8.8 Завдання для самоконтролю

8.8.1 Завдання для моделювання та дослідження схем в ms

1. Моделювання та дослідження RC-підсилювача.

Сформувати модель однокаскадного RC-підсилювача (рис.8.19.) та провести дослідження в частотній області. Визначити АЧХ та динамічний діапазон за нелінійних спотворень не більше 10%.

Д ля проведення таких досліджень в середовищі MS доцільно скористатись приладом для відображення АЧХ – Bode Plotter (XBP1). У віконцях приладу виставити такі діапазони : за частотою I = 10 Гц; F = 100 МГц, за коефіцієнтом підсилення I = 0 дБ; F=50 дБ. Функціональний генератор переводиться в режим формування гармонічного сигналу ( тестового сигналу при дослідженнях в частотній області).

Амплітуда вхідного сигналу повинна забезпечити підсилення в межах динамічного діапазону. Це можна проконтролювати на екрані осцилографа. Осцилограма вихідного сигналу повинна мати форму синусоїди з фазовим зсувом 180⁰ відносно вхідного сигналу (рис.8.20). Динамічний діапазон обмежується допустимими нелінійними спотвореннями. Для їх оцінки доцільно скористатись вимірювачем нелінійних спотворень ( XDA1). На рис.8.20 подані осцилограми вихідних сигналів за різних коефіцієнтів нелінійних спотворень. При проектуванні ЕП задається динамічний діапазон та допустимі при цьому нелінійні спотворення.

Дослідження ЕП в частотній області відбувається за початкового положення робочої точки на середині лінійної ділянки вхідної характеристики транзистора, тобто забезпечується активний режим. При цьому постійна наруга U _КЕ становить приблизно Е _к / 2 Виставляється потенціометром R2 та контролюється мультиметром ХММ1. Робота ЕП в з оні динамічного діапазону та лінійної ділянки характеристик транзистора забезпечує мінімальні нелінійні спотворення. Аналіз осцилограм на рис.8.20 показує, що за лінійних спотворень більше 15% їх можливо ідентифікувати на екрані осцилографа. За нелінійних спотворень на рівні 5% на екрані осцилографа вони майже не помітні.

В області середніх частот ЕП забезпечує максимальне підсилення, яке визначається шляхом зміщення візірної лінійки Bode Plotter на середину частотного діапазону АЧХ (рис. 8.21). Це значення є висхідним для визначення межових частот. Наприклад, якщо коефіцієнт підсилення становить +39.228 дБл, нижня та верхня граничні частоти фіксуються на рівнях спаду на – 3 дБл., тобто на рівнях + 36.228 дБл. Визначити ƒ_н.гр та ƒ_в.гр.

Для більш точного визначення вказаних частот у віконцях Bode Plotter доцільно виставити діапазон I та F, які наближаються до значень встановлених частот(рис.8.22).

Коефіцієнт передачі за напругою на заданій частоті у відносних одиницях визначається за допомогою візірних лінійок на екрані осцилографа.

Рис.8.22. Підвищення точності визначення нижньої

межової частоти

П роаналізувати одержані числові значення граничних частот та оцінити можливість використання такого ЕП для вирішення конкретної задачі. Якщо необхідно забезпечити підсилення сигналів в діапазоні звукових частот, які сприймаються слуховими органами людини, параметри підсилювача необхідно скорегувати. Так, для якісного відтворення музичних творів нижню граничну частоту ЕП потрібно зменшити до рівня близько 40 Гц. Як відомо (розд.1.6.5.) для цього необхідно збільшити сталу часу диференціюючої схеми. Така схема в даному випадку створюється виокремлюючим конденсатором С1 та вхідним опором ЕП. Необхідно звернути увагу на наступне. В джерелах живлення для зменшення пульсацій випрямленої напруги на виході вмикають конденсатори великої ємності. Таким чином для змінної складової інформаційних сигналів резистори R1+R2( рис.8.4) через джерело живлення підключаються до загальної точки («0»). В результаті вхідний опір підсилювача визначається паралельним вмиканням вказаних вище резисторів та опором емітерного переходу транзистора. При зміні режиму транзистора вхідний опір ЕП змінюється. Збільшення вхідного опору ЕП не завжди можливе, а тому для розширення частотного діапазону в області нижніх частот доцільно збільшити ємність конденсатора С1. Експериментально визначити ємність цього конденсатора , за якої забезпечується необхідна нижня гранична частота для якісного відтворення звукових частот (40 Гц).

Значення межової частоти пов`язане зі сталою часу ω = 1/ τ = 2 π f . Для визначених вище значень ƒ_н.гр вирахувати сталі часу τ_н.1с. та τ_{н 2}с. Цими значеннями необхідно користовуватися при аналізі ЕП в часовій області.

В області високих частот межова частота обмежується частотними параметрами транзистора, ємністю навантаження та паразитною ємністю монтажу. Ці властивості ЕП моделюються інтегруючою схемою вихідного кола. Визначити сталу часу для одержаного вище значення верхньої межової частоти τ _в нс. Для згаданих вище підсилювачів низької частоти така верхня межова частота є надто завищеною, що небажано. Збиткове розширення смуги частот обумовлює підвищення рівнів шумів і відповідно зменшує динамічний діапазон. При налагоджені ЕП необхідно скорегувати смугу до необхідного рівня. Це можна досягти шляхом використання низькочастотного транзистора або ІМС, а також корекцією опору резистора в колі колектора, що може забезпечити суттєве підвищення коефіцієнта підсилення в робочому діапазоні частот.

Експериментально дослідити RC-підсилювач в часовій області. Визначити тривалість імпульсів, за якої передній фронт не перевищить 0.1t_і та спад вершини не більше 10%.

В даному випадку визначають тривалість перехідних процесів в ЕП, що дозволяє оцінити спроможність пристроїв передавати імпульсні сигнали з допустимими спотвореннями. Такі дослідження проводяться при аналізі лінійних підсилювачів імпульсних сигналів та цифрових пристроїв. В даному випадку важливо оцінити тривалість перемикання ключів, що визначає швидкодію цифрових функціональних вузлів та цифрових систем в цілому, а також спотворення вершин імпульсів через наявність виокремлюючих конденсаторів.

Підсилювачі з резистивно-ємнісними зв`язками можна моделювати як послідовне вмикання диференціюючої та інтегруючої схем, а відтак доцільно аналізувати спотворення ЕІС, які викликаються такими схемами ( розд. 1.6.5, 1.6.6.). Так як сталі часу цих схем відрізняються на декілька порядків ( мс та нс), їх вплив розглядають окремо. Прямокутні імпульси, які поступають на вхід ЕП, на виході спотворюються за рахунок збільшення тривалості переднього фронту імпульса t_фр ( вплив інтегруючої схеми) та спаду вершини імпульса Δ, обумовленої виокремлюючи ми конденсаторами (диференціюючою схемою).

При проектуванні та налагодженні ЕП ці параметри є висхідними для оцінки спроможності передати імпульси з допустимими спотвореннями. Зазвичай, такі параметри фіксуються в технічному завдані. Типовим допустимим спотворенням будемо вважати: t_фр < 0.1 t _імп ; Δ < 0.1U_вих, ( де t _імп – тривалість вхідного імпульсу, U_вих - амплітуда вихідного сигналу). Враховуючи такі співвідношення, оцінити спроможність RC- підсилювача, модель якого подана на рис.8.19, підсилювати імпульсні сигнали. Для цього використати два варіанта оцінки допустимих спотворень.

Перший варіант базується на досліджені швидкодії ЕП за результатами, одержаними вище при досліджені в частотній області, де визначили верхню межову частоту ƒ_в.гр МГц . Стала часу інтегруючої схеми (високочастотна область ) за такої частоти cтановить τ = 1/2 π f нс. Відомо (розд. 16.6. ), що конденсатор інтегруючої схеми повністю заряджається за тривалість часу, яка приблизно дорівнює 3τ. Це і є тривалість перемикання транзисторного ключа ( перехідного процесу ЕП). За результатами досліджень в частотній області визначити мінімальну тривалість переднього фронту імпульсів t_фр нс. В результаті, з допустимими спотвореннями, рівень яких окреслено вище, визначити тривалість вхідних імпульсних сигналів. Вона дорівнює чи перевищує t _імп = 10 t_фр нс.

Другий варіант базується на використані вимірювальних приладів (зокрема осцилографів) , за допомогою яких можна зафіксувати необхідні інтервали часу. Розглянемо його.

При досліджені в часовій області на вхід ЕП подається імпульсний сигнал, для чого функціональний генератор переводиться у відповідний режим. Амплітуда вхідних сигналів вибирається такою, щоб забезпечити формування вихідного сигналу на лінійній ділянці характеристик (20-50 мВ). Виміри проводяться на екрані осцилографа. На рис.8.23. показано формування переднього фронту негативного вихідного імпульсу.

Т ривалість розгортки встановлюється такою, щоб забезпечити формування переднього фронту вихідного імпульсу на 1/3 … 1/2 ширини екрана. Візірні лінійки виставляються на початку і в кінці формування переднього фронту імпульсу ( зазвичай на рівнях 0.05 та 0.95). Різниця часового інтервалу Т2 – Т1 відображається у відповідному віконці осцилографа і становить для даного ЕП 15.що майже співпадає з результатами визначення тривалості t_фр через сталу часу та значення верхньої межової частоти.

Проведене моделювання дозволяє сформулювати висновок: підсилювач, модель якого подана на рис.8.19 забезпечує передачу інформаційних сигналів у високочастотній області зі смугою до ƒв.гр , що забезпечує тривалість переднього фронту на рівні t_фр.

В цифрових та імпульсних пристроях використовуються спеці альні ключові транзистори, початковий режим яких (відсічки або насичення) визначається призначенням каскаду. Такі пристрої досліджуються в часовій області і одержані значення t_фр можуть відрізнятись від значень, встановлених через ƒ_в.гр.

Лінійні спотворення в області великих частот присутні у всіх типах ЕП, їх можливо зменшити, тобто збільшити ƒ_в.гр, зменшити t_фр, але принципово неможливо повністю усунути.

Другий тип спотворень імпульсів – спад вершини присутній лише в RC- підсилювачах і обумовлений наявністю виокремлюючих конденсаторів, тобто диференціюючих схем між каскадами. Подальший аналіз проведемо з урахуванням матеріалу по дослідженню диференціюючих схем, поданих в розділі(1.6.5.).

Аналіз проводиться в області великих тривалостей, для чого частоту прямокутних імпульсів функціонального генератора (рис.8.19) встановлюємо на рівні 20 – 50 Гц, амплітуда імпульсів 20 – 40 мВ, шпаруватість 40%. Це дає можливість одержати вихідні сигнали зі 100% спадом вершини (рис.8.24 а), а відтак визначити значення 3 τ .

Шляхом моделювання в середовищі MS можливо дослідити тривалість імпульсів, за якої спад вершини буде досягати 50% (рис.8.24 б) та 10% (рис.8.24 в).

Для зменшення спотворень імпульсів в області велеких тривалостей необхідно збільшувати сталу часу вхідної та міжкаскадних RC-схем, тобто розширювати частотний діапазон в область низьких частот з урахуванням міркувань, викладених в розділах 1….та 8.3.2.

П роведені експериментальні дослідження, порівняня результатів, одержаних в частотній та часовій областях, підкреслюють зв`язок високочастотної області АЧХ з областю малих тривалостей ПХ, а також – низькочастоної області з областю великих тривалостей. Оволодіння цим матеріалом дозволить при проектуванні та налаштовувані RC-підсилювачів обгрунтовано приймати рішення з метою досягнення параметрів, сформованих в технічному завдані.

а б в

Рис.8.24. Спад вершини імпульсів на виході ЕП за різних тривалостей: а – 100%; б – 50 %; в – 10%

2. Моделювання та дослідження вибірного підсилювача (рис.8.25).

Визначити номінали резисторів та конденсаторів подвійного Т-подібного мосту для квазірезонансної частоти, наприклад 10 кГц. Початкове значення резисторів доцільно вибрати на рівні 100 кОм 1 МОм. Необхідні значення ємностей конденсаторів визначаються за формлою (розд.8.6.3). Шляхом моделювання в MS дослідити АЧХ подвійного Т-подібного мосту та вибіркового підсилювача, скорегувати значення опорів резистрів та ємностей конденсаторів з метою одержання заданого значення квазірезонансної частоти.

Д ослідити вибірковий підсилювач в пристроях помножування частоти.

Використовуючи методику підвищення точності фіксації частоти (рис.8.22), визначити значення квазірезонансної частоти з точністю до тисячної ( наприклад, 7.582 кГц ). Якщо тепер подати на вхід ЕП прямокутні імпульси з частотою 1/3, 1/4 чи 1/5 f_кв.рез, то на виході одержимо третю, четверту або пяту гармонічні складові вхідного прямокутного сигналу, тобто стає можливим виконати процес помноження частоти. Вхідний та вихідний сигнали спостерігати та екрані осцилографа. Амплітуда вхідних прямокутних сигналів встановлюється на рівні 10…20 мВ, шпаруватість 50%.

3. Моделювання та дослідження підсилювача потужності.

- Побудувати модель ПП в середовищі MS (рис.8.26). Відключити функціональний генератор XFG1 та за допомогою потенціометра R5 виставити на опорі навантаження (R4) напругу U_Н = 0 ( контролювати мультіметром XMM1). При цьому розгортка осцилографа канала В суміщується з центальною лінією.

- Підключити генератор. Дослідити ПП в режимі підсилення гармонічних та імпульсних сигналів. Визначити коефіцієнт підсилення, динамічний діапазон за допустимих нелінійних спотвореннях 10% (контролювати вимірювачем XDA1).

- Дослідити залежність максимальної потужності в навантаженні при зміні опору навантаження R4 ( 2…4…8…10…15 Ом). Визначити коефіцієнт корисної дії (Р₀ / Р_Н). Для чого в кола джерел живлення послідовно включити мультиметри ( на рис.8.26. не показані).

- Дослідити АЧХ ПП, для чого підключити Bode Ploter.