позволяют вычислить падающие и отраженные компоненты напряжения на

входе и выходе электронной схемы Сопротивления линий связи (источников

сигналов) при этом рассматриваются как обычные сопротивления

217 Добротность резонансов АЧХ функции цепи

Добротность резонансов АЧХ для рассчитываемых параметров удобнее

всего определять через производную фазовой характеристики по частоте g(f) =

ndash05fdφdf где φ ndash фаза в радианах Если значение вспомогательной функции g

в точке максимума не превышает значения 05 то резонанса нет те АЧХ

анализируемой функции цепи соответствует апериодическому звену Если

значение в точке максимума gt 05 то резонанс есть и тогда частота максимума

функции g(f) соответствует частоте резонанса а значение этой функции в точке

максимума равно значению добротности резонанса

218 Годограф (амплитудно-фазовая характеристика) функции цепи

Годограф функции цепи ndash это траектория движения по комплексной

плоскости конца вектора соответствующего значению комплексной функции

цепи на данной частоте при изменении частоты от начального значения до

конечного При построении этого графика по горизонтальной оси

откладывается реальная часть функции цепи а по вертикальной ndash мнимая

часть Расстояние от начала координат до какой-либо точки графика

соответствует модулю функции цепи в данной частотной точке Угол между

реальной осью и вектором проведенным из начала координат в данную точку

соответствует фазе функции цепи в данной частотной точке Поэтому годограф

еще называют амплитудно-фазовой характеристикой исследуемой функции

цепи

3 Моделирование электронных схем

В рамках данной дисциплины электронные схемы рассматриваются в

линейном приближении когда связи между токами и напряжениями

записываются с помощью систем линейных уравнений В качестве основного

метода анализа выбран метод узловых потенциалов поскольку он может быть

алгоритмизирован наиболее просто

Процесс моделирования электронной схемы при этом разбивается на

следующие стадии

1 Представление электронных компонентов их внутренними моделями

которые представляют собой некоторые специальные электронные схемы

содержащие элементарные двухполюсники (такие как резисторы

конденсаторы катушки индуктивности) и управляемые напряжением

источники тока (ИТУН) с комплексными значениями крутизны передачи

2 Подключение к схеме источника сигнала нужного типа (это может быть

источник тока или источник напряжения)

3 Преобразование (при необходимости) источника напряжения в источник

тока

4 Выделение узлов схемы и их нумерация

5 Представление искомой функции цепи через узловые потенциалы

6 Формирование матрицы проводимости схемы

7 Формирование вектора токов схемы

8 Решение системы уравнений по методу узловых потенциалов и

вычисление значений узловых потенциалов схемы

9 Вычисление значения искомой функции цепи путем подстановки значений

узловых потенциалов определенных в пункте 8 в выражение

определенное в пункте 5

Поскольку в основе метода узловых потенциалов лежит матрица

проводимости то все компоненты схемы должны быть описаны их

проводимостями

Рассмотрим модели основных компонентов входящих в схему

31 Модели пассивных двухполюсников

Резисторы с сопротивлением R при моделировании электронной схемы

характеризуются величиной проводимости yR = 1R Таким образом резисторы

с нулевым сопротивлением не могут присутствовать в схеме тк их

проводимость при этом бесконечна а такие значения не могут участвовать в

расчетах Резисторы с бесконечным сопротивлением при этом использовать

можно тк их проводимость будут равна нулю (такие резисторы соответствуют

разрыву линии)

Конденсаторы с величиной емкости C на частоте ω = 2∙π∙f

характеризуются величиной проводимости yC = j∙ω∙C = p∙C Здесь p ndash так

называемая комплексная частота Конденсаторы с нулевой емкостью имеют

нулевую проводимость и соответствуют разрыву линии На нулевой частоте

(те на постоянном токе) все конденсаторы имеют нулевую проводимость

Катушки индуктивности с величиной индуктивности L на частоте ω =

2∙π∙f характеризуются величиной проводимости yL = 1(j∙ω∙L) = 1(p∙L) Если в

схеме есть хотя бы одна индуктивность то нулевую частоту при расчете

параметров схемы использовать нельзя тк на нулевой частоте (на постоянном

токе) проводимость индуктивности становится бесконечной (индуктивность

превращается в замычку) Обойти данное ограничение можно если считать что

индуктивность имеет отличное от нуля сопротивление по постоянному току RL

(например 001 Ом) Тогда при расчете проводимости индуктивности нужно

использовать такое выражение yL = 1(RL+p∙L)

В случае когда интерес представляют потенциалы только некоторых

узлов схемы (например входных и выходных) можно сократить число узловых

потенциалов объединяя вместе последовательно соединенные компоненты

схемы и рассматривая их совокупность как один более сложный компонент

Например последовательный колебательный контур составленный из

последовательно соединенных резистора R индуктивности L и емкости C

будет иметь проводимость yRLC = 1(R+p∙L+1(p∙C)) Это выражение позволяет

вычислить проводимости более простых совокупностей компонентов

например последовательного соединения резистора и емкости (тогда в этой

формуле полагаем L = 0) или емкости и индуктивности (тогда полагаем R = 0)

32 Линейная модель диода

Математическая модель диода приведена в [1] эквивалентная схема

диода в линейном приближении приведена ниже на рисунке В этой схеме Rs ndash

объемное сопротивление материала полупроводника

(справочный параметр) G ndash дифференциальная

проводимость PN ndash перехода (зависит от величины

прямого тока диода) С ndash емкость PN ndash перехода

(зависит от величины прямого тока через диод и от

величины обратного напряжения на диоде)

Приведем формулы для расчета параметров

модели

G

Rs

C Линеаризованная

модель диода

Дифференциальная проводимость

0

0 0

IdVd

G N Vt

Vd

Здесь Vd ndash прямое напряжение на диоде Id ndash величина прямого тока через

диод N ndash коэффициент неидеальности PN ndash перехода Vt ndash температурный

потенциал (Vt = k∙Tq где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная

температура PN ndash перехода q ndash заряд электрона) При комнатной температуре

Vt asymp 26 мВ Условие Vd gt 0 соответствует прямосмещенному PN ndash переходу

когда через диод протекает постоянный ток Id Условие Vd lt 0 соответствует

обратносмещенному PN ndash переходу когда диод заперт

Емкость диода

1

0

1

0 1 1

1

M

M

CJTT G Vd FC VJ

Vd

VJC

VdCJ FC M M

VJTT G Vd FC VJ

FC

В этой формуле Vd ndash прямое напряжение на диоде CJ0 ndash начальная

барьерная емкость диода (справочный параметр значение по умолчанию = 0)

M ndash коэффициент плавности PN ndash перехода (справочный параметр значение по

умолчанию = 033) FC ndash коэффициент нелинейности прямосмещенного PN ndash

перехода (справочный параметр значение по умолчанию = 05) VJ ndash

контактная разность потенциалов (справочный параметр значение по

умолчанию = 075) TT ndash время переноса заряда (справочный параметр

значение по умолчанию = 0) G ndash дифференциальная проводимость PN ndash

перехода зависящая от режима по постоянному току и рассчитываемая по

предыдущей формуле

Если нас не интересует потенциал внутреннего узла модели диода то его

можно рассматривать как двухполюсник с проводимостью yd которая

вычисляется по формуле

1

p C Gyd

Rs p C G

где p ndash комплексная частота Данная формула работоспособна при любых

допустимых значениях параметров диода В частности в ней можно

использовать нулевое значение объемного сопротивления Rs нулевое значение

емкости C и нулевое значение проводимости G

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 6: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

210 Входное параллельное сопротивление (Rp)

При измерении на некоторой частоте комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Gp = Re(Yin) Получаем

что Rp = 1Gp = 1Re(Yin)

211 Входная параллельная емкость (Cp)

При измерении на некоторой частоте f комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Ys = Im(Yin) Если

рассматривать реактивную проводимость как проводимость емкости Cp то

величина этой емкости может быть определена по формуле Cp = Yp(2∙π∙f) =

Im(Yin)(2∙π∙f) Положительное (физически реализуемое) значение емкости при

этом может получиться только при положительном значении мнимой части

входной проводимости Если это условие не выполняется то реактивная

проводимость Yp соответствует параллельной индуктивности Lp

212 Входная параллельная индуктивность (Lp)

При измерении на некоторой частоте f комплексной входной

проводимости Yin схемы полученное значение можно представить как

параллельное соединение активной проводимости Gp и реактивной

проводимости Yp Yin = Gp + j∙Yp Отсюда следует что Yp = Im(Yin) Если

рассматривать реактивную проводимость как проводимость индуктивности Lp

то величина этой индуктивности может быть определена по формуле Lp = -

1(2∙π∙f∙Yp) = -1(2∙π∙f∙Im(Yin)) Положительное (физически реализуемое)

значение индуктивности при этом может получиться только при отрицательном

значении мнимой части входной проводимости Если это условие не

выполняется то реактивная проводимость Yp соответствует параллельной

емкости Cp

213 Четырехполюсные Z ndash параметры (компоненты матрицы

сопротивлений четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Z ndash параметров используется режим

холостого хода (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы сопротивлений) который соответствует нулевому току При этом

никакая нагрузка к четырехполюснику не подключается а в качестве источника

сигнала используется идеальный источник тока единичной величины При этом

компоненты матрицы сопротивлений определяются так

Z11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход свободен)

Z12 = Uin|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

Z21 = Uout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход свободен)

Z22 = Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

214 Четырехполюсные Y ndash параметры (компоненты матрицы

проводимости четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Y ndash параметров используется режим

короткого замыкания (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы проводимости) который соответствует нулевому напряжению

Нулевое напряжение получается при замыкании выходных (или входных)

зажимов схемы что приводит к изменению количества узлов схемы Ток на

выходе (или на входе) можно найти на основании первого закона Кирхгофа как

алгебраическую сумму токов текущих через некоторые сопротивления и

источники тока (как зависимые так и независимые) В этом случае выражение

для выходного тока усложняется но в конечном счете оно все равно сводится

к выражению через узловые потенциалы

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

тока то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = 1Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = IinUout (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = IoutUin (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = 1Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

ЭДС то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = Iin|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = Iin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = Iout|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

215 Четырехполюсные H ndash параметры (компоненты гибридной

матрицы четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных H ndash параметров используется режим

короткого замыкания на выходе и холостого тока на входе Ток на выходе

можно найти так же как он определяется при вычислении четырехполюсных Y

ndash параметров

Если в качестве источников сигнала использовать единичный источник

тока на входе и единичный источник ЭДС на выходе то выражения для

компонентов гибридной матрицы четырехполюсника можно записать так

H11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H12 = Uin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход

свободен)

H21 = Iout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход свободен)

216 Четырехполюсные S ndash параметры (параметры рассеяния)

В высокочастотных схемах измерение напряжений и токов

непосредственно на входе и выходе схемы становится проблематичным

поскольку любые соединительные провода подключаемые к схеме на высоких

частотах представляют собой длинные линии которые имеют собственные

сопротивления

Поэтому на высоких частотах измеряют так называемые падающие и

отраженные компоненты сигнала При этом под сигналами понимают

квадратный корень из мощности

Падающий сигнал ndash это такой сигнал который мог бы получиться в

случае идеального согласования сопротивления нагрузки с сопротивлением

источника сигнала Для источника синусоидального сигнала с амплитудой

напряжения E и сопротивлением R падающий сигнал равен

2

Ea

R (1)

Отраженный сигнал ndash это разность между падающим сигналом и

действительным сигналом на нагрузке

R

EVн

R

EVнEVн

R

VнEVн

R

EIнVнab

2

2

2

44

4

2222 (2)

Заметим что другое возможное значение (со знаком минус) является

неправильным тк при этом не выполняются фазовые соотношения для

напряжения (в данном кратком изложении не рассматриваются)

Размерность падающих и отраженных компонент сигналов равна В Ом

(или Вт )

В случае четырехполюсника получается система уравнений

связывающих между собой падающие и отраженные компоненты на входе и на

выходе 1 11 1 12 2

2 21 1 22 2

b S a S a

b S a S a (3)

При этом уже имеется два источника сигнала E1 ndash на входе E2 ndash на

выходе Очевидно что a1=0 при E1=0 и a2=0 при Е2=0

Из (3) можно записать правила определения S ndash параметров

2 0 2 0 1 0 1 0

2 0 2 0 1 0 1 0

1 1 1 111 12

1 1 2 2

2 2 2 221 22

1 1 2 2

a E a E

a E a E

b b b bS S

a a a a

b b b bS S

a a a a

(4)

Из этих выражений виден физически смысл S ndash параметров S11 ndash это

коэффициент отражения сигнала на входе схемы S22 ndash коэффициент

отражения от выхода S21 ndash прямой коэффициент передачи по напряжению

(корень из коэффициента передачи по мощности со входа на выход) S12 ndash

обратный коэффициент передачи по напряжению (корень из коэффициента

передачи по мощности с выхода на вход)

Выражения (4) необходимо преобразовать к виду в котором все

выражения записаны через параметры схемы и значения узловых потенциалов

Обозначим напряжения на входе и выходе четырехполюсника через V1 и V2

соответственно Тогда из (1) и (2) получаем

12

11

R

Ea (5)

22

22

R

Ea (6)

12

1121

R

EVb (7)

22

2222

R

EVb (8)

Подставляя (5)(8) в (4) получаем

020202

11

12

1

12

12

112

1

111

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (9)

010101

12

22

2

22

22

222

2

222

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (10)

010101 1

2

2

12

2

22

12

112

2

112

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (11)

020202 2

1

1

22

1

12

22

222

1

221

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (12)

Формулы (9)(12) позволяют производить расчеты S ndash параметров

электронных схем используя метод узловых потенциалов Выражения (5)(8)

позволяют вычислить падающие и отраженные компоненты напряжения на

входе и выходе электронной схемы Сопротивления линий связи (источников

сигналов) при этом рассматриваются как обычные сопротивления

217 Добротность резонансов АЧХ функции цепи

Добротность резонансов АЧХ для рассчитываемых параметров удобнее

всего определять через производную фазовой характеристики по частоте g(f) =

ndash05fdφdf где φ ndash фаза в радианах Если значение вспомогательной функции g

в точке максимума не превышает значения 05 то резонанса нет те АЧХ

анализируемой функции цепи соответствует апериодическому звену Если

значение в точке максимума gt 05 то резонанс есть и тогда частота максимума

функции g(f) соответствует частоте резонанса а значение этой функции в точке

максимума равно значению добротности резонанса

218 Годограф (амплитудно-фазовая характеристика) функции цепи

Годограф функции цепи ndash это траектория движения по комплексной

плоскости конца вектора соответствующего значению комплексной функции

цепи на данной частоте при изменении частоты от начального значения до

конечного При построении этого графика по горизонтальной оси

откладывается реальная часть функции цепи а по вертикальной ndash мнимая

часть Расстояние от начала координат до какой-либо точки графика

соответствует модулю функции цепи в данной частотной точке Угол между

реальной осью и вектором проведенным из начала координат в данную точку

соответствует фазе функции цепи в данной частотной точке Поэтому годограф

еще называют амплитудно-фазовой характеристикой исследуемой функции

цепи

3 Моделирование электронных схем

В рамках данной дисциплины электронные схемы рассматриваются в

линейном приближении когда связи между токами и напряжениями

записываются с помощью систем линейных уравнений В качестве основного

метода анализа выбран метод узловых потенциалов поскольку он может быть

алгоритмизирован наиболее просто

Процесс моделирования электронной схемы при этом разбивается на

следующие стадии

1 Представление электронных компонентов их внутренними моделями

которые представляют собой некоторые специальные электронные схемы

содержащие элементарные двухполюсники (такие как резисторы

конденсаторы катушки индуктивности) и управляемые напряжением

источники тока (ИТУН) с комплексными значениями крутизны передачи

2 Подключение к схеме источника сигнала нужного типа (это может быть

источник тока или источник напряжения)

3 Преобразование (при необходимости) источника напряжения в источник

тока

4 Выделение узлов схемы и их нумерация

5 Представление искомой функции цепи через узловые потенциалы

6 Формирование матрицы проводимости схемы

7 Формирование вектора токов схемы

8 Решение системы уравнений по методу узловых потенциалов и

вычисление значений узловых потенциалов схемы

9 Вычисление значения искомой функции цепи путем подстановки значений

узловых потенциалов определенных в пункте 8 в выражение

определенное в пункте 5

Поскольку в основе метода узловых потенциалов лежит матрица

проводимости то все компоненты схемы должны быть описаны их

проводимостями

Рассмотрим модели основных компонентов входящих в схему

31 Модели пассивных двухполюсников

Резисторы с сопротивлением R при моделировании электронной схемы

характеризуются величиной проводимости yR = 1R Таким образом резисторы

с нулевым сопротивлением не могут присутствовать в схеме тк их

проводимость при этом бесконечна а такие значения не могут участвовать в

расчетах Резисторы с бесконечным сопротивлением при этом использовать

можно тк их проводимость будут равна нулю (такие резисторы соответствуют

разрыву линии)

Конденсаторы с величиной емкости C на частоте ω = 2∙π∙f

характеризуются величиной проводимости yC = j∙ω∙C = p∙C Здесь p ndash так

называемая комплексная частота Конденсаторы с нулевой емкостью имеют

нулевую проводимость и соответствуют разрыву линии На нулевой частоте

(те на постоянном токе) все конденсаторы имеют нулевую проводимость

Катушки индуктивности с величиной индуктивности L на частоте ω =

2∙π∙f характеризуются величиной проводимости yL = 1(j∙ω∙L) = 1(p∙L) Если в

схеме есть хотя бы одна индуктивность то нулевую частоту при расчете

параметров схемы использовать нельзя тк на нулевой частоте (на постоянном

токе) проводимость индуктивности становится бесконечной (индуктивность

превращается в замычку) Обойти данное ограничение можно если считать что

индуктивность имеет отличное от нуля сопротивление по постоянному току RL

(например 001 Ом) Тогда при расчете проводимости индуктивности нужно

использовать такое выражение yL = 1(RL+p∙L)

В случае когда интерес представляют потенциалы только некоторых

узлов схемы (например входных и выходных) можно сократить число узловых

потенциалов объединяя вместе последовательно соединенные компоненты

схемы и рассматривая их совокупность как один более сложный компонент

Например последовательный колебательный контур составленный из

последовательно соединенных резистора R индуктивности L и емкости C

будет иметь проводимость yRLC = 1(R+p∙L+1(p∙C)) Это выражение позволяет

вычислить проводимости более простых совокупностей компонентов

например последовательного соединения резистора и емкости (тогда в этой

формуле полагаем L = 0) или емкости и индуктивности (тогда полагаем R = 0)

32 Линейная модель диода

Математическая модель диода приведена в [1] эквивалентная схема

диода в линейном приближении приведена ниже на рисунке В этой схеме Rs ndash

объемное сопротивление материала полупроводника

(справочный параметр) G ndash дифференциальная

проводимость PN ndash перехода (зависит от величины

прямого тока диода) С ndash емкость PN ndash перехода

(зависит от величины прямого тока через диод и от

величины обратного напряжения на диоде)

Приведем формулы для расчета параметров

модели

G

Rs

C Линеаризованная

модель диода

Дифференциальная проводимость

0

0 0

IdVd

G N Vt

Vd

Здесь Vd ndash прямое напряжение на диоде Id ndash величина прямого тока через

диод N ndash коэффициент неидеальности PN ndash перехода Vt ndash температурный

потенциал (Vt = k∙Tq где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная

температура PN ndash перехода q ndash заряд электрона) При комнатной температуре

Vt asymp 26 мВ Условие Vd gt 0 соответствует прямосмещенному PN ndash переходу

когда через диод протекает постоянный ток Id Условие Vd lt 0 соответствует

обратносмещенному PN ndash переходу когда диод заперт

Емкость диода

1

0

1

0 1 1

1

M

M

CJTT G Vd FC VJ

Vd

VJC

VdCJ FC M M

VJTT G Vd FC VJ

FC

В этой формуле Vd ndash прямое напряжение на диоде CJ0 ndash начальная

барьерная емкость диода (справочный параметр значение по умолчанию = 0)

M ndash коэффициент плавности PN ndash перехода (справочный параметр значение по

умолчанию = 033) FC ndash коэффициент нелинейности прямосмещенного PN ndash

перехода (справочный параметр значение по умолчанию = 05) VJ ndash

контактная разность потенциалов (справочный параметр значение по

умолчанию = 075) TT ndash время переноса заряда (справочный параметр

значение по умолчанию = 0) G ndash дифференциальная проводимость PN ndash

перехода зависящая от режима по постоянному току и рассчитываемая по

предыдущей формуле

Если нас не интересует потенциал внутреннего узла модели диода то его

можно рассматривать как двухполюсник с проводимостью yd которая

вычисляется по формуле

1

p C Gyd

Rs p C G

где p ndash комплексная частота Данная формула работоспособна при любых

допустимых значениях параметров диода В частности в ней можно

использовать нулевое значение объемного сопротивления Rs нулевое значение

емкости C и нулевое значение проводимости G

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 7: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Z22 = Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход свободен)

214 Четырехполюсные Y ndash параметры (компоненты матрицы

проводимости четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных Y ndash параметров используется режим

короткого замыкания (на входе или выходе в зависимости от индексов члена

матрицы проводимости) который соответствует нулевому напряжению

Нулевое напряжение получается при замыкании выходных (или входных)

зажимов схемы что приводит к изменению количества узлов схемы Ток на

выходе (или на входе) можно найти на основании первого закона Кирхгофа как

алгебраическую сумму токов текущих через некоторые сопротивления и

источники тока (как зависимые так и независимые) В этом случае выражение

для выходного тока усложняется но в конечном счете оно все равно сводится

к выражению через узловые потенциалы

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

тока то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = 1Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = IinUout (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = IoutUin (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = 1Uout|Iout=1 (источник тока подключен к выходу вход замкнут)

Если в качестве источников сигнала использовать единичные источники

ЭДС то выражения для компонентов матрицы проводимости

четырехполюсника можно записать так

Y11 = Iin|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y12 = Iin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

Y21 = Iout|Uin=1 (источник напряжения подключен ко входу выход замкнут)

Y22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход замкнут)

215 Четырехполюсные H ndash параметры (компоненты гибридной

матрицы четырехполюсника)

При измерении четырехполюсных H ndash параметров используется режим

короткого замыкания на выходе и холостого тока на входе Ток на выходе

можно найти так же как он определяется при вычислении четырехполюсных Y

ndash параметров

Если в качестве источников сигнала использовать единичный источник

тока на входе и единичный источник ЭДС на выходе то выражения для

компонентов гибридной матрицы четырехполюсника можно записать так

H11 = Uin|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H12 = Uin|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход

свободен)

H21 = Iout|Iin=1 (источник тока подключен ко входу выход замкнут)

H22 = Iout|Uout=1 (источник напряжения подключен к выходу вход свободен)

216 Четырехполюсные S ndash параметры (параметры рассеяния)

В высокочастотных схемах измерение напряжений и токов

непосредственно на входе и выходе схемы становится проблематичным

поскольку любые соединительные провода подключаемые к схеме на высоких

частотах представляют собой длинные линии которые имеют собственные

сопротивления

Поэтому на высоких частотах измеряют так называемые падающие и

отраженные компоненты сигнала При этом под сигналами понимают

квадратный корень из мощности

Падающий сигнал ndash это такой сигнал который мог бы получиться в

случае идеального согласования сопротивления нагрузки с сопротивлением

источника сигнала Для источника синусоидального сигнала с амплитудой

напряжения E и сопротивлением R падающий сигнал равен

2

Ea

R (1)

Отраженный сигнал ndash это разность между падающим сигналом и

действительным сигналом на нагрузке

R

EVн

R

EVнEVн

R

VнEVн

R

EIнVнab

2

2

2

44

4

2222 (2)

Заметим что другое возможное значение (со знаком минус) является

неправильным тк при этом не выполняются фазовые соотношения для

напряжения (в данном кратком изложении не рассматриваются)

Размерность падающих и отраженных компонент сигналов равна В Ом

(или Вт )

В случае четырехполюсника получается система уравнений

связывающих между собой падающие и отраженные компоненты на входе и на

выходе 1 11 1 12 2

2 21 1 22 2

b S a S a

b S a S a (3)

При этом уже имеется два источника сигнала E1 ndash на входе E2 ndash на

выходе Очевидно что a1=0 при E1=0 и a2=0 при Е2=0

Из (3) можно записать правила определения S ndash параметров

2 0 2 0 1 0 1 0

2 0 2 0 1 0 1 0

1 1 1 111 12

1 1 2 2

2 2 2 221 22

1 1 2 2

a E a E

a E a E

b b b bS S

a a a a

b b b bS S

a a a a

(4)

Из этих выражений виден физически смысл S ndash параметров S11 ndash это

коэффициент отражения сигнала на входе схемы S22 ndash коэффициент

отражения от выхода S21 ndash прямой коэффициент передачи по напряжению

(корень из коэффициента передачи по мощности со входа на выход) S12 ndash

обратный коэффициент передачи по напряжению (корень из коэффициента

передачи по мощности с выхода на вход)

Выражения (4) необходимо преобразовать к виду в котором все

выражения записаны через параметры схемы и значения узловых потенциалов

Обозначим напряжения на входе и выходе четырехполюсника через V1 и V2

соответственно Тогда из (1) и (2) получаем

12

11

R

Ea (5)

22

22

R

Ea (6)

12

1121

R

EVb (7)

22

2222

R

EVb (8)

Подставляя (5)(8) в (4) получаем

020202

11

12

1

12

12

112

1

111

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (9)

010101

12

22

2

22

22

222

2

222

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (10)

010101 1

2

2

12

2

22

12

112

2

112

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (11)

020202 2

1

1

22

1

12

22

222

1

221

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (12)

Формулы (9)(12) позволяют производить расчеты S ndash параметров

электронных схем используя метод узловых потенциалов Выражения (5)(8)

позволяют вычислить падающие и отраженные компоненты напряжения на

входе и выходе электронной схемы Сопротивления линий связи (источников

сигналов) при этом рассматриваются как обычные сопротивления

217 Добротность резонансов АЧХ функции цепи

Добротность резонансов АЧХ для рассчитываемых параметров удобнее

всего определять через производную фазовой характеристики по частоте g(f) =

ndash05fdφdf где φ ndash фаза в радианах Если значение вспомогательной функции g

в точке максимума не превышает значения 05 то резонанса нет те АЧХ

анализируемой функции цепи соответствует апериодическому звену Если

значение в точке максимума gt 05 то резонанс есть и тогда частота максимума

функции g(f) соответствует частоте резонанса а значение этой функции в точке

максимума равно значению добротности резонанса

218 Годограф (амплитудно-фазовая характеристика) функции цепи

Годограф функции цепи ndash это траектория движения по комплексной

плоскости конца вектора соответствующего значению комплексной функции

цепи на данной частоте при изменении частоты от начального значения до

конечного При построении этого графика по горизонтальной оси

откладывается реальная часть функции цепи а по вертикальной ndash мнимая

часть Расстояние от начала координат до какой-либо точки графика

соответствует модулю функции цепи в данной частотной точке Угол между

реальной осью и вектором проведенным из начала координат в данную точку

соответствует фазе функции цепи в данной частотной точке Поэтому годограф

еще называют амплитудно-фазовой характеристикой исследуемой функции

цепи

3 Моделирование электронных схем

В рамках данной дисциплины электронные схемы рассматриваются в

линейном приближении когда связи между токами и напряжениями

записываются с помощью систем линейных уравнений В качестве основного

метода анализа выбран метод узловых потенциалов поскольку он может быть

алгоритмизирован наиболее просто

Процесс моделирования электронной схемы при этом разбивается на

следующие стадии

1 Представление электронных компонентов их внутренними моделями

которые представляют собой некоторые специальные электронные схемы

содержащие элементарные двухполюсники (такие как резисторы

конденсаторы катушки индуктивности) и управляемые напряжением

источники тока (ИТУН) с комплексными значениями крутизны передачи

2 Подключение к схеме источника сигнала нужного типа (это может быть

источник тока или источник напряжения)

3 Преобразование (при необходимости) источника напряжения в источник

тока

4 Выделение узлов схемы и их нумерация

5 Представление искомой функции цепи через узловые потенциалы

6 Формирование матрицы проводимости схемы

7 Формирование вектора токов схемы

8 Решение системы уравнений по методу узловых потенциалов и

вычисление значений узловых потенциалов схемы

9 Вычисление значения искомой функции цепи путем подстановки значений

узловых потенциалов определенных в пункте 8 в выражение

определенное в пункте 5

Поскольку в основе метода узловых потенциалов лежит матрица

проводимости то все компоненты схемы должны быть описаны их

проводимостями

Рассмотрим модели основных компонентов входящих в схему

31 Модели пассивных двухполюсников

Резисторы с сопротивлением R при моделировании электронной схемы

характеризуются величиной проводимости yR = 1R Таким образом резисторы

с нулевым сопротивлением не могут присутствовать в схеме тк их

проводимость при этом бесконечна а такие значения не могут участвовать в

расчетах Резисторы с бесконечным сопротивлением при этом использовать

можно тк их проводимость будут равна нулю (такие резисторы соответствуют

разрыву линии)

Конденсаторы с величиной емкости C на частоте ω = 2∙π∙f

характеризуются величиной проводимости yC = j∙ω∙C = p∙C Здесь p ndash так

называемая комплексная частота Конденсаторы с нулевой емкостью имеют

нулевую проводимость и соответствуют разрыву линии На нулевой частоте

(те на постоянном токе) все конденсаторы имеют нулевую проводимость

Катушки индуктивности с величиной индуктивности L на частоте ω =

2∙π∙f характеризуются величиной проводимости yL = 1(j∙ω∙L) = 1(p∙L) Если в

схеме есть хотя бы одна индуктивность то нулевую частоту при расчете

параметров схемы использовать нельзя тк на нулевой частоте (на постоянном

токе) проводимость индуктивности становится бесконечной (индуктивность

превращается в замычку) Обойти данное ограничение можно если считать что

индуктивность имеет отличное от нуля сопротивление по постоянному току RL

(например 001 Ом) Тогда при расчете проводимости индуктивности нужно

использовать такое выражение yL = 1(RL+p∙L)

В случае когда интерес представляют потенциалы только некоторых

узлов схемы (например входных и выходных) можно сократить число узловых

потенциалов объединяя вместе последовательно соединенные компоненты

схемы и рассматривая их совокупность как один более сложный компонент

Например последовательный колебательный контур составленный из

последовательно соединенных резистора R индуктивности L и емкости C

будет иметь проводимость yRLC = 1(R+p∙L+1(p∙C)) Это выражение позволяет

вычислить проводимости более простых совокупностей компонентов

например последовательного соединения резистора и емкости (тогда в этой

формуле полагаем L = 0) или емкости и индуктивности (тогда полагаем R = 0)

32 Линейная модель диода

Математическая модель диода приведена в [1] эквивалентная схема

диода в линейном приближении приведена ниже на рисунке В этой схеме Rs ndash

объемное сопротивление материала полупроводника

(справочный параметр) G ndash дифференциальная

проводимость PN ndash перехода (зависит от величины

прямого тока диода) С ndash емкость PN ndash перехода

(зависит от величины прямого тока через диод и от

величины обратного напряжения на диоде)

Приведем формулы для расчета параметров

модели

G

Rs

C Линеаризованная

модель диода

Дифференциальная проводимость

0

0 0

IdVd

G N Vt

Vd

Здесь Vd ndash прямое напряжение на диоде Id ndash величина прямого тока через

диод N ndash коэффициент неидеальности PN ndash перехода Vt ndash температурный

потенциал (Vt = k∙Tq где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная

температура PN ndash перехода q ndash заряд электрона) При комнатной температуре

Vt asymp 26 мВ Условие Vd gt 0 соответствует прямосмещенному PN ndash переходу

когда через диод протекает постоянный ток Id Условие Vd lt 0 соответствует

обратносмещенному PN ndash переходу когда диод заперт

Емкость диода

1

0

1

0 1 1

1

M

M

CJTT G Vd FC VJ

Vd

VJC

VdCJ FC M M

VJTT G Vd FC VJ

FC

В этой формуле Vd ndash прямое напряжение на диоде CJ0 ndash начальная

барьерная емкость диода (справочный параметр значение по умолчанию = 0)

M ndash коэффициент плавности PN ndash перехода (справочный параметр значение по

умолчанию = 033) FC ndash коэффициент нелинейности прямосмещенного PN ndash

перехода (справочный параметр значение по умолчанию = 05) VJ ndash

контактная разность потенциалов (справочный параметр значение по

умолчанию = 075) TT ndash время переноса заряда (справочный параметр

значение по умолчанию = 0) G ndash дифференциальная проводимость PN ndash

перехода зависящая от режима по постоянному току и рассчитываемая по

предыдущей формуле

Если нас не интересует потенциал внутреннего узла модели диода то его

можно рассматривать как двухполюсник с проводимостью yd которая

вычисляется по формуле

1

p C Gyd

Rs p C G

где p ndash комплексная частота Данная формула работоспособна при любых

допустимых значениях параметров диода В частности в ней можно

использовать нулевое значение объемного сопротивления Rs нулевое значение

емкости C и нулевое значение проводимости G

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 8: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

216 Четырехполюсные S ndash параметры (параметры рассеяния)

В высокочастотных схемах измерение напряжений и токов

непосредственно на входе и выходе схемы становится проблематичным

поскольку любые соединительные провода подключаемые к схеме на высоких

частотах представляют собой длинные линии которые имеют собственные

сопротивления

Поэтому на высоких частотах измеряют так называемые падающие и

отраженные компоненты сигнала При этом под сигналами понимают

квадратный корень из мощности

Падающий сигнал ndash это такой сигнал который мог бы получиться в

случае идеального согласования сопротивления нагрузки с сопротивлением

источника сигнала Для источника синусоидального сигнала с амплитудой

напряжения E и сопротивлением R падающий сигнал равен

2

Ea

R (1)

Отраженный сигнал ndash это разность между падающим сигналом и

действительным сигналом на нагрузке

R

EVн

R

EVнEVн

R

VнEVн

R

EIнVнab

2

2

2

44

4

2222 (2)

Заметим что другое возможное значение (со знаком минус) является

неправильным тк при этом не выполняются фазовые соотношения для

напряжения (в данном кратком изложении не рассматриваются)

Размерность падающих и отраженных компонент сигналов равна В Ом

(или Вт )

В случае четырехполюсника получается система уравнений

связывающих между собой падающие и отраженные компоненты на входе и на

выходе 1 11 1 12 2

2 21 1 22 2

b S a S a

b S a S a (3)

При этом уже имеется два источника сигнала E1 ndash на входе E2 ndash на

выходе Очевидно что a1=0 при E1=0 и a2=0 при Е2=0

Из (3) можно записать правила определения S ndash параметров

2 0 2 0 1 0 1 0

2 0 2 0 1 0 1 0

1 1 1 111 12

1 1 2 2

2 2 2 221 22

1 1 2 2

a E a E

a E a E

b b b bS S

a a a a

b b b bS S

a a a a

(4)

Из этих выражений виден физически смысл S ndash параметров S11 ndash это

коэффициент отражения сигнала на входе схемы S22 ndash коэффициент

отражения от выхода S21 ndash прямой коэффициент передачи по напряжению

(корень из коэффициента передачи по мощности со входа на выход) S12 ndash

обратный коэффициент передачи по напряжению (корень из коэффициента

передачи по мощности с выхода на вход)

Выражения (4) необходимо преобразовать к виду в котором все

выражения записаны через параметры схемы и значения узловых потенциалов

Обозначим напряжения на входе и выходе четырехполюсника через V1 и V2

соответственно Тогда из (1) и (2) получаем

12

11

R

Ea (5)

22

22

R

Ea (6)

12

1121

R

EVb (7)

22

2222

R

EVb (8)

Подставляя (5)(8) в (4) получаем

020202

11

12

1

12

12

112

1

111

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (9)

010101

12

22

2

22

22

222

2

222

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (10)

010101 1

2

2

12

2

22

12

112

2

112

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (11)

020202 2

1

1

22

1

12

22

222

1

221

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (12)

Формулы (9)(12) позволяют производить расчеты S ndash параметров

электронных схем используя метод узловых потенциалов Выражения (5)(8)

позволяют вычислить падающие и отраженные компоненты напряжения на

входе и выходе электронной схемы Сопротивления линий связи (источников

сигналов) при этом рассматриваются как обычные сопротивления

217 Добротность резонансов АЧХ функции цепи

Добротность резонансов АЧХ для рассчитываемых параметров удобнее

всего определять через производную фазовой характеристики по частоте g(f) =

ndash05fdφdf где φ ndash фаза в радианах Если значение вспомогательной функции g

в точке максимума не превышает значения 05 то резонанса нет те АЧХ

анализируемой функции цепи соответствует апериодическому звену Если

значение в точке максимума gt 05 то резонанс есть и тогда частота максимума

функции g(f) соответствует частоте резонанса а значение этой функции в точке

максимума равно значению добротности резонанса

218 Годограф (амплитудно-фазовая характеристика) функции цепи

Годограф функции цепи ndash это траектория движения по комплексной

плоскости конца вектора соответствующего значению комплексной функции

цепи на данной частоте при изменении частоты от начального значения до

конечного При построении этого графика по горизонтальной оси

откладывается реальная часть функции цепи а по вертикальной ndash мнимая

часть Расстояние от начала координат до какой-либо точки графика

соответствует модулю функции цепи в данной частотной точке Угол между

реальной осью и вектором проведенным из начала координат в данную точку

соответствует фазе функции цепи в данной частотной точке Поэтому годограф

еще называют амплитудно-фазовой характеристикой исследуемой функции

цепи

3 Моделирование электронных схем

В рамках данной дисциплины электронные схемы рассматриваются в

линейном приближении когда связи между токами и напряжениями

записываются с помощью систем линейных уравнений В качестве основного

метода анализа выбран метод узловых потенциалов поскольку он может быть

алгоритмизирован наиболее просто

Процесс моделирования электронной схемы при этом разбивается на

следующие стадии

1 Представление электронных компонентов их внутренними моделями

которые представляют собой некоторые специальные электронные схемы

содержащие элементарные двухполюсники (такие как резисторы

конденсаторы катушки индуктивности) и управляемые напряжением

источники тока (ИТУН) с комплексными значениями крутизны передачи

2 Подключение к схеме источника сигнала нужного типа (это может быть

источник тока или источник напряжения)

3 Преобразование (при необходимости) источника напряжения в источник

тока

4 Выделение узлов схемы и их нумерация

5 Представление искомой функции цепи через узловые потенциалы

6 Формирование матрицы проводимости схемы

7 Формирование вектора токов схемы

8 Решение системы уравнений по методу узловых потенциалов и

вычисление значений узловых потенциалов схемы

9 Вычисление значения искомой функции цепи путем подстановки значений

узловых потенциалов определенных в пункте 8 в выражение

определенное в пункте 5

Поскольку в основе метода узловых потенциалов лежит матрица

проводимости то все компоненты схемы должны быть описаны их

проводимостями

Рассмотрим модели основных компонентов входящих в схему

31 Модели пассивных двухполюсников

Резисторы с сопротивлением R при моделировании электронной схемы

характеризуются величиной проводимости yR = 1R Таким образом резисторы

с нулевым сопротивлением не могут присутствовать в схеме тк их

проводимость при этом бесконечна а такие значения не могут участвовать в

расчетах Резисторы с бесконечным сопротивлением при этом использовать

можно тк их проводимость будут равна нулю (такие резисторы соответствуют

разрыву линии)

Конденсаторы с величиной емкости C на частоте ω = 2∙π∙f

характеризуются величиной проводимости yC = j∙ω∙C = p∙C Здесь p ndash так

называемая комплексная частота Конденсаторы с нулевой емкостью имеют

нулевую проводимость и соответствуют разрыву линии На нулевой частоте

(те на постоянном токе) все конденсаторы имеют нулевую проводимость

Катушки индуктивности с величиной индуктивности L на частоте ω =

2∙π∙f характеризуются величиной проводимости yL = 1(j∙ω∙L) = 1(p∙L) Если в

схеме есть хотя бы одна индуктивность то нулевую частоту при расчете

параметров схемы использовать нельзя тк на нулевой частоте (на постоянном

токе) проводимость индуктивности становится бесконечной (индуктивность

превращается в замычку) Обойти данное ограничение можно если считать что

индуктивность имеет отличное от нуля сопротивление по постоянному току RL

(например 001 Ом) Тогда при расчете проводимости индуктивности нужно

использовать такое выражение yL = 1(RL+p∙L)

В случае когда интерес представляют потенциалы только некоторых

узлов схемы (например входных и выходных) можно сократить число узловых

потенциалов объединяя вместе последовательно соединенные компоненты

схемы и рассматривая их совокупность как один более сложный компонент

Например последовательный колебательный контур составленный из

последовательно соединенных резистора R индуктивности L и емкости C

будет иметь проводимость yRLC = 1(R+p∙L+1(p∙C)) Это выражение позволяет

вычислить проводимости более простых совокупностей компонентов

например последовательного соединения резистора и емкости (тогда в этой

формуле полагаем L = 0) или емкости и индуктивности (тогда полагаем R = 0)

32 Линейная модель диода

Математическая модель диода приведена в [1] эквивалентная схема

диода в линейном приближении приведена ниже на рисунке В этой схеме Rs ndash

объемное сопротивление материала полупроводника

(справочный параметр) G ndash дифференциальная

проводимость PN ndash перехода (зависит от величины

прямого тока диода) С ndash емкость PN ndash перехода

(зависит от величины прямого тока через диод и от

величины обратного напряжения на диоде)

Приведем формулы для расчета параметров

модели

G

Rs

C Линеаризованная

модель диода

Дифференциальная проводимость

0

0 0

IdVd

G N Vt

Vd

Здесь Vd ndash прямое напряжение на диоде Id ndash величина прямого тока через

диод N ndash коэффициент неидеальности PN ndash перехода Vt ndash температурный

потенциал (Vt = k∙Tq где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная

температура PN ndash перехода q ndash заряд электрона) При комнатной температуре

Vt asymp 26 мВ Условие Vd gt 0 соответствует прямосмещенному PN ndash переходу

когда через диод протекает постоянный ток Id Условие Vd lt 0 соответствует

обратносмещенному PN ndash переходу когда диод заперт

Емкость диода

1

0

1

0 1 1

1

M

M

CJTT G Vd FC VJ

Vd

VJC

VdCJ FC M M

VJTT G Vd FC VJ

FC

В этой формуле Vd ndash прямое напряжение на диоде CJ0 ndash начальная

барьерная емкость диода (справочный параметр значение по умолчанию = 0)

M ndash коэффициент плавности PN ndash перехода (справочный параметр значение по

умолчанию = 033) FC ndash коэффициент нелинейности прямосмещенного PN ndash

перехода (справочный параметр значение по умолчанию = 05) VJ ndash

контактная разность потенциалов (справочный параметр значение по

умолчанию = 075) TT ndash время переноса заряда (справочный параметр

значение по умолчанию = 0) G ndash дифференциальная проводимость PN ndash

перехода зависящая от режима по постоянному току и рассчитываемая по

предыдущей формуле

Если нас не интересует потенциал внутреннего узла модели диода то его

можно рассматривать как двухполюсник с проводимостью yd которая

вычисляется по формуле

1

p C Gyd

Rs p C G

где p ndash комплексная частота Данная формула работоспособна при любых

допустимых значениях параметров диода В частности в ней можно

использовать нулевое значение объемного сопротивления Rs нулевое значение

емкости C и нулевое значение проводимости G

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 9: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Выражения (4) необходимо преобразовать к виду в котором все

выражения записаны через параметры схемы и значения узловых потенциалов

Обозначим напряжения на входе и выходе четырехполюсника через V1 и V2

соответственно Тогда из (1) и (2) получаем

12

11

R

Ea (5)

22

22

R

Ea (6)

12

1121

R

EVb (7)

22

2222

R

EVb (8)

Подставляя (5)(8) в (4) получаем

020202

11

12

1

12

12

112

1

111

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (9)

010101

12

22

2

22

22

222

2

222

EEE E

V

E

R

R

EV

a

bS (10)

010101 1

2

2

12

2

22

12

112

2

112

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (11)

020202 2

1

1

22

1

12

22

222

1

221

EEE R

R

E

V

E

R

R

EV

a

bS (12)

Формулы (9)(12) позволяют производить расчеты S ndash параметров

электронных схем используя метод узловых потенциалов Выражения (5)(8)

позволяют вычислить падающие и отраженные компоненты напряжения на

входе и выходе электронной схемы Сопротивления линий связи (источников

сигналов) при этом рассматриваются как обычные сопротивления

217 Добротность резонансов АЧХ функции цепи

Добротность резонансов АЧХ для рассчитываемых параметров удобнее

всего определять через производную фазовой характеристики по частоте g(f) =

ndash05fdφdf где φ ndash фаза в радианах Если значение вспомогательной функции g

в точке максимума не превышает значения 05 то резонанса нет те АЧХ

анализируемой функции цепи соответствует апериодическому звену Если

значение в точке максимума gt 05 то резонанс есть и тогда частота максимума

функции g(f) соответствует частоте резонанса а значение этой функции в точке

максимума равно значению добротности резонанса

218 Годограф (амплитудно-фазовая характеристика) функции цепи

Годограф функции цепи ndash это траектория движения по комплексной

плоскости конца вектора соответствующего значению комплексной функции

цепи на данной частоте при изменении частоты от начального значения до

конечного При построении этого графика по горизонтальной оси

откладывается реальная часть функции цепи а по вертикальной ndash мнимая

часть Расстояние от начала координат до какой-либо точки графика

соответствует модулю функции цепи в данной частотной точке Угол между

реальной осью и вектором проведенным из начала координат в данную точку

соответствует фазе функции цепи в данной частотной точке Поэтому годограф

еще называют амплитудно-фазовой характеристикой исследуемой функции

цепи

3 Моделирование электронных схем

В рамках данной дисциплины электронные схемы рассматриваются в

линейном приближении когда связи между токами и напряжениями

записываются с помощью систем линейных уравнений В качестве основного

метода анализа выбран метод узловых потенциалов поскольку он может быть

алгоритмизирован наиболее просто

Процесс моделирования электронной схемы при этом разбивается на

следующие стадии

1 Представление электронных компонентов их внутренними моделями

которые представляют собой некоторые специальные электронные схемы

содержащие элементарные двухполюсники (такие как резисторы

конденсаторы катушки индуктивности) и управляемые напряжением

источники тока (ИТУН) с комплексными значениями крутизны передачи

2 Подключение к схеме источника сигнала нужного типа (это может быть

источник тока или источник напряжения)

3 Преобразование (при необходимости) источника напряжения в источник

тока

4 Выделение узлов схемы и их нумерация

5 Представление искомой функции цепи через узловые потенциалы

6 Формирование матрицы проводимости схемы

7 Формирование вектора токов схемы

8 Решение системы уравнений по методу узловых потенциалов и

вычисление значений узловых потенциалов схемы

9 Вычисление значения искомой функции цепи путем подстановки значений

узловых потенциалов определенных в пункте 8 в выражение

определенное в пункте 5

Поскольку в основе метода узловых потенциалов лежит матрица

проводимости то все компоненты схемы должны быть описаны их

проводимостями

Рассмотрим модели основных компонентов входящих в схему

31 Модели пассивных двухполюсников

Резисторы с сопротивлением R при моделировании электронной схемы

характеризуются величиной проводимости yR = 1R Таким образом резисторы

с нулевым сопротивлением не могут присутствовать в схеме тк их

проводимость при этом бесконечна а такие значения не могут участвовать в

расчетах Резисторы с бесконечным сопротивлением при этом использовать

можно тк их проводимость будут равна нулю (такие резисторы соответствуют

разрыву линии)

Конденсаторы с величиной емкости C на частоте ω = 2∙π∙f

характеризуются величиной проводимости yC = j∙ω∙C = p∙C Здесь p ndash так

называемая комплексная частота Конденсаторы с нулевой емкостью имеют

нулевую проводимость и соответствуют разрыву линии На нулевой частоте

(те на постоянном токе) все конденсаторы имеют нулевую проводимость

Катушки индуктивности с величиной индуктивности L на частоте ω =

2∙π∙f характеризуются величиной проводимости yL = 1(j∙ω∙L) = 1(p∙L) Если в

схеме есть хотя бы одна индуктивность то нулевую частоту при расчете

параметров схемы использовать нельзя тк на нулевой частоте (на постоянном

токе) проводимость индуктивности становится бесконечной (индуктивность

превращается в замычку) Обойти данное ограничение можно если считать что

индуктивность имеет отличное от нуля сопротивление по постоянному току RL

(например 001 Ом) Тогда при расчете проводимости индуктивности нужно

использовать такое выражение yL = 1(RL+p∙L)

В случае когда интерес представляют потенциалы только некоторых

узлов схемы (например входных и выходных) можно сократить число узловых

потенциалов объединяя вместе последовательно соединенные компоненты

схемы и рассматривая их совокупность как один более сложный компонент

Например последовательный колебательный контур составленный из

последовательно соединенных резистора R индуктивности L и емкости C

будет иметь проводимость yRLC = 1(R+p∙L+1(p∙C)) Это выражение позволяет

вычислить проводимости более простых совокупностей компонентов

например последовательного соединения резистора и емкости (тогда в этой

формуле полагаем L = 0) или емкости и индуктивности (тогда полагаем R = 0)

32 Линейная модель диода

Математическая модель диода приведена в [1] эквивалентная схема

диода в линейном приближении приведена ниже на рисунке В этой схеме Rs ndash

объемное сопротивление материала полупроводника

(справочный параметр) G ndash дифференциальная

проводимость PN ndash перехода (зависит от величины

прямого тока диода) С ndash емкость PN ndash перехода

(зависит от величины прямого тока через диод и от

величины обратного напряжения на диоде)

Приведем формулы для расчета параметров

модели

G

Rs

C Линеаризованная

модель диода

Дифференциальная проводимость

0

0 0

IdVd

G N Vt

Vd

Здесь Vd ndash прямое напряжение на диоде Id ndash величина прямого тока через

диод N ndash коэффициент неидеальности PN ndash перехода Vt ndash температурный

потенциал (Vt = k∙Tq где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная

температура PN ndash перехода q ndash заряд электрона) При комнатной температуре

Vt asymp 26 мВ Условие Vd gt 0 соответствует прямосмещенному PN ndash переходу

когда через диод протекает постоянный ток Id Условие Vd lt 0 соответствует

обратносмещенному PN ndash переходу когда диод заперт

Емкость диода

1

0

1

0 1 1

1

M

M

CJTT G Vd FC VJ

Vd

VJC

VdCJ FC M M

VJTT G Vd FC VJ

FC

В этой формуле Vd ndash прямое напряжение на диоде CJ0 ndash начальная

барьерная емкость диода (справочный параметр значение по умолчанию = 0)

M ndash коэффициент плавности PN ndash перехода (справочный параметр значение по

умолчанию = 033) FC ndash коэффициент нелинейности прямосмещенного PN ndash

перехода (справочный параметр значение по умолчанию = 05) VJ ndash

контактная разность потенциалов (справочный параметр значение по

умолчанию = 075) TT ndash время переноса заряда (справочный параметр

значение по умолчанию = 0) G ndash дифференциальная проводимость PN ndash

перехода зависящая от режима по постоянному току и рассчитываемая по

предыдущей формуле

Если нас не интересует потенциал внутреннего узла модели диода то его

можно рассматривать как двухполюсник с проводимостью yd которая

вычисляется по формуле

1

p C Gyd

Rs p C G

где p ndash комплексная частота Данная формула работоспособна при любых

допустимых значениях параметров диода В частности в ней можно

использовать нулевое значение объемного сопротивления Rs нулевое значение

емкости C и нулевое значение проводимости G

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 10: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

конечного При построении этого графика по горизонтальной оси

откладывается реальная часть функции цепи а по вертикальной ndash мнимая

часть Расстояние от начала координат до какой-либо точки графика

соответствует модулю функции цепи в данной частотной точке Угол между

реальной осью и вектором проведенным из начала координат в данную точку

соответствует фазе функции цепи в данной частотной точке Поэтому годограф

еще называют амплитудно-фазовой характеристикой исследуемой функции

цепи

3 Моделирование электронных схем

В рамках данной дисциплины электронные схемы рассматриваются в

линейном приближении когда связи между токами и напряжениями

записываются с помощью систем линейных уравнений В качестве основного

метода анализа выбран метод узловых потенциалов поскольку он может быть

алгоритмизирован наиболее просто

Процесс моделирования электронной схемы при этом разбивается на

следующие стадии

1 Представление электронных компонентов их внутренними моделями

которые представляют собой некоторые специальные электронные схемы

содержащие элементарные двухполюсники (такие как резисторы

конденсаторы катушки индуктивности) и управляемые напряжением

источники тока (ИТУН) с комплексными значениями крутизны передачи

2 Подключение к схеме источника сигнала нужного типа (это может быть

источник тока или источник напряжения)

3 Преобразование (при необходимости) источника напряжения в источник

тока

4 Выделение узлов схемы и их нумерация

5 Представление искомой функции цепи через узловые потенциалы

6 Формирование матрицы проводимости схемы

7 Формирование вектора токов схемы

8 Решение системы уравнений по методу узловых потенциалов и

вычисление значений узловых потенциалов схемы

9 Вычисление значения искомой функции цепи путем подстановки значений

узловых потенциалов определенных в пункте 8 в выражение

определенное в пункте 5

Поскольку в основе метода узловых потенциалов лежит матрица

проводимости то все компоненты схемы должны быть описаны их

проводимостями

Рассмотрим модели основных компонентов входящих в схему

31 Модели пассивных двухполюсников

Резисторы с сопротивлением R при моделировании электронной схемы

характеризуются величиной проводимости yR = 1R Таким образом резисторы

с нулевым сопротивлением не могут присутствовать в схеме тк их

проводимость при этом бесконечна а такие значения не могут участвовать в

расчетах Резисторы с бесконечным сопротивлением при этом использовать

можно тк их проводимость будут равна нулю (такие резисторы соответствуют

разрыву линии)

Конденсаторы с величиной емкости C на частоте ω = 2∙π∙f

характеризуются величиной проводимости yC = j∙ω∙C = p∙C Здесь p ndash так

называемая комплексная частота Конденсаторы с нулевой емкостью имеют

нулевую проводимость и соответствуют разрыву линии На нулевой частоте

(те на постоянном токе) все конденсаторы имеют нулевую проводимость

Катушки индуктивности с величиной индуктивности L на частоте ω =

2∙π∙f характеризуются величиной проводимости yL = 1(j∙ω∙L) = 1(p∙L) Если в

схеме есть хотя бы одна индуктивность то нулевую частоту при расчете

параметров схемы использовать нельзя тк на нулевой частоте (на постоянном

токе) проводимость индуктивности становится бесконечной (индуктивность

превращается в замычку) Обойти данное ограничение можно если считать что

индуктивность имеет отличное от нуля сопротивление по постоянному току RL

(например 001 Ом) Тогда при расчете проводимости индуктивности нужно

использовать такое выражение yL = 1(RL+p∙L)

В случае когда интерес представляют потенциалы только некоторых

узлов схемы (например входных и выходных) можно сократить число узловых

потенциалов объединяя вместе последовательно соединенные компоненты

схемы и рассматривая их совокупность как один более сложный компонент

Например последовательный колебательный контур составленный из

последовательно соединенных резистора R индуктивности L и емкости C

будет иметь проводимость yRLC = 1(R+p∙L+1(p∙C)) Это выражение позволяет

вычислить проводимости более простых совокупностей компонентов

например последовательного соединения резистора и емкости (тогда в этой

формуле полагаем L = 0) или емкости и индуктивности (тогда полагаем R = 0)

32 Линейная модель диода

Математическая модель диода приведена в [1] эквивалентная схема

диода в линейном приближении приведена ниже на рисунке В этой схеме Rs ndash

объемное сопротивление материала полупроводника

(справочный параметр) G ndash дифференциальная

проводимость PN ndash перехода (зависит от величины

прямого тока диода) С ndash емкость PN ndash перехода

(зависит от величины прямого тока через диод и от

величины обратного напряжения на диоде)

Приведем формулы для расчета параметров

модели

G

Rs

C Линеаризованная

модель диода

Дифференциальная проводимость

0

0 0

IdVd

G N Vt

Vd

Здесь Vd ndash прямое напряжение на диоде Id ndash величина прямого тока через

диод N ndash коэффициент неидеальности PN ndash перехода Vt ndash температурный

потенциал (Vt = k∙Tq где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная

температура PN ndash перехода q ndash заряд электрона) При комнатной температуре

Vt asymp 26 мВ Условие Vd gt 0 соответствует прямосмещенному PN ndash переходу

когда через диод протекает постоянный ток Id Условие Vd lt 0 соответствует

обратносмещенному PN ndash переходу когда диод заперт

Емкость диода

1

0

1

0 1 1

1

M

M

CJTT G Vd FC VJ

Vd

VJC

VdCJ FC M M

VJTT G Vd FC VJ

FC

В этой формуле Vd ndash прямое напряжение на диоде CJ0 ndash начальная

барьерная емкость диода (справочный параметр значение по умолчанию = 0)

M ndash коэффициент плавности PN ndash перехода (справочный параметр значение по

умолчанию = 033) FC ndash коэффициент нелинейности прямосмещенного PN ndash

перехода (справочный параметр значение по умолчанию = 05) VJ ndash

контактная разность потенциалов (справочный параметр значение по

умолчанию = 075) TT ndash время переноса заряда (справочный параметр

значение по умолчанию = 0) G ndash дифференциальная проводимость PN ndash

перехода зависящая от режима по постоянному току и рассчитываемая по

предыдущей формуле

Если нас не интересует потенциал внутреннего узла модели диода то его

можно рассматривать как двухполюсник с проводимостью yd которая

вычисляется по формуле

1

p C Gyd

Rs p C G

где p ndash комплексная частота Данная формула работоспособна при любых

допустимых значениях параметров диода В частности в ней можно

использовать нулевое значение объемного сопротивления Rs нулевое значение

емкости C и нулевое значение проводимости G

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 11: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

31 Модели пассивных двухполюсников

Резисторы с сопротивлением R при моделировании электронной схемы

характеризуются величиной проводимости yR = 1R Таким образом резисторы

с нулевым сопротивлением не могут присутствовать в схеме тк их

проводимость при этом бесконечна а такие значения не могут участвовать в

расчетах Резисторы с бесконечным сопротивлением при этом использовать

можно тк их проводимость будут равна нулю (такие резисторы соответствуют

разрыву линии)

Конденсаторы с величиной емкости C на частоте ω = 2∙π∙f

характеризуются величиной проводимости yC = j∙ω∙C = p∙C Здесь p ndash так

называемая комплексная частота Конденсаторы с нулевой емкостью имеют

нулевую проводимость и соответствуют разрыву линии На нулевой частоте

(те на постоянном токе) все конденсаторы имеют нулевую проводимость

Катушки индуктивности с величиной индуктивности L на частоте ω =

2∙π∙f характеризуются величиной проводимости yL = 1(j∙ω∙L) = 1(p∙L) Если в

схеме есть хотя бы одна индуктивность то нулевую частоту при расчете

параметров схемы использовать нельзя тк на нулевой частоте (на постоянном

токе) проводимость индуктивности становится бесконечной (индуктивность

превращается в замычку) Обойти данное ограничение можно если считать что

индуктивность имеет отличное от нуля сопротивление по постоянному току RL

(например 001 Ом) Тогда при расчете проводимости индуктивности нужно

использовать такое выражение yL = 1(RL+p∙L)

В случае когда интерес представляют потенциалы только некоторых

узлов схемы (например входных и выходных) можно сократить число узловых

потенциалов объединяя вместе последовательно соединенные компоненты

схемы и рассматривая их совокупность как один более сложный компонент

Например последовательный колебательный контур составленный из

последовательно соединенных резистора R индуктивности L и емкости C

будет иметь проводимость yRLC = 1(R+p∙L+1(p∙C)) Это выражение позволяет

вычислить проводимости более простых совокупностей компонентов

например последовательного соединения резистора и емкости (тогда в этой

формуле полагаем L = 0) или емкости и индуктивности (тогда полагаем R = 0)

32 Линейная модель диода

Математическая модель диода приведена в [1] эквивалентная схема

диода в линейном приближении приведена ниже на рисунке В этой схеме Rs ndash

объемное сопротивление материала полупроводника

(справочный параметр) G ndash дифференциальная

проводимость PN ndash перехода (зависит от величины

прямого тока диода) С ndash емкость PN ndash перехода

(зависит от величины прямого тока через диод и от

величины обратного напряжения на диоде)

Приведем формулы для расчета параметров

модели

G

Rs

C Линеаризованная

модель диода

Дифференциальная проводимость

0

0 0

IdVd

G N Vt

Vd

Здесь Vd ndash прямое напряжение на диоде Id ndash величина прямого тока через

диод N ndash коэффициент неидеальности PN ndash перехода Vt ndash температурный

потенциал (Vt = k∙Tq где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная

температура PN ndash перехода q ndash заряд электрона) При комнатной температуре

Vt asymp 26 мВ Условие Vd gt 0 соответствует прямосмещенному PN ndash переходу

когда через диод протекает постоянный ток Id Условие Vd lt 0 соответствует

обратносмещенному PN ndash переходу когда диод заперт

Емкость диода

1

0

1

0 1 1

1

M

M

CJTT G Vd FC VJ

Vd

VJC

VdCJ FC M M

VJTT G Vd FC VJ

FC

В этой формуле Vd ndash прямое напряжение на диоде CJ0 ndash начальная

барьерная емкость диода (справочный параметр значение по умолчанию = 0)

M ndash коэффициент плавности PN ndash перехода (справочный параметр значение по

умолчанию = 033) FC ndash коэффициент нелинейности прямосмещенного PN ndash

перехода (справочный параметр значение по умолчанию = 05) VJ ndash

контактная разность потенциалов (справочный параметр значение по

умолчанию = 075) TT ndash время переноса заряда (справочный параметр

значение по умолчанию = 0) G ndash дифференциальная проводимость PN ndash

перехода зависящая от режима по постоянному току и рассчитываемая по

предыдущей формуле

Если нас не интересует потенциал внутреннего узла модели диода то его

можно рассматривать как двухполюсник с проводимостью yd которая

вычисляется по формуле

1

p C Gyd

Rs p C G

где p ndash комплексная частота Данная формула работоспособна при любых

допустимых значениях параметров диода В частности в ней можно

использовать нулевое значение объемного сопротивления Rs нулевое значение

емкости C и нулевое значение проводимости G

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 12: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Дифференциальная проводимость

0

0 0

IdVd

G N Vt

Vd

Здесь Vd ndash прямое напряжение на диоде Id ndash величина прямого тока через

диод N ndash коэффициент неидеальности PN ndash перехода Vt ndash температурный

потенциал (Vt = k∙Tq где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная

температура PN ndash перехода q ndash заряд электрона) При комнатной температуре

Vt asymp 26 мВ Условие Vd gt 0 соответствует прямосмещенному PN ndash переходу

когда через диод протекает постоянный ток Id Условие Vd lt 0 соответствует

обратносмещенному PN ndash переходу когда диод заперт

Емкость диода

1

0

1

0 1 1

1

M

M

CJTT G Vd FC VJ

Vd

VJC

VdCJ FC M M

VJTT G Vd FC VJ

FC

В этой формуле Vd ndash прямое напряжение на диоде CJ0 ndash начальная

барьерная емкость диода (справочный параметр значение по умолчанию = 0)

M ndash коэффициент плавности PN ndash перехода (справочный параметр значение по

умолчанию = 033) FC ndash коэффициент нелинейности прямосмещенного PN ndash

перехода (справочный параметр значение по умолчанию = 05) VJ ndash

контактная разность потенциалов (справочный параметр значение по

умолчанию = 075) TT ndash время переноса заряда (справочный параметр

значение по умолчанию = 0) G ndash дифференциальная проводимость PN ndash

перехода зависящая от режима по постоянному току и рассчитываемая по

предыдущей формуле

Если нас не интересует потенциал внутреннего узла модели диода то его

можно рассматривать как двухполюсник с проводимостью yd которая

вычисляется по формуле

1

p C Gyd

Rs p C G

где p ndash комплексная частота Данная формула работоспособна при любых

допустимых значениях параметров диода В частности в ней можно

использовать нулевое значение объемного сопротивления Rs нулевое значение

емкости C и нулевое значение проводимости G

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 13: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

33 Модель трансформатора без потерь

Трансформатор без потерь (см рисунок ниже) характеризуется тремя

параметрами индуктивность первичной

обмотки L1 индуктивность вторичной обмотки

L2 (обе измеряются в Генри) и коэффициент

связи K Коэффициент связи определяется

через индуктивность связи M

1 2

MK

L L

Это выражение накладывает физическое

ограничение на коэффициент связи коэффициент связи является безразмерной

положительной величиной причем его значение должно быть меньше единицы

Точки на рисунке трансформатора обозначают выводы с одинаковой

полярностью напряжения В данном случае если подать laquo+raquo на нижний вывод

первичной обмотки на вторичной обмотке laquo+raquo появится так же на нижнем

выводе Такой трансформатор называют laquoтрансформатор с согласованным

включением обмотокraquo Если точки будут на разных сторонах то получим

laquoтрансформатор со встречным включением обмотокraquo

Система уравнений связывающих входные и выходные напряжения и

токи трансформатора выглядит так

U1 = p∙L1∙I1 + p∙M∙I2

U2 = p∙M∙I1 + p∙L2∙I2

Если решить эту систему относительно токов и выразить токи через

напряжения то получим 1 1 1 2

2 1 2 2

I U yL U S

I U S U yL

где 2

11

1 1yL

p L K

2

12

2 1yL

p L K

21 1 2

KS

p K L L

Такая система уравнений эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SL1 L2

В этой схеме L1 = L1∙(1ndashK

2) L2 = L2∙(1ndashK

2) Эта схема является моделью

трансформатора без потерь Следует отметить что данная модель

соответствует согласованному включению обмоток Для случая встречного

включения обмоток в формулу для крутизны S ИТУН следует подставить

отрицательное значение коэффициента связи K

34 Модель длинной линии

Длинная линия без потерь характеризуется двумя параметрами

характеристическое (волновое) сопротивление Z (измеряется в Омах) и время

задержки распространения сигнала τ (измеряется в секундах) При

L2L1

K

Схематическое изображение

трансформатора с

обозначением его параметров

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 14: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

моделировании длинной линии входной (I1) и выходной (I2) токи

рассматриваются как суперпозиции падающих (I1пад I2пад) и отраженных

(I1отр I2отр) компонент входное (V1) и выходное (V2) напряжения

рассматриваются как суперпозиции падающих (V1пад V2пад) и отраженных

(V1отр V2отр) компонент Падающие компоненты несут энергию от

внешнего источника сигнала к линии а отраженные ndash от линии к внешним

источникам Таким образом длинная линия описывается 10 уравнениями

содержащими 12 параметров V1 V1пад V1отр V2 V2пад V2отр I1 I1пад

I1отр I2 I2пад I2отр τ Z

Представление длинной линии как четырехполюсника с обозначением

токов и напряжений

Запишем уравнения связывающие компоненты токов и напряжений

между собой

1 V1 = V1пад+V1отр

2 V2 = V2пад+V2отр

3 I1 = I1пад ndash I1отр

4 I2 = I2пад ndash I2отр

5 I2отр = M I1пад

6 I1отр = M I2пад

7 V1отр = M V2пад

8 V2отр = M V1пад

9 V1пад = Z I1пад

10V2пад = Z I2пад

В этих уравнениях величина M характеризует задержку распространения

сигнала при прохождении через длинную линию M = exp(-p )

В качестве независимых параметров выбираем V1 и V2 Подставляем (7) и

(8) в (1) и (2) и решаем систему уравнений

V1 = V1пад+ M V2пад

V2 = V2пад+ M V1пад

Получаем

11 V1пад = (V1 - M V2)(1 - M M)

12 V2пад = (V2 - M V1)(1 - M M)

Подставляя (5) и (6) в (3) и (4) получаем

13 I1 = I1пад - M I2пад

14 I2 = I2пад - M I1пад

Выражая в (13) и (14) I1пад и I2пад через V1пад и V2пад с помощью

выражений (9) и (10) получаем

15 I1 = (V1пад - M V2пад)Z

16 I2 = (V2пад - M V1пад)Z

Подставляя сюда (11) и (12) получаем

I1 = (V1 (1+M M)-V2 2 M)((1-M M) Z)

I2 I1

V2пад

V2отр V1отр

V1пад Z V1 V2

I1пад I2отр I1отр I2пад

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 15: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

I2 = (V2 (1+M M)-V1 2 M)((1-M M) Z)

Эти формулы можно представить в следующем виде

17 I1 = V1 Y-V2 S

18 I2 = V2 Y-V1 S

где Y = 1(Z th(p )) S = 1(Z sh(p ))

Система уравнений (17) и (18) эквивалентна следующей схеме

+

-

S

+

-

SY Y

Модель длинной линии

35 Модель гиратора

Модель гиратора изложена в [2] на стр 28

36 Модель операционного усилителя

Модель ОУ изложена в [2] на стр 299hellip302

37 Модель полевого транзистора с управляющим PN ndash переходом

Модель полевого транзистора с управляющим PN-переходом приведена в

[1] (стр 18hellip21) и в [2] (стр 289hellip292)

38 Линейная модель биполярного транзистора

Линеаризованная модель биполярного транзистора приведена ниже на

рисунке Это модель Гуммеля-Пуна При пренебрежении некоторыми

компонентами схемы (при Cbx = 0) и упрощении расчетных выражений она

переходит в широко известную модель Джиколетто

Rb Rc

Re

Cbe

Cbc

b c

e

Rbe

Rbc

S

+

-

Cbx

Для расчета параметров модели необходимо знать следующие параметры

режима транзистора по постоянному току

1 Ток коллектора Ic

2 Напряжение коллектор-база VCB

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 16: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

3 Напряжение база-эмиттер VBE (не обязательный параметр можно

использовать приближенное значение указанное ниже)

Кроме того необходимо знать параметры перечисленные ниже в таблице

Пар Описание параметра Знач по

умолч

BF Максимальный коэффициент усиления по току в

нормальном режиме в схеме с ОЭ 100

NF Коэффициент неидеальности в нормальном режиме 1

VAF Напряжение Эрли в нормальном режиме infin

VAR Напряжение Эрли в инверсном режиме infin

IKF Точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в

нормальном режиме infin

NK Коэффициент спада усиления при больших токах

коллектора 05

RE Объемное сопротивление эмиттера 0

RC Объемное сопротивление коллектора 0

RB Сопротивление базы при нулевом смещении 0

RBM Минимальное сопротивление базы при большом токе RB

IRB Ток базы при котором сопротивление базы = (RB+RBM)2 infin

CJC Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении 0

CJE Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении 0

VJC Контактная разность потенциалов коллекторного перехода 075

VJE Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода 075

MJC Коэффициент плавности коллекторного перехода 033

MJE Коэффициент плавности эмиттерного перехода 033

XCJC Коэффициент расщепления емкости база-коллектор 1

TF Время переноса заряда в нормальном режиме 0

XTF Коэффициент определяющий зависимость TF от тока

коллектора и смещения база-коллектор 0

VTF Напряжение определяющее зависимость TF от смещения

база-коллектор infin

ITF Ток определяющий зависимость TF от тока коллектора 0

FC Коэффициент нелинейности барьерных емкостей

прямосмещенных переходов 05

Расчет параметров модели Гуммеля ndash Пуна производится в следующей

последовательности

1 Сначала рассчитываем внутренние напряжения переходов

11 Внутреннее напряжение коллекторного перехода RB

Vbc VCB Ic RCBF

12 Внутреннее напряжение эмиттерного перехода RB

Vbe VBE Ic REBF

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 17: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Абсолютные значения в этих формулах взяты для того чтобы результаты

расчетов не зависели от типа проводимости транзистора Если напряжение

эмиттерного перехода не задано то для величины Vbe можно использовать

приближенное значение равное 065 В для кремниевых транзисторов и 03 В

для германиевых

2 Далее рассчитываются вспомогательные величины

1 1 4

2 1

NKIc

IKFQb

Vbc Vbe

VAF VAR

Ic

XITF

IcQb

Ic Qb

KibBF IRB

21 3 2 exp144

VbcTfx TF XTF X X

VTF

1 1459 1

2432

KibZ

Kib

1

MJC

CJCCbcm

Vbc

VJC

В том случае если для транзистора не заданы некоторые параметры

необходимые для расчета вспомогательных и прочих величин необходимо

использовать соответствующие значения по умолчанию

3 Теперь можно произвести расчет параметров модели транзистора

002586

IcS

NF

BFRbe

S Qb

111

MJE

MJE Vbe FC VJECJECbe Tfx S Qb

VJE FCFC

2

3 tan

tan

RB RBM Z ZRBM IRB

Z ZRbb

RB RBMRBM IRB

Qb

Cbc XCJC Cbcm Cbb Cbcm Cbc BF VAF Vbc

Rbc RbeQb Ic

Сопротивления RC и RE не вычисляются они берутся непосредственно из

таблицы параметров

Ниже в таблице приведены значения расчетных параметров для

некоторых транзисторов

Пар 159НТ1

NPN

2Т203Б

PNP

2Т313Б

PNP

2Т316Б

NPN

2Т361Д

NPN

BCP54

NPN

2N3054

NPN

BC856

PNP

BF 406 87 154 75 137 129 1434 3153

NF 0855 0839 09974

VAF 674 855 863 102 96 724 100 3915

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 18: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

VAR 48 55 40 55 55 546 95

IKF

мА

1903 6112 2470 1322 9723 906 6592 79

NK 05 05 05

RE 00126 017 0663

RC 54 136 1345 733 835 0311 0718

RB 72 265 232 667 706 165 10

RBM 00173 5e-6

IRB

мА

238 5e-3

CJC

пФ

165 1296 1871 3934 4089 485 1551 6395

VJC 07 069 069 065 065 03 07 04951

MJC 033 033 031 033 033 0509 03 044

CJE

пФ

615 1527 3064 116 116 117 2638 1135

VJE 07 069 069 069 069 03 0962 07071

MJE 033 035 033 033 033 0422 0457 03808

XCJC 1 1 06288

TF

пС

1469 14640 2679 9442 7897 1420 50284 6546

XTF 2 1 2 2 2 0755 05 5383

VTF 20 15 65 15 25 1e6 10 6245

ITF

мА

48 125 785 150 151 564 1069 2108

FC 05 05 05 05 05 05 05 09059

4 Правила формирования матрицы проводимости Правила формирования матрицы проводимости схемы рассмотрены в

[23] Приведем их краткую формулировку

1 Матрица проводимости ndash это квадратная матрица число строк и столбцов

в которой равно числу узлов исследуемой схемы

2 Первоначально все компоненты матрицы проводимости равны нулю

3 Далее по очереди перебираются все компоненты схемы и для каждого

компонента в матрицу проводимости добавляются его параметры в

определенные места матрицы проводимости (путем прибавления значений

этих параметров к уже имеющемуся содержимому матрицы)

4 Процесс построения матрицы завершается как только закончится процесс

перебора компонентов схемы

Приведем правила включения параметров компонентов в матрицу

проводимости

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 19: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

41 Пассивные двухполюсники

Пассивные двухполюсники ndash это элементы с двумя выводами не

содержащие внутри себя источников сигнала К ним относятся резисторы

конденсаторы катушки индуктивности диоды и тп В методе узловых

потенциалов такие компоненты характеризуются величиной проводимости G (в

общем случае зависящей от частоты по некоторому закону) Пусть такой

компонент подключен в схеме к узлам a и b (как показано на рисунке 1) Тогда

его проводимость G войдет в матрицу проводимости в соответствие с

правилом условно изображенном на рисунке 42 Это правило можно пояснить

так проводимость двухполюсника подключенного к узлам с номерами a и b

добавляется в матрицу проводимости на пересечение строк и столбцов с

номерами a и b причем на диагональ матрицы проводимость добавляется со

знаком laquoплюсraquo а в остальные места ndash со знаком laquoминусraquo

a b

a G -G

b -G G

Рис 41 Двухполюсник с

обозначением узлов подключения

и величины проводимости G

Рис 42 Схема включения

проводимости

двухполюсника в матрицу

проводимости

Замечание Если один из узлов подключения (a или b) является общим

проводом то он имеет номер 0 и соответствующая строка и столбец в схеме на

рис 42 выпадают из матрицы Проводимость такого элемента войдет только

на диагональ (со знаком laquoплюсraquo) в строку и столбец соответствующие

ненулевому узлу подключения двухполюсника Таким образом проводимость

пассивного двухполюсника может войти в матрицу проводимости либо 4 раза

либо 1 раз Но в любом случае проводимости пассивных двухполюсников

входят в матрицу проводимости симметрично относительно главной диагонали

и это свойство является одним из критериев проверки правильности

составления матрицы проводимости

42 Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

ИТУН ndash это четырехполюсный компонент содержащий внутри себя

источник тока величина которого I равна произведению крутизны управления

S на величину входного напряжения Таким образом этот источник тока не

является независимым (он зависит от величины входного напряжения) и его

нельзя путать с источниками токов сигнала С помощью ИТУН производится

моделирование активных компонентов схем

1

a

b

G

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 20: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Пусть в схеме имеется ИТУН подключенный к узлам a b c и d (как

показано на рис 43) Величина выходного тока I = S∙(Ua ndash Ub) ИТУН входит

в матрицу проводимости в соответствие с правилом условно изображенным на

рис 44 Как и в случае пассивных двухполюсников это правило показывает в

какие места матрицы проводимости следует добавлять крутизну управления S

ИТУН

a b

c S -S

d -S S

Рис 43 Источник тока

управляемый напряжением

(ИТУН) с обозначением узлов

подключения и крутизны

управления S

Рис 44 Схема включения

крутизны управления

ИТУН в матрицу

проводимости

Замечание Как видно из рис 44 крутизна управления ИТУН входит в

матрицу проводимости несимметрично (в общем случае) Если один из

входных узлов (a или b) является общим проводом то из схемы на рис 44

выпадает один столбецЕсли один из выходных узлов (c или d) является общим

проводом то из схемы на рис 44 выпадает одна строка Таким образом

крутизна ИТУН может войти в матрицу проводимости 4 раза (если нет ни

одного подключения ИТУН к общему проводу) 2 раза (если есть только одно

подключение ИТУН к общему проводу) или 1 раз (если есть подключение к

общему проводу и на входе и на выходе ИТУН) Если при составлении

матрицы проводимости окажется что крутизна ИТУН вошла в матрицу 3 раза

то это значит что была сделана ошибка

43 Элементарные четырехполюсники

В предыдущих разделах были приведены модели элементарных

четырехполюсников таких как трансформатор без потерь длинная линия без

потерь гиратор Все эти модели могут быть представлены как частные случаи

четырехполюсной схемы приведенной на рис 45 На рис 46 представлена

условная схема включения параметров этой схемы в матрицу проводимости

составленная по ранее рассмотренным правилам включения проводимостей

пассивных двухполюсников и крутизны ИТУН в матрицу проводимости

В таблице 41 приведены значения параметров данной схемы

применительно к ранее рассмотренным моделям трансформатора без потерь

длинной линии без потерь гиратора

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 21: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

a

c a b c d

a Y1 -Y1 -S1 S1

b -Y1 Y1 S1 -S1

b d

c -S2 S2 Y2 -Y2

d S2 -S2 -Y2 Y2

Рис 45 Общий вид элементарного

четырехполюсника с обозначением

узлов подключения и параметров

Рис 46 Схема включения

параметров модели элемен-

тарного четырехполюсника

в матрицу проводимости

Таблица 41 Тип четырех-

полюсника Y1 Y2 S1 S2

Трансфор-

матор без

потерь 2

1

1 1p L K

2

1

2 1p L K

21 2 1

K

p L L K

21 2 1

K

p L L K

Длинная

линия без

потерь

1

Z th p

1

Z th p

1

Z sh p

1

Z sh p

Гиратор 0 0 -g2 g1

Общий алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов

приведен на рис 5

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 22: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Начало

N - максимальный номер

узла в модели схемы

Создание пустых

заготовок для матрицы

проводимости (NxN) и

вектора токов(Nx1) (все

элементы нулевые)

Выбор очередного

элемента в модели схемы

i j - узлы подключения y -

величина проводимости

(рис 1)

Конец

Алгоритм формирования матрицы проводимости и вектора токов сигналов

Это ИТУН

i - номер узла

подключения источника

ЭДС Е - величина (рис

4)

Обнуление i - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки i - й

строки

Y[ii] = 1 I[i] = E

Это источник

сигнала

Это источник ЭДС

ij - узлы подключения

источника тока J -

величина тока (рис 3)

I[i] = I[i]+J

abcd - узлы

подключения S - крутизна

(рис 2)

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

I[j] = I[j]-J

Y[ca] = Y[ca]+S

Y[cb] = Y[cb]-S

c - я строка

помечена

d - я строка

помечена

Y[da] = Y[da]-S

Y[db] = Y[db]+S

Есть еще

элементы

Это идеальный

усилитель

Это идеальный

операционный

усилитель

a b c - номера узлов

подключения

Обнуление c - й строки

матрицы проводимости и

вектора токов

Установка пометки c - й

строки

Y[ca] = -1

Y[cb] = 1

(Рис 6)

M - коэффициент

усиления (Рис 5)

Y[ca] = -M

Y[cb] = M

Y[cc] = 1

Y[ii] = Y[ii]+y

Y[ij] = Y[ij]-y

i - я строка

помечена

j - я строка

помечена

Y[ji] = Y[ji]-y

Y[jj] = Y[jj]+y

A

A

Рис 5

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 23: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Пример расчета электронной схемы

Целью работы является изучение приёмов моделирования активной

электронной схемы с использованием математического пакета MATHCAD и программы анализа электронных схем

Лабораторное задание 1 Составить математическую модель резонансной цепи на основе ИТУН

схема которой приведена на рис 2 2 Построить графики АЧХ ФЧХ и годограф коэффициента передачи

Определить частоту резонанса и добротность при заданных номиналах

Рис 2

Составим матричное уравнение данной схемы

U( ) = Y( )(-1)I

Будем использовать третий метод расчета когда на вход схемы

подключается идеальный источник ЭДС единичной величины В этом случае коэффициент передачи по напряжению совпадает по величине с потенциалом выходного узла Подключим единичный источник ЭДС и пронумеруем узлы схемы как показано ниже на рисунке

( 3 ) ( 2 )

( 1 )

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 24: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Теперь составим матрицу проводимостей

Строим вектор токов

1

0

0

I

Коэффициент усиления по напряжению Кu = вх

вых

U

U = Uвых = U2

Выходное напряжение Uвых равно напряжению на выходном узле те узле с номером 2 Входное напряжение Uвх равняется 1 В тк ко входу схемы подключён единичный источник ЭДС

KU( ) = U( )11 = U( )1 (нумерация строк матриц в MATHCADrsquoе начинается с нуля)

В матрице проводимостей 10

107ω(t)

t

взята в логарифмическом масштабе

для удобства нахождения АЧХ и ФЧХ где t = 1200 ФЧХ faz(w) = arg(KU(w))

АЧХ mod(w) = | KU(w) |

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 25: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Строим годограф коэффициента передачи по напряжению

Резонансную частоту wр = 7000 находим по АЧХ по формуле

d

KdW

U

P

)(= 0

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 26: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

5 Расчет шумовых параметров

При расчете шумовых параметров определяются

Эффективное удельное шумовое напряжение на выходе схемы

Эффективное удельное шумовое напряжение приведенное ко входу схемы

Дифференциальный коэффициент шума схемы

Эффективное шумовое напряжение на выходе схемы в полосе анализа

Эффективные парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы вызванные шумами отдельных компонентов схемы

51 Методика расчета шумовых параметров

1 Создаем модель схемы

Преобразуем входной источник напряжения в источник тока

Подключаем к резисторам источники шумовых токов

Полупроводниковые приборы заменяем их линеаризованными моделями

с источниками шумовых токов

2 Нумеруем узлы схемы и формируем матрицу проводимости

3 Нумеруем источники шумовых токов и формируем матрицу токов

4 Рассчитываем парциальные удельные шумовые напряжения на выходе

схемы от каждого из шумовых источников токов

5 Определяем удельное шумовое напряжение на выходе как корень из

суммы квадратов парциальных удельных шумовых напряжений

6 Рассчитываем модуль коэффициента передачи по напряжению

7 Определяем удельное шумовое напряжение приведенное ко входу как

отношение удельного шумового напряжения на выходе к модулю

коэффициента передачи по напряжению

8 Определяем дифференциальный коэффициент шума как отношение

квадрата удельного шумового напряжения приведенного ко входу к

спектральной плотности мощности шума сопротивления источника

сигнала

9 Строим графики

Модуля коэффициента передачи по напряжению схемы

Удельного шумового напряжения на выходе

Парциальных удельных шумовых напряжений на выходе схемы как

результат шума отдельных элементов схемы

Дифференциального коэффициента шума схемы

52 Шумовые модели компонентов

В электронных схемах в основном имеют дело с тремя типами шумов

Резистивный шум ndash шум связанный с флуктуациями плотности электронов

в резисторах

Дробовый шум ndash шум вызванный дискретной природой электрического

тока

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 27: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Фликкер ndash шум (мерцающий шум) ndash шум возникающий при протекании

тока через объем полупроводникового материала в результате

перераспределений плотностей нитей тока и взаимодействия их между

собой и с объемом материала

Резистивный шум представляет собой белый шум который может быть

представлен как напряжение возникающее на идеальном нешумящем

резисторе при параллельном подключении к нему источника шумового тока со

спектральной плотностью мощности определяемой формулой Найквиста Wr =

4kTR [A2Гц] где k ndash постоянная Больцмана T ndash абсолютная температура

резистора

Дробовый шум можно считать белым шумом только в области от нуля до

нескольких сотен мегагерц На более высоких частотах спектральная плотность

мощности начинает падать поскольку скорость движения электронов при

протекании тока конечна и отдельные импульсы энергии переносимые

электронами не могут быть аппроксимированы дельта-импульсами В области

частот где этот шум можно рассматривать как белый спектральная плотность

мощности эквивалентного шумового источника тока определяется по формуле

Шоттки We = 2Ie [A2Гц] где I ndash величина протекающего постоянного тока e

ndash заряд электрона

Фликкер-шум в основном проявляется на низких частотах и имеет ярко

выраженную зависимость от частоты Он моделируется с помощью источника

шумового тока со спектральной плотностью мощности Wf = Kf(IAf

)f [A2Гц]

где I ndash величина протекающего постоянного тока f ndash текущая частота Kf и Af ndash

коэффициенты зависящие от свойств полупроводникового материала

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 28: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

53 Пример расчета шумовых параметров схемы

Приведем пример расчета шумовых

параметров усилителя на полевом транзисторе

ВС264А схема которого изображена на

рисунке (усилитель с общим истоком)

Источник сигнала V1 имеет нулевое значение

постоянной составляющей сигнала на выходе

его внутреннее сопротивление моделируется

внешним резистором R1 Выходной сигнал снимается со стока транзистора R2

ndash сопротивление нагрузки

Расчет выполнен в среде пакета MathCad текст программы расчета

приведен ниже

Расчет шумовых параметров усилителя с общим истоком на полевом

транзисторе типа BC264A

Источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R=1k сопротивление

в цепи стока Rd=1k напряжение питания Е=9в транзистор работает при

нулевом напряжении затвор-исток

Для расчета необходимо сначала определить параметры модели полевого

транзистора ток стока емкости затвор-сток и затвор-сток крутизну выходное

сопротивление В качестве исходных данных используются параметры модели

из библиотеки компонентов программы PSPICE

Параметры схемы

R 1 103 Rd 1 10

3 E 9

Параметры транзистора

2 103 Vt0 1249 2667 10

3 Cgd0 335 10

12 Cgs 3598 10

12

M 03622 PB 1 Kf 1438 1018

Af 1

Расчет параметров линейной модели транзистора

Is0 Vt02 Is0 312 10

3 (Ток стока)

Vgd E Rd Is0 Vgd 588 (Напряжение сток-затвор)

Cgd Cgd0 1Vgd

PB

M

Cgd 1666 10

12 (Емкость затвор-сток)

Gds Is0 Gds 8321 106

(Выходная проводимость)

GmIs0 2

Vt0 Gm 4996 10

3 (Начальная крутизна)

Физические константы

e 1602 1019

(Заряд электрона)

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 29: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

k 1381 1023

(Постоянная Больцмана)

T 273 27 (Абсолютная температура)

KR 4 k T

Задание диапазона частот

N 28 (Число частотных интервалов)

fb 10 fe 100 106 (Начальная (fb) и конечная (fe) частоты диапазона

частот)

i 0 N fi

fbfe

fb

i

N

(Расчет частотных точек в логарифмическом масштабе

по частоте)

pi

2i fi

(Комплексная частота)

Расчет шумовых параметров

Матрица токов Первый столбец - вектор

тока входного сигнала остальные

столбцы - векторы шумовых токов

j 0 3 dB x( ) 20 log x

Расчет выходных напряжений Первый вектор (при j=0) - модуль коэффициента

усиления схемы остальные - шумовые напряжения на выходе

Uni j

1

Rp

iCgs Cgd( )

Gm pi

Cgd

pi

Cgd

pi

Cgd1

RdGds

1

Ii

j

1

Kui

Uni 0

(Коэффициент передачи схемы по напряжению)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

10

0

10

20

dB Ku i

f i

Ii

1

R

0

KR

R

0

0

KR

Rd

0

2 Gm

3KR

Kf Is0Af

fi

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 30: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Uouti

1

3

j

Uni j

2

(Шумовое напряжение на выходе)

Uini

Uouti

Kui

(Шумовое напряжение приведенное ко входу)

Kni

Uini

2

KR R (Коэффициент шума усилителя)

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2

4

6

8

10

12

Kn i

f i Для сравнения приведем результаты расчета коэффициента шума

выполненные с использованием профессиональной программы

схемотехнического моделирования MicroCAP

Далее приведем графики вкладов отдельных компонентов в общий шум

Компоненты выходного шумового напряжения связанные с отдельными

источниками шума

1 - сопротивление источника сигнала (кружочки)

2 - сопротивление в цепи стока транзистора (крестики)

3 ndash транзистор (ромбики)

4 - суммарный шум (линия без токенов)

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i

Page 31: �� 0 A G 5 B H C < > 2 K E ? 0 @ 0 < 5 B @ > 2 · Title: �� 0 A G 5 B H C : > 2 K E ? 0 @ 0 ; 5 B @ > 2 Author: Alexandr Created Date: 10/10/2013

Выводы

Данная схема в основном шумит на низких частотах

На частотах до 100 Гц основным источником шума в схеме является

полевой транзистор (фликкер-шум)

На частотх выше 100 Гц основным источником шума является

сопротивление источника сигнала

Коэффициент шума имеет подьемы на низких частотах (ниже 100 Гц) и

на высоких частотах (выше 50 МГц) Подъем коэффициента шума на

низких частотах определяется возрастанием шумов транзистора на

низких частотах (фликкер-шум) а его подъем на высоких частотах

определяется уменьшением коэффициента усиления схемы на высоких

частотах (выше 10 МГц)

6 Литература 1 Разевиг ВД Применение программ P-CAD и PSpice для

схемотехнического моделирования на ПЭВМ Выпуск 2 Модели

компонентов аналоговых устройств М Радио и связь 1992

2 Влах И Сингхал К Машинные методы анализа и проектирования

электронных схем - М Радио и связь 1988 - 560 с

3 Фидлер Дж К Найтингейл К Машинное проектирование электронных

схем М Высшая школа 1985

4 Карсон Р Высокочастотные усилители М Радио и связь 1981

5 Очков ВФ MathCAD PLUS для студентов и инженеров ndash М ТОО фирма

laquoКомпьютерПрессraquo 1996 ndash 238 с

6 MATHCAD 60 PLUS Финансовые инженерные и научные расчеты в

среде Windows 95Перевод с англ ndash М Информационно-издательский

дом laquoФилинъraquo 1996 ndash 712 с

10 100 1 103

1 104

1 105

1 106

1 107

1 108

0

2 108

4 108

6 108

8 108

Un i 1

Un i 2

Un i 3

Uout i

f i