10. Анализ во временной области в MicroCap на примере двухкаскадного усилителя на биполярных транзисторах. Задание коэффициента усиления.

Рассмотрим усилительный каскад по схеме с общим эмиттером. С помощью источника фиксированного базового тока из источника питания V1 и резистора R2 была задана рабочая точка с параметрами U_КЭ = 5 В, I_К = 0,5 мА (на рисунке представлен также анализ по постоянному току)

Рисунок 1 – Схема усилителя переменного напряжения с генератором тока I_Б, задаваемым резистором R₂

Здесь, подав на вход схемы напряжение входного источника переменного напряжения через разделительный конденсатор С₁, получим усилитель переменного напряжения. Конденсатор С₁ служит для разделения входных и усилительных цепей схемы по постоянному току, а значение его ёмкости выбирается в соответствии с частотными свойствами входного сигнала.

В MicroCap: Analysis → Transient

• Maximum Run Time – диапазон (время) расчета – в нашем случае это будет 0,05 секунды или 50 мс;

• Output Start Time – время начала анализа – 0 с;

• Maximum Time Step – максимальный шаг по времени должен быть в тысячу раз меньше, чем диапазон времени, в нашем случае это 50 мкс.

Далее необходимо исправить значения в табличке внизу окна настройки параметров анализа:

• В графе Р мы выбираем окна, в которых будут выводиться графики, у нас в этом примере их будет 2. Для этого служат цифры под буквой P, 1 и 2 означают, что графики будут выводиться в разных окнах;

• Далее выбираем X Expression (выражение по оси Х) – в данном случае это будет время T;

• Y Expression (выражение по оси Y) – это тот сигнал, который мы хотим исследовать. В нашем случае это напряжение на входе – V(in), т.е. напряжение в том узле, который назван «in», и напряжение U_КЭ (данный узел назван как «Uce», т.е. запись во второй строке Y Expression будет выглядеть V(Uce));

• X Range (масштаб по оси Х) всегда ставим TMAX, TMIN, чтобы смотреть только исследуемый диапазон, который мы задали ранее;

• Y Range (масштаб по оси Y) выставляем AutoAlways для автоматического масштабирования.

На рисунке 2 приведены результаты моделирования в режиме переходных процессов (Transient Analyses) (анализ во временной области), сверху показан входной сигнал в узле in, внизу – выходной (напряжение на коллекторе транзистора) в узле U_КЭ. Каскад с общим эмиттером инвертирует входной сигнал и обеспечивает фактическое значение коэффициента усиления по напряжению 3665 мВ / 20 мВ = 183,25.

Рисунок 2 – График входного (сверху) и выходного (снизу) напряжений усилителя переменного напряжения

Теперь рассмотрим схему с общим эмиттером при наличии резистора в цепи эмиттера (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема усилителя напряжения с отрицательной обратной связью по току за счет резистора R₄ в цепи эмиттера

Анализ переходных процессов схемы представлен на рисунке 4. На верхнем графике представлено входное синусоидальное напряжение, на нижнем – выходное (кривая) и идеальный синусоидальный сигнал (кривая), соответствующий выражению:

U_ВЫХ = 0,185 sin (2π·60t + π) + 5

Фактическое значение коэффициента усиления по напряжению K_U = 391,72 мВ / 20 мВ = 19,586.

Рисунок 4 – Моделирование работы схемы

Изменение коэффициента усиления по напряжению можно добиться регулированием сопротивления резистора в цепи эмиттера R₄. Учитывая, что резистор R₄ соединен последовательно с внутренним сопротивлением эмиттера r_e (r_e = const) транзистора Q₁, получим коэффициент усиления:

K_U = R₁ / (r_e + R₄)

Сопротивление резистора R₁ является постоянным, так как было выбрано для задания рабочей точки.