Simulazione SPICE di amplificatore ad emettitore comune

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1 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 marco.alessandrini4@studio.unibo.it Alessandro Callozzo alessandro.callozzo@studio.unibo.it Lorenzo Minghini lorenzo.minghini@studio.unibo.it 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.

2 = 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: V CC = 5 V, V EE = V CC. ( ) Sorgente di segnale: v I (t) = 1 sin(2πft) mv. Capacità di bypass: per i calcoli preliminari: C 1 = C 2 = C 3 ; per la simulazione numerica: C 1 = C 2 = C 3 = 1000 µf. R S = R I = 330 Ω. R B = 100 kω. R C = 10 kω. R E = 16 kω. R L = R 3 = 220 kω. Indice 2

3 = Parametri elettrici del BJT. Guadagno di corrente: β F = 65. Tensione di soglia per accensione: V BEON = 0, 7 V. Tensione di Early: V A = 50 V. Tensione termica: V T = 25 mv. Corrente di trasporto in saturazione: = 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 per risolvere la maglia base-emettitore: V BEON 0 R B I B = V BEON + R E I E V CC R B I B = V BEON + R E I B (β F + 1) V CC I B = 3, 7197 µa I C = I B β F = 241, 78 µa I E = I B (β F + 1) = 245, 5 µa I B = V CC V BEON = 3, 7197 µa R B + R E + R E β F { VCE = 3, 6542 V V CB = 2, 954 V V B = R B I B = 0, V V C = V CC R C I C = 2, 5822 V V E = V CC + R E I E = 1, 072 V Da ciò consegue, riassumendo, che il punto di riposo è determinato dai seguenti valori di V CE e I C : ( ) Q = V CEQ = 3, 6542 V, I CQ = 241, 78 µa con I BQ = 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 I B e, quindi, I C : R B I B + V BE + (β F + 1)I B R E V CC = 0 I B1 = V CC V BEON R B + (β F + 1)R E = 3, 7197 µa V BE1 = V T ln I C = V T ln β F I B1 = 0, V I B2 = V CC V BE1 R B + (β F + 1)R E = 3, µa V BE2 = V T ln I C = V T ln β F I B2 = 0, V I B3 = V CC V BE2 R B + (β F + 1)R E = 3, µa V BE3 = V T ln I C = V T ln β F I B3 = 0, V 2 Quesiti analitici 3

4 = Avendo avuto convergenza, si considera come valore finale I B = 3, µa, quindi I C = β F I B = 238, 53 µa. Da ciò si possono ricavare i parametri g di conduttanza e transconduttanza: g m = I C = 0, 0095 V T g be = g m = 0, S r be = 6 828, 8 Ω β F g ce = V A = 4, S La resistenza d ingresso dell amplificatore vale: R in = r be // R B = 6 392, 3 Ω La resistenza d uscita dell amplificatore vale: R out = r ce // R C = 9 544, 7 Ω r ce = Ω Il guadagno di tensione dell amplificatore (negativo, perché invertente) vale: A V = β F R C // R 3 // r ce R S + r be = 83, 06 3 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 = 1 fa per il BJT e C 1 = C 2 = C 3 = 1000 µf. La simulazione è stata svolta grazie alla seguente netlist 1, 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 *** Q MODQN RI Nella netlist non è compresa la tensione V T, per mancanza di un parametro corrispondente. 3 Risultati della simulazione 4

5 = RB RC RE R3 C1 C2 C k k k k u u u *** STIMOLI *** VVCC 1 0 DC 5 VVEE 0 2 DC 5 VVIN 3 0 DC=0 AC=1m *** ANALISI DEL CIRCUITO ***.OP.AC DEC 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 = DEG C ************************************************************************** NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE ( 1) ( 2) ( 3) ( 4) ( 5) ( 6) ( 7) ( 8) VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT VVCC VVEE VVIN E E E+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: V CEQ = 3, 5877 V; V BEQ = 0, 6767 V, 3 Risultati della simulazione 5

6 = mentre si può operare un confronto tra i parametri rilevati del BJT e quelli impostati inizialmente, per il punto di riposo: corrente di base: I BQ = 3, 55 µa; corrente di collettore: I CQ = 244 µa; guadagno di corrente: β FDC = β FAC = 68, 8; transconduttanza dell emettitore comune: g m = 0, S; resistenza d uscita dell emettitore comune: r o (= r ce ) = 216 kω. In tabella 1 sono confrontati i risultati ottenuti con i calcoli delle pagine precedenti e quelli simulati da SPICE. Calcoli P-SPICE V CEQ [V] 3,6542 3,5877 V BEQ [V] 0,7 0,6767 I BQ [µa] 3,72 3,55 I CQ [µa] 241, β F 65 68,8 g m [S] 0,0095 0,00945 r ce [kω] 209, 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 R in, R out e A V. 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 A V 82, 5. Tale valore coincide, salvo le approssimazioni della simulazione e le differenze di tabella 1, con quello calcolato A V = 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: R in = 6, 3534 kω, mentre dai calcoli ci si attendeva R in = 6, 3923 Ω; R out = 9, 565 kω, mentre dai calcoli ci si attendeva R out = 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 amplificatore 2. 2 Guadagno elevato; resistenza d ingresso modesta; resistenza d uscita non trascurabile. 3 Risultati della simulazione 6

7 = Date/Time run: 06/12/09 15:54:16 2.0mV * Esercitazione 4 (A) ES4-0.dat (active) Temperature: mV 0V 100mV V(3) 50mV SEL>> 0V 180d V(4) 90d 0d -90d -180d 1.0Hz 3.0Hz 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz P(V(4)) Frequency Date: June 12, 2009 Page 1 Time: 15:56:50 Figura 3: Tensione d ingresso (V(3)), d uscita (V(4)) e fase della tensione d uscita (P(V4)) Date/Time run: 06/12/09 15:59:58 90 * Esercitazione 4 (A) ES4-0.dat (active) Temperature: Hz 3.0Hz 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz V(4)/ V(3) Frequency Date: June 12, 2009 Page 1 Time: 16:00:14 Figura 4: Guadagno di tensione (A V ) 3 Risultati della simulazione 7

8 = Date/Time run: 06/12/09 17:23:44 12K * Esercitazione 4 (A) ES4-0.dat (active) Temperature: K 8K ( ,6.3534K) SEL>> 6K 10K V(6) / ( I(RB)+I(RI) ) ( ,9.565K) 9K 1.0Hz 3.0Hz 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz V(7) / ( I(RC)-I(R3) ) Frequency Date: June 12, 2009 Page 1 Time: 17:31:03 Figura 5: Resistenza d ingresso (R in ) e d uscita (R out) 3 Risultati della simulazione 8

9 = Elenco delle figure 1 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 (A V ) Resistenza d ingresso (R in ) e d uscita (R out ) Elenco delle tabelle 1 Confronto dei parametri calcolati e simulati, per il punto di riposo. 6 = Quest opera è stata rilasciata sotto la licenza Creative Commons Attribuzione-Non commerciale-non opere derivate 2.5 Italia. Per leggere una copia della licenza visita il sito web o spedisci una lettera a Creative Commons, 171 Second Street, Suite 300, San Francisco, California, 94105, USA. È consentito riprodurre e distribuire liberamente il presente testo, senza apporvi modifiche e mantenendo sempre riconoscibile il nome degli autori, purché non a scopo di lucro, senza scopi commerciali (direttamente o indirettamente) e per esclusivo uso personale. È possibile pubblicare il file o sue parti su siti internet, purché siano citati in maniera evidente gli autori (Marco Alessandrini, Alessandro Callozzo e Lorenzo Minghini). Per qualunque informazione, problematica, suggerimento o reclamo utilizzare l indirizzo marco.alessandrini4@studio.unibo.it. Elenco delle figure 9