Материал: Усиление узкополосных сигналов. Останков А.В

Matrix: READPRN("Res.prn")

u: Matrix 0 i: Matrix 1 N: rows(u)

Spline: cspline(u,i)

Vach(x): interp(Spline,u,i,x)

U0: 0.64 U : 0.32 U : 0.16

f0: 25103 F: 103

u (t): U0 U cos(2 f0 t) U cos(2 F t)

Рис. П5.1. Программа численного расчета спектра

78

во времени колебания; в качестве примера переменного воздействия рассмотрено бигармоническое напряжение; обратите внимание на то, чтобы мгновенные значения воздействующего напряжения не выходили за пределы рабочего участка ВАХ.

Для аналитического описания ВАХ в пределах рабочего участка использована интерполяция кубическим сплайном, что позволяет рассчитывать значения тока нелинейного элемента не только в контрольных точках ВАХ, но и при любых промежуточных значениях текущего напряжения. После расчета на большом интервале времени значений тока, вызванного заданным воздействием, оцениваются амплитуды спектральных составляющих тока на разных частотах с использованием стандартной процедуры БПФ. Учтите, что интервал времени T (см. рис. П5.1) должен определяться наименьшей частотой составляющей воздействия (при его периодическом характере) или его длительностью (при непериодической форме).

Из рис. П5.1 видно, что при воздействии на вход транзистора, проходная ВАХ которого показана на рис. П4.2,б, на-

пряжения u (t) 0.64 0.32cos(2 25103 t) 0.16cos(2 103 t), В

спектр коллекторного тока в полосе частот 24...26 кГц содержит составляющие практически неискаженного АМС с несущей частотой 25 кГц и частотой модуляции 1 кГц. Амплитуда несущего колебания составляет 1.35 мА, амплитуда боковых – 0.423 мА, коэффициент модуляции – 0.63.

Данную методику спектрального анализа легко адаптировать для исследования воздействия строго гармонического напряжения на нелинейное сопротивление. Так, если приложенное к транзистору (ВАХ на рис.П4.2,б) напряжение имеет вид u (t) 0.5 0.25cos(2 25103 t), В, то амплитуда первой гармоники тока по итогам численного расчета составляет 362 мкА, тогда как метод угла отсечки, опирающийся на описание ВАХ кусочно-линейной функцией, дает несколько другой и, очевидно, менее точный результат – 340 мкА (см. прил. 4).

79

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В MICROCAP

П6.1. Общие указания по составлению схем

Большая часть моделей элементов электрических схем и устройств, необходимых для создания и проведения имитационного моделирования транзисторного усилителя содержится в инструментальной панели Component. Полный перечень всех моделей, с которыми позволяет работать MicroCap, можно найти в меню Component (рис. П6.1), где нас будут интересо-

вать лишь подменю Analog Primitives и Analog Library. Осталь-

ные компоненты могут быть рассмотрены самостоятельно. После того, как нужный элемент выбран, его необходимо

мышкой переместить в нужное место на рабочем схемном поле. В автоматически появившемся окне (может быть вызвано двойным левым нажатием мышки) в графе Value следует указать номинальное значение выбранного элемента, либо, активировав строку Model, выбрать необходимую модель, к примеру, транзистора, из предложенного справа перечня.

Для ввода значений номиналов элементов, определяемых величиной 10 k, где k=3, 6, 9 и т.д. (кОм, пФ, МГц и др.) в MicroCap предусмотрены стандартные обозначения физических величин, производных от основных единиц системы СИ (см. табл. П6.1). В соответствии с этим, к примеру, значение сопротивления 0.5 кОм может задаваться в строке Value окна параметров резистора как 0.5К. Внимание! В качестве знака, отделяющего целую и дробную части числа используется только точка! Пробела между числовым значением номинала и буквой, определяющей соотношение с системной единицей измерения быть не должно!

В графе Part следует указать позиционное обозначение элемента, используемое при моделировании как идентифика-

Рис. П6.1. Внешний вид рабочего окна симулятора MicroCap

Таблица П6.1 Обозначения производных единиц измерения в MicroCap

тор элемента, располагаемый на поле схемы. Чтобы повернуть графическое обозначение элемента, необходимо выделить элемент указателем мышки (его графическое обозначение при этом изменит цвет), и нажатием кнопок Rotate, Flip Vertical или Flip Horizontal на панели инструментов установить элемент в требуемое положение.

Элементы соединяются линиями (проводниками), режим изображения которых включается кнопками (Wire Mode) или (Diagonal Wire Mode). Для проверки соединений в узловых точках нажмите кнопку , и на экране появятся точки узлов с их номерами.

После формирования схемы цепи необходимо задать точку нулевого потенциала с помощью символа «земля», который можно отыскать в инструментальной панели или в меню

Component/Analog primitives/Connectors/Ground.

В любом случае перед работой в симуляторе полезно запустить и просмотреть демонстрацию возможностей пакета

MicroCap: Help/General Demo.

82

П6.2. Построение вольтамперных характеристик активного элемента

Так как в проектируемом усилителе предусматривается, как правило, включение биполярного (полевого) транзистора по схеме с общим эмиттером (с общим истоком), то соответственно и все его вольтамперные характеристики должны быть получены именно для такой схемы включения.

Семейство выходных характеристик биполярного транзистора получают при различных значениях тока базы, для чего к базе транзистора необходимо подключить источник тока, модель которого находится в меню Component\Analog Primitives\Waveform Sources\ISource. К коллектору транзистора при этом необходимо подключить источник напряжения Component\Analog Primitives\WaveformSources\Battery (рис.П6.2,а). Что-

бы снять семейства входных и проходную характеристику к базе биполярного транзистора подключается источник напряжения (рис. П6.2,б).

У полевых транзисторов ток затвора пренебрежимо мал, поэтому для описания полевых транзисторов используют только проходную и выходную характеристики. Для их получения к затвору и стоку транзистора подключаются источники напряжения (рис. П6.2,в). Семейство выходных характеристик получают при различных значениях напряжения на затворе.

а б в

Рис. П6.2. Схемы измерения ВАХ: а выходной (БТ); б входной и проходной (БТ); в –выходной и проходной (ПТ)

83

При реализации схемы измерения ВАХ необходимо по мере появления элементов на поле схем указывать их модели (для транзисторов), номинальные значения основных параметров (для источников тока и напряжения), а также позиционные обозначения (графа Part окна параметров). К примеру, биполярный транзистор по умолчанию может быть позиционирован как Q1, а полевой J1.

В табл. П6.2 приведены названия выводов, токов и напряжений транзисторов и соответствующие им обозначения в MicroCap, которые необходимо знать при изучении свойств используемого активного элемента.

Таблица П6.2 Термины MicroCap, имеющие отношения к транзисторам

Далее следует указать позиционные обозначения (Part) и номинальные значения (Value) источников: тока например, IB и 1мА, напряжения, подключенного к базе (затвору) V1 и 1 В, коллектору (стоку) V2 и 15 В, см. рис. П6.2).

84

После того, как схема измерения соответствующей ВАХ собрана, для осуществления моделирования необходимо активировать меню Analysis, позволяющее осуществить целый ряд исследований:

Transient анализ переходных процессов; AC анализ частотных характеристик; DC анализ по постоянному току;

Dynamic DC расчет режима по постоянному току и его динамическое отображение на схеме;

Transfer Function расчет передаточных функций по постоянному току;

Sensitivity расчет чувствительности схемы по постоянному току;

Probe Transient анализ переходных процессов и отображение в режиме Probe;

Probe AC анализ частотных характеристик и отображение в режиме Probe;

Probe DC анализ по постоянному току и отображение в режиме Probe.

Внашем случае следует выбрать подменю DC, после чего появится окно параметров анализа. Ниже на рис. П6.3 приведен типовой вид окна с внесенными туда параметрами для построения выходных ВАХ биполярного транзистора.

Вблок Sweep окна на рис. П6.3 вносятся параметры изменения 2-х переменных:

1) Variable1 – первая независимая переменная, значения которой собственно будут откладываться по оси абсцисс получаемой ВАХ, в данном случае это напряжение между коллектором и общим эмиттером; в графе Method определяется спо-

соб изменения этой переменной, в графе Name позиционное обозначение источника, обеспечивающего существование указанного напряжения (V2); в графе Range задаются параметры изменения переменной в формате max,min,step – соответст-

85

Рис. П6.3. Окно параметров анализа по постоянному току

венно максимальное, минимальное значение и шаг, который в нашем случае определяется автоматически; параметр max в данном случае рекомендуется задавать, равным неболееUKmax – максимально допустимого напряжения на коллекторном переходе;

2) Variable2 – вторая переменная, вариация которой обеспечивает получение нескольких ветвей ВАХ; при снятии выходных ВАХ БТ такой переменной является ток базы; в поле Name соответственно указано обозначением источника тока (IB); графа Range заполняется в том же формате, но для этой переменной значение step будет определять то, с каким интервалом будут построены ветви семейства ВАХ (рекомендуется выбирать по формуле step=(max–min)/10).

В поле X Expression вводится обозначение первой независимой переменной в формате V(Q) или I(Q), где V – напряжение (см. табл.П6.2)между соответствующими выводами активного элемента Q, a I – ток одного из выводов. В графу Y Expression в таком же формате вносится зависимая переменная. X Range и Y Range заполняются также, как и графа Range в блоке Sweep. Значения max и min имеют смысл границ по-

86

строения координатных осей X и Y, а step определяет период сетки. С нажатием кнопки Run происходит анализ моделируемой цепи и построение требуемых графиков. Ниже (табл. П6.3) представлены некоторые полезные сведения, облегчающие заполнение полей окна параметров анализа.

Таблица П6.4 Сведения, необходимые при заполнении окна на рис. П6.3

Примечание: в поле Method блока Sweep для Variable1 целесообразно указыватьAuto, а для Variable2 Line.

Приведенные в табл. П6.3 сведения соответствуют биполярному n-p-n транзистору и полевому транзистору с каналом n-типа. Для других типов транзисторов (p-n-p биполярный транзистор или полевой с каналом p-типа) в графах Y Expression и X Expression указываются те же обозначения напряжений и токов, но со знаком минус. Схемы для получения ВАХ остаются те же, но источники токов и напряжений подключаются к транзистору отрицательными выводами.

Остальные параметры DC в данной курсовой работе практически не задействованы и при необходимости могут быть изучены и освоены самостоятельно.

87