Анализ транзисторного усилителя
Введение
Для анализа транзисторного усилителя будем использовать
программу схемотехнического моделирования Micro Cap 8.0. Кратко
охарактеризуем данную программу
MicroCap-9 - это универсальная программа
схемотехнического анализа, предназначенная для решения широкого круга задач.
Характерной особенностью этой программы, впрочем как и всего семейства Micro Cap , является наличие
удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно
привлекательным для непрофессиональной аудитории. Несмотря на достаточно
скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК, его возможности
достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и
цифровые схемы. Возможно также и смешанное моделирование аналого-цифровых
электронных устройств.
Micro Cap-9 отличается от младших представителей своего
семейства более совершенными моделями электронных компонентов. Это приближает
его по возможностям схемотехнического моделирования к интегрированным пакетам DESIGNLAB, ORCAD, PCAD2002 - достаточно сложным
в освоении средствам анализа и проектирования электронных устройств,
подразумевающим в первую очередь профессиональное использование. Кроме того,
полная совместимость со SPICE-моделями и SPICE-схемами и развитые
возможности конвертирования позволяют пользователю Micro Cap успешно применять все
разработки, предназначенные для данных пакетов, а полученные навыки
моделирования дадут возможность в случае необходимости гораздо быстрее
осваивать профессиональные пакеты моделирования.
Перечисленные достоинства делают программу MicroCap-9 весьма привлекательной
для моделирования электронных устройств средней степени сложности. Удобство в
работе, нетребовательность к ресурсам компьютера и возможность анализировать
электронные устройства с достаточно большим количеством компонентов позволяют
успешно использовать ее как начинающим радиолюбителям, студентам, так и
инженерам-разработчикам. Кроме того, программы семейства Micro Cap активно применяются в
научно-исследовательской деятельности.
Интерфейс Micro Cap настолько интуитивно понятен, что позволяет
человеку, имеющему базовые навыки работы с персональным компьютером, начать
использование этой программы даже не читая руководство. Разработчиками найден
компромисс между простотой и функциональностью. В нем нет имитации
«измерительных приборов», загромождающих Workbench. При расчете не
открывается большое число окон со сложными взаимосвязями между ними, как в DESIGNLAB. Не зря его очень любят
студенты - простенькую схему им в большинстве случаев удается промоделировать в
MicroCap и без прочтения
громоздких руководств. А если учесть, что даже в демонстрационной версии MicroCap приведены примеры
моделирования практически всех типов электронных устройств (как аналоговых, так
и цифровых), то это существенно упрощает освоение программы и изучение приемов
моделирования. А полная версия содержит уже столько примеров, что изучение
только тех схем, которые содержатся в библиотеке MicroCap, в состоянии заметно
расширить знания, полученные в рамках базовых вузовских курсов электроники и
схемотехники.
Использование программы MicroCap позволяет не только
изучать работу электронных схем, но и приобретать навыки наладки электронных
устройств. Основные приемы получения рабочей модели ничем не отличаются от
методик введения в рабочий режим реальных электронных устройств. Именно эти
свойства и позволяют рекомендовать его в первую очередь студентам и
радиолюбителям. Как отметил один из радиолюбителей, использующих Micro-Cap, основная проблема при
работе с ним - начинает ржаветь паяльник...
Важным плюсом можно считать и то, что в настоящее время в
сети Internet можно найти достаточно большие библиотеки отечественных и
зарубежных электронных компонентов.
Из приведенной характеристики программы Micro-Cap 9 можно сделать вывод,
что она является наилучшей для начинающих пользователей, которым требуется
ознакомиться со способами анализа электрических схем с помощью возможностей
компьютера. Именно поэтому для анализа транзисторного каскада выбираем эту
программу.
.
Определение максимального уровня входного сигнала
транзисторный усилитель сигнал
Температурный анализ
Определение максимального уровня входного сигнала при t = - 350С.
Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная
Для того, чтобы определить уровень входного сигнала исследуемого
усилителя необходимо построить его амплитудную характеристику с помощью «Transient Analysis». Для этого в поле «Stepping» задали изменение амплитуды входного
сигнала от 0 до 3,6 мВ с шагом 0,36 мВ. Окна лимитов «Transient Analysis» и «Stepping» показаны на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2 - Окно “Transient Analysis” для
определения уровня входного сигнала
Рисунок 3 - Окно “Stepping” параметров входного сигнала
В результате получается семейство выходных характеристик, которые
приведены на рисунке 4. График строится до тех пор, пока не начнется
ограничение выходного сигнала.
Рисунок 4 - Семейства выходных характеристик усилителя
Из полученных характеристик нашли коэффициент ассиметричности по формуле:
,
где: u + - амплитуда напряжения положительной полуволны;
u - - амплитуда напряжения отрицательной
полуволны.
Таблица 1 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = - 350С.
|
Uвх, мВ
|
U+
|
U-
|
K
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
0,36
|
359.515
|
359.022
|
0,00068
|
|
0,72
|
719.029
|
718.044
|
0,000685
|
|
1,08
|
1079
|
1077
|
0,00092
|
|
1,44
|
1438
|
1436
|
0,00069
|
|
1,8
|
1798
|
1795
|
0,00083
|
|
2,16
|
2140
|
2154
|
0,0032
|
|
2,52
|
2497
|
2513
|
0,0031
|
|
2,88
|
2853
|
2872
|
0,0033
|
|
3,24
|
3236
|
3231
|
0,00077
|
|
3,6
|
3566
|
3590
|
0,0033
|
Рисунок 5 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = - 350С
.2 Определение максимального уровня входного сигнала при t = -200С.
Рисунок 6 - “Transient Analysis” для определения уровня входного
сигнала
Рисунок 7 - Окно “Stepping” параметров входного сигнала
Рисунок 8 - Семейства выходных характеристик усилителя
Таблица 2 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = - 200С.
|
Uвх, мВ
|
U+
|
U-
|
K
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
0,36
|
356.648
|
359.022
|
0,0033
|
|
0,72
|
713.297
|
718.044
|
0,0033
|
|
1,08
|
1070
|
1073
|
0,0013
|
|
1,44
|
1438
|
1436
|
0,00069
|
|
1,8
|
1783
|
1795
|
0,0033
|
|
2,16
|
2157
|
2154
|
0,00069
|
|
2,52
|
2497
|
2513
|
0,0031
|
|
2,88
|
2853
|
2872
|
0,0033
|
|
3,24
|
3210
|
3219
|
0,0013
|
|
3,6
|
3566
|
3576
|
0,0014
|
Рисунок 9 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = - 200С
1.3 Определение максимального уровня входного сигнала при t = -50С
Рисунок 10 - Окно “Transient Analysis” для
определения уровня входного сигнала
Рисунок 11 - Окно “Stepping” параметров входного сигнала
Рисунок 12 - Семейства выходных характеристик усилителя
Таблица 3 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = -50С.
|
Uвх, мВU+U-K
|
|
|
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
0,36
|
356.648
|
359.022
|
0,0033
|
|
0,72
|
713.297
|
718.044
|
0,00331
|
|
1,08
|
1070
|
1073
|
0,00139
|
|
1,44
|
1427
|
1436
|
0,00314
|
|
1,8
|
1783
|
1795
|
0,00335
|
|
2,16
|
2157
|
2154
|
0,00069
|
|
2,52
|
2497
|
2513
|
0,00319
|
|
2,88
|
2853
|
2872
|
0,00331
|
|
3,24
|
3210
|
3219
|
0,00139
|
|
3,6
|
3566
|
3576
|
0,0014
|
Рисунок 13 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = -50С.
1.4 Определение максимального уровня входного сигнала при t = 100С
Рисунок 14 - Окно “Transient Analysis” для
определения уровня входного сигнала
Рисунок 15 - Окно “Stepping” параметров входного сигнала
Рисунок 16 - Семейства выходных характеристик усилителя
Таблица 4 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = 100С.
|
Uвх, мВ
|
U+
|
U-
|
K
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
0,36
|
356.648
|
359.022
|
0,00331
|
|
0,72
|
713.297
|
718.044
|
0,00331
|
|
1,08
|
1079
|
1077
|
0,000927
|
|
1,44
|
1427
|
1431
|
0,00139
|
|
1,8
|
1798
|
1788
|
0,00278
|
|
2,16
|
2157
|
2154
|
0,000695
|
|
2,52
|
2517
|
2503
|
0,00278
|
|
2,88
|
2853
|
2872
|
0,00331
|
|
3,24
|
3210
|
3219
|
0,00139
|
|
3,6
|
3566
|
3590
|
0,00335
|
Рисунок 17 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = 100С.
1.5
Определение максимального уровня входного сигнала при t = 250С
Рисунок 18 - Окно “Transient Analysis” для
определения уровня входного сигнала
Рисунок 19 - Окно “Stepping” параметров входного сигнала
Рисунок 20 - Семейства выходных характеристик усилителя
Таблица 5 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = 250С.
|
Uвх, мВ
|
U+
|
U-
|
K
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
0,36
|
359.515
|
359.979
|
0,00064
|
|
0,72
|
713.297
|
719.957
|
0,0000093
|
|
1,08
|
1079
|
1080
|
0,000463
|
|
1,44
|
1438
|
1440
|
0,000694
|
|
1,8
|
1798
|
1800
|
0,000555
|
|
2,16
|
2157
|
2160
|
0,0006949
|
|
2,52
|
2517
|
2520
|
0,000595
|
|
2,88
|
2876
|
2880
|
0,0006949
|
|
3,24
|
3236
|
3240
|
0,000617
|
|
3,6
|
3595
|
3600
|
0,0006949
|
Рисунок 21 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = 250С.
1.6 Определение максимального уровня входного сигнала при t = 400С
Рисунок 18 - Окно “Transient Analysis” для
определения уровня входного сигнала
Рисунок 19 - Окно “Stepping” параметров входного сигнала
Рисунок 20 - Семейства выходных характеристик усилителя
Таблица 6 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = 400С.
|
Uвх, мВU+U-K
|
|
|
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
0,36
|
356.64
|
359.022
|
0,0000093
|
|
0,72
|
719.029
|
718.044
|
0,000685
|
|
1,08
|
1079
|
1077
|
0,000927
|
|
1,44
|
1427
|
1436
|
0,00314
|
|
1,8
|
1783
|
1788
|
0,0014
|
|
2,16
|
2157
|
2146
|
0,0006949
|
|
2,52
|
2517
|
2520
|
0,00255
|
|
2,88
|
2876
|
2861
|
0,00261
|
|
3,24
|
3210
|
3231
|
0,00326
|
|
3,6
|
3595
|
3590
|
0,000695
|
Рисунок 21 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = 400С.
.7 Определение максимального уровня входного сигнала при t = 400С
Рисунок 18 - Окно “Transient Analysis” для
определения уровня входного сигнала
Рисунок 19 - Окно “Stepping” параметров входного сигнала
Рисунок 20 - Семейства выходных характеристик усилителя
Таблица 7 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = 400С.
|
Uвх, мВ
|
U+
|
U-
|
K
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
359.515
|
359.022
|
0,000686
|
|
0,72
|
719.029
|
718.044
|
0,000685
|
|
1,08
|
1070
|
1073
|
0,00139
|
|
1,44
|
1438
|
1431
|
0,00243
|
|
1,8
|
1798
|
1788
|
0,00278
|
|
2,16
|
2157
|
2146
|
0,00255
|
|
2,52
|
2517
|
2503
|
0,00278
|
|
2,88
|
2876
|
2861
|
0,00261
|
|
3,24
|
3210
|
3219
|
0,00139
|
|
3,6
|
3576
|
3576
|
0
|
Рисунок 21 - Зависимость коэффициента ассиметрии от уровня входного
сигнала при t = 550С.
1.8 Определение входного рабочего напряжения для температуры 550С
Рисунок 21 - Зависимость максимального входного наряжения от температуры.
В ходе выполнения данного задания исследовали амплитудную характеристику
усилительного каскада и влияние на нее изменения температуры. В ходе задания
выяснилось, что данный каскад вносит искажения в обрабатываемый сигнал.
Искажения выражаются в асимметричности полуволн выходного напряжения.
Для данного каскада был определен коэффициент асимметричности полуволн
выходного сигнала. Кроме того, для данного каскада было определено входное
рабочее напряжение. Так же был проведен температурный анализ каскада, то есть
было исследовано влияние изменения температур на коэффициент асимметрии и,
соответственно, на входное рабочее напряжение. Из графика зависимости входного
рабочего напряжения от температуры можно сделать вывод, что при увеличении
температуры входное рабочее напряжение усилителя увеличивается. Следовательно,
данный усилительный каскад выгоднее использовать при низкой температуре.
2. Анализ усилителя в частотной области. Температурный анализ
Частотный анализ схемы проводится путем построения АЧХ усилительного
каскада и проведения дополнительных расчетов.
Для построения АЧХ усилителя используется пункт меню “Частотный анализ”.
В окне “Установки частотного анализа” вводятся необходимые параметры, соответствующие
данной схеме. Это окно представлено на рисунке 2.1. Для построения АЧХ в графе
“Выражение по оси Y” необходимо
ввести “db(v(10)/v(1))”. Также в графе
«Температура» ввели диапазон температур, в котором исследуется усилитель.
Данный каскад исследовали в диапазоне температур от -35°С до +55°С с шагом в
15°С. График АЧХ приведен на рисунке 2.2.
Рисунок 2.1. Окно “Limits”
Рисунок 2.2. АЧХ исследуемого каскада в диапазоне температур.
На полученной зависимости увеличили участок характеристики, где
коэффициенты усиления при разных температурах максимальны и определили их
значение. Полученные результаты свели в таблицу 2. Увеличенный участок
характеристики изображен на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3. Изменение коэффициента усиления в диапазоне температур
После определения коэффициентов усиления открыли окно “Установки
частотного анализа”, в котором, для определения полосы пропускания, задали для
построения программой величины коэффициент усиления -3 дБ. Окно “Limits” представлено на рисунке 2.4.
Рисунок
2.4. Окно “AC Analysis Limits”
После того, как окно “AC Analysis Limits” было заполнено, вновь запустили анализ, в результате
которого на экране появились характеристики, каждую из которых пересекала
линия, которая отмечала полосу пропускания усилителя при данной температуре.
Данная зависимость представлена на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5. АЧХ усилительного каскада с дополнительными построениями для
расчета полосы пропускания.
После получения изображения, показанного на рисунке 2.5, на
характеристике были найдены две зоны, в которых пересекаются характеристики с
дополнительно построенными для определения полосы пропускания линиями. Зона,
расположенная слева по рисунку является областью нижних частот; зона,
расположенная справа по рисунку - область верхних частот. Для дальнейших расчетов
зоны, выделенные на рисунке, увеличили и посчитали частоты пропускания
усилителя на нижних и верхних частотах. Увеличенное изображение зоны частот
пропускания на нижней частоте приведены на рисунке 2.6; зоны частот пропускания
на верхних частотах - на рисунке 2.7.
Рисунок 2.6. Зона нижних частот полосы пропускания с дополнительными
построениями.
Рисунок 2.7. Зона верхних частот полосы пропускания с дополнительными
построениями.
По полученным изображениям с помощью дополнительных построений определили
нижние и верхние частоты пропускания для всего диапазона температур. Полученные
данные свели в таблицу 2.
Далее повторили расчеты для полосы задержания (уровень -20дБ от
максимального коэффициента усиления). Окно “Установки частотного анализа” для
построения полосы задержания приведено на рисунке 2.8.
Рисунок 2.8. Окно “Limits”
для построения полосы задержания.
После заполнения окна “Установки частотного анализа” вновь запустили
расчет, в результате чего получили АЧХ с построениями для определения частоты
среза. Изображение полученной АЧХ приведено на рисунке 2.9.
Рисунок 2.9. АЧХ усилительного каскада с дополнительными построениями для
расчета полосы задержания.
На полученной характеристике отметили зоны полосы задержания на нижних и
верхних частотах. Для определения частот среза увеличили отмеченные зоны и
сделали на полученных изображениях дополнительные построения. Полученные
изображения приведены на рисунках 2.10 и 2.11.
Рисунок 2.10. Зона нижних частот полосы задержания с дополнительными
построениями.
Рисунок 2.11. Зона верхних частот полосы задержания с дополнительными
построениями.
По полученным изображениям с помощью дополнительных построений определили
нижние и верхние частоты задержания для всего диапазона температур. Полученные
данные свели в таблицу 2.
Таблица 2. Зависимость коэффициента усиления и частот пропускания и
задержания усилительного каскада от температуры.
|
t, °C
|
К, дБ
|
fн пп, Гц
|
fв пп, МГц
|
fн пз, Гц
|
fв пз, МГц
|
|
-35
|
28,763
|
14,986
|
0.996
|
1,492
|
10,418
|
|
-20
|
28,792
|
15,018
|
1,031
|
1,49
|
10,773
|
|
-5
|
28,816
|
15,068
|
1,069
|
1,489
|
11,156
|
|
10
|
28,836
|
15,128
|
1,106
|
1,488
|
11,564
|
|
25
|
28,851
|
15,167
|
1,149
|
1,487
|
12,003
|
|
40
|
28,859
|
15,186
|
1,195
|
1,485
|
12,477
|
|
55
|
28,86
|
15,186
|
1,242
|
1,482
|
12,99
|
По полученным в таблице значениям построили зависимости коэффициента
усиления и частот пропускания и задержания усилительного каскада от
температуры. Графики полученных зависимостей приведены на рисунках 2.12-2.16
соответственно.
Рисунок 2.12. Зависимость коэффициента усиления каскада от температуры.
Рисунок 2.13. Зависимость нижней частоты полосы пропускания каскада от
температуры.
Рисунок 2.14. Зависимость верхней частоты полосы пропускания каскада от
температуры.
Рисунок 2.15. Зависимость нижней частоты полосы задержания каскада от
температуры.
Рисунок 2.16. Зависимость верхней частоты полосы задержания каскада от
температуры.
В ходе задания были исследованы частотные свойства усилительного каскада,
то есть исследовано усиление каскада на полосе частот. Проведен температурный
анализ частотных свойств каскада. Исследовано изменение коэффициента усиления в
зависимости от температуры, при которой работает усилительный каскад. По
полученным зависимостям можно сделать вывод, что максимального усиления каскада
можно добиться при температуре 40°C.
Кроме того, из полученных зависимостей заметно, что с увеличением
температуры уменьшается ширина полосы пропускания, что отрицательно влияет на
усилительные свойства каскада. Это явление (уменьшение ширины полосы
пропускания) можно объяснить тем, что с увеличением температуры увеличиваются
паразитные диффузионные токи в транзисторах, которые уменьшают коэффициент
усиления транзисторов и, соответственно, всей схемы.
3. Прохождение через усилитель прямоугольного импульса
Температурный анализ
Для исследования прохождения через усилитель прямоугольного импульса на
вход схемы поставили в качестве источника входного сигнала генератор
прямоугольных импульсов, который генерирует прямоугольные импульсы малой
длительности амплитудой Uвх.раб. Получившаяся в результате изменения
источника сигналов схема усилительного каскада приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема усилителя при исследовании прохождения через него
прямоугольных импульсов.
.1 Импульсная характеристика при t = -350С
Входной источник синусоидального напряжения заменили на импульсный
источник со следующими параметрами: MODEL IMPULSE
PUL (VZERO=0 P1=0 P2=1e-12 P3=154.5m P4=154.5000000001m P5=309m VONE=2.3m).
Для проведения анализа схемы запустили “Анализ переходных процессов”.
Здесь в окне “Установки Анализ переходных процессов” указали параметры анализа
схемы. Окно “Установки Анализ переходных процессов” представлено на рисунке
3.1.1.
Рисунок 3.1.1. Окно “Limits”
для выходного сигнала схемы.
После заполнения этого окна запустили анализ, в результате которого
получили сигнал на выходе усилительного каскада. Этот сигнал является откликом
системы на прямоугольный импульс очень малой длительности, то есть входной
сигнал можно приближенно считать функцией Хевисайта. Выходной сигнал на выходе
схемы представлен на рисунке 3.1.2.
Рисунок 3.1.2. Сигнал на выходе схемы с дополнительными построениями при
-35°С.
В данном пункте курсовой работы необходимо исследовать, как долго длятся
переходные процессы в усилителе после отключения питания. Для этой цели на
полученном графике выходного сигнала с помощью дополнительных построений
определили время переднего и заднего фронтов сигнала.
По
полученному сигналу с помощью дополнительных построений определили и . Полученные данные занесли в таблицу 3.
Аналогично
делаем в пунктах 3.2 - 3.7.
.2 Импульсная характеристика при t = -200С
Входной источник синусоидального напряжения заменили на импульсный
источник со следующими параметрами: MODEL IMPULSE
PUL (VZERO=0 P1=0 P2=1e-12 P3=295.5m P4=295.500000001m P5=591m VONE=2.745m).
Рисунок 3.2.1. Окно “Limits”
для выходного сигнала схемы.
Рисунок 3.2.2. Сигнал на выходе схемы с дополнительными построениями при
-20°С.
По
полученному сигналу с помощью дополнительных построений определили и . Полученные данные занесли в таблицу 3.
3.3 Импульсная характеристика при t = -50С
Входной источник синусоидального напряжения заменили на импульсный
источник со следующими параметрами: MODEL IMPULSE
PUL (VZERO=0 P1=0 P2=1e-12 P3=166.5m P4=166.500000001m P5=333m VONE=2.9m).
Рисунок 3.3.1. Окно “Limits”
для выходного сигнала схемы.
Рисунок 3.3.2. Сигнал на выходе схемы с дополнительными построениями при
-5°С.
По
полученному сигналу с помощью дополнительных построений определили и . Полученные данные занесли в таблицу 3.
.4
Импульсная характеристика при t = 100С
Входной источник синусоидального напряжения заменили на импульсный
источник со следующими параметрами: MODEL IMPULSE
PUL (VZERO=0 P1=0 P2=1e-12 P3=232.5m P4=232.500000001m P5=465m VONE=3.56m).
Рисунок 3.4.1. Окно “Limits”
для выходного сигнала схемы.
Рисунок 3.4.2. Сигнал на выходе схемы с дополнительными построениями при
10°С.
По
полученному сигналу с помощью дополнительных построений определили и . Полученные данные занесли в таблицу 3.
.5
Импульсная характеристика при t = 250С
Входной источник синусоидального напряжения заменили на импульсный
источник со следующими параметрами: MODEL IMPULSE
PUL (VZERO=0 P1=0 P2=1e-6 P3=205.5m P4=205.500000001m P5=411m VONE=4.95m).
Рисунок 3.5.1. Окно “Limits”
для выходного сигнала схемы.
Рисунок 3.5.2. Сигнал на выходе схемы с дополнительными построениями при
25°С.
По
полученному сигналу с помощью дополнительных построений определили и . Полученные данные занесли в таблицу 3.
.6
Импульсная характеристика при t = 400С
Входной источник синусоидального напряжения заменили на импульсный
источник со следующими параметрами: MODEL IMPULSE
PUL (VZERO=0 P1=0 P2=1e-6 P3=12.984
P4=12.98400000001 P5=25.968 VONE=37.5m).
Рисунок 3.6.1. Окно “Limits”
для выходного сигнала схемы.
Рисунок 3.6.2. Сигнал на выходе схемы с дополнительными построениями при
40°С.
По
полученному сигналу с помощью дополнительных построений определили и . Полученные данные занесли в таблицу 3.
.7
Импульсная характеристика при t = 550С
Входной источник синусоидального напряжения заменили на импульсный
источник со следующими параметрами: MODEL IMPULSE
PUL (VZERO=0 P1=0 P2=1e-12 P3=1.605615
P4=1.60561500000001 P5=3.21123 VONE=5.6m).
Рисунок 3.7.1. Окно “Limits”
для выходного сигнала схемы.
Рисунок 3.7.2. Сигнал на выходе схемы с дополнительными построениями при
55°С.
По
полученному сигналу с помощью дополнительных построений определили и . Полученные данные занесли в таблицу 3.
.8
Температурный анализ
По
рисункам определили для каждой температуры время переднего и заднего фронта.
Полученные результаты занесли в таблицу 3.
Таблица
3. Зависимость времени переднего и заднего фронта сигнала от температуры.
|
t, °C
|
, мс, мсFmax
|
|
|
|
-35
|
39,596
|
48,359
|
0,0066
|
|
-20
|
40,2
|
43,641
|
0,007
|
|
-5
|
54,587
|
55,013
|
0,0053
|
|
10
|
53,78
|
55,02
|
0,0054
|
|
25
|
52,115
|
59,485
|
0,0052
|
|
40
|
42,449
|
57,751
|
0,0058
|
|
55
|
40,615
|
49,815
|
0,0065
|
По полученным в таблице значениям длин переднего и заднего фронтов
определили скважность импульсов Fmax по формуле:
,
где
Кз - коэффициент запаса, который для выполнения задания приняли
равным 1,7. в результате расчетов получили значения скважности для трех
различных температур. По полученным в таблице 3 величинам построили графики
зависимостей длительностей фронтов от температуры и скважности от температуры.
Полученные зависимости приведены на рисунках 3.8.1 - 3.8.3.
Рисунок
3.8.1. Зависимость длительности переднего фронта от температуры.
Рисунок
3.8.2. Зависимость длительности заднего фронта от температуры.
Рисунок
3.8.3. Зависимость скважности импульсов от температуры.
Из
температурного анализа, проведенного в этом пункте, можно сделать вывод, что
исследуемый усилительный каскад с точки зрения установления в режим
стабильности эффективнее всего использовать при высоких температурах, так как
именно при этой температуре длительность переходного процесса самая малая из
всех рассмотренных случаев. Следовательно, именно при таких температурах
усилительный каскад быстрее всего переходит в стабильное состояние после
возбуждения, значит, и работать схема при этой температуре будет быстрее, а,
следовательно, будет тратиться меньше энергии для питания усилителя, и
элементы, из которых он состоит, будут нагреваться медленнее и на меньшую
величину.
4.
Анализ уровня входного сопротивления. Температурный анализ
Для
проведения анализа зависимости входного сопротивления усилителя от температуры
изменили схему усилительного каскада: в схеме сразу после источника питающего
переменного напряжения последовательно подключили резистор малого
сопротивления, равного 0,001 Ом. Измененная схема приведена на рисунке 4.
Рисунок
4. Схема усилительного каскада для проведения температурного анализа входного
сопротивления усилителя.
Для
исследования зависимости входного сопротивления от частоты использовали
“Частотный анализ”. Для проведения анализа установили диапазон частот, в
котором будет проводиться исследование. Окно “Установки частотного анализа” с
приведенными выше параметрами указано на рисунке 4.1.
Рисунок
4.1. Окно “Limits” для получения зависимости входного сопротивления от
температуры.
После
заполнения окна “Установки частотного анализа” запустили анализ, в результате
которого получили семейство характеристик. Полученное семейство характеристик
приведено на рисунке 4.2.
Рисунок
4.2. Семейство зависимостей входного сопротивления от частоты при различных
температурах.
Из полученного рисунка путем увеличения области максимумов определили
максимальные значения входного сопротивления при различных температурах и
соответствующие этим значениям частоты. Увеличенный фрагмент рисунка 4.2 с
дополнительными построениями приведен на рисунке 4.3.
Рисунок 4.3. Увеличенный фрагмент зависимости входного сопротивления от
частоты при -35°С, -25°С, -5°С, 10°С, 25°С,40°С,55°С.
Полученные в результате расчетов значения сопротивлений и температур
свели в таблицу 4.
Таблица 4. Зависимость входного сопротивления усилителя от температуры.
|
t,0C
|
-35
|
-20
|
-5
|
10
|
25
|
40
|
55
|
|
Rвх, кОм
|
239,364
|
244,946
|
249,759
|
253,931
|
257,561
|
260,734
|
263.512
|
По результатам, полученным в ходе эксперимента, построили зависимость
входного сопротивления от температуры. Полученная зависимость изображена на
рисунке 4.5.
Рисунок 4.5. Зависимость входного сопротивления от температуры.
Из полученной зависимости можно сделать вывод, что при увеличении
температуры входное сопротивление каскада линейно увеличивается, что является
отрицательной характеристикой усилительного каскада, так как при увеличении
входного сопротивления на нем будет рассеиваться больше мощности, и,
следовательно, величина полезной мощности, подаваемой в каскад, будет
уменьшаться, и каскад будет работать не эффективно. С точки зрения максимальной
полезной мощности необходимо, чтобы температура в усилителе была максимальна,
тогда входное сопротивление также будет максимально.
5. Определение реакции усилителя на включении питания
Определение реакции усилителя на включение питания является важной
задачей, так как при этом мы можем определить, сколько времени требуется
усилительному каскаду, чтобы в нем закончился переходной процесс после
включения питания, и он стал работать в стабильном режиме. Также в процессе
данного типа анализа можно узнать, не происходит ли во время включения питания
избыточного выброса энергии в схему, что пагубно влияет на её работу, а иногда
может и разрушить особо чувствительные элементы схемы.
Для выполнения поставленной задачи определения реакции усилителя на
включения питания с входа схемы убрали источник гармонического сигнала, а на
выходе вместо батареи поставили источник прямоугольных импульсов. Полученная в
результате этого схема усилительного каскада приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Схема усилительного каскада для определения реакции усилителя
на включение.
.1 Определение реакции усилителя на включении питания при t = -350С
Для исследования реакции усилителя на включение питания использовали
метод анализа “Анализ переходных процессов”. Здесь в окне “Установки Анализ
переходных процессов” указали параметры анализа схемы. Окно “Установки Анализ
переходных процессов” представлено на рисунке 5.1.1.
Рисунок 5.1.1. Окно “Limits”
для анализа переходных процессов при включении усилителя.
Переходная характеристика показана на рисунке 5.5.2
Рисунок 5.1.2. Реакция усилителя на включение питания при t = -350С
.2 Определение реакции усилителя на включении питания при t = 100С
Рисунок 5.2.1. Окно “Limits”
для анализа переходных процессов при включении усилителя.
Рисунок 5.2.2. Реакция усилителя на включение питания при t = 100С
.3 Определение реакции усилителя на включении питания при t = 550С
Рисунок 5.3.1. Окно “Limits”
для анализа переходных процессов при включении усилителя.
Рисунок 5.3.2. Реакция усилителя на включение питания при t = 550С
На полученной характеристике заметно, что усилитель после включения
питания начинает работать в стабильном режиме не сразу, а через определенное
время. Это обусловлено переходными процессами, которые начинают происходить в
каскаде при включении питания. Эти процессы обусловлены наличием в схеме
усилителя конденсаторов и транзисторов, переходы которых также можно считать
конденсаторами. Из-за того, что конденсатор не может заряжаться и разряжаться
мгновенно в цепи, содержащей конденсаторы, после включения или выключения
питания происходят переходные процессы. Из полученного рисунка можно сделать
вывод, что при включении питания происходит дополнительного выброса энергии в
схему. Из этого следует, что после включения питания энергия в схеме превышает
предельно допустимого значения, и, следовательно, надо защищать схему от
перегрузок при включении.
Также был проведён анализ переходного процесса относительно температуры.
Как видно из рисунков при увеличении температуры переходной процесс
увеличивается что отрицательно влияет на схему. Так же увеличивается выброс
дополнительной энергии. Из этого следует сделать вывод что данный каскад лучше
всего использовать при низких температурах.
6. Определение допусков на параметры элементов согласно допускам на
функциональные показатели усилителя парциальных характеристик
.1 Определение допуска на резистор R5 при отклонении значения коэффициента усиления на 1,8 дБ
Для определения допуска используется “Частотный анализ”. Окно “Установки
частотного анализа” с параметрами для
определения допуска на резистор R5 при
отклонении значения коэффициента усиления приведено на рисунке 6.1.3. Используя
“С шагом” устанавливается изменение сопротивления R4 в пределах (10,2…13,8) Ом с шагом 0,3 Ом для получения
изменения коэффициента усиления в пределах (-0,166 Ku…0,169 Ku) дБ. Окно “С шагом”, с заполненными
данными для изменения R5
представлено на рисунке 6.1.2.График зависимости коэффициента усиления от
сопротивления резистора R5
приведён на рисунке 6.1.3.
Рисунок 6.1.1.Окно “Limits”
для определения допуска на резистор R5
Рисунок 6.1.2.Окно “Stepping” для установления изменения сопротивления R5\
Рисунок 6.1.3.Зависимость коэффициента усиления от сопротивления
резистора R5
По полученному изображению определили величины коэффициентов усиления,
соответствующие каждому значению сопротивления.
Результаты всех исследований свели в таблицу 6.1.
Таблица 6.1. Зависимости изменении коэффициента усиления от изменения
сопротивления R5.
|
R5ном, кОм
|
Ku, дб
|
  , дб
|
|
|
9
|
12,19
|
-25
|
1,873
|
|
10
|
11,489
|
-16,7
|
1,172
|
|
11
|
10,87
|
-8,3
|
0,553
|
|
12
|
10,317
|
0
|
0
|
|
13
|
9,82
|
8,3
|
-0,497
|
|
14
|
9,369
|
16,7
|
-0,948
|
|
15
|
8,959
|
25
|
-1,358
|
|
16
|
8,582
|
33,3
|
-1,735
|
|
17
|
8,236
|
41,7
|
-2,081
|
По
полученной таблице построили зависимость от 
. Получившееся зависимость представлена на рисунке
6.1.4.
Рисунок
6.1.4. Зависимость от 
с
дополнительными построениями.
Из полученной зависимости можно сделать вывод, что изменение коэффициента
усиления на 1,8 дБ возможно при максимальном отклонении номинала сопротивления
на 35%. При более высоком отклонении значение коэффициента усиления не будет
соответствовать заданному, что недопустимо.
В номинальном ряду сопротивлений отсутствует допуск 35%, следовательно,
необходимо взять ближайший к нему снизу. Ближайшим снизу допуском к 35%
является допуск 9,1%, следовательно, именно с таким допуском должен выполняться
резистор R5, чтобы обеспечить схеме допустимый
коэффициент усиления.
В номинальном ряду значению допуска 9,1% соответствует ряд Е24, из
которого также выбираем номинальное значение сопротивления 12 Ом.
.2 Определение допуска на конденсатор С3 при отклонении значения нижней
частоты задержания на 30%
Для определения допуска используется “Частотный анализ”. Окно “Установки
частотного анализа” с параметрами для определения
допуска на конденсатор С3 при отклонении значения нижней частоты задержания
приведено на рисунке 6.2.1. Используя “С шагом” устанавливается изменение
емкости С3 в пределах (15…30) нФ с шагом 1 мкФ для получения изменения нижней
частоты пропускания в пределах ± 30%. Окно “С шагом” с параметрами для
установления изменения емкости С3 в пределах (15…30) нФ с шагом 1 мкФ приведено
на рисунке 6.1.2.
График зависимости нижней частоты задержания от ёмкости конденсатора С3
приведён на рисунке 6.1.3.
Рисунок 6.1.1.Окно “Limits”
для определения допуска на конденсатор С3
Рисунок 6.1.2.Окно “Stepping” для установления изменения ёмкости С3
Рисунок 6.1.3.Зависимость нижней частоты задержания от ёмкости
конденсатора С3
По полученному изображению определили значения нижних частот задержания,
соответствующие каждому значению ёмкости.
Результаты всех исследований свели в таблицу 6.2.
Таблица 6.2. Зависимости изменении нижних частот задержания от изменения
ёмкости С3.
|
С3ном, мкФ
|
fнз, мГц
|
 
|
|
|
13
|
1171
|
-35
|
44,8
|
|
20
|
808,906
|
0
|
0
|
|
27
|
673,812
|
35
|
-16,7
|
|
34
|
534,609
|
70
|
-33,9
|
|
41
|
466,719
|
105
|
-42,3
|
|
48
|
419,543
|
140
|
-48,1
|
|
50
|
406,562
|
150
|
-49,7
|
По
полученной таблице построили зависимость 
от 
. Получившееся зависимость представлена на рисунке
6.1.4.
Из полученной зависимости можно сделать вывод, что изменение значения
нижней частоты задержания на 30% возможно при максимальном отклонении номинала
сопротивления на -25% +60%. При более высоком отклонении нижней частоты
задержания не будет соответствовать заданному, что недопустимо.
В номинальном ряду сопротивлений отсутствует допуск -25% +60%,
следовательно, необходимо взять ближайший к нему снизу. Ближайшим снизу
допуском к -25% +60% является допуск 10%, следовательно, именно с таким
допуском должен выполняться конденсатор С3, чтобы обеспечить схеме допустимый
коэффициент усиления.
В номинальном ряду значению допуска 10% соответствует ряд Е12, но в этом
ряду отсутствует номинальное значения ёмкости для нашего конденсатора, по этому
мы выбираем приближенное номинальное значение 22 мкФ.
7. Статический анализ схемы
Для проведения статистического анализа использовали метод Monte Carlo. Для получения статистических зависимостей задали
допуск номиналов всех сопротивлений и емкостей 5%. Окно, в котором указывали
допуски на элементы приведено на рисунке 7. Это производиться для того, чтобы
максимально приблизить процессы, происходящие в усилителе, к реальным. Также
это делается для того, чтобы упростить выбор элементов для сборки готовой
исследуемой схемы, так как после проведения анализа нам будет известно, как
поведет себя схема при заданных номиналах и допусках на номиналы элементов.
.MODEL RR1 RES (R=1 LOT=5%)
.MODEL RR2 RES (R=1 LOT=5%)
.MODEL RR3 RES (R=1 LOT=5%)
.MODEL RR4 RES (R=1 LOT=5%)
.MODEL RR5 RES (R=1 LOT=5%)
.MODEL RR6 RES (R=1 LOT=5%)
.MODEL RR7 RES (R=1 LOT=5%)
.MODEL RR8 RES (R=1 LOT=5%)
.MODEL RR9 RES (R=1 LOT=5%)
.MODEL RR10 RES (R=1 LOT=5%)
.MODEL CC1 CAP (C=1 LOT=5%)
.MODEL CC2 CAP (C=1 LOT=5%)
.MODEL CC3 CAP (C=1 LOT=10%)
Рисунок 7. Указание допусков на элементы для проведения статистического
анализа.
7.1 Метод Gauss
Для начала анализа запустили “Частотный анализ”
и выбрали опцию Monte Carlo, в которой указали метод анализа Gauss, который является наиболее точным, и
количество отсчетов, равное 150. Окно Monte Carlo представлено
на рисунке 7.1.2. Далее в окне “Установки
частотного анализа” указали область частот, в
которой проводиться расчет. Окно “Установки
частотного анализа” представлено на рисунке
7.1.1.
Рисунок 7.1.1. Окно “Limits”
для варианта анализа Gauss.
Рисунок 7.1.2. Окно опции “Monte Carlo”
После того, как указали все параметры, запустили анализ, в результате
которого получили семейство характеристик. Полученное семейство характеристик
приведено на рисунке 7.1.3. На графике с помощью дополнительных построений
отметили границы полосы пропускания и полосы задержания, в которых потом
проводили анализ.
Рисунок 7.1.3. Семейство зависимостей коэффициента усиления от частоты.
На данном рисунке нашли зоны полос пропускания и задержания на нижних и
верхних частотах. Каждую из этих зон увеличили и произвели на них
дополнительные построения, чтобы определить, как сильно меняются частоты
пропускания и задержания усилителя, если все его элементы имеют допуски. Кроме
того, определили, как изменяется коэффициент усиления, если элементы схемы
имеют допуски. Зависимость коэффициента от частоты в увеличенном виде
представлена на рисунке 7.1.4.
Рисунок 7.1.4. Граничные коэффициенты усиления для схемы с допусками.
Для дальнейших расчетов сначала исследовали зону полосы пропускания на
нижних частотах. Полученный график изображен на рисунке 7.1.5.
Рисунок 7.1.5. Изменение частоты в полосе пропускания нижних частот.
По полученному рисунку определили разность частот, в которой расположены
все характеристики.
Далее исследовали полосу частот в зоне полосы задержания на нижних
частотах. При этом анализ повторно не запускали, так как при повторном анализе
каждая характеристика меняет свое положение относительно предыдущего случая.
Полученная характеристика приведена на рисунке 7.1.6.
Рисунок 7.1.6. Изменение частоты в полосе задержания нижних частот.
После этого исследовали полосу пропускания и задержания в области верхних
частот. Полученные зависимости с дополнительными построениями приведены на
рисунках 7.1.7 и 7.1.8 соответственно.
Рисунок 7.1.7. Изменение частоты в полосе пропускания верхних частот.
Рисунок 7.1.8. Изменение частоты в полосе задержания верхних частот.
Все значения, которые получили в процессе проведения анализа, свели в
таблицу 7.
.2 Метод Worst Case
Далее провели тот же статистический анализ, но с помощью опции Worst Case, которая является не самой лучшей для проведения
статистического анализа. Это сделали для того, чтобы на практике выяснить,
насколько сильно будут отличаться результаты этих двух типов анализа.
Для проведения анализа по методу Worst Case в опции Monte Carlo выбрали этот
тип анализа, установили количество отсчетов 150. Параметры схемы при этом на
изменяли. Окно “Установки частотного анализа” представлено на рисунке 7.2.1.Окно Monte Carlo приведено на рисунке 7.2.2.
Рисунок 7.2.1. Окно “Limits”
для варианта анализа Worst Case.
Рисунок 7.2.2. Окно опции “Monte Carlo”.
После того, как указали все параметры, запустили анализ, в результате
которого получили семейство характеристик. Полученное семейство характеристик
приведено на рисунке 7.2.3. На графике с помощью дополнительных построений отметили
границы полосы пропускания и полосы задержания, в которых потом проводили
анализ.
Рисунок 7.2.3. Семейство зависимостей коэффициента усиления от частоты.
На данном рисунке нашли зоны полос пропускания и задержания на нижних и
верхних частотах. Каждую из этих зон увеличили и произвели на них
дополнительные построения, чтобы определить, как сильно меняются частоты
пропускания и задержания усилителя, если все его элементы имеют допуски. Кроме
того, определили, как изменяется коэффициент усиления, если элементы схемы
имеют допуски. Зависимость коэффициента от частоты в увеличенном виде
представлена на рисунке 7.2.4.
Рисунок 7.2.4. Граничные коэффициенты усиления для схемы с допусками.
Для дальнейших расчетов сначала исследовали зону полосы пропускания на
нижних частотах. Полученный график изображен на рисунке 7.2.5.
Рисунок 7.2.5. Изменение частоты в полосе пропускания нижних частот.
По полученному рисунку определили разность частот, в которой расположены
все характеристики.
Далее исследовали полосу частот в зоне полосы задержания на нижних
частотах. При этом анализ повторно не запускали, так как при повторном анализе
каждая характеристика меняет свое положение относительно предыдущего случая.
Полученная характеристика приведена на рисунке 7.2.6.
Рисунок 7.2.6. Изменение частоты в полосе задержания нижних частот.
После этого исследовали полосу пропускания и задержания в области верхних
частот. Полученные зависимости с дополнительными построениями приведены на
рисунках 7.2.7 и 7.2.8 соответственно.
Рисунок 7.2.7. Изменение частоты в полосе пропускания верхних частот.
Рисунок 7.2.8. Изменение частоты в полосе задержания верхних частот.
Все значения, которые получили в процессе проведения анализа, свели в
таблицу 7.
По графикам определили коэффициент усиления Кu, нижнюю и верхнюю полосу пропускания
и задержания с помощью формул:
;
;
;
;
.
Все
значения, которые получили в процессе проведения анализа, свели в таблицу 7.
Таблица
7. Результаты статистического анализа при разных видах функции плотности
распределения вероятностей.
|
ФПРВ
|
Кu, дБ
|
ΔКu, %
|
fнп, Гц
|
Δfнп, %
|
fвп, МГц
|
Δfвп, %
|
fнз, Гц
|
Δfнз, %
|
fвз, Гц
|
Δfвз, %
|
|
Gauss
|
28,829
|
0,43
|
15,035
|
4,2
|
1,481
|
0,1
|
1,079
|
7
|
11,301
|
2,5
|
|
WC
|
28,846
|
1,172
|
15,61
|
20,4
|
1,482
|
4,9
|
1,028
|
23,3
|
11,116
|
7,6
|
Подставив в данные формулы числа, приведенные в таблице 7, получили
величины среднего отклонения значений коэффициента усиления и частоты от
номинального значения при определенном допуске на элементы схемы.
Из полученных в таблице 7 результатов можно сделать вывод, что введение
допусков на все элементы схемы приводит к тому, что частоты, характеризующие
области пропускания и задержания усилительного каскада перестают быть
стабильными. Из данных, полученных в таблице 7, заметно, что нестабильным
становиться и коэффициент усиления каскада.
Таким образом, исходя из значений, полученных в таблице 7, можно сделать
вывод, что вид анализа Gauss
дает более точные результаты, так как отклонение величины от номинального
значения при данном типе анализа меньше, что позволяет проводить анализ точнее,
так как в более низком диапазоне находиться больше характеристик. Исходя из
этого, можно сказать, что вид статистического анализа Gauss лучше, чем Worst Case, в чем мы
убедились в процессе проведения эксперимента.
Заключение
В ходе проделанной работы был исследован усилительный каскад с помощью
программы схемотехнического моделирования Micro Cap 9. усилительный каскад был подвергнут детальному анализу,
который состоял из семи пунктов. В каждом из пунктов анализа была получена
информация, необходимая для правильного построения устройства в промышленных
условиях.
В ходе работы определили уровень максимального входного напряжения,
которое можно подключать к каскаду, чтобы поддерживать стабильный и приемлемый
для правильной работы уровень мощности, потребляемый устройством. Провели
частотный анализ схемы, в результате которого определили максимальный
коэффициент усиления и полосы пропускания и задержания устройства. Также
провели температурный анализ всех вышеперечисленных параметров.
Также в работе провели анализ схемы на прохождение через усилитель
прямоугольного импульса и исследовали реакцию усилителя на включение, в
результате чего выяснили, что при включении и выключении питания и при
скачкообразном его изменении в усилительном каскаде происходят переходные
режимы, обусловленные наличием в схеме конденсаторов и транзистора.
Кроме того, определили допуск на один из элементов схемы, в результате
чего облегчили работу тем, кто эту схему будет собирать в промышленных
условиях.
Провели статистический анализ схемы, в котором исследовали, как
изменяются амплитудо-частотные параметры усилителя, если элементы в нем имеют
некоторые допуски.
В результате всех проведенных видов анализа при завершении работы мы
имеем достаточно много сведений об исследуемом устройстве, чтобы собрать его из
элементов, которые можно купить в любом магазине радиодеталей. Более того,
после анализа, проведенного в ходе работы, мы предположительно знаем, как это
устройство будет работать.
Таким образом, имея лишь только компьютер и программу схемотехнического
моделирования Micro Cap, можно смоделировать работу любого устройства,
затратив на это минимум времени и средств.
Список литературы
1. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и
сигналы
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники /М.: Мир,
- 2014. - 598 с.
. Шустов М. А. Практическая схемотехника /М.:
Альтекс-А, 2011. - 351с.
. Амелина М., А. Амелин С. А. Программа схемотехнического
моделирования Micro-Cap 8. - М.: Горячая линия-Телеком. 2009. - 464с.