Материал: Усиление узкополосных сигналов. Останков А.В

I0 ВЫХ – постоянная составляющая выходного тока активного элемента:

Если пиковое значение амплитуды усиливаемого сигнала A S1 достаточно велико, так что задействованной оказывается обширная область проходной ВАХ транзистора (так называемый режим большого сигнала), то описание проходной ВАХ целесообразно выполнить при помощи кусочно-ломаной прямой (см. рис. 3,б):

где UН – напряжение излома (начала) проходной характеристики;

S – крутизна наклонного луча, аппроксимирующего проходную ВАХ правее точки с координатой UН.

Строгая замена истинной нелинейной ВАХ кусочно-ло- маной прямой производится, как правило, по критерию минимального среднеквадратического отклонения. Соответствующая методика подробно изложена и проиллюстрирована на конкретном примере в прил. 4. Методика может быть использована успевающими студентами в рамках курсовой работы. Грубо замена ВАХ кусочно-ломаной прямой может быть выполнена графически – "на глазок".

В прил. 5 приведен пример численного расчета спектра тока нелинейного транзистора прямым способом – без аппроксимации проходной ВАХ на основе БПФ. Подобный подход может быть использован, например, для проверки достоверности расчета колебательной характеристики усилителя, а также при исследовании нелинейного усиления многочастотных импульсных радиосигналов, нелинейных искажений в резонансном усилителе и др.

48

Как известно, минимум нелинейных искажений при усилении модулированного по амплитуде сигнала достигается в случае, если постоянное напряжение смещения U'СМ соответствует напряжению UН излома кусочно-ломаной ВАХ активного элемента. При этом вне зависимости от амплитуды усиливаемого колебания обеспечивается угол отсечки выходного тока активного элемента, равный

arccos[(UН UСМ )/UВХ ] arccos(0/UВХ ) 90 .

При описании ВАХ активного элемента кусочноломаной прямой и выборе напряжения смещения в точности равным напряжению излома статическая колебательная характеристикарезонансногоусилителя определяетсясоотношением

где коэффициент Берга

при = 90 составляет величину 0.5.

Располагая статической колебательной характеристикой нелинейного усилителя несложно получить динамическую характеристику в соответствии с методикой, изложенной выше на с. 45-46). Однако в связи с тем, что статическая колебательная характеристика заведомо приближенно описывается линейной зависимостью вида (5.12), имеется возможность не только построить динамическую характеристику графически, но и получить ее описание аналитически:

где амплитуда входного напряжения UВХкр соответствует переходу усилителя в критический режим, при котором амплитуда

49

выходного напряжения UВЫХ I1ВЫХдин RКсл достигает своего предела ( 0.9 ЕП).

На основе динамической колебательной характеристики рассчитывается коэффициент усиления на резонансной частоте (формула (5.6)), а также коэффициент полезного действия (формулы (5.7)…(5.9)), где постоянная составляющая выходного тока активного элемента определяется как

где коэффициент Берга

при = 90 составляет величину 1/ 0.318.

Результатами выполнения данного раздела должны стать:новое положение рабочей точки, обеспечивающее в нелинейном режиме работы применительно к заданному значению A S1 минимальные нелинейные искажения усиливаемо-

го радиосигнала;

график динамической колебательной характеристики применительно к выбранному напряжению смещения;

конкретные значения резонансного коэффициента усиления и коэффициента полезного действия усилителя при по-

даче на вход колебания амплитуды A S1.

2.7.Проверка результатов расчета методом имитационного моделирования

В настоящее время для анализа различных радиотехнических аналоговых и цифровых цепей широко используется схемотехническое моделирование на ЭВМ. Именно для этих целей создано множество программных пакетов-симуляторов

(Electronics Workbench, MicroCap, OrCad, PSpise (DesignLab), System View, Microwave Office, CircuitMaker и др.). Имитаци-

50

онное моделирование позволяет значительно сэкономить средства и время проектирования устройства, поскольку использование симулятора позволяет учесть влияние мелких факторов, которыми пренебрегли на этапе расчетов, скорректировать номиналы элементов, режимы работы активных элементов и многое другое.

Перечень возможностей современных моделирующих программ включает в себя практически все необходимые виды анализа: по постоянному току, переходных процессов, частотных характеристик, учет условий окружающей среды (температуры, влажности и т.д.), оценка уровня внутренних шумов и чувствительности, статистический анализ по методу Monte Carlo и т.д. Вывод результатов моделирования осуществляется как в виде различных графиков, двухмерных поверхностей, так

ив виде файлов, содержащих численные массивы результатов.

Вкурсовой работе акцент сделан на использовании хорошо известных в студенческой среде симуляторов MicroCap [9] и Electronics Workbench [12-14] (однако, при желании мо-

жет быть использован и любой другой пакет моделирования). Основные моменты работы с MicroCap описаны в прил. 6, с Electronics Workbench – в учебных пособиях [13,14].

Первоочередной задачей имитационного моделирования является проверка теоретически рассчитанных параметров усилителя и корректировка параметров элементов схемы с учетом различного рода паразитных явлений (реактивностей вспомогательных элементов, обратной связи и др.). Особое внимание необходимо обратить на соответствие расчетным значениям положения рабочей точки и частоты настройки контура в модели резонансного усилителя.

Проводя анализ цепи по постоянному току (Dynamic DC), необходимо изменять в некоторых пределах сопротивления резисторов в цепи смещения, тем самым, добиваясь максимально близких расчетным значениям постоянных токов и напряжений, задающих положение рабочей точки.

51

Также необходимо проверить и при необходимости скорректировать частоту настройки резонансного усилителя, поскольку она будет отличаться от расчетной частоты настройки контура, так как разделительная емкость, емкость переходов транзистора и другие паразитные реактивности оказывают влияние на величину частоты настройки усилителя.

Для грубой корректировки частоты настройки можно воспользоваться возможностью частотного анализа моделируемой цепи (AC Analysis). Частота, на которой расположен максимум АЧХ, будет соответствовать резонансной частоте усилителя и, если она не равна несущей частоте, необходимо изменением значения одного из реактивных элементов контура (например, емкости) добиться того, чтобы максимум АЧХ соответствовал частоте несущей.

Более точную корректировку можно провести, подавая на вход усилителя гармоническое колебание с несущей частотой. Варьируя значением одного из реактивных элементов, и добиваясь максимальной амплитуды выходного сигнала в установившемся режиме, а также минимальной длительности переходных процессов (Transient Analysis), можно максимально точно настроить резонансный усилитель.

Изменение реактивностей контура может привести к некоторому изменению значения характеристического сопротивления контура, а, следовательно, и резонансного сопротивления контура (добротность считать неизменной). Пересчитав эти параметры, необходимо также скорректировать сопротивление резистора RК.

Моделирование прохождения сигнала через резонансный усилитель (источник входного сигнала, задаваемый аналитическим выражением, получение выходного напряжения) достаточно подробно описано в прил. 6 применительно к использованию схемотехнического симулятора MicroCap.

52

2.8. Дополнительное исследование

Цель, содержание и методика проведения дополнительного исследования формулируются студентом самостоятельно и согласуются с преподавателем.

Если по каким-либо причинам самостоятельный выбор тематики дополнительного исследования затруднен, студент вправе в качестве такого исследования выполнить один из пунктов, предлагаемых ниже.

1)Исследование критического и перенапряженного режима работы усилителя. Предлагается рассчитать элементы каскада (цепь смещения) и амплитуду входного сигнала таким образом, чтобы перевести усилитель сначала в критический, а затем в глубоко перенапряженный режим работы. Определить предполагаемые углы отсечки тока, форму импульсов выходного тока напряжения, КПД и коэффициент усиления усилителя. Провести имитационное моделирование. Сравнить результаты расчета и моделирования.

2)Исследование избирательных свойств резонансного усилителя. Используя симулятор провести качественный анализ избирательности и фильтрующих свойств усилителя. При исследовании избирательности на вход каскада кроме «полезного» (заданного) сигнала подается некоторый другой имитирующий преднамеренную помеху узкополосный импульс (прямоугольный, пилообразный или др.) с частотой несущей fП отличной от f0. Выявить зависимость формы выходного сиг-

нала (его огибающей) от разницы f0 fП. Исследуя фильтрующие свойства каскада, к входному сигналу подмешать шумовой процесс. Например, в симуляторе MicroCap для этого достаточно в окне параметров источника усиливаемого сигнала указать s(t)+2*D*(0.5 RND), где s(t) – заданный сигнал; RND –

функция, возвращающая случайное значение от 0 до 1; D – параметр шума, ограничивающий пиковые выбросы. Предста-

53

вить осциллограммы выходного сигнала при различном уровне шума (параметра D). Сделать выводы.

3)Коррекция схемы резонансного усилителя с целью улучшения его технических и эксплуатационных характеристик. Краткий расчет и моделирование резонансного усилителя при внесении в него элементов обратной связи по переменной составляющей (например, эмиттерной или коллекторной стабилизации), моделирование двухкаскадного усилителя, использование связанных контуров, П- или Т-контура с нагрузкой 50 Ом и другое.

4)Исследование выходного сигнала при f0 fР в линей-

ном и нелинейном режимах работы усилителя. Представить осциллограммы выходного сигнала при различных значениях несущей частоты, полагая резонансную частоту контура неизменной. Подавая на вход гармоническое колебание различной частоты (близкой и удаленной от частоты настройки контура), определить зависимости длительности переходных процессов, частоты побочных колебаний, амплитуды выходного сигнала в установившемся режиме от модуля разности f0 fР , а также временные зависимости частоты заполнения сигнала на выходе усилителя.

5) Детектирование выходного сигнала. Предлагается, используя диодный амплитудный детектор, выделить из выходного сигнала усилителя низкочастотную составляющую (огибающую сигнала). Подобрать оптимальные значения параметров фильтра детектора и его входное сопротивление. При этом резонансный усилитель можно реализовать на основе операционного усилителя, охваченного обратной связью по напряжению, и подключенного к его выходу параллельного резонансного контура.

Каждый из пунктов исследования должен содержать данные, достаточные для вынесения аргументированного заключения.

54

3. РЕКОМЕНДАЦИИ К НАПИСАНИЮИ ОФОРМЛЕНИЮ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

Пояснительная записка к курсовой работе должна содер-

жать:

–титульный лист, оформленный в соответствии с требованиями СТП ВГТУ [15] (прил. 7);

–задание на курсовую работу, выдаваемое студенту в начале семестра и содержащее код индивидуального варианта, сроки выполнения этапов и защиты курсовой работы и т.д. (прил. 2);

–лист «Замечания руководителя» (незаполненный лист, содержащий лишь название, размещаемое вверху по центру);

–содержание (включает введение, наименование всех разделов, подразделов, пунктов (если они имеют наименование), заключение, список литературы, наименование приложений с указанием номеров страниц, с которых начинаются эти элементы пояснительной записки);

–введение (во введении должна быть дана оценка современного состояния решаемой задачи, обоснована необходимость проведения работы, здесь же должны быть указаны цели и задачи работы).

–основную часть, разбитую на разделы (подразделы) и содержащую необходимые аналитические выражения и расчетные формулы, численные результаты и графики с их физическим толкованием и выводами;

–заключение, содержащее в сжатом виде основные результаты работы и практические выводы, а также оценку полноты решения поставленных в курсовой работе задач;

–список литературы, в котором отражены те источники, на которые есть ссылки в пояснительной записке, приведенные в порядке их упоминания;

–приложения, в которые включают промежуточные математические выводы, например, сопутствующие аналитиче-

55

скому расчету спектральных характеристик усиливаемого радиосигнала, расчетно-моделирующие программы и их описание, таблицы полученных данных.

Содержательная (основная) часть пояснительной записки может содержать от 20 до 40 страниц (полный объем записки

– от 30 до 50 страниц). Введение и заключение должны составлять не более одной страницы. Частные выводы по полученным численным данным или графикам должны быть краткими и размещаться следом за упомянутыми результатами.

Текст в целом должен быть написан кратким и ясным языком. Не следует переписывать в пояснительную записку рассуждения общетеоретического характера, не имеющие прямого отношения к поставленной задаче и ее решению. Вместе с тем, основные результаты работы необходимо прокомментировать, обратив особое внимание на расхождения между теоретическими положениями и результатами исследований и указывая, по возможности, причины выявленных отличий.

Пояснительная записка оформляется на листах белой бумаги формата А4 в книжной ориентации. Текст выполняется

только с использованием компьютера (при дальнейшей распе-

чатке на принтере в режиме качественной печати) – в редакто-

ре Microsoft Word: шрифт Times New Roman 14 кегль, цвет шрифта – черный, междустрочный интервал – полуторный, абзацный отступ – 1.25 см, выравнивание текста – по ширине. Размеры полей: левое 20 мм, правое 10 мм, верхнее 20 мм, нижнее 20 мм.

Текст основной содержательной части разделяют на разделы, подразделы, которые, в свою очередь, могут состоять из пунктов и подпунктов. Разделы нумеруют арабскими цифрами без точки; их названия записывают с абзацного отступа с прописной буквы (и далее строчными) без точки в конце, не подчеркивая. Переносы слов в заголовках не допускаются. Если название раздела состоит из двух предложений, их разделяют точкой, например:

56

9 Дополнительное исследование. Исследование перенапряженного режима работы усилителя

9.1 Условие перехода усилителя в перенапряженный режим. Исследование искажений усиливаемого сигнала

………………………………………………………………..

Расстояние между заголовком раздела и текстом должно соответствовать одной строке. Каждый раздел следует начинать с новой страницы, при этом предыдущая должна быть заполнена текстом не менее чем на ⅓ часть.

Страницы записки следует нумеровать арабскими цифрами; номер проставляется в центре нижней части листа без точки с отступом в одну строчку от текста; титульный лист включают в общую нумерацию страниц, но номер на нем не проставляют.

В пределах всей пояснительной записки следует использовать одну и ту же производную или основную единицу измерения физической величины (например, если в первом разделе напряжения указаны в мВ, то в следующем разделе приводить мкВ уже нельзя). В тексте записки не допускается: сокращать обозначения единиц физических величин, если они употребляются без цифр (за исключением таблиц, формул и рисунков); применять сокращения слов (кроме установленных правилами орфографии); использовать в тексте математический знак "минус" ( ) перед отрицательными значениями величин (вместо знака ( ) следует писать слово "минус"); применять обороты разговорной речи, профессионализмы.

Графики зависимостей могут быть выполнены от руки (на отдельных листах миллиметровой бумаги) или в текстовом (графическом) редакторе с обязательным указанием масштаба, обозначения и размерности каждой оси. Иллюстрации (графики, схемы), а также таблицы размещают в тексте непосредственно после первого их упоминания (например, в виде "на ри-

57