10.5. Вычисление средних значений величин ku , ki , и kp

Мгновенное значение коэффициента усиления по напряжению k_u в малой окрестности определённого значения u_эб0 равно

. (10.8)

Аналогично для коэффициента усиления по току k_i 

Вычислим среднее значение коэффициента <k_u> в рабочей области усиления

(10.9)

Аналогично рассчитывается среднее значение коэффициента <k_i> в рабочей области усиления транзистора

78

.

По полученным данным можно вычислить средний коэффициент усиления по мощности

10.6. Исследование нелинейности усилителя напряжения

На рис. 10.8 изображен график зависимости k_u (u_эб) в рабочей зоне усиливаемого входного сигнала, по которому можно приближенно определить более или менее линейную область усиления, выбрать оптимальную точку покоя и т.д.

Рис. 10.8

Из анализа полученных в п. п. 10.5 результатов следует, что средние значения расчетных значений коэффициентов

79

усиления по напряжению <k_u>, рассчитанные разными методами, совпадают. Однако рис.10.8 наглядно демонстрирует, что в рабочем диапазоне входных напряжений мгновенные значения k_u заметно отличаются от среднего <k_u> ≈ 125. Поэтому имеет место заметная нелинейность усилителя.

Основные выводы

Основной задачей описанного метода является создание удобной математической модели ВАХ транзистора, описываемой интерполяционными функциями. Оперируя этими функциями, можно, например, точно моделировать любую задачу усиления в НЧ‑диапазоне. Это очень удобно как при выполнении качественных оценок, так и в исследовательских целях. Применение математического анализа обеспечивает возможность нахождения наилучших экстремальных режимов работы транзистора. Еще одним важным моментом является возможность быстрого и точного получения параметров активных элементов линейных схем замещения транзистора.

80

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Оборудование лабораторного рабочего места питается от силовой сети переменного напряжения 220 В с частотой 50 Гц. При попадании на тело человека оно вызывает электрический удар, приводит к поражению нервной системы, головного мозга, дыхания, к мышечным судорогам. Опасным для человека является напряжение выше 36 В и ток более 10 мА.

Измерительные приборы и лабораторный стенд должны быть заземлены или подключены к нулевому проводу силовой сети. На их металлических корпусах не должно быть высокого напряжения и статического электричества.

Необходимо обратить внимание на исправность электропроводки, розеток и сетевых кабелей. При нарушении целостности изоляции, искрении и других неисправностях студент должен сообщить об этом преподавателю или лаборанту.

На передних панелях исправных приборов и стенда высокие напряжения отсутствуют, и можно выполнять электрические соединения при включенном оборудовании. Запрещается касаться внутренних элементов стенда при снятых лабораторных панелях.

При выполнении студентом лабораторных работ он самостоятельно включает оборудование на рабочем месте, однако ему категорически запрещено включать силовую сеть в лаборатории.

При аварии оборудования, искрении или загорании запрещается отключать его от сети, вынимая вилки из розеток, гасить пожар водой и принимать другие подобные меры. Необходимо сообщить о происшествии преподавателю или лаборанту и, при необходимости экстренных действий, отключить электрическую сеть в лаборатории общим выключателем на силовом щите.

Если человек попал под действие напряжения и не может

81

самостоятельно освободиться, необходимо оторвать его от токоведущих частей оборудования или обесточить рабочее место, отключив силовую сеть, а затем оказать потерпевшему первую медицинскую помощь и вызвать врача.

82

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

СИСТЕМА СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ MICROCAP V

Установка системы

Дистрибутив системы занимает три дискеты в архиве «EXE». Его необходимо распаковать в отдельную директорию MC5 и запустить программу Setup.exe. Установку пакета целесообразно проводить в корневой каталог диска C (в противном случае необходимо указывать соответствующие пути к библиотекам). Затем в установленную папку переписывается и запускается программа Mc5crack.exe.

Формирование модели

Модель цепи формируется на экране в виде ее схемы, содержащей графические изображения элементов и соединительные линии (проводники). Элементы выбираются из меню Component, в котором содержатся простейшие аналоговые (Analog primitives) и цифровые (Digital primitives) компоненты, а также библиотеки моделей реальных электронных аналоговых (Analog library) и цифровых (Digital library) элементов.

Из библиотек манипулятором «мышь» выбираются (левой кнопкой мыши) и размещаются на экране (перемещаются при нажатой левой кнопке) изображения элементов цепи. В открывающемся окне задаются их параметры (Value). Параметры

можно изменить в том же окне после установки маркера на изображении элемента и двойного щелчка левой кнопки мыши. Их размерность указывается с приставками, приведенными в табл. П2.1.

Повторным нажатием левой кнопки мыши устанавливается следующий такой же элемент. Эта последовательность

83

прерывается щелчком правой кнопки или нажатием кнопки в верхней левой части панели инструментов.

Таблица П2.1

Английский символ	p	n	u	m	k	М
приставка	пико	нано	микро	милли	кило	мега

Элементы соединяются линиями (проводниками), режим изображения которых включается кнопками или . 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 выбирается из меню Component / Analog primitives / Connectors / Ground.

Моделирование

С помощью меню Analysis программа осуществляем моделирование временных диаграмм сигналов (Transient Analysis), частотных характеристик (AC Analysis), постоянных токов и напряжений (DC Analysis).

В качестве примера рассмотрим модель, показанную на рис. П2.1 и соответствующую третьей лабораторной работе. С помощью команды из меню Windows / Split Text / Drawing Areas Horizontal в нижней части экрана выводится описание

моделей элементов в формате Pspise, которое можно редактировать, поместив на него щелчком левой кнопки указатель мыши. Это относится, например, к амплитуде гармонического источника типа sin (A=5), его частоте (F=40k), постоянной составляющей напряжения (DC=0), начальной фазе (PH=0). Описание простейших элементов в этой области не приводится.

84

Рис. П2.1

Двойной щелчок по изображению элемента R1 вызывает меню, показанное на рис. П2.2, в котором можно изменять его параметр Value (1k) или имя Part (R1).

Временные диаграммы

В режиме Transient Analysis выполняется моделирование временных диаграмм сигналов, которое определяется меню, показанным на рис. П2.3. В его нижней части в таблице указываются выбранные временные диаграммы: цвет кривой, номер

графика, переменная T, измеряемая величина (напряжение между двумя узлами v(1,2) или между узлом и землей v(3)), диапазон изменения переменных (абсциссы X и ординаты Y). Выше указывается диапазон изменения времени (Time Range) от нуля до 100мс и максимальный шаг изменения времени (Maximum Time Step).

85

Рис. П2.2

В начале моделирования целесообразно выбрать режим автоматического выбора диапазонов изменения абсциссы и ординаты (отметить Auto Scale Ranges).

Если в колонке P указаны одинаковые цифры (1), то все графики будут построены на общем рисунке, а иначе на экране будет несколько рисунков с разными масштабами по оси ординат. Кнопка Add добавляет в таблицу сигналов очередную строку, а кнопка Delete удаляет выбранную строку.

Кнопка Run запускает процедуру моделирования, и на экран выдаются его результаты, как показано на рис. П2.4.

86

Рис. П2.3

Рис. П2.4

87

Различные временные диаграммы выделяются цветом. По сетке можно проводить измерения так же, как и на экране осциллографа. Кроме того, имеются два маркера, которые управляются левой и правой кнопками мыши. Для их вызова необходимо нажать кнопку , закрыть окно и установить в нужные места маркеры левой и правой кнопок. Результат показан на рис. П2.5.

Рис. П2.5

В его нижней части приводятся значения переменных для левого (Left) и правого (Right) маркеров, их цвет соответствует кривой, а ее выбор для размещения маркеров проводится щелчком левой кнопки мыши по символам в левой нижней части экрана. Кнопки, расположенные левее , позволяют устанавливать маркеры на максимальные или минимальные значения сигнала (на рис. П2.5 для v(3) ). Разность абсцисс

88

маркеров в колонке Delta позволяет определить период сигнала (25 мкс), что соответствует частоте источника F=40 кГц. Возврат к моделируемой цепи осуществляется либо через меню Windows (в его конце перечислены открытые окна), либо завершением режима Transient Analysis кнопкой в правом верхнем углу окна (ниже аналогичной кнопки, закрывающей всю программу).

Частотные характеристики

Частотные характеристики цепей моделируются в режиме AC Analysis, после выбора которого появляется меню, показанное на рис. П2.6.

Рис. П2.6

Выбор анализируемых величин производится аналогично предыдущему. Частотные характеристики строятся в диапазоне Frequency Range (максимальная частота, минимальная

89

частота), если установлена опция Auto Scale Ranges, а иначе значения переменных определяются вводимыми с клавиатуры величинами X Range и Y Range (максимальное, минимальное значения).

При нажатии кнопки Run появляются результаты моделирования, показанные на рис. П2.7.

Рис. П2.7

В графе P на рис. П2.6 для напряжения (АЧХ) v(3) задан номер 1, а для ФЧХ – номер 2, поэтому на рис. П2.7 приводится два отдельных графика. При формировании ФЧХ использована функция ph(v(3)), выдающая результат в градусах.

Для АЧХ можно использовать функцию db(v(3)), которая будет выдавать результаты в децибелах. Программа MicroCap предоставляет пользователю широкий набор функций, напри-

мер HARM(s) и PHASE(s), формирующих спектры амплитуд и

90

фаз сигнала s(t) соответственно.

Расчет цепей постоянного тока

Цепи постоянного тока рассчитываются в режиме DC Analysis. На рис. П2.8 показан пример моделирования выходных вольт-амперных характеристик биполярного транзистора.

Рис. П2.8

После выбора DC Analysis появляется окно, показанное на рис. П2.9, в котором необходимо задать первый управляемый источник Input 1 (v(2)) и диапазон его изменения Input 1 Range (максимальное, минимальное значения, шаг изменения). Для переменных использованы специальные обозначения: для напряжения коллектор-эмиттер Vce(Q1) и Ic(Q1) транзистора Q1.

91

Рис. П2.9

На рис. П2.10 показаны результаты моделирования выходных вольт-амперных характеристик.

Расчет постоянных напряжений в узлах цепи проводится и в режиме Transient Analysis, результаты выдаются рядом с обозначением узлов цепи при нажатии кнопки, расположенной справа от .

Режим Probe

Моделирование во всех рассмотренных режимах предполагает предварительное указание формируемых токов и напряжений. В меню Analysis имеется режим Probe, в котором можно выбирать моделируемые сигналы щелчком левой кнопки мыши по изображению элемента на схеме. Результа-

ты тут же выдаются в окне, расположенном рядом с окном, в

котором отображается цепь.

92

Рис. П2.10

Сообщение об ошибке

Если при запуске программы моделирования возникает сообщение об ошибке доступа к файлу библиотеки Nom.lib, необходимо войти в меню File / Open, открыть в каталоге, в который установлен пакет MicroCAP, папку Data и, не выбирая файлов, закрыть окно «Открытие файла» кнопкой «Отмена».

93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Учебное пособие объединяет экспериментальные исследования электронных цепей в рамках лабораторного практикума и моделирование тех же устройств с использованием современных средств вычислительной техники.

Описаны основные измерительные приборы и правила их использования при выполнении лабораторных исследований. Изложены требования по оформлению отчетов по результатам исследований.

Приведены задания по лабораторным работам и соответствующие им задания по моделированию электронных цепей с помощью пакета программ MicroCAP и Mathematica.

Дается краткое описание возможностей и правил использования системы схемотехнического моделирования MicroCAP V в режимах временного и спектрального анализа сигналов, формирования частотных характеристик цепей и расчета режимов работы цепей по постоянному току.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Попов В.П. Основы теории цепей/ В.П. Попов М.: Высш. шк., 1985.

2. Лосев А.К. Теория линейных электрических цепей/ А.К.Лосев М.: Высш. шк., 1987.

3. Белецкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей/ А.Ф. Белецкий М.: Радио и связь, 1986.

4. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники/ Е.И. Манаев М.: Радио и связь, 1985.

4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высш. шк., 1996.

5. Розевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования MICRO-CAP V/ В.Д. Розевиг М.: Солон, 1997.

94

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………...……...……………………………........3

1.Требования к выполнению лабораторных работ ………….......4

2. Методические указания по моделированию электрических

цепей ……………….……………………………..….……………..7

3. Измерительные приборы ………….…………………………....9

4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. Ознакомление с измеритель-

ными приборами ………………………..…………..…….....….....21

5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. Последовательный

колебательный контур ………………………………….........…...22

6. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. Спектральный анализ

периодических сигналов ………………………….....…...….…....28

7. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4. Исследование

операционного усилителя …………………………..……..…...…35

8. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. АRC фильтр ………............41

9. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6. Преобразование сигналов

в нелинейных радиотехнических цепях …...................................48

10. РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА………….………....64

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Инструкция по технике безопасности...........81

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Применение системы схемотехнического

моделирования MicroCAP V ……………...………….……..........83

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………....…...94

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ……………………...........94

95

Учебное издание

Кравцов Евгений Владимирович

Литвиненко Владимир Петрович

Панычев Сергей Николаевич