Определение максимального уровня входного сигнала.

Введение

Для анализа транзисторного усилителя будем использовать программу схемотехнического моделирования Micro Cap 8.0. Кратко охарактеризуем данную программу

MicroCap-9 - это универсальная программа схемотехнического анализа, предназначенная для решения широкого круга задач. Характерной особенно­стью этой программы, впрочем как и всего семейства Micro Cap, являет­ся наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной аудитории. Не­смотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным сред­ствам ПК, его возмож­ности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые схемы. Возможно также и смешанное моделиро­вание аналого-цифровых электронных устройств.

Micro Cap-9 отличается от младших представителей своего семейства бо­лее совершенными моделями электронных компонентов. Это приближает его по возможностям схемотехнического моделирования к интегрированным па­кетам DESIGNLAB, ORCAD, PCAD2002 - достаточно сложным в освоении средствам анализа и проектирования электронных устройств, подразуме­вающим в первую очередь профессиональное использование. Кроме того, полная совместимость со SPICE-моделями и SPICE-схемами и развитые возможности конвертирования позволяют пользователю Micro Cap успешно применять все разработки, предназначенные для данных пакетов, а получен­ные навыки моделирования дадут возможность в случае необходимости го­раздо быстрее осваивать профессиональные пакеты моделирования.

Перечисленные достоинства делают программу MicroCap-9 весьма при­влекательной для моделирования электронных устройств средней степени сложности. Удобство в работе, нетребовательность к ресурсам компьютера и возможность анализировать электронные устройства с достаточно большим количеством компонентов позволяют успешно использовать ее как начинаю­щим радиолюбителям, студентам, так и инженерам-разработчикам. Кроме то­го, программы семейства Micro Cap активно применяются в научно-иссле­довательской деятельности.

Интерфейс Micro Cap настолько интуитивно понятен, что позволяет человеку, имеющему базовые навыки работы с персональным компьютером, начать использование этой программы даже не читая руководство. Разработчиками найден компро­мисс между простотой и функциональностью. В нем нет имитации «измери­тельных приборов», загромождающих Workbench. При расчете не откры­вается большое число окон со сложными взаимосвязями между ними, как в DESIGNLAB. Не зря его очень любят студенты - простенькую схему им в большинстве случаев удается промоделировать в MicroCap и без прочтения громоздких руководств. А если учесть, что даже в демонстрационной версии MicroCap приведены примеры моделирования практически всех типов элек­тронных устройств (как аналоговых, так и цифровых), то это существенно уп­рощает освоение программы и изучение приемов моделирования. А полная версия содержит уже столько примеров, что изучение только тех схем, кото­рые содержатся в библиотеке MicroCap, в состоянии заметно расширить зна­ния, полученные в рамках базовых вузовских курсов электроники и схемо­техники.

Использование программы MicroCap позволяет не только изучать работу электронных схем, но и приобретать навыки наладки электронных устройств. Основные приемы получения рабочей модели ничем не отличаются от мето­дик введения в рабочий режим реальных электронных устройств. Именно эти свойства и позволяют рекомендовать его в первую очередь студентам и ра­диолюбителям. Как отметил один из радиолюбителей, использующих Micro-Cap, основная проблема при работе с ним - начинает ржаветь паяльник...

Важным плюсом можно считать и то, что в настоящее время в сети Internet можно найти достаточно большие библиотеки отечественных и зарубежных электронных компонентов.

Из приведенной характеристики программы Micro-Cap 9 можно сделать вывод, что она является наилучшей для начинающих пользователей, которым требуется ознакомиться со способами анализа электрических схем с помощью возможностей компьютера. Именно поэтому для анализа транзисторного каскада выбираем эту программу.

 

Определение максимального уровня входного сигнала.

Температурный анализ

1.1 Определение максимального уровня входного сигнала при t = - 35⁰С

Для определения максимального уровня входного сигнала необходимо построить амплитудную характеристику выходного сигнала, а затем с помощью дополнительных построений и расчетов определить уровень входного сигнала.

Амплитудная характеристика строится с помощью пункта меню “Анализ” компьютерной программы МС9, “Анализ переходных процессов”. В окне

“Установки Анализ переходных процессов” вводятся параметры соответствующие данной схеме. Оно приведено на рисунке 1.1.1.

Рисунок 1.1.1. Окно “Limits” для получения выходного сигнала

Для получения необходимых характеристик в окне “С шагом”, которое приведено на рисунке 1.1.2, задают цикл изменения амплитуды входного гармонического сигнала от 0 до 5,5 мВ с шагом 0,55 мВ.

Рисунок 1.1.2. Окно “Stepping” для построения семейства выходных характеристик.

В результате получают семейство выходных характеристик, которые приведены на рисунке 1.1.3. Из графика выходного сигнала видно, что полуволны его ассиметричны, поэтому построение семейства выходных характеристик ведется до тех пор, пока коэффициент ассиметричности полуволн не превысит то значение, которое было задано в ТЗ:

Рисунок 1.1.3. Семейство выходных характеристик с дополнительными

построениями.

Для получения зависимости коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения, измерили амплитуды положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения. Полученные результаты занесли в таблицу 1.1.

По результатам, занесенным в таблицу 1.1, посчитали коэффициент ассиметрии при различном входном напряжении. Коэффициент ассиметричности определили по формуле:

Где U₊ - амплитуда положительной полуволны выходного напряжения;

U_- - амплитуда отрицательной полуволны выходного напряжения.

 

Таблица 1.1. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

Uвх, мВ	U+, мВ	U-, мВ	Kac
0,55	4,193	4,182	0,0013134
1,1	8,354	8,374	0,0011956
1,65	12,467	12,621	0,0061384
2,2	16,554	16,848	0,0088019
2,75	20,566	21,074	0,0121998
3,3	24,584	25,371	0,0157542
3,85	28,52	29,633	0,0191392
4,4	32,401	33,918	0,0228743
4,95	36,141	38,197	0,0276575
5,5	39,996	42,465	0,0299414

 

По полученным в таблице 1.1 значениям построили зависимость коэффициента ассиметричности от входного напряжения, которая изображена на рисунке 1.1.4.

Рисунок 1.1.4. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

По зависимости, изображенной на рисунке 1.1.4, путем дополнительных построений, получили значение максимального входного напряжения

U_вх.мах=4,6 мВ. Это означает, что при подаче сигнала с большей амплитудой, усилительный каскад будет вносить такие искажения в сигнал, которые не удовлетворяют условиям задания.

После определения максимального входного напряжения определили рабочее входное напряжения, то есть напряжение, которое рекомендовано приложить к усилительному каскаду, чтобы он работал, не внося серьезных искажений в обрабатываемый им сигнал. Входное рабочее напряжение определяется по формуле:

То есть, в данном каскаде, для избегания высоких искажений сигнала рекомендуется использовать входное напряжение 2,3 мВ.

В пунктах 1.2 – 1.7 проводим дальнейшее изучение зависимости максимального уровня входного сигнала от температуры.

1.2 Определение максимального уровня входного сигнала при t = - 20⁰С

Рисунок 1.2.1. Окно “Limits” для получения выходного сигнала

Рисунок 1.2.2. Окно “Stepping” для построения семейства выходных характеристик.

Рисунок 1.2.3. Семейство выходных характеристик с дополнительными

построениями.

Таблица 1.2. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

Uвх, мВ	U+, мВ	U-, мВ	Kac
0,55	4,211	4,2	0,0013078
1,1	8,393	8,42	0,0016059
1,65	12,499	12,655	0,0062018
2,2	16,63	16,897	0,0079637
2,75	20,738	21,163	0,0101430
3,3	24,769	25,406	0,0126956
3,85	28,746	29,702	0,0163564
4,4	32,694	33,981	0,0193026
4,95	36,579	38,259	0,0224485
5,5	40,44	42,551	0,0254365

 

По полученным в таблице 1.2 значениям построили зависимость коэффициента ассиметричности от входного напряжения, которая изображена на рисунке 1.2.4.

Рисунок 1.2.4. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

По зависимости, изображенной на рисунке 1.2.4, путем дополнительных построений, получили значение максимального входного напряжения

U_вх.мах=5,49 мВ. Входное рабочее напряжение определяется по формуле:

То есть, в данном каскаде, для избегания высоких искажений сигнала рекомендуется использовать входное напряжение 2,745 мВ.

1.3 Определение максимального уровня входного сигнала при t = - 5⁰С

Рисунок 1.3.1. Окно “Limits” для получения выходного сигнала

Рисунок 1.3.2. Окно “Stepping” для построения семейства выходных характеристик.

Рисунок 1.3.3. Семейство выходных характеристик с дополнительными

построениями.

 

 

Таблица 1.3. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

Uвх, мВ	U+, мВ	U-, мВ	Kac
0,63	4,819	4,829	0,0010365
1,26	9,651	9,674	0,0011902
1,89	14,19	14,539	0,0121480
2,52	19,108	19,42	0,0080980
3,15	23,78	24,284	0,0104860
3,78	28,455	29,211	0,0131100
4,41	32,975	34,093	0,0166696
5,04	37,551	39,018	0,0191592
5,67	42,003	43,945	0,0225951
6,3	45,376	48,863	0,0370071

 

По полученным в таблице 1.3 значениям построили зависимость коэффициента ассиметричности от входного напряжения, которая изображена на рисунке 1.3.4.

Рисунок 1.3.4. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

По зависимости, изображенной на рисунке 1.3.4, путем дополнительных построений, получили значение максимального входного напряжения

U_вх.мах=5,8 мВ. Входное рабочее напряжение определяется по формуле:

То есть, в данном каскаде, для избегания высоких искажений сигнала рекомендуется использовать входное напряжение 2,9 мВ.

1.4 Определение максимального уровня входного сигнала при t = 10⁰С

Рисунок 1.4.1. Окно “Limits” для получения выходного сигнала

Рисунок 1.4.2. Окно “Stepping” для построения семейства выходных характеристик.

Рисунок 1.4.3. Семейство выходных характеристик с дополнительными

построениями.

Таблица 1.4. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

Uвх, мВ	U+, мВ	U-, мВ	Kac
0,75	5,789	5,765	0,0020772
1,5	11,54	11,567	0,0011685
2,25	17,249	17,352	0,0029768
	22,9	23,212	0,0067661
3,75	28,495	29,015	0,0090419
4,5	34,018	34,887	0,0126116
5,25	39,46	40,719	0,0157024
	44,832	46,578	0,0191008
6,75	50,121	52,468	0,0228777
7,5	55,243	58,331	0,0271893

 

По полученным в таблице 1.4 значениям построили зависимость коэффициента ассиметричности от входного напряжения, которая изображена на рисунке 1.4.4.

Рисунок 1.4.4. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

По зависимости, изображенной на рисунке 1.4.4, путем дополнительных построений, получили значение максимального входного напряжения

U_вх.мах=7,1 мВ. Входное рабочее напряжение определяется по формуле:

То есть, в данном каскаде, для избегания высоких искажений сигнала рекомендуется использовать входное напряжение 3,56 мВ.

1.5 Определение максимального уровня входного сигнала при t = 25⁰С

Рисунок 1.5.1. Окно “Limits” для получения выходного сигнала

Рисунок 1.5.2. Окно “Stepping” для построения семейства выходных характеристик.

Рисунок 1.5.3. Семейство выходных характеристик с дополнительными

построениями.

 

 

Таблица 1.5. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

Uвх, мВ	U+ мВ	U-, мВ	Kac
	7,755	7,753	0,0001290
	15,514	15,525	0,0003544
	23,036	23,304	0,0057833
	30,781	31,125	0,0055568
	38,31	38,928	0,0080012
	45,716	46,723	0,0108937
	52,993	54,54	0,0143863
	60,152	62,362	0,0180388
	67,171	70,211	0,0221281
	74,08	78,03	0,0259680

 

По полученным в таблице 1.5 значениям построили зависимость коэффициента ассиметричности от входного напряжения, которая изображена на рисунке 1.5.4.

Рисунок 1.5.4. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

По зависимости, изображенной на рисунке 1.5.4, путем дополнительных построений, получили значение максимального входного напряжения

U_вх.мах=9,9 мВ. Входное рабочее напряжение определяется по формуле:

То есть, в данном каскаде, для избегания высоких искажений сигнала рекомендуется использовать входное напряжение 4,95 мВ.

1.6 Определение максимального уровня входного сигнала при t = 40⁰С

Рисунок 1.6.1. Окно “Limits” для получения выходного сигнала

Рисунок 1.6.2. Окно “Stepping” для построения семейства выходных характеристик.

Рисунок 1.6.3. Семейство выходных характеристик с дополнительными

построениями.

Таблица 1.6. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

Uвх, мВ	U+, мВ	U-, мВ	Kac
	62,632	61,724	0,0073016
	124,711	123,717	0,0040012
	187,964	185,153	0,0075338
	251,058	246,213	0,0097432
	313,997	306,944	0,0113586
	376,895	366,703	0,0137063
	440,342	426,201	0,0163189
	502,312	484,215	0,0183442
	566,690	541,362	0,0228581
	629,880	595,989	0,0276465

 

По полученным в таблице 1.6 значениям построили зависимость коэффициента ассиметричности от входного напряжения, которая изображена на рисунке 1.6.4.

Рисунок 1.6.4. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

По зависимости, изображенной на рисунке 1.6.4, путем дополнительных построений, получили значение максимального входного напряжения

U_вх.мах=75 мВ. Входное рабочее напряжение определяется по формуле:

То есть, в данном каскаде, для избегания высоких искажений сигнала рекомендуется использовать входное напряжение 37,5 мВ.

1.7 Определение максимального уровня входного сигнала при t = 55⁰С

Рисунок 1.7.1. Окно “Limits” для получения выходного сигнала

Рисунок 1.7.2. Окно “Stepping” для построения семейства выходных характеристик.

Рисунок 1.7.3. Семейство выходных характеристик с дополнительными

построениями.

 

 

Таблица 1.7. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

Uвх, мВ	U+, мВ	U-, мВ	Kac
1,3	9,187	9,068	0,0065188
2,6	18,165	18,081	0,0023175
3,9	27,706	27,044	0,0120913
5,2	37,021	35,998	0,0140101
6,5	46,374	44,84	0,0168176
7,8	55,738	53,639	0,0191905
9,1	65,176	62,481	0,0211113
10,4	74,633	71,183	0,0236600
11,7	84,122	79,876	0,0258906
	93,662	88,487	0,0284108

 

По полученным в таблице 1.6 значениям построили зависимость коэффициента ассиметричности от входного напряжения, которая изображена на рисунке 1.7.4.

Рисунок 1.7.4. Зависимость коэффициента ассиметричности полуволн выходного напряжения от величины входного напряжения.

По зависимости, изображенной на рисунке 1.7.4, путем дополнительных построений, получили значение максимального входного напряжения

U_вх.мах=11,2 мВ. Входное рабочее напряжение определяется по формуле:

То есть, в данном каскаде, для избегания высоких искажений сигнала рекомендуется использовать входное напряжение 5,6 мВ.

Температурный анализ

Из полученных графиков путем дополнительных построений определили зависимости коэффициента асимметричности от величины входного сигнала. По этим зависимостям определили максимальное входное напряжение, затем определили уровни входного рабочего напряжения при разных температурах. По полученным результатам построили график зависимости входного максимального напряжения от температуры, который изображен на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8. Зависимость входного рабочего напряжения от температуры.

В ходе выполнения данного задания исследовали амплитудную характеристику усилительного каскада и влияние на нее изменения температуры. В ходе задания выяснилось, что данный каскад вносит искажения в обрабатываемый сигнал. Искажения выражаются в асимметричности полуволн выходного напряжения.

Для данного каскада был определен коэффициент асимметричности полуволн выходного сигнала. Кроме того, для данного каскада было определено входное рабочее напряжение. Так же был проведен температурный анализ каскада, то есть было исследовано влияние изменения температур на коэффициент асимметрии и, соответственно, на входное рабочее напряжение. Из графика зависимости входного рабочего напряжения от температуры можно сделать вывод, что при увеличении температуры входное рабочее напряжение усилителя увеличивается. Следовательно, данный усилительный каскад выгоднее использовать при низкой температуре.