L'amplificador realimentat

Càlculs. Circuit implementat. Resultats de simulació. Gràfica. Anàlisi del punt de treball. Diagrama de Bode. Anàlisi de Montecarlo. Anàlisi de Fourier

  • Enviado por: Wiki Wiki
  • Idioma: catalán
  • País: España España
  • 14 páginas
publicidad
publicidad

Índex

Portada..........................................................................................................................................1

Índex..............................................................................................................................................2

Càlculs...........................................................................................................................................3

Circuit Implementat......................................................................................................................4

Resultats de Simulació...................................................................................................................7

Gràfica Entrada-Sortida....................................................................................................7

Anàlisi del punt de treball.................................................................................................8

Diagrama de Bode..........................................................................................................10

Anàlisi de Montecarlo.....................................................................................................11

Anàlisi de Fourier............................................................................................................12

Conclusions i Notes.....................................................................................................................14

Càlculs

Per a poder fer els càlculs, escollirem uns valors aleatoris, realitzarem els càlculs i comprovarem que el resultat és vàlid.

-Com no s'han col·locat condensadors de desacoblament, les rectes de càrrega estàtica i dinàmica són iguals => Vc=Vcc/2

-s'ha aplicat Thevenin a les resistències de base per separar la base del col·lector i així facilitar l'anàlisi.

-Suposicions, per a la segona etapa Rc=1K Rb=1K, β=150

'L\'amplificador realimentat'

Vcc=15; => ic=15-7,5/Rc => ic=7,5mA => ib = 7,5/150=50μA

Vbb= Rb·ib +0,7+100(β+1)ib

Vbb=1,5

Finalment : Rb1·0,1=Rc1 => Rb1=10K => Rb2≈1K

Així ja hem polaritzat la segona etapa. Un cop polaritzada la primera, Caldrà tenir en compte que hi ha una segona etapa, i per tant una impedància a la sortida i un guany posterior. Això podria afectar a la polarització, ja que si el primer amplifica massa el corrent, el segon transistor podria entrar en tall o en saturació.

Tot i això hem fet una valoració del anàlisi en alterna, que és aquesta:

-A la sortida, tenim Rc2//RL i com que Rc2=RL/10 => Rc2//RL ≈Rc (afegint com a molt, un 10% d'error)

-A la sortida del primer transistor, Rc1//Zi2 on Zi2=Rb//[hie+Re(β+1)]=15K => Rc1=Zi2/15. Així doncs, aplicant el mateix d'abans, Rc1//Zi2=Rc1

-Amb aquestes valoracions, hem decidit provar el circuit fent servir el mateix circuit de polarització. Si Rc fos més gran, o RL més petita, segurament les deduccions anteriors no serien vàlides i caldria tenir en compte la segona etapa al polaritzar la primera.

Circuit Final Implementat

'L\'amplificador realimentat'

Les resistències calculades han estat variades per a que poguessin ser trobades dins de la sèrie E-12 en un sol component. Si bé també es podrien associar diferents valors de la sèrie per ajustar més els valors dels càlculs, no ho hem cregut convenient, ja que el fet de col·locar aquestes resistències només feia variar en un volt el punt de treball, escurçant una mica la excursió màxima al no ser simètrica.

El circuit implementat té algunes variacions respecte al dibuix, que són:

  • Els condensadors C1, C2 i C3 són condensadors electrolítics, ja que no existeixen condensadors sense polaritat dels valors del dibuix.

  • El resistor Rf s'ha substituït per un potenciòmetre, per a poder ajustar el valor d'aquesta en funció del guany desitjat, y així obtenir un valor exacte d'amplificació.

Arxiu .Cir

*** CIRCUIT DESCRIPTION******************************************************

** Creating circuit file "Practica1.cir"

** WARNING: THIS AUTOMATICALLY GENERATED FILE MAY BE OVERWRITTEN BY SUBSEQUENT SIMULATIONS

*Libraries:

* Profile Libraries :

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of C:\OrCAD\OrCAD_15.7_Demo\tools\PSpice\PSpice.ini file:

.lib "C:\Users\Xavi\Documents\Orcad Projects\Llibreries\BIPOLAR.LIB"

.lib "nom.lib"

*Analysis directives:

.TRAN/OP 0 5ms 0 10u

.SAVEBIAS "bias" TRAN

.OPTIONS NODE

.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))

.INC "..\SCHEMATIC1.net"

**** INCLUDING SCHEMATIC1.net ****

* source PRACTICA1

R_R6 0 N000582 R_R6 100

.model R_R6 RES R=1 DEV=5%TC1=-400u

C_C4 N04138 OUT C_C4 100u

.model C_C4 CAP C=1 DEV=20%TC1=2000u

R_R7 0 N00509 R_R7 1k

.model R_R7 RES R=1 DEV=5%TC1=-400u

Q_Q1 N00482 N00395 N04187 Q2N2222A

Q_Q2 N00601 N00509 N000582 Q2N2222A

R_R8 N00509 N00544 R_R8 10k

.model R_R8 RES R=1 DEV=5%TC1=-400u

R_R10 N04138 N04187 R_R10 600

.model R_R10 RES R=1 DEV=5%TC1=-400u

R_R1 0 N04187 R_R1 100

.model R_R1 RES R=1 DEV=5%TC1=-400u

V_V2 N01365 0

+SIN 0 400m 10k 0 0 0

V_V1 N00544 0 15

C_C2 N00482 N00509 C_C2 100u

.model C_C2 CAP C=1 DEV=20%TC1=2000u

C_C1 N01365 N00395 100u

R_R2 N00482 N00544 R_R2 1k

.model R_R2 RES R=1 DEV=5%TC1=-400u

C_C3 N00601 N04138 C_C3 100u

.model C_C3 CAP C=1 DEV=20%TC1=2000u

R_R3 0 N00395 R_R3 1k

.model R_R3 RES R=1 DEV=5%TC1=-400u

R_R9 0 OUT R_R9 10k

.model R_R9 RES R=1 DEV=5%TC1=-400u

R_R4 N00395 N00544 R_R4 10k

.model R_R4 RES R=1 DEV=5%TC1=--400u

R_R5 N00601 N00544 R_R5 1k

.model R_R5 RES R=1 DEV=5%TC1=-400u

**** RESUMING Practica1.cir **

Resultats de la simulació

Gràfica Entrada-Sortida:

*s'ha afegit un condensador extra davant de la resistència de càrrega d'un valor de 100μF per a filtrar el corrent continu.

Aquesta primera gràfica mostra els resultats Entrada-Sortida del circuit per a una senyal sinusoïdal de 400mV de pic i 50Hz de freqüència. L'amplificador compleix les expectatives, amplificant no només 2 volts, sinó una mica més.

Anàlisi del punt de treball a 0,25 i 50º C

Anàlisi a 0ºC

**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 0.000 DEG C

***********************************************************************

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( OUT) 0.0000 (N00395) 1.3304 (N00482) 9.0779 (N00509) 1.3304

(N00544) 15.0000 (N00601) 9.0779 (N01365) 0.0000 (N04138) .5959

(N04187) .5959 (N000582) .5959

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V_V2 0.000E+00

V_V1 -1.458E-02

TOTAL POWER DISSIPATION 2.19E-01 WATTS

**** 10/31/07 16:44:09 ******** PSpice Lite (July 2006) ******* ID# 10813 ****

** Profile: "SCHEMATIC1-Practica1" [ C:\Users\Xavi\Documents\Orcad Projects\practica1-pspicefiles\schematic1\practica1.sim ]

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 0.000 DEG C

***********************************************************************

Anàlisi a 25ºC

**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 25.000 DEG C

***********************************************************************

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( OUT) 0.0000 (N00395) 1.3324 (N00482) 8.6628 (N00509) 1.3324

(N00544) 15.0000 (N00601) 8.6628 (N01365) 0.0000 (N04138) .6372

(N04187) .6372 (N000582) .6372

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V_V2 0.000E+00

V_V1 -1.541E-02

TOTAL POWER DISSIPATION 2.31E-01 WATTS

**** 10/31/07 16:47:48 ******** PSpice Lite (July 2006) ******* ID# 10813 ****

** Profile: "SCHEMATIC1-Practica1" [ C:\Users\Xavi\Documents\Orcad Projects\practica1-pspicefiles\schematic1\practica1.sim ]

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 25.000 DEG C

***********************************************************************

Anàlisi a 50ºC

**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 50.000 DEG C

***********************************************************************

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( OUT) 0.0000 (N00395) 1.3341 (N00482) 8.2479 (N00509) 1.3341

(N00544) 15.0000 (N00601) 8.2479 (N01365) 0.0000 (N04138) .6785

(N04187) .6785 (N000582) .6785

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V_V2 0.000E+00

V_V1 -1.624E-02

TOTAL POWER DISSIPATION 2.44E-01 WATTS

**** 10/31/07 16:49:39 ******** PSpice Lite (July 2006) ******* ID# 10813 ****

** Profile: "SCHEMATIC1-Practica1" [ C:\Users\Xavi\Documents\Orcad Projects\practica1-pspicefiles\schematic1\practica1.sim ]

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 50.000 DEG C

***********************************************************************

Diagrama de Bode:

*Diagrama de Bode a 25º C

Aquesta altre, mostra l'espectre de freqüències del circuit usant un diagrama de Bode. L'ample de banda, és defineix com l'espai que delimiten les dos freqüències de tall, que és troben 3 dB per sota (la potència es redueix a la meitat). En aquest cas, la freqüència de tall inferior és de 3Hz, y la superior de 38MHz. Així doncs, l'ample de banda és de pràcticament 38MHz.

La gràfica inferior correspon a la fase del la tensió de sortida. La modificació d'aquesta respecte a la freqüència és deu als condensadors y a les capacitats paràsites, ja que els condensadors de desacoblament retarden la tensió a baixes freqüències, mentre les capacitats paràsites, al estar en paral·lel, l'avancen a altes.

Anàlisis de Montecarlo del diagrama de Bode:

*Anàlisi de Montecarlo de 20 passades a 25 ºC

L'anàlisi de Montecarlo és un anàlisi estadístic que preveu els possibles errors, donant valors aleatoris dintre de les toleràncies als components. Normalment, com a referència s'agafa el anàlisi del pitjor cas, però en aquesta gràfica, tenint en compte que hi ha 20 anàlisis diferents, ja es veu per on deu estar el pitjor cas ( o pitjors).

D'aquí en podem extreure que, tot i no tenir components 100% perfectes, la topologia del circuit aconsegueix mantenir certs valors estables. La diferència entre la més alta y la més baixa és d'1 dB, que respecte als 14 totals, representa aproximadament un 7 % ( bastant bo tenint en compte que els condensadors tenen un 20%, les resistències un 5% y les β dels transistors un 80%).

Anàlisi de Fourier:

*Anàlisi de Fourier de 10 harmònics, amb freqüència central als 10KHz

*Ampliació de la gràfica anterior.

L'anàlisi de Fourier ens serveix per veure la descomposició de la senyal de sortida en senyals purs, i veure la amplificació per separat. Donat que la entrada és un sinus de 400mV, la sortida és un sinus de 2V, i per tant ja és un senyal pur. Al fer el Fourier, el resultat és una Delta en la freqüència de mostreig. Si canviéssim la entrada per una quadrada per exemple, veuríem a la sortida la seva descomposició de Fourier, que en el cas de la quadrada seria infinites deltes cada cop més petites, començant per una amb 2V de pic.

Distorsió Harmònica

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(OUT)

HARMONIC FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZED

NO (HZ) COMPONENT COMPONENT (DEG) PHASE (DEG)

1 1.000E+04 2.002E+00 1.000E+00 4.554E-02 0.000E+00

2 2.000E+04 5.805E-03 2.900E-03 8.710E+01 8.700E+01

3 3.000E+04 2.576E-03 1.287E-03 4.134E+01 4.121E+01

4 4.000E+04 1.413E-03 7.059E-04 6.351E+01 6.332E+01

5 5.000E+04 1.636E-03 8.173E-04 7.211E+01 7.188E+01

6 6.000E+04 1.885E-03 9.419E-04 7.071E+01 7.044E+01

7 7.000E+04 2.169E-03 1.084E-03 6.337E+01 6.305E+01

8 8.000E+04 1.955E-03 9.767E-04 5.349E+01 5.313E+01

9 9.000E+04 2.692E-02 1.345E-02 6.783E+01 6.742E+01

10 1.000E+05 1.934E-03 9.661E-04 5.826E+01 5.781E+01

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 1.400146E+00 PERCENT

Conclusions i notes

· Després d'implementar el circuit en el Orcad, ens hem adonat de que resulta útil posar un potenciòmetre enlloc de una resistència de realimentació, de forma que la amplificació pot ser regulada a voluntat, només variant el valor del potenciòmetre.

· Hem vist que per fer un amplificador realimentat cal que el amplificador sense realimentar tingui un guany molt gran, per tal de que el guany total només depengui de la xarxa de realimentació. També hem vist que no importava si el amplificador sense realimentar es tallava o saturava, ja que quan s'aplica la realimentació, això canvia.

· Ha estat evident que L'Orcad i el Pspice són programes molt útils a l'hora de dissenyar un circuit, ja que ofereix milers d'opcions i molts tipus d'anàlisi.

Amplificador Realimentat Pàgina 12