Frisk_1_tom

240 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Ðèñ. 1.4

Модель генератора гармонических сигналов выбирается на панели компонетов главного окна, присваивая обозначение PART V1 и тип модели MODEL SG1. Параметры модели F, A, DC и т. д. вводятся в соответствие с рис. 1.5. Список компонентов заносится в текстовый файл Source: Local text area of C:\MC8DEMO\data\circuit2.cir. В окне F указывается значение частоты генератора гармонических сигналов (в герцах), А — величину амплитуды сигнала (в вольтах), DC — значение постоянной составляющей (в вольтах), PH — начальное значение фазы сигнала (в градусах), RS — величину внутреннего сопротивления источника сигналов (в омах), RP — период повторения моделируемого процесса (если процесс затухающий, при указанной величине постоянной времени TAU, с), TAU — постоянная времени затухания переходного процесса.

Величина напряжения источника питания V2 принимается равной 9 В. Подключение источника питания (батареи) в схему после выбора его пиктограммы в строке главного меню и задания параметров (рис. 1.6) должно проводиться с учетом типа проводимости транзистора.

Соединительные линии между элементами схемы прочерчивают, используя кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode (изображение линии) на панели инструментов (рис. 1.2).

При необходимости коррекции некоторых элементов принципиальной схемы необходимо вначале удалить соответствующий элемент (компонент, линию), нажав левой кнопкой мыши стрелку — «изменение режима» окна

Лабораторная работа ¹ 1	241

Ðèñ. 1.5

Ðèñ. 1.6

Лабораторная работа ¹ 1	242

главного меню, активизировать режим (Select Mode) редактирования элементов или компонентов схемы. Затем, поведя курсор к компоненту, нажать левую кнопку мыши. При этом подсвечивается, обычно зеленым цветом, компонент или соответствующий текст на принципиальной схеме и затем, войдя в меню EDIT, выбирают CUT и удаляют необходимые атрибуты. Возникающие трудности при удалении элементов или вводе новых устраняются с использованием программы HELP главного меню.

Закончив ввод компонентов принципиальной схемы и, проверив их зна- чение, нажатием кнопки Node Numbers (номера узлов) определяют узлы, на которые подаются или с которых снимаются напряжения. Запомнив, или записав их, переходят в режим анализа усилителя, войдя в меню Analysis и подменю АС (анализ частотных характеристик). В подменю АС Analysis Limits (рис. 1.7) задают пределы изменения переменных и ряд других параметров.

Ðèñ. 1.7

Âсоответствие с рис. 1.7 анализируется частотная область от 0,01 Гц до 100 МГц, что задано в стрoке Frequency Range с числом разбиений интервала 100 000 (Number of Points) с автоматическим выбором шага на каждом подинтервале (Frequency Step), для комнатной температуры и отсутствии внешних шумов на входе (Temperature — 27 °C, Noise Input — None)

Âтаблице, определяющей количество выводимых графиков на монитор, указано, что это будет один график (Р = 1). По оси абсцисс откладывается частота (X Åxpression — F), по оси ординат — коэффициент усиления по напряжению К (Y Expression — V(5)/V(1)).

Âграфе X Range последовательно показаны: значение верхней частоты для выводимой на монитор зависимости, нижнее значение и шаг сетки частот, с которым кривая будет изображаться. В графе YRange указываются аналогичные сведения для оси ординат. Для указанных узлов АЧХ будет иметь вид, изображенный на рис. 1.8. Активизировав пиктограмму Peak (рис. 1.8) определим значение коэффициента усиления в точке максимума, а затем на

рабочей частоте (fñð), захватив нажатой левой кнопкой мыши ось маркера. Подобным образом оцениваем значение верхней fâ и нижней fí рабочих

частот, где усиление уменьшается на 3 дБ по сравнению с коэффициентом усиления на рабочей частоте.

Лабораторная работа ¹ 1	243

Ðèñ. 1.8

Проведите подобный анализ принципиальной схемы резисторного каскада для узла 7, рассчитывая АЧХ коэффициента усиления по напряжению К и по ЭДС (К*) определить К и К* на средней частоте и значения fí, fí* è fâ, fâ* для соответствующего графика. Результаты измерений занести в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Параметры

Тип схемы

Ê

f â

f í

K*

fâ*

fí*

Упрощенная эквивалентная схема (расчет)

Принципиальная схема (эксперимент)

Полная эквивалентная схема

Для снятия частотных характеристик при пошаговом изменении (П. 2.2.3.) емкости С4 необходимо, переходя в режим анализа частотных характеристик, (меню Аnalysis главного окна) выбрать АС на выпадающем подменю. На закладке АС Analysis Limits нажимают кнопку Stepping. Компонент схемы, кото-

244 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Ðèñ. 1.9

рый будет изменяться (С4) в окне Step What (рис. 1.9), указывают нажатием на кнопку расширения размера окна и последующей активизацией строки изменяемого параметра. Подтверждение выбранного параметра происходит при нажатии левой кнопки мыши.

Затем, указывая пределы изменения С4 от (From, рис. 1.10) Нижнего до Верхнего (То) значений с Шагом (Step Value) и закон, по которому изменяется величина С4 (Method Linear), помечается точкой. Пометив точкой, что, изменяющимся является компонент (Component) в рамке (Parameter Type) и, подтвердив намерение обеспечить пошаго — вое изменение компонента точ- кой (Yes) в рамке (Step It), нажимают кнопку (ОК) при условии правильного ввода всех данных. Затем, нажав ключ F2 или пиктограмму АС на окне схем, и, войдя в режим анализа (Run), получают семейство кривых, определяемых текущим значением компонента С4 (рис. 1.11). Подводя курсор к выбранной

Ðèñ. 1.10

Лабораторная работа ¹ 1	245

Ðèñ. 1.11

кривой определяем значение компонента, соответствующего этой кривой. Нажатием на пиктограмму Peak можно выделить одну из кривых, а маркер указывает ее наибольшее значение для конкретной величины С4, которое высве- чивается над графиками. Размещая курсор на кривой можно определить текущее значение С4, при котором проведен анализ (указывается на строке под чертежом) и значение коэффициента усиления, и соответствующего значения частоты.

Аналогичным образом проводится анализ для изменяющихся значений С3и R4.

Полученные кривые распечатываются и прикладываются к отчету.

4.2.b. Исследование частотных свойств каскада с применением полной эквивалентной схемы усилителя

Выполнение п.п. 2.2.4—2.2.5 предполагает исследование частотных свойств резисторного усилительного каскада с использованием в качестве модели биполярного транзистора физической малосигнальной модели Джиаколетто.

Если методические материалы содержат дискету с файлом C:\MC8DEMO\ data\Vresameqv.CIR то, входя в режим File окна главного меню, вызывают в рабочее окно эквивалентную схему резисторного каскада по переменному току с межкаскадными цепями связи и источником входного сигнала и нагрузкой (рис. 1.12).

246 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Ðèñ. 1.12

При отсутствии указанного файла элементы принципиальной схемы вводятся с использованием методики, описанной ранее. Элементы принципиальной схемы, принад — лежащие внешним цепям, сохраняют нумерацию рис. 1.1, относящиеся к эквивалентным схемам транзисторов имеют обозна- чения строчными буквами и нумерацию, первая цифра которой, указывает на номер транзистора, а вторая — порядковый номер компонента.

Генераторы G1 и G2, управляемые напряжением на эмиттерно-базовом переходе, вводятся в схему следующим образом: в начале активизируется меню Components главного окна меню (рис. 1.12), затем на выпадающем меню выбирается строка Analog Primitives (простейшие аналоговые устройства), на очередной закладке Dependent Sources(зависимые источники) и затем, способ управления источником (ток управляется напряжением) I of V (рис. 1.13).

Появляющийся источник тока, управляемый напряжением на базо-эмит- терном переходе, кроме символа источника тока содержит знаки полярности и точки, определяющие место подключения источника.

При нажатой левой клавише мыши вращением источника тока (щелкая правой клавишей) добиваются необходимого положения источника. При этом точки Plus Input и Minus Input должны быть подключены к управляющему элементу схемы (конденсаторы С12 и С22). Параметры управляемого источ- ника задаются на выпадающем подменю I of V: Linear IofV constant dependent

Лабораторная работа ¹ 1	247

Ðèñ. 1.13

Ðèñ. 1.14

248 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

source (рис. 1.14), где для традиционного описания параметров компонентов (например, рис. 1.3) в строке VALUE вводится рассчитанное значение крутизны (свое для каждого транзистора)

Анализ частотных свойств резисторного каскада на транзисторе VT1 проводится по методике описанной ранее. Полученные значения К и К* заносятся в табл. 1.1, вместе с определенными по АЧХ fí* è fâ*.

5 Содержание отчета

5.1.Цель работы.

5.2.Принципиальная схема исследуемого каскада.

5.3.Исходные данные для расчета.

5.4.Расчет, проведенный в соответствие с разделом 2.1.

5.5.Таблица сравнительных результатов, в соответствие с разделом 2.2а,

2.2b.

5.6.Распечатки АЧХ усилителя (2.2.1, 2.2.3) на основе принципиальной схемы и на основе эквивалентной схемы (2.2.4).

5.7.Краткие выводы.

6 Контрольные вопросы

6.1.Нарисуйте принципиальную схему резисторного усилительного каскада на биполярном транзисторе.

6.2.Покажите прохождение постоянных составляющих тока эмиттера и делителя в каскадах.

6.3.Покажите протекание тока во входной цепи исследуемого каскада (переменной составляющей).

6.4.Поясните назначение всех элементов усилительного каскада.

6.5.Покажите протекание переменной составляющей в выходной цепи

каскада.

6.6.Какая схема стабилизации режима транзистора применена? Ее особенности.

6.7.Изобразите эквивалентную схему транзистора (физическую, электри- ческую).

6.8.Нарисуйте эквивалентную схему усилительного каскада, объясняющую возникновение частотных и переходных искажений за счет конденсато-

ðà Ñ3. Как влияет величина емкости конденсатора на АЧХ и переходную характеристику?

6.9.Нарисуйте эквивалентную схему, поясняющую возникновение частотных искажений в области нижних (верхних) частот.

6.10.Для чего устанавливается конденсатор С4? Поясните его влияние на

À×Õ.

Лабораторная работа ¹ 1	249

7 Краткие теоретическике сведения

7.1 Резисторный каскад. Пути протекания постоянных токов. Модели БТ.

Анализ свойств усилительного каскада основан на использовании эквивалентной схемы активного элемента.

Активный элемент АЭ — биполярный транзистор БТ на малом сигнале может быть описан в виде линейного 4-полюсника парами уравнений, связывающих токи и напряжения на его входе и выходе. Условием малости сигнала является: амплитуда напряжения (тока) значительно меньше постоянного напряжения (тока) на соответствующих выводах (в соответствующих цепях). Например, амплитуда напряжения между базой и эмиттером значительно меньше напряжения смещения (Um áý << Uáý0), амплитуда коллекторного тока зна- чительно меньше постоянной составляющей тока коллектора (Im ê << Iê0). Получившие распространение электрические модели АЭ описывают их свойства уравнениями, содержащими Z, Y, h — параметры. При этом формализованные схемы не раскрывают физические свойства транзистора, а отражают лишь реакцию 4-полюсника на токи и напряжения на внешних зажимах. Анализ усилительных каскадов проводится методами линейной теории, например, с использованием матричного аппарата, что позволяет достаточно просто описывать многокаскадные усилители, охваченные обратными связями.

Физическая модель содержит элементы, отражающие физические процессы в транзисторе, особенности технологии изготовления, области рабочих частот. Элементы модели не зависят от частоты усиливаемого сигнала и учи- тывают влияние, режима работы и температуры на усилительные свойства, входное и выходное сопротивления транзистора.

Сравнение рассмотренных способов описания АЭ показывает, что электрическая модель может быть применена только на одной частоте и выбранного температурного режима эксплуатации. Любое их изменение требует определения новых параметров эквивалентной схемы, что существенно осложняет анализ. Физическая модель более гибкая, но каскадное включение усилителей или введение обратной связи существенно усложняет анализ таких схем. При этом требуется составлять эквивалентную схему каждого усилительного каскада, что иногда весьма затруднительно из-за отсутствия достоверных сведений о параметрах физической модели транзистора, тем более при использовании составных транзисторов.

Использование метода линейных графов позволяет упростить анализ сложных усилительных каскадов вне зависимости от способа построения каскадов и вида нагрузки.

В лабораторной работе исследуются свойства резисторного каскада при включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером ОЭ. Способ включения определяется по тому, какой вывод БТ является общим для источника сигнала и нагрузки (через эмиттерный вывод протекает переменная составляющая токов источника сигнала и нагрузки).

Исключив вспомогательные элементы (рис. 1.1), рассмотрим принципиальную схему резисторного каскада (рис. 1.15).