Simulazione SPICE di amplificatore ad emettitore comune

Università degli Studi di Bologna
Seconda Facoltà di Ingegneria - Sede di Cesena
C.d.L. in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni
Simulazione SPICE di
amplificatore ad emettitore comune
Laboratorio di Elettronica L-A (prof. C. Fiegna)
Anno Accademico 2008/09
Data esecuzione: 1 giugno 2009
Marco
Alessandrini
Alessandro
Callozzo
Lorenzo
Minghini
0000281742
[email protected]
0000286147
[email protected]
0000274090
[email protected]
Sommario
Dato un circuito amplificatore con transistore bipolare (BJT) in configurazione ad emettitore comune, dopo aver determinato il punto di funzionamento a riposo deve essere realizzato l’analisi in frequenza per piccoli segnali.
L’obiettivo, considerati tutti i parametri opportuni del BJT, è verificare la
coincidenza dei calcoli teorici con i risultati della simulazione al calcolatore
con SPICE.
=
$
CC
BY:
\
Amplificatore ad emettitore comune con SPICE
Indice
1 Dati di ingresso
2
2 Quesiti analitici
3
3 Risultati della simulazione
4
Elenco delle figure
9
Elenco delle tabelle
9
1
Dati di ingresso
Il circuito in analisi è in figura 1.
Figura 1: Amplificatore ad emettitore comune
Parametri elettrici del circuito.
• Tensione di alimentazione: VCC = 5 V, VEE = −VCC .
• Sorgente di segnale: vI (t) = 1 · sin(2πf t) mV.
• Capacità di bypass:
– per i calcoli preliminari: C1 = C2 = C3 → ∞;
– per la simulazione numerica: C1 = C2 = C3 = 1000 µF.
• RS = RI = 330 Ω.
• RB = 100 kΩ.
• RC = 10 kΩ.
• RE = 16 kΩ.
• RL = R3 = 220 kΩ.
Indice
2
=
$
CC
BY:
\
Amplificatore ad emettitore comune con SPICE
Parametri elettrici del BJT.
• Guadagno di corrente: βF = 65.
• Tensione di soglia per accensione: VBEON = 0, 7 V.
• Tensione di Early: VA = 50 V.
• Tensione termica: VT = 25 mV.
• Corrente di trasporto in saturazione: IS = 1 fA.
Metodo analitico. Il circuito è simulato con il software P-SPICE, parte costitutiva dell’ambiente di sviluppo OrCAD. Grazie ad esso si implementano le netlist
del circuito, potendo analizzare i grafici delle simulazioni plottando le grandezze
d’interesse ed effettuando le misure più opportune.
2
Quesiti analitici
1) Determinare il punto di funzionamento a riposo del transistore bipolare (si trascuri l’effetto Early). Si sceglie di utilizzare l’approssimazione con
VBEON per risolvere la maglia base-emettitore:
0 − RB IB = VBEON + RE IE − VCC
−RB IB = VBEON + RE IB (βF + 1) − VCC
VCC − VBEON
= 3, 7197 µA
RB + RE + RE βF


 VB = −RB IB = −0, 37197 V
 IB = 3, 7197 µA
VC = VCC − RC IC = 2, 5822 V
IC = IB βF = 241, 78 µA


VE = −VCC + RE IE = −1, 072 V
IE = IB (βF + 1) = 245, 5 µA
VCE = 3, 6542 V
VCB = 2, 954 V
IB =
Da ciò consegue, riassumendo, che il punto di riposo è determinato dai seguenti
valori di VCE e IC :
Q = VCEQ = 3, 6542 V , ICQ = 241, 78 µA
con IBQ = 3, 72 µA
2) Calcolare resistenza di ingresso, guadagno di tensione e resistenza d’uscita (includendo l’effetto Early). Per via iterativa si calcolano le correnti IB
e, quindi, IC :
RB IB + VBE + (βF + 1)IB RE − VCC = 0
IB1 =
VCC − VBEON
= 3, 7197 µA
RB + (βF + 1)RE
VBE1 = VT ln
IB2 =
VCC − VBE1
= 3, 60902 µA
RB + (βF + 1)RE
VBE2 = VT ln
IB3 =
IC
βF IB2
= VT ln
= 0, 82722 V
IS
IS
VCC − VBE2
= 3, 66967 µA
RB + (βF + 1)RE
VBE3 = VT ln
2 Quesiti analitici
IC
βF IB1
= VT ln
= 0, 827976 V
IS
IS
IC
βF IB3
= VT ln
= 0, 827225 V
IS
IS
3
=
$
CC
BY:
\
Amplificatore ad emettitore comune con SPICE
Avendo avuto convergenza, si considera come valore finale IB = 3, 66967 µA, quindi
IC = βF IB = 238, 53 µA. Da ciò si possono ricavare i parametri g di conduttanza
e transconduttanza:

IC

= 0, 0095
gm =



V
T

gm
gbe =
= 0, 000146 S
⇒ rbe = 6 828, 8 Ω
βF




 gce = IS = 4, 77 · 10−6 S ⇒ rce = 209 619 Ω
VA
La resistenza d’ingresso dell’amplificatore vale:
Rin = rbe // RB = 6 392, 3 Ω
La resistenza d’uscita dell’amplificatore vale:
Rout = rce // RC = 9 544, 7 Ω
Il guadagno di tensione dell’amplificatore (negativo, perché invertente) vale:
AV = −βF
3
RC // R3 // rce
= −83, 06
RS + rbe
Risultati della simulazione
Figura 2: Amplificatore ad emettitore comune (come da netlist SPICE)
3) Verificare i dati ottenuti precedentemente attraverso una simulazione
P-SPICE, assumendo IS = 1 fA per il BJT e C1 = C2 = C3 = 1000 µF. La
simulazione è stata svolta grazie alla seguente netlist1 , che fa riferimento ai nodi
indicati in figura 2:
* Esercitazione 4
* 01 giugno 2009
* Amplificatore a emettitore comune
*** MODELLO BJT ***
.model MODQN NPN IS=1.0E-15 BF=65 VAF=50 VJE=0.7
*** NETLIST ***
Q1
7 6 8 MODQN
RI
3 5 330
1 Nella
netlist non è compresa la tensione VT , per mancanza di un parametro corrispondente.
3 Risultati della simulazione
4
RB
RC
RE
R3
C1
C2
C3
6
1
8
4
5
8
7
0
7
2
0
6
0
4
*** STIMOLI
VVCC
1 0
VVEE
0 2
VVIN
3 0
=
$
CC
BY:
\
Amplificatore ad emettitore comune con SPICE
100k
10k
16k
220k
1000u
1000u
1000u
***
DC 5
DC 5
DC=0 AC=1m
*** ANALISI DEL CIRCUITO ***
.OP
.AC DEC 1000 1 10000
.probe V(5), V(6), V(7), I(RI), I(R3), I(RC), I(RB)
.end
Punto di riposo.
che segue.
****
Con la simulazione .OP si è ottenuto il file di output .out
SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION
TEMPERATURE =
27.000 DEG C
**************************************************************************
NODE
VOLTAGE
NODE
VOLTAGE
NODE
VOLTAGE
NODE
VOLTAGE
(
1)
5.0000 (
2)
-5.0000 (
3)
0.0000 (
4)
0.0000
(
5)
0.0000 (
6)
-.3554 (
7)
2.5556 (
8)
-1.0321
VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME
CURRENT
VVCC
VVEE
VVIN
-2.444E-04
-2.480E-04
0.000E+00
TOTAL POWER DISSIPATION
2.46E-03
WATTS
**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS
NAME
Q1
MODEL
MODQN
IB
3.55E-06
IC
2.44E-04
VBE
6.77E-01
VBC
-2.91E+00
VCE
3.59E+00
BETADC
6.88E+01
GM
9.45E-03
RPI
7.28E+03
RX
0.00E+00
RO
2.16E+05
CBE
0.00E+00
CBC
0.00E+00
CJS
0.00E+00
BETAAC
6.88E+01
CBX/CBX2
0.00E+00
FT/FT2
1.50E+17
Interpretando i nodi con la nomenclatura assegnata al circuito si può ricavare quanto
segue:
• VCEQ = 3, 5877 V;
• VBEQ = 0, 6767 V,
3 Risultati della simulazione
5
=
$
CC
BY:
\
Amplificatore ad emettitore comune con SPICE
mentre si può operare un confronto tra i parametri rilevati del BJT e quelli impostati
inizialmente, per il punto di riposo:
• corrente di base: IBQ = 3, 55 µA;
• corrente di collettore: ICQ = 244 µA;
• guadagno di corrente: βFDC = βFAC = 68, 8;
• transconduttanza dell’emettitore comune: gm = 0, 00945 S;
• resistenza d’uscita dell’emettitore comune: ro (= rce ) = 216 kΩ.
In tabella 1 sono confrontati i risultati ottenuti con i calcoli delle pagine precedenti
e quelli simulati da SPICE.
VCEQ
VBEQ
IBQ
ICQ
βF
gm
rce
[V]
[V]
[µA]
[µA]
[S]
[kΩ]
Calcoli
3,6542
0,7
3,72
241,78
65
0,0095
209,619
P-SPICE
3,5877
0,6767
3,55
244
68,8
0,00945
216
Tabella 1: Confronto dei parametri calcolati e simulati, per il punto di riposo
Si nota che, nonostante gli scostamenti in linea generale siano di piccola entità,
ciò potrebbe provocare differenze più rilevanti nell’analisi dinamica di Rin , Rout e
AV .
Analisi ai piccoli segnali. Per quanto riguarda i risultati dell’analisi in
frequenza ottenuti con la simulazione, si annota quanto segue.
In figura 3 sono riportate le ampiezze della tensione d’ingresso, della corrispondente tensione d’uscita e la fase sull’uscita (avendo imposto nulla la fase d’ingresso). Escludendo la risposta dell’amplificatore per frequenze inferiori a
10 Hz, per le quali non valgono le approssimazioni di piccolo segnale, per la
banda considerata (10 Hz ÷ 10 kHz) rapportando ingresso a uscita il guadagno
è costante, mentre la fase è costantemente in opposizione.
In figura 4 è plottato il guadagno di tensione in banda passante il quale, nella
banda considerata, è pressoché costante con valore attorno a |AV | ' 82, 5.
Tale valore coincide, salvo le approssimazioni della simulazione e le differenze
di tabella 1, con quello calcolato |AV | = 83, 06.
In figura 5 sono riportati i valori assunti in banda dalle resistenze d’ingresso e
d’uscita dell’amplificatore, con indicazione della quota a cui si stabilizzano, in
dettaglio:
• Rin = 6, 3534 kΩ, mentre dai calcoli ci si attendeva Rin = 6, 3923 Ω;
• Rout = 9, 565 kΩ, mentre dai calcoli ci si attendeva Rout = 9, 5447 Ω,
per cui è evidente la sostanziale coincidenza tra i parametri calcolati e i
risultati della simulazione.
Trattandosi di un amplificatore a emettitore comune, i valori riscontrati di resistenza
d’ingresso, d’uscita e del guadagno di tensione sono accettabili per le caratteristiche
dell’amplificatore2 .
2 Guadagno
elevato; resistenza d’ingresso modesta; resistenza d’uscita non trascurabile.
3 Risultati della simulazione
6
=
$
CC
BY:
\
Amplificatore ad emettitore comune con SPICE
* Esercitazione 4
Date/Time run: 06/12/09 15:54:16
Temperature: 27.0
(A) ES4-0.dat (active)
2.0mV
1.0mV
0V
V(3)
100mV
50mV
SEL>>
0V
V(4)
180d
90d
0d
-90d
-180d
1.0Hz
3.0Hz
P(V(4))
10Hz
30Hz
100Hz
300Hz
1.0KHz
Frequency
Page 1
Date: June 12, 2009
3.0KHz
10KHz
Time: 15:56:50
Figura 3: Tensione d’ingresso (V(3)), d’uscita (V(4)) e fase della tensione d’uscita (P(V4))
* Esercitazione 4
Date/Time run: 06/12/09 15:59:58
Temperature: 27.0
(A) ES4-0.dat (active)
90
80
70
60
50
40
1.0Hz
3.0Hz
V(4)/ V(3)
10Hz
30Hz
100Hz
300Hz
Frequency
Page 1
Date: June 12, 2009
1.0KHz
3.0KHz
10KHz
Time: 16:00:14
Figura 4: Guadagno di tensione (AV )
3 Risultati della simulazione
7
=
$
CC
BY:
\
Amplificatore ad emettitore comune con SPICE
* Esercitazione 4
Date/Time run: 06/12/09 17:23:44
Temperature: 27.0
(A) ES4-0.dat (active)
12K
10K
8K
(377.572,6.3534K)
SEL>>
6K
V(6) / ( I(RB)+I(RI) )
10K
(656.145,9.565K)
9K
1.0Hz
3.0Hz
10Hz
V(7) / ( I(RC)-I(R3) )
30Hz
100Hz
300Hz
1.0KHz
Frequency
Page 1
Date: June 12, 2009
3.0KHz
10KHz
Time: 17:31:03
Figura 5: Resistenza d’ingresso (Rin ) e d’uscita (Rout )
3 Risultati della simulazione
8
=
$
CC
BY:
\
Amplificatore ad emettitore comune con SPICE
Elenco delle figure
1
2
3
4
5
Amplificatore ad emettitore comune . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Amplificatore ad emettitore comune (come da netlist SPICE) . . . .
Tensione d’ingresso (V(3)), d’uscita (V(4)) e fase della tensione d’uscita (P(V4)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Guadagno di tensione (AV ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resistenza d’ingresso (Rin ) e d’uscita (Rout ) . . . . . . . . . . . . . .
2
4
7
7
8
Elenco delle tabelle
1
Confronto dei parametri calcolati e simulati, per il punto di riposo .
6
\
=
$
CC
BY:
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l’indirizzo [email protected].
Elenco delle figure
9