4.2 Моделирование усилительного каскада по переменному току

Необходимо проанализировать схему усилительного каскада на предмет соответствия технических параметров заданию на разработку.

Для этого нужно:

• Оценить форму сигнала в нагрузке и коэффициент усиления

• Построить частотные характеристики усилительного каскада

• Измерить уровень нелинейных искажений

• Оценить максимальную мощность сигнала в нагрузке.

При моделировании полученные расчётным путём номиналы элементов конденсаторов и индуктивности необходимо округлить до ближайшего из значений, предложенных в среде NI Multisim.

Соберём схему для моделирования усилительного каскада по переменному току (рис. 4.2.1):

Рис.4.2.1 Схема для моделирования усилительного каскада по переменному току

Установим амплитуду на входе каскада 10 мВ и оценим форму сигнала на экране осциллографа (рис. 4.2.2):

Рис.4.2.2 Сигнал на входе и выходе усилительного каскада

Так как усилительный элемент работает в классе А, то форма сигнала на выходе каскада повторяет сигнал на его входе.

Сигнал на выходе каскада усилен по напряжению и имеет фазу, отличную от фазы сигнала на входе ориентировочно на 180 градусов ( что видно на рис.4.2.2), что соответствует включению транзистора по схеме с общим эмиттером.

Расчитаем коэффициент усиления каскада графическим способом. Зафиксируем результаты измерений амплитудного значения напряжения на входе и выходе усилительного каскада (визирные линии на рис.4.2.2).

Kу=U_вых / U_вх = 347.422мВ / 9.998мВ= 34.75.

Для уточнения значения коэффициента усиления по напряжению и сдвига фазы сигнала на выходе построим частотные характеристики усилительного каскада (рис.4.2.3).

Рис.4.2.3 Частотные характеристики усилительного каскада

Для определения коэффициента усиления по напряжению и сдвига фазы сигнала на выходе воспользуемся встроенным средством измерения расчётных величин графическим способом. Установим курсор в точке Fc=1.1МГц ( рис.4.2.3).

Коэффициент усиления Ky=34.2665 и фазовый сдвиг сигнала φ₀=-179.8354º.

Значение фазового сдвига сигнала в нагрузке не превышает допустимую величину (φ₀=180 0.5º) для схемы с общим эмиттером.

Для измерения уровня нелинейных искажений при усилении сигнала разложим гармонический сигнал в ряд Фурье. Использовать будем первые 9 гармоник (рис.4.2.4).

Рис.4.2.4 Спектральная характеристика сигнала в нагрузке

Как видно из спектра сигнала в нагрузке, основная мощность сосредоточена на частоте усиливаемого сигнала, что свидетельствует о низком уровне искажений. Коэффициент гармоник (THD) составляет Кг=0.587%.

Для оценки максимальной мощности сигнала в нагрузке необходимо измерить действующее значение напряжения в нагрузке. Для этого воспользуемся измерительным пробником (рис.4.2.1).

Действующее значение напряжения в нагрузке (V[rms]) составляет U_д=242 мВ.

Рассчитаем мощность в нагрузке усилительного каскада:

P_н=I_н U_н=U_д² / R_н = (242 мВ)² / 2000 Ом = 29.28 мкВт.

4.3 Анализ результатов моделирования усилителя по переменному току

Анализ результатов иммитационного моделирования усилительного каскада показывает, что расчёт элементов схемы обеспечивает требуемые технические характеристики и режим работы транзистора.

Форма выходного сигнала каскада повторяет сигнал на его входе, что подтверждает работу транзистора в режиме А. На частоте входного сигнала обеспечивается коэффициент усиления по напряжению Ку=34.2665 (рис. 4.2.3.). Фазовый сдвиг сигнала φ₀=-179.8354º (рис. 4.2.3) при допустимых пределах φ₀=180 0.5º.

Частотная характеристика для коэффициента усиления имеет равномерный характер, что подтверждает широкополосность усиительного каскада.

Коэффициент гармоник составляет Кг=0.587% (рис. 14).

Максимальная мощность сигнала в нагрузке составляет P_н= 29.28 мкВт.

Схема полученного усилителя с номиналами элементов представлена на рис.4.2.5.

Рис.4.2.5 Схема полученного усилителя с номиналами элементов

Выводы

В результате выполненной работы был разработан усилитель синусоидального сигнала. Он не удовлетворяет требованиям задания на разработку

• Коэффициент усиления К_у=34.2665, что меньше 35(по заданию)

• Сдвиг фазы входного сигнала φ₀=-179.8354º, что входит в заданные φ₀=180 0.5º

• Мощность сигнала в нагрузке P_н=29.28 мкВт, что меньше 55 мкВт (по заданию)

• Коэффициент нелинейных искажений Кг=0.587%, что менее 1% (по заданию).

Поэтому, мы должны изменить параметры схемы для получения, характеристик которые будут удовлетворять требованию задания. Увеличим Сp1 в два раза до 5нФ, для повышения коэффициента усиления, увеличить его больше нам не позволяет фазовый сдвиг, поскольку при дальнейшем увеличении он вылезет за допустимые пределы φ₀=180 0.5º. Для увеличения мощности сигнала в нагрузке, уменьшим Rэ1 до 13 Ом, при этом коэффициент нелинейных искажений ухудшается, но остается в допустимых пределах.

Итак, мы получили схему усилителя (рис 5.1) с параметрами:

Рис.5.1 Схема полученного усилителя

Коэффициент усиления, и фазовый сдвиг сигнала определим с помощью встроенного средства измерения расчетных величин (рис.5.2)

К_у=47.3699, φ₀=179.6278º

Рис.5.2 Частотные характеристики усилительного каскада

Для измерения уровня нелинейных искажений при усилении сигнала разложим гармонический сигнал в ряд Фурье (рис 5.3). И мы видим что Кг=0.9788% , это хуже чем было, но все еще удовлетворяет заданию.

Рис.5.3 Спектральная характеристика сигнала

Рассчитаем мощность в нагрузке усилительного каскада:

P_н=I_н U_н=U_д² / R_н = (335 мВ)² / 2000 Ом = 56.1125 мкВт.

После изменения параметров мы получили конечные характеристики удовлетворяющие заданию на разработку усилителя электрических сигналов:

• Коэффициент усиления К_у=47.3699, что меньше 35(по заданию)

• Сдвиг фазы входного сигнала φ₀=179.6278º, что входит в заданные φ₀=180 0.5º

• Мощность сигнала в нагрузке P_н=56.1125 мкВт, что больше 55 мкВт (по заданию)

• Коэффициент нелинейных искажений Кг=0.9788%, что менее 1% (по заданию).

32