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
Uвх.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
Uвх.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
Uвх.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
Uвх.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
Uвх.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
Uвх.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
Uвх.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.
