Главная страница
Навигация по странице:

  • 1. Введение

  • 2. Особенности работы с программой Micro- Cap 9

  • 3. Лабораторная работа №1. Расчет схем на постоянном токе

  • 4. Лабораторная работа №2. Исследование свойств усилительного каскада

  • 5. Лабораторная работа №3. Исследование свойств усилительных каскадов при малосигнальном режиме работы

  • 6. Лабораторная работа №4. Исследование принципов построения и работы кас- кадов усиления переменных сигналов

  • 7. Лабораторная работа №5. Исследование влияния отрицательной обратной свя- зи на свойства усилительного тракта

  • Лабораторный практикум 2010. Лабораторная работа 6. Исследование схемных построений на основе операцион ных усилителей Литература Введение Данные методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине Схемотехника аналоговых электронных устройств


    Скачать 0.64 Mb.
    НазваниеЛабораторная работа 6. Исследование схемных построений на основе операцион ных усилителей Литература Введение Данные методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине Схемотехника аналоговых электронных устройств
    АнкорЛабораторный практикум 2010.pdf
    Дата13.01.2020
    Размер0.64 Mb.
    Формат файлаpdf
    Имя файлаЛабораторный практикум 2010.pdf
    ТипЛабораторная работа
    #17249

    Подборка по базе: Расчетная работа.docx, КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА.docx, Лабораторная работа 7.docx, Зачетная работа_History, Brass and Precious Metals_Курносенко М., Самостоятельная работа №2.pptx, Лаб. работа № 1.docx.doc, Курсовая работа Подопригора Светлана ЭБЭ-441.docx, Курсовая работа ТиМФК.docx, Булатов.З Домашняя работа на 27.03 на тему Первообразная и неопр, Социология_контрольная работа.docx

    Содержание
    1. Введение
    2. Особенности работы с программой Micro Cap 9 3. Лабораторная работа №1. Расчет схем на постоянном токе
    4. Лабораторная работа №2. Исследование свойств усилительного каскада
    5. Лабораторная работа №3. Исследование свойств усилительных каскадов при малосиг- нальном режиме работы
    6. Лабораторная работа №4. Исследование принципов построения и работы каскадов усиления переменных сигналов
    7. Лабораторная работа №5. Исследование влияния отрицательной обратной связи на свойства усилительного тракта
    8. Лабораторная работа №5. Исследование дифференциального усилительного каскада
    9. Лабораторная работа №6. Исследование схемных построений на основе операцион-
    ных усилителей
    Литература

    1. Введение
    Данные методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств». Для выполнения лабо- раторных работ используется студенческая свободно распространяемая версия пакета схемо- технического моделирования Micro-Cap 9.0. В данной версии имеется ряд ограничений, пре- пятствующих профессиональному использованию программы. Однако она вполне подходит для учебных целей – выполнения лабораторных работ, подготовки к экзаменам, а также рабо- ты над курсовым проектом.
    Методической основой предлагаемого цикла лабораторных работ является учебное пособие [1].

    2. Особенности работы с программой Micro- Cap 9
    Данный раздел методических указаний посвящен описанию особенностей работы с программой Micro-Cap. При этом в основном рассмотрены только те операции, к которым приходится обращаться при выполнении лабораторных работ, рассматриваемых в настоящем издании.
    Для получения первоначальных навыков работы с программой Micro-Cap предназна- чена Лабораторная работа №1, объем которой ограничен минимальным набором действий, необходимых для выполнения расчетов.
    Для получения более подробной информации о работе программы Micro-Cap можно рекомендовать [2], а также ее более поздние издания. Полезными могут оказаться также учебные пособия [3,4].
    Следует также отметить, что пакет Micro-Cap является полноценной системой автома- тизированного проектирования (САПР). Студенты 3 курса, незнакомые еще с дисциплиной
    «Теоретические основы САПР» могут испытывать затруднения при использовании данного программного продукта. Поэтому при выполнении лабораторных работ основное внимание следует сосредоточить на аспектах, связанных с изучением схемотехники устройств, а не с эффективным использованием САПР.
    Общие сведения
    При запуске программы Micro Cap на экране компьютера появляется окно программы, обладающее всеми атрибутами приложения Windows. Остановимся на особенностях интер- фейса, специфичных для САПР.
    Все действия по управлению программой доступны через строку командного меню.
    Располагающиеся ниже командной строки кнопки быстрого доступа дублируют наиболее часто встречающиеся команды. Их использование, так же как и некоторых комбинаций кла- виатурных клавиш ускоряет доступ к командам, однако для краткости и единообразия описа- ния в данном пособии будем ссылаться лишь на команды строки меню.
    Основная область окна предназначена для работы со схемой моделируемого устройст- ва. Она содержит 4 вкладки. Изображение схемы выполняется на вкладке Main. Для выпол- нения лабораторных работ нет необходимости переходить на другие вкладки. Изображение
    схемы удобнее выполнять с привязкой к координатной сетке. Изображение координатной сетки включается командой Options\View\Grid (рекомендуется включить).
    Построение схемы и ее редактирование
    Все электронные компоненты, модели которых доступны системе Micro-Cap, могут быть помещены на схему с помощью команды Component. Все компоненты структурированы по типам, областям применения, производителям. Для выполнения лабораторных работ дос- таточно компонентов из раздела Analog Primitives и Analog Library.
    Размещение компонентов на схеме выполняется в режиме, определяемом командой
    Options\Mode\Component.
    Размещение компонента на схемы выполняется указанием мышью его желательного положения на экране. После размещения появляется окно параметров модели. Для многих компонентов (резисторов, конденсаторов, источников питания и др.) достаточно указать один параметр (сопротивление, емкость, напряжение и т.д.). Для указания множителя можно ис- пользовать буквенные суффиксы k – кило, Meg – мега, m – милли, u – микро, n – нано, p – пи- ко. Например, емкость конденсатора 1000 пФ может быть указана следующими способами
    1000p, 1n, 0.001u и т.д. В последующем параметры можно менять вызвав это окно двойным щелчком мыши на изображении компонента. Пример окна параметров резистора приведен на рисунке 2.1.

    Рисунок 2.1. Окно параметров резистора
    Сопротивление резистора указывается в поле Value (в данном случае 46 кОм). Поле
    Show рядом с полем Value рекомендуется пометить галочкой. В этом случае сопротивление резистора будет отображено на схеме рядом с позиционным обозначением резистора. Пози- ционные обозначения присваиваются компонентам автоматически по мере их размещения на схеме. Однако при желании их можно менять в окне параметров компонента.
    Имеется другой более быстрый способ изменения параметров компонентов непосред- ственно на схеме без вызова окна параметров. Для этого необходимо активизировать соот- ветствующие поле на схеме двойным щелчком мыши и сделать необходимые изменения.

    Редактирование схемы выполняется в режиме, определяемом командой Op-
    tions\Mode\Select.
    Отдельные компоненты и их совокупности можно перемещать, копировать удалять поворачивать.
    Для изменения положения компонента его необходимо выделить мышью и «перета- щить» на новое место. Для поворота изображения компонента необходимо использовать пра- вую кнопку мыши при нажатой левой. Таким образом на схему помещаются необходимые компоненты и задается их взаимное расположение. Компоненты можно копировать типовы- ми для Windows способами, например через буфер обмена. Другой способ копирования ком- понентов – перемещение его изображения при нажатой клавише Ctrl. Для редактирования
    (например, перемещения) сразу нескольких компонентов необходимо выделить их, обведя их изображения мышью при нажатой левой кнопке.
    Удаление компонента выполняется выделением его изображения и нажатием клавиши
    Del.
    Соединение компонентов электрическими связями делается в режиме Op-
    tions\Mode\Wire путем перемещения мыши при нажатой левой кнопке. Тем самым имитиру- ется рисование проводников на бумаге.
    Для выполнения анализа и контроля результатов полезно включить отображение на схеме номеров узлов (команда Options\View\Node Numbers).
    Заметим, что для выполнения анализа схема должна иметь точку нулевого потенциала, которая отображается символом заземления
    (Component\Analog
    Primi-
    tives\Connectors\Ground). Он обязательно должен быть на схеме.
    Проводники редактируются так же, как и компоненты. Кроме того, можно изменять длину и угол наклона проводников путем перемещения мышью одного из его концов.

    Выполнение анализа
    Система Micro-Cap позволяет выполнять все виды анализа цепей, свойственные со- временным САПР: анализ распределения токов и напряжений в статической режиме (на по- стоянном токе), анализ частотных характеристик в линейном режиме в окрестности рабочей точки, анализ переходного режима во временной области при произвольных входных воздей- ствиях. Кроме того, возможен расчет спектров сигналов на основе дискретного преобразова- ния Фурье, статистический анализ, анализ температурных зависимостей и некоторые другие.
    Для выполнения анализа требуется корректная подготовка схемы. Особенности подго- товки схем для выполнения различных видов анализа рассматриваются в разделах, посвя- щенных лабораторным работам.
    Для задания требуемого вида анализа используется команда Analysis. Далее выбирает- ся вид анализа и задаются параметры: диапазоны величин, температура, а также параметры представления результатов. Более подробно различные виды анализа будут рассмотрены при описании лабораторных работ.
    Обработка результатов анализа
    Система Micro-Cap имеет богатые возможности представления результатов. Наиболее наглядная форма – графическая (частотные характеристики, временные зависимости сигна- лов и т.д). Возможно также сохранение результатов в табличной форме для обработки с по- мощью других программ. Для выполнения лабораторных работ достаточно использовать графическую форму представления результатов и визуализацию токов и напряжений на схе- ме.
    На рисунке 2.2 в качестве примера приведен график частотной характеристики.

    Рисунок 2.2. Пример результата расчета
    Перемещая указатель мыши по графику можно считывать текущие координаты курсо- ра, что полезно для получения из графика численных данных. Имеются и другие полезные средства обработки графиков, например поиск максимального и минимального значений и др. Эти возможности рекомендуется освоить самостоятельно.

    3. Лабораторная работа №1. Расчет схем на постоянном токе
    Цель работы – знакомство с приемами формирования изображений схем на экране мо- нитора и расчетом схем на постоянном токе.
    Исходные данные, задаваемые преподавателем: тип транзистора, например 2N2222; положение исходной рабочей точки, определяемое разностью потенциалов между выходны- ми зажимами транзистора, например U
    вых0
    =15 В и значением тока, протекающего через эти зажимы, например I
    вых0
    =30 мА.
    Порядок выполненияработы
    1. Создать простейшую схему резистивного делителя с подключенным источником
    ЭДС. Для этого с помощью команд Component\Analog Primitives\Waveform\Battery,
    Component\Analog
    Primitives\Passive
    Components\Resistor,
    Component\Analog
    Primi-
    tives\Connectors\Ground разместить на рабочем поле изображения источника ЭДС, двух по- следовательно соединенных резисторов и точки заземления. В полях для ввода параметров задать значения напряжения источника 10 В, резисторов по 1 кОм. Соединить их проводни- ками так, чтобы получилась схема, изображенная на рисунке 3.1. С помощью команды Op-
    tions\View\Node Numbers включить отображение номеров узлов.
    Рисунок 3.1. Схема резистивного делителя напряжения
    2. С помощью команды Analysis\Transfer Function вызвать окно параметров расчета передаточных функций. В этом окне задать имя входного источника сигнала V1, выражение для выходной величины v(2) – напряжение на 2 узле схемы, нажать клавишу Calculate. В по- лях Transfer Function, Input Impedance и Output Impedance показаны результаты расчета ко-
    эффициента передачи, входного импеданса со стороны источника, выходного импеданса со стороны 2 узла схемы (рисунок 3.2).
    Рисунок 3.2. Расчет передаточной функции
    С помощью команды Analysis\DC… вызвать окно задания параметров расчета схемы на постоянном токе и задать имя входного источника V1 и диапазон изменения его напряже- ния 10, 0, 0.5, что означает изменение напряжения источника от 0 до 10 В с шагом 0,5 В. В поле Y Expression задать измеряемую величину, например ток через резистор R2 – i(R2), как изображено на рисунке 3.3.
    Рисунок 3.3. Задание параметров расчета на постоянном токе

    Нажав клавишу Run, выполнить расчет и вывести на экран график зависимости тока через резистор от напряжения источника. В результате расчета получается прямая линия, а максимальное значение тока, соответствующее напряжению источника 10 В, равно 5 мА. Ко- ординаты точки графика можно прочитать путем нажатия левой клавиши мыши на соответ- ствующей точке графика.
    Таким образом можно строить графики статических вольт-амперных характеристик, в том числе и нелинейных элементов. Полезное свойство программы – возможность отобра- жать распределение потенциалов и токов непосредственно на принципиальной схеме. Для этого необходимо воспользоваться командами Options\View\Node Voltages (States) и
    Options\View\Current (рисунок 3.4).
    Рисунок 3.4. Отображение распределения токов и напряжений на схеме.
    3. Создать схему для расчета статических ВАХ транзистора (рисунок 3.5).
    Рисунок 3.5. Схема для измерения ВАХ транзистора
    Для размещения на схеме транзистора 2N2222 воспользоваться командой Compo-
    nent\Analog Primitives\Active Devices\NPN. В окне параметров модели транзистора уже указа- ны значения, соответствующие типу прибора (рисунок 3.6).

    Рисунок 3.6. Окно ввода параметров транзистора
    Менять их не рекомендуется. Следует также заметить, что выходные ВАХ, а также ряд других характеристик транзистора можно построить непосредственно из этого окна, нажав кнопку Plot. Однако большую гибкость обеспечивает задание входной и выходной величины
    вручную. Для этого командой Analysis\DC… следует вызвать окно задание параметров расче- та на постоянном токе и указать имя источника, напряжение которого следует варьировать, диапазон изменения напряжения, имя зависимой величины и диапазоны величин для отобра- жения на графике (рисунок 3.7).
    Рисунок 3.7. Задание параметров расчета на постоянном токе
    Для построения входной ВАХ в качестве варьируемого источника следует указать ис- точник ЭДС в цепи базы V1, в качестве зависимой величины ток базы транзистора ib(q1), диапазон изменения напряжения базового источника 0…0,8 В. Результат расчета входной
    ВАХ представлен на рисунке 3.8.

    Рисунок 3.8. Входная ВАХ транзистора
    Если задать в качестве зависимой величины ток коллектора, то будет построен график передаточной характеристики транзистора – зависимости тока коллектора от напряжения ба- за-эмиттер.
    Для построения выходной ВАХ необходимо зафиксировать напряжение источника в цепи базы на уровне, соответствующем требуемому току коллектора. Из передаточной харак- теристики видно, что для обеспечения тока коллектора, например, 30 мА к базе относительно эмиттера необходимо приложить напряжение 0,75 В. В качестве источника с изменяемым в процессе расчета напряжением необходимо указать V2, а диапазон его изменения 0,1…15 В.
    Результат расчета приведен на рисунке 3.9.

    Рисунок 3.9. Выходная ВАХ транзистора
    Из рисунка, в частности виден конечный наклон выходной ВАХ в области больших коллекторных напряжений, вызванный эффектом Эрли.
    Аналогичным образом могут быть рассчитаны другие характеристики статического режима. Другие виды анализа рассмотрены в следующих лабораторных работах, предназна- ченных для самостоятельного выполнения.

    4. Лабораторная работа №2. Исследование свойств усилительного каскада
    Цель работы: исследование процесса усиления и принципов оценки уровня нелиней- ных и интермодуляционных искажений в транзисторном каскаде.
    Исходные данные: тип транзистора, положение исходной рабочей точки (U
    кэ0
    , I
    к0
    ), со- противление резистора R1. Если R1 не задано, принять его равным 1 кОм. Если U
    кэ0
    не зада- но, принять его равным 10 В.
    Порядок выполненияработы
    1. Изобразить схему усилительного каскада, аналогичную приведенной на рисунке 4.1.
    Вычислить напряжение источника V2, обеспечивающего при заданном сопротивлении R1 и токе I
    к0
    требуемое значение разности потенциалов U
    кэ0
    . Вычисление выполнить по формуле
    V2= U
    кэ0
    + I
    к0
    R1. Вычисленное значение установить в схеме.
    Рисунок 4.1. Схема усилительного каскада
    2. Исследовать ход сквозной передаточной характеристики транзистора.
    Для этого, выполняя расчет на постоянном токе, установить значение напряжение ис- точника V1, обеспечивающее требуемую разность потенциалов U
    кэ0
    . Далее выбрать диапазон варьирования напряжения источника V1. При этом следует иметь в виду, что рабочая область управляющих напряжений база-эмиттер кремниевых транзисторов лежит в области 0,65…0,7
    В. Поэтому для исследования СПХ диапазон изменения напряжения базового источника сле- дует выбрать чуть шире – от 0,6 до 0,8 В.

    Выполняя анализ на постоянном токе построить СПХ - зависимость напряжения на коллекторе от напряжения база-эмиттер.
    3. По графику СПХ найти номинальное напряжение база-эмиттер, обеспечивающее требуемый ток коллектора. Оценить границы изменения напряжения источника V1, при кото- рых наблюдается существенная зависимость коллекторного напряжения от напряжения база- эмиттер. При этом считать, что нижней границе напряжения U
    бэ соответствует напряжение на коллекторе близкое к напряжению питания (например 0,95E
    п
    ), а верхней границе U
    бэ
    – на- пряжение на коллекторе, близкое к нулю (например 0,05E
    п
    ).
    4. Найти зависимость малосигнального коэффициента усиления от выходного напря- жения. Для этого в нескольких точках СПХ найти приращения dU
    вых
    =dU
    кэ и dU
    вх
    =dU
    бэ
    . На основании измеренных значений малосигнальных приращений, соответствующих значениям
    U
    кэ
    , найти K’=dU
    вых
    /dU
    вх и построить зависимость K’(U
    вых
    ).
    5. Во входную цепь транзистора последовательно с источником V1 включить источник синусоидального сигнала Component\Analog Primitives\Waveform Sources\Sine source. В окне параметров источника указать его имя, например s1, а также параметры: амплитуду A=0,005
    В и частоту 1 кГц. Пример окна параметров источника синусоидального сигнала приведен на рисунке 4.2.

    Рисунок 4.2. Параметры источника синусоидального сигнала
    Исследовать возникновение нелинейных искажений выходного сигнала. Для этого ко- мандой Analysis\Distortion вызвать окно параметров моделирования нелинейных искажений
    (рисунок 4.3).

    Рисунок 4.3. Окно параметров расчета нелинейных искажений
    В этом окне указать частоту основного сигнала 1 кГц, имя источника синусоидального сигнала, амплитуду входного сигнала 5 мВ, выходную величину (напряжение коллектора
    vc(q1). В поле P указать номера выводимых характеристик: гармонического состава выходно- го напряжения, коэффициентов гармоник и временную зависимость выходного сигнала, как показано на рисунке 4.3.
    Запустив моделирование нажатием кнопки Run, получить графики спектра выходного сигнала, коэффициентов гармоник и временной зависимости выходного сигнала. Измерить уровни гармонических составляющих с номерами 1, 2 и 3 а также коэффициенты гармоник.
    Измерения повторить для амплитуд входного сигнала 10, 15, 20, 25 и 50 мВ, задавае- мых в окне параметров модулирования (изменять параметры источника сигнала на схеме не обязательно). Обратить внимание на искажение формы сигнала с повышением амплитуды входного воздействия.
    Построить графики зависимости коэффициентов 2 и 3 гармоник от выходного напря- жения 1 гармоники, график зависимости 1 гармоники выходного сигнала от напряжения входного сигнала, зависимость интегрального коэффициента усиления от выходного сигнала
    1 гармоники. Интегральный коэффициент усиления рассчитывается как отношение амплиту- ды 1 гармоники выходного сигнала к амплитуде входного сигнала.
    6. Во входную цепь транзистора последовательно включить еще один источник гармо- нического сигнала с частотой 1,1 кГц для исследования интермодуляционных искажений.
    Амплитуды источников гармонических сигналов установить равными 20 мВ. Командой
    Analysis\Transient вызвать окно параметров расчета во временной области (рисунок 4.4)

    Рисунок 4.4. Окно параметров расчета во временной области
    В этом окне указать временной интервал моделирования 0,1 с, шаг времени 1 мкс. В поле Y Expression указать выходную величину – напряжение на коллекторе транзистора для первого графика и спектр коллекторного напряжения для второго графика. В поле X Expres-
    sion не забыть указать размерности горизонтальных осей для первого графика – время, для второго – частота (рисунок 4.4). Диапазоны отображения величин по осям в полях X Range, Y
    Range задать автоматические или подобрать в результате нескольких запусков расчета. В ре- зультате моделирования наблюдать временную зависимость выходного сигнала и спектраль- ный состав выходного напряжения вблизи частот входных сигналов.
    Пример результата расчета приведен на рисунке 4.5.
    Рисунок 4.5. Расчет интермодуляционных искажений

    По графику спектра найти уровень интермодуляционных составляющих относительно основных тонов и выразить его в децибелах ∆(дБ)=20lg(U
    вых осн
    /U
    вых им
    ), где U
    вых осн
    – амлиту- да составляющей выходного сигнала на частоте входного, U
    вых им
    - амплитуда интермодуля- ционной составляющей 3 порядка.

    5. Лабораторная работа №3. Исследование свойств усилительных каскадов при
    малосигнальном режиме работы
    Цель работы: исследование свойств транзисторного каскада при малосигнальном ре- жиме работы его транзистора.
    Исходные данные: тип транзистора, положение исходной рабочей точки (U
    кэ0
    , I
    к0
    ), со- противление резистора R1. Если R1 не задано, принять его равным 1 кОм. Если U
    кэ0
    не зада- но, принять его равным 10 В.
    Порядок выполненияработы
    1. Определить малосигнальные параметры транзистора g
    11
    , g
    12
    , g
    21
    , g
    22
    для включения с общим эмиттером (ОЭ) при заданном положении ИРТ. Для этого с помощью источников
    ЭДС V1 и V2 (рисунок 5.1) установить заданное положение ИРТ (U
    кэ0
    , I
    к0
    ).
    Рисунок 5.1. Схема измерения малосигнальных параметров транзистора.
    Для измерений использовать команду Analysis\Transfer Function. При измерении пере- даточной g
    21
    и входной g
    11
    проводимостей считать входным (испытательным) источником
    (Input Source Name) источник V1 (рисунок 5.1). При этом в качестве выходной величины
    (Output Expression) указать ток коллектора транзистора ic(q1). В этом случае в поле Transfer
    Function отобразится передаточная проводимость, а в поле Input Impedance – входное сопро- тивление 1/g
    11
    Аналогично для измерений выходной проводимости g
    22
    и проводимости обратной пе- редачи g
    12
    входным сигналом следует считать сигнал источника V2, а в качестве выходной величины указать ток базы транзистора ib(q1). В поле Input Impedance отобразится выходное сопротивление 1/g
    22
    Сопоставить измеренные значения с расчетными, полученными по формулам

    g
    21
    = dI
    к
    / dU
    бэ
    = I
    к
    / mU
    т
    ;
    g
    11
    = dI
    б
    / dU
    бэ
    = I
    к
    / mU
    т
    h
    21э
    = g
    б'э
    / т;
    g
    12
    = dI
    б
    / dU
    кэ

    0;
    g
    22
    = dI
    к
    / dU
    кэ
    = I
    к
    / (

    U
    Эр

    +

    U
    кэ

    ), где U
    Эр
    – потенциал Эрли.
    Для транзисторов малой мощности значение потенциала Эрли лежит в пределах
    50…250 В. т = 1 + r
    б
    I
    к
    /U
    т
    h
    21э
    . Значение сопротивления r
    б лежит в пределах 10...50 Ом. Зна- чение коэффициента передачи транзистора по току h
    21э для данного транзистора можно при- нять равным параметру BF его модели (рисунок 5.2).

    Рисунок 5.2. Параметры модели транзистора
    2.Измерения по п.1 повторить для случая, когда в цепь общего электрода транзистора включен резистор сопротивлением 10 Ом (рисунок 5.3).

    Рисунок 5.3. Схема измерения малосигнальных параметров транзистора, включенного по схеме ОЭ
    F
    При измерениях обеспечить исходный режим работы транзистора (положение ИРТ).
    Для этого напряжение источника V1 необходимо увеличить на величину, равную падению напряжения на резисторе R1 при протекании через него тока эмиттера, т.е на R1 I
    э0
    . После выполнения расчета проконтролировать значение тока коллектора можно включив отобра- жение токов командой Options\View\Current.
    Сравнить полученные параметры с теоретическими, определяемыми соотношениями
    g
    11F
    ≈ g
    11
    / F;
    g
    21F
    ≈ g
    21
    / F;
    g
    12F
    ≈ g
    12
    ;
    g
    22F
    ≈ g
    22
    / F;
    где F
    оэ
    1 + g
    21
    R
    F
    ; F
    ок
    = 1 + g
    22
    R
    F
    ; F
    об
    = 1 + g
    11
    R
    F
    3. Измерить коэффициент усиления каскада, его входное и выходное сопротивления при включении по схеме с общим эмиттером (рисунок 5.4).
    Рисунок 5.4. Схема каскада с ОЭ

    Значение резистора принять равным 1 кОм. Перед началом измерений обеспечить не- обходимое положение ИРТ. Для этого напряжение источника V2 необходимо увеличить на величину, равную падению напряжения на резисторе R1 при протекании через него тока эмиттера, т.е на R1 I
    к0
    . Не забыть откорректировать напряжение источника V1 для обеспече- ния требуемого тока коллектора.
    Для измерений использовать команду Analysis\Transfer Function. При измерении ко- эффициента усиления, входного и выходного сопротивлений считать входным (испытатель- ным) источником (Input Source Name) источник V1 (рисунок 5.4). При этом в качестве выход- ной величины (Output Expression) указать напряжение на коллекторе транзистора V(2). В этом случае в поле Transfer Function отобразится коэффициент усиления, в поле Input Impedance – входное сопротивление, а в поле Output Impedance – выходное сопротивление.
    4. Измерения, аналогичные п.3 провести для схемы с общим коллектором (ОК) (рису- нок 5.5).
    Рисунок 5.5. Схема каскада с ОК
    Перед началом измерений обеспечить необходимое положение ИРТ. Для этого напря- жение источника V1 необходимо увеличить по сравнению с п.1 на величину, равную падению напряжения на резисторе R1 при протекании через него тока эмиттера, т.е на R1 I
    э0
    . Учесть, что в качестве выходного узла схемы ОК выступает не коллекторный, а эмиттерный электрод транзистора.
    5. Измерения, аналогичные п.3 провести для схемы с общей базой (ОБ) (рисунок 5.6).

    Рисунок 5.6. Схема каскада с ОБ
    Обратить внимание на полярность источника V1. Перед началом измерений обеспе- чить необходимое положение ИРТ. Для этого напряжение источника V2 необходимо увели- чить по сравнению с п.1 на величину, равную падению напряжения на резисторе R1 при про- текании через него тока эмиттера, т.е на R1 I
    к0
    . Учесть, что в качестве выходного узла схемы
    ОБ выступает коллекторный электрод транзистора.
    6. Сопоставить измеренные по пп. 3…6 параметры с вычисленными на основании таб- лицы 1.
    Таблица 1
    Схема
    K
    g
    вх
    g
    вых
    K
    i
    ОЭ
    21 н
    22 н
    1
    g R
    g
    R

    +
    11
    g
    22
    g
    э
    21
    h
    ОК
    21 н
    21 н
    1
    g R
    g R
    +
    11 21 н
    1
    g
    g R
    +
    21 11 c
    1
    g
    g R
    +
    1
    э
    21
    +
    h
    ОБ
    21 н
    22 н
    1
    g R
    g
    R
    +
    21
    g
    22 21 c
    1
    g
    g R
    +
    э
    21
    э
    21 1 h
    h
    +
    При сопоставлении учесть, что табличные g
    вых относятся только к самому транзисто- ру, а измеренные к параллельному соединению g
    вых и R1.

    6. Лабораторная работа №4. Исследование принципов построения и работы кас-
    кадов усиления переменных сигналов
    Цель работы: исследование принципов построения и работы каскадов усиления пере- менных сигналов.
    Исходные данные: тип транзистора, положение исходной рабочей точки (U
    кэ0
    , I
    к0
    ), со- противление резистора R1. Если R1 не задано, принять его равным 1 кОм. Напряжение эмит- терной стабилизации тока U
    R3
    . Если напряжение эмиттерной стабилизации не задано, при- нять его равным 1 В. Если U
    кэ0
    не задано, принять его равным 10 В.
    Порядок выполненияработы
    1. Исследовать принципы организации работы каскада на постоянном токе, основан- ные на применении базового делителя и схемы эмиттерной стабилизации. Исследования вы- полнить с помощью схем, изображенных на рисунках 6.1 и 6.2 при токе базового делителя
    I
    дел
    =1 мА.
    Рисунок 6.1. Схема обеспечения заданного положения ИРТ с помощью базового дели- теля.

    Рисунок 6.2. Схема обеспечения заданного положения ИРТ с помощью эмиттерной стабилизации.
    Предварительно вычислить значения резисторов базового делителя. Для схемы на ри- сунке 6.1 R
    2
    =U
    бэ0
    /I
    дел
    , R
    4
    =(V
    1
    -U
    бэ0
    )/I
    дел
    . Для схемы на рисунке 6.2 R
    2
    =(U
    R3
    +U
    бэ0
    )/I
    дел
    , R
    4
    =(V
    1
    -
    U
    бэ0
    - U
    R3
    )/I
    дел
    . Напряжение источника питания, обеспечивающее при токе I
    к0
    требуемое на- пряжение U
    кэ0
    для схемы на рисунке 6.1 вычисляется по формуле V
    1
    = U
    кэ0
    + I
    к0
    R
    1
    , а для схемы на рисунке 6.2 по формуле V
    1
    = U
    кэ0
    + I
    к0
    R
    1
    + U
    R3
    . Сопротивление токозадающего резистора R
    3
    вычисляется по закону Ома R
    3
    = U
    R3
    /I
    к0
    Выполнить расчет на постоянном токе и скорректировать при необходимости сопро- тивление резистора R
    4
    исходя из обеспечения заданного тока I
    к0
    . Необходимость данной кор- рекции связана с тем, что при расчетах не учитывалось ответвление тока в базу транзистора.
    Этот расчет удобно делать с помощью команды Analysis\Dynamic DC, включив предвари- тельно командой Options\View\Currents отображение токов на схеме. Данный вид анализа по- зволяет изменять номинальные значение элементов схемы и наблюдать результат непосред- ственно на схеме. В окне параметров расчета Dynamic DC (рисунок 6.3) можно принять зна- чения, предлагаемые «по умолчанию».
    Рисунок 6.3. Окно параметров Dynamic DC

    На схеме кроме элементов и значений токов появляются еще бегунки, позволяющие динамично изменять параметры элементов (рисунок 6.4).
    Рисунок 6.4. Схема в режиме Dynamic DC
    В данном случае ток коллектора оказывается очень чувствителен к изменению сопро- тивления R4. Поэтому значение сопротивления удобнее подобрать путем численного ввода без использования бегунка.
    Используя этот же вид анализа определить и сопоставить температурные изменения тока коллектора для двух значений рабочей температуры 27 °С и 0 °С. Рабочая температура задается в окне параметров расчета (рисунок 6.3). По окончании измерений восстановить ис- ходное значение температуры 27 °С.
    2. На основе схемной конфигурации рисунка 2 организовать каскад усиления пере- менного сигнала с общим эмиттером (рисунок 6.5). Во избежание низкочастотных искажений значение блокирующей емкости C2 и емкости разделительных конденсаторов C1 и C3 уста- новить не менее 10 мФ (миллифарад). Емкость нагрузки C4 принять равной 30 пФ.

    Рисунок 6.5. Каскад усиления переменного сигнала
    На изображенной схеме резистор R5 совместно с емкостью C4 образует цепь нагрузки, а резистор R6 представляет внутреннее сопротивление источника сигнала. Источником сиг- нала является генератор синусоидальной ЭДС (Component\Analog Primitives\Waveform
    Source\Sine), окно параметров которого приведено на рисунке 6.6.

    Рисунок 6.6. Окно параметров источника синусоидального сигнала.
    В этом окне необходимо задать имя модели источника (в данном случае Sine1). Заме- тим, что модель источника содержит внутреннее сопротивление (RS), поэтому резистор R6 помещен на схему только для наглядности. В поле RS следует записать маленькое значение (1 мОм).
    Для выполнения последующего анализа необходимо исключить влияние сопротивле- ния источника и нагрузки. Поэтому сопротивление резистора R6 необходимо сделать пренеб- режимо малым по сравнению с другими сопротивлениями схемы (0,1 Ом), а сопротивление резистора R5 настолько большим, чтобы другие сопротивления были по сравнению с ним пренебрежимо малыми (100 МОм). В принятой в MicroCap системе обозначений приставка
    «мега» обозначается Meg.

    В районе частоты 100 кГц найти коэффициент усиления K, входное и выходное сопро- тивление каскада R
    вх
    , R
    вых
    Для расчета малосигнального коэффициента усиления с помощью команды Analy-
    sis\AC… вызвать окно параметров анализа на переменном токе (рисунок 6.7), задать частот- ный диапазон 50 Гц…150 кГц, в поле Y Expression измеряемую величину – напряжение на нагрузке (в данном случае на 6 узле схемы).
    Рисунок 6.7. Окно параметров расчета частотных характеристик
    Полезно также установить опцию Auto Scale Ranges.
    В результате анализа выводится отклик схемы (напряжение на 6 узле) на синусои- дальное воздействие в указанном частотном диапазоне (источник гармонического сигнала находится на схеме программой автоматически).
    Значение выходного сопротивления находится по относительному уменьшению коэф- фициента усиления при шунтировании выхода схем резистором R5 сопротивлением 1 кОм:
    R
    вых
    = R
    5
    (1-N)/N, где N=(K-K’)/K, K – исходный коэффициент усиления, K’ – коэффициент усиления, найденный при шунтировании выхода схемы резистором R5.
    Значение входного сопротивления находится по относительному уменьшению коэф- фициента усиления при наличии существенного сопротивления источника сигнала R6 сопро- тивлением 1 кОм: R
    вх
    = R
    6
    (1-M)/M, где M=(K-K’)/K, K – исходный коэффициент усиления, K’
    – коэффициент усиления при сопротивлении источника сигнала 1 кОм.
    Результаты измерений сравнить со значениями, полученными при выполнении Лабо- раторной работы №3.

    3. По методике п.2 выполнить измерение K, R
    вх
    , R
    вых для каскада усиления переменно- го сигнала по схеме с общим коллектором (ОК), изображенной на рисунке 6.8. Обратить внимание на сопротивления источника сигнала и нагрузки, в данном примере R6 и R5.
    Рисунок 6.8. Каскад усиления переменного сигнала по схеме ОК
    4. По методике п.2 выполнить измерение K, R
    вх
    , R
    вых для каскада усиления переменно- го сигнала по схеме с общей базой (ОБ), изображенной на рисунке 6.9. Обратить внимание на сопротивления источника сигнала и нагрузки, в данном примере R6 и R5.
    Рисунок 6.9. Каскад усиления переменного сигнала по схеме ОБ
    5. Для схемы ОЭ (рисунок 6.5) вычислить значение емкости блокировочного конден- сатора C2, при котором спад нормированной амплитудно-частотной характеристики (НАЧХ)
    на частоте 100 Гц составит – 3 дБ, а также емкости разделительного конденсатора C1, при которой спад в разделительной цепи также равен – 3 дБ:
    C
    2
    =g
    21
    /(2πf
    н
    ), C
    1
    =1/(2πf
    н
    (R
    вх
    +R
    6
    ), где g
    21
    =I
    к0
    /0,026, R
    6
    =1 кОм.
    6. Исследовать влияние блокировочных и разделительных конденсаторов на спад АЧХ в области низких частот. Для этого, вызвав командой Analysis\AC…окно параметров расчета частотных характеристик, необходимо задать частотный диапазон от 1 Гц до 1 кГц. Удобно также использовать логарифмический масштаб по оси частот (рисунок 6.10) логарифмиче- скую шкалу по оси ординат.
    Рисунок 6.10. Параметры анализа частотных характеристик в области НЧ
    Пример графика частотной характеристики для двух значений конденсатора C1 при- веден на рисунке 6.11.

    Рисунок 6.11. Пример частотной характеристики
    По графику измерить нижнюю граничную частоту f
    нΣ
    . Измерения выполнить сначала для рассчитанных значений емкостей. Затем измерения повторить, исключая влияние сначала одной, а затем другой емкости, увеличивая ее значение в 100 раз. Сопоставить измеренные значения f
    нб и f
    нр
    , соответствующие влиянию блокировочной и разделительной цепей ожи- даемому значению 100 Гц, а f
    нΣ
    =200 Гц.
    5. Для схемы с общим эмиттером (рисунок 6.12) исследовать спад вершины импульс- ного сигнала.

    Рисунок 6.12. Схема исследования спада вершины импульсного сигнала
    Для этого в качестве источника входного воздействия необходимо использовать ис- точник импульсного сигнала Component\AnalogPrimitives\Waveform Sources\PulseSource и за- дать его параметры, как показано на рисунке 6.13.

    Рисунок 6.13. Параметры источника импульсного сигнала
    Источник характеризуется 7 параметрами, смысл которых разъясняется при установке курсора в поле ввода параметра. P1 – время от начала моделирования до начала переднего фронта импульса, P2 – время от начала моделирования до окончания переднего фронта им- пульса, P3 – время от начала моделирования до начала заднего фронта импульса, P4 – время от начала моделирования до окончания заднего фронта импульса, P3 – период повторения импульсов, VZERO – напряжение, соответствующее отсутствию сигнала, VONE – напряже- ние, соответствующее наличию сигнала (амплитуда). В данном случае первые 2 параметра выбраны настолько малыми, что фронт импульса можно считать бесконечно коротким, дру- гие 3 временных параметра напротив выбраны большими, чтобы за время моделирования не наблюдалось окончание импульса. Тем самым обеспечивается расчет переходной характери-
    стики – реакции на ступенчатое воздействие. Амплитуда сигнала выбрана небольшой, чтобы не нарушать линейного режима работы транзистора.
    Воспользовавшись командой Analysis\Transient вызвать окно параметров расчета схем в переходном режиме и задать необходимые параметры (рисунок 6.14).
    Рисунок 6.14. Параметры расчета переходного режима
    Для первоначального расчета рекомендуется установить опцию Auto Scale Range.
    Расчет выполнить для всех трех сочетаний емкостей конденсаторов C1 и C2, исполь- зованных в п.4. В ходе исследований для всех значений емкостей по графикам переходных характеристик определить время t
    и
    , за которая вершина импульсного сигнала уменьшится на
    20%. Измеренные значения длительностей сопоставить с расчетными t
    и
    =1/(10πf
    н
    ).
    Пример импульсной реакции при двух значениях конденсатора C1 приведен на рисун- ке 6.15.

    Рисунок 6.15. Пример переходных характеристик каскада
    Заметим, что в силу инвертирующего характера схемы ОЭ реакция на положительный входной перепад напряжения имеет вид импульса отрицательной полярности.
    6. Для схемы ОЭ (рисунок 6.12) исследовать искажения фронта импульсного сигнала
    (искажения в области малых времен). Для этого измерить длительность фронта выходного сигнала при возбуждении схемы ступенчатым сигналом (рисунок 6.16).

    Рисунок 6.16. Искажения фронта импульсного сигнала
    Для подробного наблюдения фронта в окне параметров переходного режима задать верхний предел времени моделирования в диапазоне 0,4...0,8 мкс.
    Воспользовавшись схемой для расчета частотных характеристик (рисунок 6.5) при возбуждении гармоническим сигналом и задав для нее расчет частотных характеристик (ко- манда Analysis\AC…), получить частотную характеристику в области высоких частот (ВЧ).
    Измерить верхнюю граничную частоту f
    в по уровню 0,7 (-3 дБ) от значения на средних часто- тах и сопоставить ее с длительностью фронта t
    н
    =0,35/ f
    в
    Пример расчета АЧХ в области ВЧ приведен на рисунке 6.17.

    Рисунок 6.17. АЧХ в области ВЧ
    Удалить со схемы ОЭ нагрузочную цепь (резистор R5, конденсатор C4 и C3). Рассчи- тать оптимальное значение корректирующей индуктивности L
    opt
    =0,41R
    1
    /(2πf
    в
    ). Включить по- следовательно с резистором R1 корректирующую индуктивность L. Выполнив расчет частот- ных характеристик для трех значений индуктивности L=0, L= L
    opt
    , L=2 L
    opt
    найти значения верхних граничных частот f
    в
    Пример расчета приведен на рисунке 6.18

    Рисунок 6.18. Влияние корректирующей индуктивности
    Расчет можно выполнить, последовательно меняя значения корректирующей индук- тивности. Можно воспользоваться режимом Stepping и задав в соответствующем окне три значения индуктивности. Именно так получены результаты, представленные на рисунке 6.18.

    7. Лабораторная работа №5. Исследование влияния отрицательной обратной свя-
    зи на свойства усилительного тракта
    Цель работы: исследование свойств усилительного тракта с однопетлевой отрицатель- ной обратной связью.
    Исходные данные: номинальный коэффициент усиления усилительного звена K, со- противления резисторов R1… R3. Если K не задано, принять его равным 1000. Если сопро- тивления резисторов не заданы, выбрать R1=1 кОм, R2=5 кОм, R3=200 Ом, R4=10 кОм.
    Порядок выполненияработы
    1. Изобразить схему моделируемого тракта, как показано на рисунке 7.1. На этом ри- сунке источник напряжения, управляемый напряжением E1, находящийся в библиотеке Com-
    ponent\Analog Primitives\Dependent Soyrces\ под именем VofV, моделирует операционный уси- литель, а резистор R3 – его выходное сопротивление, а R4 – входное дифференциальное со- противление. Поэтому эти элементы помещены в графический элемент прямоугольник, не имеющий «электрической» функции. Вся схема в целом представляет собой усилительный тракт с операционным усилителем в инвертирующем включении, охваченным обратной свя- зью.
    Рисунок 7.1. Исследуемая схема с обратной связью
    Заметим, что в данной схеме операционный усилитель далек от идеального – обладает не очень высоким усилением, небольшим входным и конечным выходным сопротивлениями.

    Используя анализ Transfer Function, найти для данной схемы коэффициент усиления с обратной связью K
    F
    , входное и выходное сопротивлений R
    вхF
    , R
    выхF
    . Для Схемы, изображен- ной на рисунке 7.1 результат расчета приведен на рисунке 7.2.
    Рисунок 7.2. Результат расчета K
    F
    , входного и выходного сопротивлений R
    вхF
    , R
    выхF
    2. Разомкнув цепь обратной связи, и обеспечив неизменность электрических нагрузок в точке разрыва установкой R5 и R6, найти исходные значения коэффициента усиления K, входного и выходного сопротивлений R
    вх
    , R
    вых
    . Для рассматриваемого примера модификация схемы приведена на рисунке 7.3. В данном случае R5=R3, а R6=R2+R1||R4, где последние два сопротивления включены параллельно и рассчитываются по соответствующей формуле.
    Рисунок 7.3. Схема с разомкнутой обратной связью
    Исходные значения параметров усилительного тракта для данного примера, получен- ные путем анализа Transfer Function, приведены на рисунке 7.4.

    Рисунок 7.4. Результат расчета K, входного и выходного сопротивлений R
    вх
    , R
    вых
    Как видно, все исходные параметра заметно отличаются от параметров схемы при замкнутой обратной связи.
    3. Измерить коэффициенты петлевой передачи T
    вх0
    и T
    вх∞
    , обеспечив условия коротко- го замыкания и холостого хода на входных зажимах схемы так, как это показано на рисунках
    7.5 и 7.6.
    Рисунок 7.5. Схема для измерения T
    вх0

    Рисунок 7.6. Схема для измерения T
    вх∞
    Коэффициенты петлевой передачи также вычисляются методом Transfer Function, что иллюстрируется рисунками 7.7 и 7.8.
    Рисунок 7.7. Результат расчета T
    вх0

    Рисунок 7.8. Результат расчета T
    вх∞
    4. Исключив прохождение сигнала через основной усилительный тракт, путем задания коэффициента передачи зависимого источника равным 0 (рисунок 7.9), найти коэффициент прямого прохождения сигнала по петле обратной связи k (режим погашенного усиления).
    Рисунок 7.9. Схема с погашенным усилением.
    Пример результата расчета приведен на рисунке 7.10

    Рисунок 7.10. Результат расчета коэффициента передачи при погашенном усилении.
    Как и следовало ожидать коэффициент прямого прохождения сигнала по петле обрат- ной связи оказался существенно меньше единицы.
    5. Используя соотношения
    k
    T
    K
    K
    F
    +
    +
    =
    0
    вх
    1
    и

    +
    +
    =
    вх вх0
    вх вх
    1 1
    T
    T
    R
    R
    F
    найти рас- четные значения параметров тракта, охваченного обратной связью, и сопоставить их с изме- ренными.
    5. Исследовать стабилизирующее влияние отрицательной обратной связи на коэффи- циент усиления. Для этого в схеме, приведенной на рисунке 7.1 выполнить измерения коэф- фициента усиления тракта с обратной связью для исходного значения K и для значения ко- эффициента усиления операционного усилителя, равного 2K.
    Вычислить относительные изменения коэффициента ΔK
    F

    Литература
    1. Павлов В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб. Пособие для студ. высш. учеб. Заведений / В.Н. Павлов. – М.: Издательский центр «Академия», 2008.
    2. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. – М.: Солон,
    1997 3. Амелина М.А. Конспект лекций по курсу «Компьютерный анализ и синтез элек- тронных устройств» Пакет программ схемотехнического моделирования Micro-Cap 8. – Смо- ленск, 2006.
    4. Схемотехника ЭВМ. Компьютерный анализ и синтез элементов и узлов ЦВМ на ба- зе программного пакета MicroCAP-8. Учебное пособие. Сост.
    О.И. Курсанов, С.Г. Марков- ский, Л.А. Осипов, А.И. Попов. – С.Пб.: ГААП, 2007.


    написать администратору сайта