4.2 Порядок выполнения работы

4.2.1 Настройка начальной рабочей точки

а) Построение схемы

Соберем схему (рис. 4.5). Используем транзистор 2N2218 из базы программы. Напряжение питания V1 установим равным 12V. Параметры генератора V2 выберем равными F=1KHZ, А=10М.

Рисунок 4.5 – Схема для моделирования работы усилителя

б) Установка начальной рабочей точки

Запустим динамический анализ по постоянному току Dynamic DC. При этом в узлах схемы появляются значения напряжений постоянного тока, соответствующие режиму покоя (рис. 4.6).

Рисунок 4.6 – Окно динамического анализа по постоянному току

Чтобы транзистор был в активном режиме и работал в классе А, необходимо на коллекторе установить напряжение, примерно равное V2/2, т. е. около 6 В. Подстройка может быть произведена изменением значения сопротивления R2. Для этого необходимо навести курсор на число 12К и двумя нажатиями на левую кнопку мыши активировать режим редактирования его значения. Устанавливая новые значения сопротивления, подобрать номинал R2, при котором напряжение на коллекторе имеет приемлемое значение. Пусть нас устраивает значение R2=11K, при котором напряжение на коллекторе составляет 6.859 В (рис. 4.7).

Рисунок 4.7 – Результат установки параметров начальной рабочей точки

Выйдем из режима динамического анализа нажатием на панели инструментов кнопки Node Voltage (Напряжение узла) .

4.2.2 Определение параметров усилителя по переменному току

Найдем коэффициенты усиления по напряжению и току, входное и выходное сопротивление схемы и коэффициент гармоник. Для этого проведем анализ переходных процессов Transient. В окне Transient Analysis Limits зададим параметры: временной интервал анализа, равный периоду работы генератора V2 – Time Range=1m; максимум временного шага Maximum Time Step=1U. Выведем в виде отдельных графиков напряжения на входе V(5) и выходе V(6) усилителя и входной I(C1) и выходной I(C3) токи. Для этого в нижней части окна Transient Analysis Limits укажем

в первой строке:

Р=1, X Expression=Т, Y Expression=V(5), X Range=Auto, Y Range=Auto;

во второй строке:

Р=2, X Expression=Т, Y Expression=V(6), X Range=Auto, Y Range=Auto;

в третьей строке:

Р=3, X Expression=Т, Y Expression=I(С1), X Range=Auto, Y Range=Auto;

в четвертой строке:

Р=4, X Expression=Т, Y Expression=I(С2), X Range=Auto, Y Range=Auto.

Запустим анализ кнопкой Run.

На экран выводятся графики указанных величин (рис. 4.8).

Для расчета коэффициентов усиления и входного сопротивления необходимо знать действующие или амплитудные значения напряжений и токов. Найдем амплитудные значения. Для этого воспользуемся возможностями программы определять мгновенные значения величин с помощью кнопки Tag Mode на панели инструментов.

Нажав кнопку, подводим курсор к точке на графике, параметры которой необходимо определить, нажимаем левую кнопку мыши, отводим курсор в свободное место графика, где может быть размещена надпись, и отпускаем кнопку мыши. Надпись содержит информацию о координатах выбранной точки в формате (X, Y) (см. рис. 4.8).

Определение коэффициентов усиления и входного сопротивления производится расчетным путем по данным графиков. Коэффициент усиления по напряжению

;

коэффициент усиления по току

;

входное сопротивление

.

Рисунок 4.8 – Результаты анализа усилителя по переменному тку

Параметры могут быть определены в программе Micro Cap. Для этого в окне Transient Analysis Limits в колонке Y Expression вместо одной конкретной величины необходимо задать формулу, определяющую соответствующий параметр, например V(6)/V (5). Тогда в результате анализа на экран будет выведен график зависимости параметра (в данном случае коэффициента усиления схемы по напряжению) от времени.

Выходное сопротивление может быть найдено с использованием анализа Transfer Function (малосигнальная передаточная функция, рассчитываемая в режиме анализа по постоянному току) в опции Analysis. После запуска анализа открывается окно Transfer Function, в котором необходимо указать выходную величину Output Expression=V(1) (напряжение V(6) указывать нельзя, т. к. расчет ведется на основе анализа по постоянному току) и источник воздействующего сигнала (в данном случае V2) Input Source Name=V2. После запуска вычисления путем нажатия кнопки Calculate в строке Output Impedance появляется результат анализа 4680.86 Ом.

Для определения коэффициента гармоник воспользуемся оператором обработки сигналов при построении графиков HARM(u) – расчет гармоник сигнала u. В режиме анализа Transient в окне Transient Analysis Limits в колонке Y Expression запишем выражение HARM(V(6)). При этом время анализа Time Range необходимо задать равным периоду основной гармоники сигнала (в данном случае 1m). Зададим также количество точек в спектре сигнала путем установки опции Number of Points =11, и в окне Transient Analysis Limits в строке, где записан оператор HARM(V(6)), нажмем кнопку записи в память результатов расчета амплитуды гармоник. В результате анализа получим спектр выходного сигнала усилителя, представленный на рис. 4.9.

Рисунок 4.9 – Спектр выходного сигнала усилителя

Для того чтобы считать амплитуды гармоник из памяти, в окне результатов моделирования Transient Analysis необходимо нажать кнопку . Тогда открывается окно протокола моделирования, в котором в конце текстовой части в виде таблицы приводятся численные результаты моделирования – амплитуды гармоник в зависимости от частоты (см. таблицу):

f harm(v(6))

(Hz)

0.000K 0.163

1.000K 1.464

2.000K 0.099

3.000K 0.044

4.000K 0.032

5.000K 0.025

6.000K 0.021

7.000K 0.017

8.000K 0.015

9.000K 0.013

10.000K 0.012

Используя формулу для расчета коэффициента гармоник

,

где – амплитуда основной (первой) гармоники (на частоте 1 кГц); , … – амплитуды последующих гармоник, рассчитаем значение коэффициента гармоник:

.

Для получения значения в процентах умножаем на 100 %, результат – 8.3 %.

На практике при расчете обычно ограничиваются 4, 5 гармониками, следующими за основной.