Учебка / Фриск том 1

340 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

4б Схемы низкочастотной коррекции

Низкочастотная коррекция обеспечивает расширение полосы пропускания усилителя в нижней части, улучшая воспроизведение низких частот или снижая искажения переходной характеристики в области больших времен (скол вершины импульса).При этом используются схемы коррекции.

Схема широкополосного усилителя с НЧ коррекцией с помощью развязывающих фильтров представлена на рис. 8.2à.

Ðèñ. 8.2

Принципиальная схема резисторного каскада и, назначение компонентов в ней, не отличаются от описанных ранее в схеме стандартного резисторного каскада усилителя низкой частоты. Особенностью является включение развязывающего фильтра R20, C14 в коллекторную цепь транзистора.

Развязывающие фильтры устанавливается между каскадами в общую шину питания, т. к. обычно используется один источник для всех узлов како- го-либо устройства (например, усилителя). Это позволяет снизить влияние наиболее мощного каскада в многокаскадном усилителе на каскады, обладающие малым уровнем входного воздействия, через общий источник питания. Наличие у реального источника питания конечного внутреннего сопротивления создает на всех делителях переменное напряжение (например, R15, R16) на базе VT3, сравнимое с напряжением полезного сигнала. Включение таких фильтров существенно снижают взаимное влияние каскадов, и одновременно,

Лабораторная работа ¹ 8	341

они могут использоваться как цепочки низкочастотной коррекции, увеличи- вая усиление каскада в области нижних частот при определенном соотношении С14 и С12. Конденсатор С13 можно исключить из схемы, как не влияющий на частотные свойства каскада в области нижних частот.

Схема усилителя с коррекцией АЧХ в области нижних частот включением частотно-зависимой ООС (ðèñ. 8.2á) реализуется как двухкаскадный усилитель. При этом первый каскад на биполярном транзисторе VT1 обладает местной отрицательной обратной связью по постоянному и переменному токам, организуемой на резисторе R30. Цепь общей обратной связи, охватывающей одновременно оба каскада, создается цепочкой C20, R31. Развязывающие фильтры в принципиальной схеме усилителя отсутствуют, чтобы исключить их влияние на АЧХ усилителя. Каждый из транзисторов усилителя, включенных по схеме с ОЭ, поворачивает фазу входного сигнала на 180°. Поэтому фаза напряжения на выходе второго каскада будет отличаться от фазы входного сигнала на 360°. Подача части выходной мощности (напряжения) выходного сигнала на вход первого каскада обеспечивал бы равенство фаз входного и напряжения, т. е. возникала бы положительная ОС, увеличивающая линейные и нелинейные искажения. Ввод напряжения ОС в эмиттерную цепь транзистора VT1 приводит к противофазному изменению входного и напряжения ОС на промежутке база—эмиттер, создавая ООС. Отрицательная ОС улучшает частотные свойства усилителей, уменьшая коэффициент усиления. Назначение остальных компонентов принципиальной схемы усилителя рассматривались ранее.

Для сравнения усилительных и частотных свойств каскадов с НЧ коррекцией транзисторы работают в одинаковом режиме (коллекторные токи транзисторов равны).

5 Методические указания по выполнению работы

5.1 Расчетная часть

Расчет fâ÷ ãð проводится с использованием эквивалентной схемы транзистора Джиаколетто и элементов входной цепи следующего каскада, применяя соотношения из раздела 8 лабораторного описания и параметры компонентов принципиальной схемы рис. 8.1à.

Расчет fí÷ ãð для схемы частотной коррекции с использованием разделительных фильтров проводится с использованием эквивалентной схемы транзистора и элементов принципиальной схемы каскада (рис. 8.2à).

5.2 Экспериментальная часть

Частотные свойства резисторного каскада на транзисторе VT1 изучаются с применением моделирования принципиальной схемы усилителя во всей области частот на ЭВМ с учетом свойств источника сигнала и влияния второго каскада (на транзисторе VT2), полученных при:

•исследовании принципиальной схемы каскада;

•исследовании полной эквивалентной схемы каскада.

342 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Машинный эксперимент по исследованию свойств резисторного каскада проводится на ПЭВМ с использованием системы схемотехничекого моделирования Мicro Cap8 (MC8).

Предполагается, что :

•студенты знакомы с основами работы операционной системы WINDOWS 98 (или более поздними версиями),

•имеют доступ к сети INTERNET и в состоянии, по указанному в п. 8 настоящего описания адресу, получить инсталляционные файлы студен- ческой версии программы mc8demo.exe или приобрести эту программу на CR дисках.

При выполнении п. 3.а.1—3.а.6 следует загрузить систему схемотехниче- ского проектирования МС8 и вызвать в главное окно принципиальную схему усилителя с цепочкой коллекторной ВЧ коррекции (рис. 8.1à), находящуюся в файле Vrescor.CIR. Для этого необходимо выбрать режим FILE основного меню (рис. 8.1), в выпадающем окне выбрать файл C:\MC8DEMO\data\ Vrescor.CIR, вызвав его в основное окно редактора. В центральном окне редактора должна появиться принципиальная схема усилителя, приведенная на рис. 8.1. Следует убедиться в соответствии параметров вызванной схемы и, приведенной в описании, (при этом нумерация элементов может отличаться от приведенной на рис. 8.1 и это не требует редактирования).

Ввод основных компонентов принципиальных схем

Если полученные методические материалы не содержат дискету с файлом принципиальной схемы усилителя, то ее следует ввести самостоятельно, выбрав режим FILE в меню главного окна (рис. 8.3), которое представлено командами: File, Edit, Component, Windows, Options, Analysis, Help.

Ðèñ. 8.3

Лабораторная работа ¹ 8	343

Меню File служит для загрузки, создания и сохранения файлов схем, библиотек математических моделей компонентов схем и для вывода схем на принтер. При этом программа автоматически присваивает окну схем некоторый текущий номер (например, circuit2).

Меню Edit служит для создания электрических схем, их редактирования, а также редактирования символов компонентов схем.

Команда Component главного меню используется для добавления в создаваемую или редактируемую схему компонентов, в дополнение к содержащимся в каталоге МС8 (каталог содержит более 100 аналоговых и цифровых компонентов). Каталог команды Component можно редактировать, создавая новые разделы иерархии и вводить в них новые компоненты (например, транзисторы отечественного производства). Меню команды Windows позволяет манипулировать открытыми окнами, обеспечивая доступ к редакторам МС8 и калькулятору.

Меню Options используется для настройки параметров программы. Меню Analysis предлагает виды анализа введенной принципиальной схемы. Меню Help позволяет обратиться к встроенному файлу помощи и оце-

нить, на предлагаемых примерах, возможности программы.

Создание принципиальной схемы начинается с выбора курсором компонента принципиальной схемы на строке основных компонентов (рис. 8.3) и нажатием на пиктограмму компонента левой кнопки мыши.

Перемещение компонента на экране производится при нажатой левой кнопке, а при необходимости изменить положение компонента, щелкают правой кнопкой при нажатой левой кнопке. При отпускании левой кнопки местоположение компонента фиксируется и в ниспадающем меню (рис. 8.4) появляется предложение присвоить ему позиционное обозначение в активированной строке PART.

Затем в рамке VALUE и, в соответствующей активированной строке левого окна, указывается величина компонента. Присвоенное компоненту позиционное обозначение и величина будут изображаться в главном окне при вводе принципиальной схемы, если соответствующий параметр будет помечен галочкой SHOW в рамке Name или Value, соответственно. При вводе значения параметров допускается использование масштабных коэффициентов:

	Значение	6	3	–3	–6	–9	–12	–15
		10	10	10	10	10	10	10
	Префикс	MEG	K	M	U	N	P	F
	Степ. форма	10E+6	10E+3	10E-3	10E-6	10E-9	10E-12	10E-15

Масштабный коэффициент может содержать и другие дополнительные символы, которые программа игнорирует. То есть величина емкости в 5 пФ может быть введена: 5 PF или 5 Р или 5Е-12. В ниспадающем меню может так же вводиться информация о мощности, рассеиваемой на компоненте, типе корпуса, стоимости, что необходимо для дальнейшего использования в программе PCAD при разработке топологии печатной платы и оценке стоимости устройства (если это предполагается в задании). Подтверждением окончания ввода любого компонента является нажатие клавиши OK. Если какие-либо

344 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Ðèñ. 8.4

сведения введены неверно, то нажатие кнопки Cancel,отменяет всю введенную информацию о компоненте.

Транзистор типа NPN, который выбирается пиктограммой на второй строчке главного меню, устанавливается в схему, как описывалось ранее, и затем, на ниспадающем меню NPN:NPN Transistor (рис. 8.5), выбираются: PART — позиционное обозначение компонента, его тип VALUE (может пропускаться) и MODEL — используемый транзистор — КТ316В.

Поскольку в библиотеке транзисторов, предлагаемых в активированном окне справа, нет транзистора КТ 316В, то необходимо ввести параметры модели транзистора в подсвеченных окнах Source: Local text area of C:\MC8DEMO\data\.circuit2.cir (вместо представленных на рисунке), нажав предварительно кнопку New. При этом в рамке Value вместо New Model1 вводится название транзистора КТ316В. Затем поочередно входим в окна параметров транзистора и заменяем представленные программой МС8 параметры

на соответствующие транзистору КТ316В:
IS = 3.49F BF = 74.97 VAF = 102			IKF = 0.1322	ISE = 44.72F	NE = 1.483
BR = 0.2866 VAR = 55
IKR = 0.254	ISC = 447F	NC = 2	RB = 66.7	RC = 7.33	CJE = 1.16P
VJE = 0.69 MJE = 0.33
CJC = 3.93P	VJC = 0.656	MJC = 0.33 FC = 0.5 TF = 94.42P XTF = 2
VTF = 15 ITF = 0.15

TR = 65.92N EG = 1.11 XTB = 1.5, остальные параметры модели транзистора принимаются по умолчанию.

Лабораторная работа ¹ 8	345

Ðèñ. 8.5

Модель генератора гармонических сигналов выбирается на панели компонетов главного окна, присваивая обозначение PART V8 и тип модели MODEL SG. Параметры модели F, A, DC и т. д. вводятся в соответствии с рис. 8.6.

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 — на- чальное 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.

Коррекция параметров источника сигнала проводится аналогично коррекции параметров транзистора. Поскольку АЧХ получают для некоторой области частот, то выбор частоты источника сигнала не имеет значения. В соответствие с алгоритмом расчета частотных характеристик в МС8 источнику всегда присваивают единичную амплитуду. Поэтому параметры описанного источника сигнала будут использоваться в основном при анализе свойств усилителей во временной области.

Величина напряжения источника питания V1 принимается равной 7 В. Подключение источника питания (батареи) в схему после выбора его пиктограммы в строке главного меню и задания параметров (рис. 8.7) должно проводиться с учетом типа проводимости транзистора.

346 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Ðèñ. 8.6

Ðèñ. 8.7

Соединительные линии между элементами схемы прочерчивают, используя кнопку ввода ортогональных проводников Wire Mode (изображение линии) на панели инстру — ментов (рис. 8.3).

Лабораторная работа ¹ 8	347

При необходимости коррекции некоторых элементов принципиальной схемы необходимо вначале удалить соответствующий элемент (компонент, линию), нажав левой кнопкой мыши стрелку (Select Mode) — «изменение режима» окна главного меню, активизировать режим редактирования элементов или компонентов схемы. Затем, подведя 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.

Для удобства анализа целесообразно ввести вторую схему широкополосного усилителя с эмиттерной ВЧ коррекцией. Поскольку эти схемы обладают достаточно большим числом одинаковых элементов и схожи по начертанию, целесообразно скопировать часть схемы с коллекторной коррекцией. Для этого, выбрав в главном окне режим Select Mode, обводят рамкой часть интересующего объекта (усилителя с коллекторной ВЧ коррекцией) и, захватив прямоугольник нажатием левой кнопки мыши, перетаскивают в нужное место. Затем проведя коррекцию компонентов схемы, получим усилитель с ВЧ эмиттерной коррекцией (рис. 8.1á).

Выбор режимов работы транзисторов по постоянному току

Перед началом анализа оценим режимы работы транзисторов по постоянному току. Для этого в режиме главного окна выбираем команду Analysis и на развернувшемся вниз меню — строку Dynamic DC.

Для приведенного на выпадающей закладке варианта выбора пределов режима Dynamic DC Limits, на принципиальной схеме указываются рассчитанные значения напряжений в узлах (по умолчанию), что реализуется для выбранной температуры (рис. 8.8) Temperature List (или списка значений) и величине шага изменения температуры в процентах (Slider Percentage Step Size). Выбор режима Place Text (установка метки) позволяет получать на экране монитора, одновременно с величиной напряжения в узлах,значения температуры, при которой они определены.

Ðèñ. 8.8

348 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Повторным нажатием кнопки напряжений в узлах отменяем вывод на экран монитора значений напряжений, и активизацией кнопки отображения токов в ветвях, получим значения величин постоянных токов, протекающих че- рез элементы принципиальной схемы нажатием копки OK (рис. 8.8). Убеждаемся, что значения постоянных токов эмиттера транзисторов (Iý0 = 1,59 мА) VT1 и VT2 практически одинаковы (рис. 8.9), так же как и напряжения между коллектором и эмиттером (Uêý0 = 5,3 В). Для получения одинаковых режимов необходимо изменить напряжение питания каскада с эмиттерной ВЧ коррекцией, выбрав V3 = 9B (рис. 8.1á). Значения остальных компонентов указаны на рис. 8.1á.

Ðèñ. 8.9

Анализ свойств усилителей с ВЧ коррекцией

После установления одинаковых режимов работы транзисторов VT1 и VT2 входим в режим анализа свойств усилителей в частотной области.

Для этого, в меню главного окна выбираем команду Analysis и, в ниспадающем подменю, программу анализа частотных свойств АС (рис. 8.10) усилителя.

Нажатием левой кнопки мыши переходят к заданию пределов анализа, способа проведения анализа и представления на экране монитора результатов анализа.

В окне AC Analysis Limits (рис. 8.11) задается следующая информация: Frequency range — значения верхнего и нижнего пределов частот анализа; Number of Points — количество точек в заданном частотном интервале, в

котором производится расчет частотных характеристик и полученные значе- ния выводятся в форме таблицы (если это указывается);

Лабораторная работа ¹ 8	349

Ðèñ. 8.10

Теmperature — диапазон изменения температур(может задаваться одно значение, при которой проводится анализ);

Maximum Change — максимально допустимое приращение функции на интервале шага по частоте (учитывается только при автоматическом выборе шага — активизация процедуры Auto Scale Ranges);

Noise Input — имя источника шума, подключенного ко входу усилителя; Noise Output — номер(а) выходных зажимов, где вычисляется спектраль-

ная плотность напряжения шума;

Run Options — определяет способ хранения полученных результатов: Normal — результаты расчетов не сохраняются;

Save — результаты сохраняются на жестком диске;

Retrieve — использование результатов расчета, хранящегося на жестком диске для вывода на экран монитора;

State Variables — задание начальных условий интегрирования.

На экран монитора в соответствии с рис. 8.11 выводятся частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению (YExpression) в узлах 8 и 15. Область частот (XExpression), в которой проводится анализ, определяется форматом: максимальное значение выводимой переменной, ее минимальное значение и шаг сетки значений. Аналогично задаются условия при выводе на экран монитора значений коэффициента усиления. Характер изменения зна- чений по оси Х — логарифмический, а по оси ординат — линейный. что вы-