описаны все компоненты электрических схем, с которыми может работать программа, и рассказано, как с ней работать.

Qucs в Linux

Теперь я хочу немного рассказать о другой программе, работающей и в Linux и в Windows, о программе Qucs.

Программа Qucs, как многие современные среды разработки, поддерживает такое понятие как проект. Для начала работы можно использовать и просто создание файла со схемой, используя раздел основного меню Файл, но лучше создать новый проект, выбрав раздел Проект и подраздел Новый проект... Чем это лучше?

Кроме схемы, а проект может иметь и не одну схему, можно позволить себе хранить вместе со схемой план работы, рабочий журнал и документацию, описывающую схему. Эти дополнительные файлы, как любые бумажные работы, могут вызвать уныние не только у любителя, не всегда их любят и профессионалы, но поверьте, что пройдет немного времени, и, возвращаясь к прежней схеме, и обнаружив эти дополнительные файлы, вы порадуетесь своей предусмотрительности. Без рабочего журнала и подробного описания схемы по прошествии времени трудно вспомнить не только то, как ты пришел к нужному решению, но, порой, и каково это решение. Разбираться с тем, как работает твоя собственная схема, еще грустнее, чем разбираться с чужой схемой. Эти рекомендации – не плод теории, но собственной практики, прошедшей во многом под флагом разгильдяйства. Оправдания можно найти всегда, однако они слабое утешение, когда, вглядываясь в каракули, сделанные на клочке бумаги, ты пытаешься понять, о чем же ты думал, когда увековечил все в таком таинственном виде...

Итак, запускаем программу... я опять вернулся в свой основной дистрибутив Fedora 7, где после очередных экспериментов с операционной системой вход в графический менеджер Gnome сломался, а тяга к новизне перед этим занесла меня в другой менеджер окон KDE (или графическую оболочку системы), и в результате этих событий я использую KDE. Напомню, что любой дистрибутив Linux может работать с несколькими (можно и почти одновременно) графическими оболочками: Gnome, KDE, Xface и т.д. Их, вероятно, правильнее называть оконными менеджерами, поскольку меняется не только вид окон, но и панелей, меню, обозревателей и т.д. Некоторые из этих менеджеров очень похожи, такими их

изадумывали, на графическую оболочку Windows, другие совсем на нее не похожи и внешне,

иповедением. Если вас, как и меня, временами тянет сменить обстановку, то, используя разные графические менеджеры Linux, вы сможете совершать путешествия в новые неизведанные страны вашего компьютера, хотя каждый путешественник знает, что любая страна – это некоторое пространство, заполненное природой вперемежку с городами и людьми. С компьютером тоже самое.

Итак, запускаем программу Qucs и создаем новый проект, что начинается с выбора имени для нового проекта. Назовем его «amplifier (усилитель)», поскольку активные элементы схемы, в первую очередь транзисторы, чаще всего используются для построения разного рода усилителей и генераторов, для разных целей, с разными свойствами, но объединяемых одним свойством, связанным с усилением сигналов. Мне хотелось бы показать, хотя это и не совсем так, что транзистор в усилителе можно, и подчас это удобно, в первом приближении рассматривать, как управляемый делитель напряжения.

Рис. 2.13. Создание нового проекта в программе Qucs

Нажимаем на клавишу Создать, и получаем новенький проект. Рабочее поле для рисования схемы открывается сразу, и чтобы не забыть сделать это позже, я сразу сохраню файл, назвав его ampl1.sch, воспользовавшись разделом основного меню Файл и его подразделом Сохранить как..., где в открывающемся диалоговом окне есть возможность выбрать место расположения файлов, либо в созданной программой скрытой папке с именем программы, либо там, где мне удобнее сохранять проект. Диалоговое окно выглядит и ведет себя как при сохранении обычного текстового файла. Если проект сохраняется в скрытой папке программы, то файл можно добавить в проект с помощью раздела Проект основного меню, где есть подраздел добавления файлов в проект. Если вы хотите сохранить проект и его файлы в другом месте, то можно перенести созданный программой проект в другое место, разместив в папке проекта нужные файлы. В любом случае файл будет хранится в папке, содержащей все необходимые файлы. Если открыть проект, имеющий файлы, то в окне менеджера проекта (слева, закладка Содержание) будет дерево файлов проекта, классифицированных по их назначению. Я прежде не использовал эту программу для создания проектов и мне интересно, как я смогу добавить файлы плана работ и рабочего журнала. Для их создания можно попытаться использовать два варианта – простой, но мощный, редактор Gedit и встроенный редактор текста. Какой из вариантов будет работать, я еще не знаю...

Собственно, получается так, что удобнее создать файл в программе Qucs. Заходим в раздел Файл-Новый текст, создаем файл, который сохраняем с расширением * (выбранным в окошке вида файла), что не мешает ему сохраниться с расширением .vhdl, затем

переименовываем его, удалив расширение. Для этого в дереве проекта выделяем этот файл (предварительно закрыв его), щелкаем правой клавишей мышки, в выпадающем меню выбираем Переименовать, удаляем все, кроме имени файла. При следующем открывании проекта (а не файла) в дереве проекта все созданные файлы переместятся из раздела «VHDL»

враздел «Другие». Так я создаю файлы plan, work_book, doc. Их можно открыть встроенным

впрограмму редактором и работать с ними, можно открыть вне программы с помощью редактора Gedit и не менее успешно работать с ними.

Ая открываю пока пустой файл схемы, чтобы нарисовать транзисторный усилитель, где для удобства пояснений использую транзистор типа p-n-p. Добавить компоненты можно выбрав (слева) закладку Компоненты. В верхней части этого окна есть раскрывающееся окно

выбора компонент: дискретные компоненты, источники, измерители и т.д. На рисунке открыт раздел «дискретные компоненты», правее которого две стрелки, открывающие меню.

Рис. 2.14. Выбор компонентов в программе Qucs

Щелкнув по элементу схемы слева, его можно перенести на рабочее поле чертежа. Как и в программе PSIM щелчок правой клавишей мышки при переносе поворачивает элемент, и можно последовательно добавить нужное количество этих элементов или нажатием клавиши Esc на клавиатуре отказаться от этого. Также щелчком правой клавиши мышки по элементу схемы можно открыть выпадающее меню с пунктом Изменить свойства, вызывающим диалоговое окно изменения свойств. В нем можно изменить все параметры элементов, не следует забывать только использовать латинскую раскладку клавиатуры и нажимать клавишу

Применить.

Рис. 2.15. Диалоговое окно свойств резистора

Соединения элементов схемы можно провести с помощью раздела основного меню Вставка-Проводник, или нажав на клавишу инструментального меню с изображением проводника. При проведении соединений левую клавишу мышки удерживать не надо, достаточно щелкнуть по отправной точке и щелкнуть по точке «прибытия».

Рис. 2.16. Схема включения транзистора типа p-n-p

Почему я выбрал транзистор именно типа p-n-p? Легче объяснить, что ток эмиттера в транзисторе разветвляется на ток базы и ток коллектора, поскольку за техническое

направление тока, напомню, принято направление от плюса к минусу. Токи, проходя по резисторам R1 и R2, вновь сливаются в один ток, возвращающийся в источник питания. Здесь все в соответствии с законом Кирхгофа. А если вспомнить, что ток базы и ток коллектора транзистора связаны соотношением Iк=Bст*Iб, то есть, ток коллектора равен произведению тока базы на статический коэффициент усиления по току, имеющий значение порядка несколько десятков единиц, то становится ясно, что ток коллектора почти равен току эмиттера, поскольку ток базы невелик.

Каким образом, если вспомнить о подаче напряжения на переход база-эмиттер, о котором я говорил, этот ток базы получается в схеме на рисунке 2.16? Переход база-эмиттер транзистора ведет себя подобно диоду в прямом включении, то есть, пропускает ток от источника ЭДС V1 через резистор R1, при этом в грубом приближении мы можем его определить по закону Ома, разделив 10 В на 100 кОм. Более точный расчет должен включать падение напряжения на переходе база-эмиттер (порядка 0.5-0.7 В для кремниевого транзистора) и падение напряжения на резисторе R3, которыми мы пока пренебрегаем. Ток базы 0.1 мА при коэффициенте усиления транзистора равном 100 превратится в 10 мА тока коллектора. А этот ток, протекая по резистору R2, должен вызывать на нем падение напряжения равное 50 В (5000 Ом * 0.01 А), что, похоже, никак не может иметь место.

Добавив к схеме Моделирование на постоянном токе из состава компонент (левое окно, меню выбора компонент, раздел Виды моделирования), запустим это самое моделирование. После моделирования открывается новое рабочее поле, на которое можно разместить график или таблицу, которые выбираются в левом окне, открывающемся на разделе Диаграммы. Перенесем табличную форму отображения результатов моделирования (из Диаграмм) в новую рабочую область, а в открывшемся диалоговом окне дважды щелкнем по Pr1.V под надписью Набор данных и нажмем клавиши Применить и ОК. В полученной таблице измеритель напряжения покажет напряжение эмиттер-коллектор транзистора равное 0.291 В. На резисторе R2, конечно, не 50 В, но, практически, все напряжение источника питания. Мне отчего-то кажется, что следует уменьшить ток базы, увеличив резистор R1, что приведет к уменьшению тока коллектора. Хотелось бы получить падение напряжения эмиттер-коллектор транзистора (напомню, что эмиттер рисуется со стрелочкой) близкое к половине напряжения питания. Попробуем увеличить резистор R1 в десять раз, то есть, сделаем его равным 1000 кОм (1 МОм). Действительно, теперь моделирование показывает, что напряжение эмиттерколлектор, измеряемое нашим измерителем напряжения, равно 5.43 В.

Если в этот момент забыть, что имеешь дело с транзистором, в коллекторную цепь которого включен резистор, если представить себе, что к резистору R2 подключен тоже резистор, назовем его Rтран, то мы получим своеобразный делитель напряжения. Базовый ток определяет величину резистора Rтран, и, если базовый ток будет переменным, изменяющимся по некоторому закону, то величина этого резистора будет меняться по тому же закону, а, следовательно, делитель напряжения будет делить напряжение источника питания, повторяя закон изменения базового тока. Существенные изменения базового тока происходят при небольших изменениях напряжения эмиттер-база, что обусловлено свойствами p-n перехода в прямом включении и конструкцией транзистора. А в десятки раз большее изменение коллекторного тока позволяет получить большие изменения напряжения эмиттер-коллектор. Возможно, модель транзистора, как управляемого резистора, легче воспринимать, тем более, что есть схемы, где транзистор используется именно в качестве управляемого резистора.

Подкрепим эти соображения экспериментом в программе Qucs. Добавим к схеме, изображенной выше, источник переменного (синусоидального) напряжения на вход и посмотрим осциллограмму на выходе (коллектор транзистора и общий провод).

Рис. 2.17. Усиление переменного напряжения транзистором

Чтобы добавить источник переменного напряжения, на вкладке компонент в окне слева следует найти раздел источники, выбрать источник напряжения переменного тока, перенести его в рабочую область редактора схем и изменить его свойства, используя выпадающее меню и правую клавишу мышки: зададим напряжение 0.1 В и частоту 1 кГц. Кроме того, следует добавить моделирование переходных процессов из раздела виды моделирования, и изменить свойства моделирования, увеличив количество шагов до 1000. Затем следует на коллектор транзистора добавить метку (с помощью клавиши инструментального меню с надписью name я обозначил метку как output. Надпись под нужной клавишей инструментальной панели видна на рисунке выше. После моделирования следует добавить Декартовскую диаграмму, где выбрать (двойным щелчком мышки) метку output.

Как видно из диаграммы, выходное напряжение синусоидальное, то есть, закон изменения напряжения сохраняется, а его амплитуда (размах напряжения от середины до максимума) близка к 5 вольтам. Входной сигнал имеет амплитуду 0.1 вольта. Отношение выходного напряжения ко входному — берутся либо действующие значения, либо пиковые — это отношение есть не что иное, как коэффициент усиления по напряжению.

Усилитель, как любой компонент электрической схемы, характеризуется своими параметрами. Наиболее часто нас будет интересовать его входное сопротивление, коэффициент усиления, полоса рабочих частот, выходное сопротивление и то, насколько усилитель склонен искажать входной сигнал. Почему нас интересует входное сопротивление усилителя – его можно рассчитать по току эмиттера или другими способами, но мы

попробуем получить его иначе, экспериментально — так почему оно нас может интересовать? Усилители обычно работают либо с датчиками (источниками полезного сигнала), либо с другими каскадами усиления, и если входное сопротивление усилителя мало, меньше внутреннего сопротивления источника, то это может повлиять на напряжение источника, подобно тому, как внутреннее сопротивление вольтметра влияет на результаты измерения. Часто входное сопротивление усилителя стараются сделать больше сопротивления источника сигнала.

Как определить входное сопротивление усилителя экспериментально? Если мы последовательно со входом схемы включим резистор, то он со входным сопротивлением усилителя образует делитель напряжения. Зная величину этого добавленного резистора можно определить входное сопротивление усилительного каскада. Еще проще это проделать, добавляя такое сопротивление, при котором напряжение на выходе уменьшится в два раза. В этом случае входное сопротивление будет равно добавленному.

Рис. 2.18. Определение входного сопротивления усилителя

Чтобы было удобнее рассматривать графики, я добавил на выход усилителя конденсатор, отделяющий постоянное напряжение, и еще один резистор, который может представлять сопротивление измерительного прибора.

На практике при таком методе определения входного сопротивления лучше использовать подходящее переменное сопротивление (на входе) и вольтметр переменного напряжения (на выходе). Измеряя напряжение на выходе усилителя при сопротивлении потенциометра равном нулю, поворачивают ручку потенциометра до положения, в котором это выходное

напряжение становится равным половине исходного. Теперь потенциометр можно отключить от схемы измерения, и замерить величину сопротивления мультиметром.

Каково назначение элементов на схеме рисунка 2.17? Конденсатор C1, препятствуя прохождению постоянного тока, устраняет влияние этого тока на режим работы транзистора, который, в свою очередь, задается током базы транзистора, а величина этого тока резистором R1. Чаще всего его выбирают таким, чтобы напряжение на коллекторе транзистора было равно половине напряжения питания. Вторая половина напряжения питания оказывается приложена к резистору R2. Этот резистор – сопротивление нагрузки усилительного каскада на транзисторе. В реальных схемах нагрузкой может быть реле постоянного тока, громкоговоритель или наушник карманного приемника, или просто резистор, к которому через конденсатор подключается следующий каскад усиления. Конденсатор в этом случае часто называют разделительным или переходным. Комбинируя два типа транзисторов в многокаскадных усилителях можно обойтись без этих конденсаторов, что особенно важно, когда усилитель должен усиливать не только переменное напряжение, но и постоянное.

Очень интересно назначение резистора R3. Его может не быть в реальной схеме. Этот резистор не является обязательной частью схемы, но, благодаря ему, входное сопротивление каскада близко к 5 кОм, и без него это сопротивление было бы значительно меньше. Резистор R3 вводит в каскад обратную связь. Каким образом это происходит?

Рассмотрим распределение напряжения питания на элементах входной цепи. Напряжение питания равно сумме падений напряжений: на резисторе R1, переходе база-эмиттер, резисторе R3. Если какой-то фактор вызывает непредусмотренное изменение тока эмиттера транзистора, это может быть температура или питающее напряжение, изменяется напряжение на резисторе R3, а, следовательно, остальные напряжения. Для определенности положим, что ток эмиттера под воздействием температуры увеличился, увеличилось напряжение на резисторе R3, тогда уменьшится напряжение на переходе база-эмиттер, что приведет к уменьшению базового тока, уменьшению тока коллектора и уменьшению тока эмиттера, как суммы базового и коллекторного тока. Таким образом, при непредусмотренных изменениях режима работы транзистора резистор R3, как бы стремится вернуть режим работы к задуманному. Резистор R3 оказывает стабилизирующее действие на работу каскада. Этот резистор является общим элементом для входной и выходной цепей усилителя, осуществляя обратную связь. То есть, такую связь, когда часть выходного сигнала попадает на вход, оказывая влияние на работу схемы. В данном случае эта обратная связь получается отрицательной – часть выходного сигнала вычитается из входного. Если бы часть выходного сигнала складывалась со входным, то получилась бы положительная обратная связь. О влиянии отрицательной обратной связи на входное сопротивление вы можете судить, повторяя эксперимент с измерением входного сопротивления усилителя, как на рисунке 2.18, но меняя величину резистора обратной связи R3.

Отрицательная обратная связь по постоянному току стабилизирует работу транзистора, стараясь поддерживать заданный режим работы. Еще большего эффекта стабилизации можно добиться, если применить во входной цепи транзистора делитель напряжения, добавив еще один резистор между базой транзистора и общим проводом. Если выбрать величину этого резистора меньше входного сопротивления каскада, то падение напряжения на этом резисторе можно рассматривать как источник питания базовой цепи транзистора. В этом случае величина резистора R1 существенно уменьшится для обеспечения прежнего тока базы. Но теперь стабилизирующее действие резистора обратной связи R3 становится еще очевиднее. Напряжение источника питания (напряжения на дополнительном резисторе, R4 на схеме ниже) разделяется между напряжением база-эмиттер и напряжением на резисторе R3. Если напряжение на нем непредусмотренным образом изменится из-за изменения тока эмиттера, то изменение напряжение на переходе база-эмиттер транзистора, меняя ток базы,