Лабораторная работа № 2. Моделирование во временной области усилителя на биполярном транзисторе

2.1. Цель работы.

Студент должен получить навыки моделирования во временной области в пакете OrCAD.

2.2. Задание.

2.2.1. Создать новый проект по пунктам 1.2.1. ...1.2.4. лабораторной работы № 1 в подпапке lab2, добавив библиотеку BIPOLAR.

2.2.2. Установить на поле элементы для схемы, приведенной на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Принципиальная схема анализируемого усилителя

Транзистор MRH80N/–55C выбрать из библиотеки BIPOLAR (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Выбор транзистора

Для анализа во временной области необходимо выбрать источник VSIN из библиотеки SOURCE (рис. 2.3).

Рис. 2.3. К выбору источника сигнала

2.2.3. Нажимая кнопку «», соединить элементы в схему.

2.2.4. Для источника VSIN установить постоянное смещение, равное 0 (VOFF = 0), – амплитуду сигнала 8В (VAMPL = 8) и частоту 200 МГц (FREQ = 200MEG). Необходимые значения элементов устанавливаются при двойном нажатии левой кнопкой «мыши» по значению элемента.

Нажимая кнопки «» и «», установить датчики измерения тока базы, тока коллектора, а также напряжения на базе.

2.2.5. Нажать (рис. 2.4) PspiceNew Simulation Profile.

Рис. 2.4. Меню анализа

2.2.6. Установить тип анализа Time Domain (Transient) (рис. 2.5) и диапазон времен анализа 1000ns, а также максимальный шаг (Maximum step size) 0.1ns. Обратите внимание в записи 0.1ns разделителем является точка, а не запятая. В противном случае анализ выполнен не будет.

Рис. 2.5. Диалог параметров анализа

Нажать ОК или Enter и получить графики токов и напряжений (рис. 2.6). Графики в OrCAD получаются цветными (цвет соответствует цвету датчика) на черном фоне. На рис. 2.6 показаны графики в инвертированном виде.

Рис. 2.6. Графики токов и напряжений в схеме

2.2.7. Для более подробного анализа графиков следует, нажав кнопку «» на панели команд (рис. 2.7), выбрать участок, когда переходные процессы закончены (рис. 2.8).

Рис. 2.7. Панели команд

Рис. 2.8. Графики токов и напряжений после окончания переходных процессов

Лабораторная работа № 3. Моделирование aчх фильтров гармоник

3.1. Цели работы:

– освоить расчет и моделирование фильтра гармоник (фильтр Кауэра) [1];

– оценить влияние «паразитных» элементов на АЧХ фильтра.

На рис. 3.1 в качестве примера изображен фильтр Кауэра шестого порядка.

Рис. 3.1. Схема фильтра Кауэра шестого порядка

Как правило, фильтр рассчитывают для случая, когда сопротивление генератора и нагрузки равны друг другу R_Г = R_Н. Частотные характеристики фильтра можно оценить с помощью функции [7]:

, (3.1)

где Р_Н () – частотная зависимость мощности в нагрузке;

Р_{Н МАКС} – максимальное значение мощности в нагрузке,

при R_Г = R_Н;

 – неравномерность мощности в нагрузке,

; (3.2)

P_{Н МИН} – минимальное в полосе пропускания значение мощности в нагрузке.

Обозначения характерных частот показано на рис. 3.2:

_S – частота, начиная с которой фильтр обеспечивает гарантированное значение затухания A_S, дБ (рис. 3.2,б);

_C = _В – частота среза и верхняя частота полосы частот, в которой обеспечивается гарантированное значение затухания A_S, дБ для гармоник генератора начиная со второй;

_Н – нижняя частота полосы частот, в которой обеспечивается гарантированное значение затухания A_S, дБ для гармоник генератора начиная со второй;

₂, ₅ – резонансные частоты контуров L5, C6 и L2, C3;

Рис. 3.2. АЧХ фильтра гармоник

– нормированное к_C значение частоты.

Нередко частотные характеристики оценивают с помощью функции рабочего затухания [1, 2, 3, 7] (рис. 3.2,б)

дБ. (3.3)

Связь между неравномерностью , A и коэффициентом отражения Г(j) определяется соотношениями

,(3.4)

Частотные характеристики в OrCAD изображаются, как показано на рис. 3.2,в.

Гарантированное затухание определяется по соотношению

(3.5)

Таблица 3.1

№ задания	Схема по Рис. №	Нормированные величины элементов
		1	2	3	4	5	6	7	8
1	а	0,153	0,677	0,490	0,920	0,517	1,080	0,632	0,511
2	г	0,349	0,870	0,203	1,040	0,443	0,899	0,012
3	а	0,270	0,815	0,284	1,020	0,770	0,536	0,797	0,505
4	в	0,546	0,987	0,324	1,170	0,447	1,419	0,107
5	б	0,153	0,677	0,490	0,920	0,517	1,080	0,632	0,511
6	в	0,349	0,870	0,203	1,040	0,443	0,899	0,012
7	в	0,626	1,110	0,192	1,270	0,712	0,653	0,349
8	в	0,680	1,187	0,115	1,373	0,921	0,345	0,507
9	в	0,861	1,216	0,145	1,498	0,919	0,434	0,653
10	в	1,144	1,153	0,202	1,670	0,834	0,599	0,875
11	в	1,202	1,224	0,124	1,823	1,006	0,348	1,024
12	а	0,515	1,067	0,257	1,210	0,990	0,481	1,070	0,736
13	а	0,646	1,110	0,299	1,227	0,990	0,565	1,125	0,897
14	а	0,730	1,230	0,188	1,375	1,213	0,340	1,237	0,889
15	а	0,847	1,116	0,354	1,229	0,967	0,663	1,145	1,138
16	а	0,944	1,242	0,230	1,399	1,211	0,408	1,256	1,146
17	б	0,270	0,815	0,284	1,020	0,770	0,536	0,797	0,505
18	б	0,515	1,067	0,257	1,210	0,990	0,481	1,070	0,736
19	б	0,646	1,110	0,299	1,227	0,990	0,565	1,125	0,897
20	б	0,730	1,230	0,188	1,375	1,213	0,340	1,237	0,889
21	б	0,847	1,116	0,354	1,229	0,967	0,663	1,145	1,138
22	б	0,944	1,242	0,230	1,399	1,211	0,408	1,256	1,146
23	г	0,546	0,987	0,324	1,170	0,447	1,419	0,107
24	г	0,626	1,110	0,192	1,270	0,712	0,653	0,349
25	г	0,680	1,187	0,115	1,373	0,921	0,345	0,507
26	г	0,861	1,216	0,145	1,498	0,919	0,434	0,653
27	г	1,144	1,153	0,202	1,670	0,834	0,599	0,875
28	г	1,202	1,224	0,124	1,823	1,006	0,348	1,024

Таблица 3.2

№№ заданий	1...5	6...10	11...15	16...20	21...24	25...28
Частота среза fС, МГц	100	125	150	175	200	250
Сопротивление нагрузки RН, Ом	50	75	50	75	50	75

3.2. Задание.

3.2.1. Выполняется при подготовке:

Получить у преподавателя номер задания. Нормированные значения элементов фильтра выписать из таблицы 3.1, частоту среза и сопротивление нагрузки – из таблицы 3.2.

Начертить схему фильтра Кауэра в соответствии с номером задания из таблицы 3.1 по рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схемы фильтров гармоник

Рассчитать денормированные значения индуктивностей и емкостей по формулам

где _С – частота среза фильтра, _С = 2f_С;

_i – нормированное значение элемента;

R – сопротивление нагрузки фильтра.

Изобразить ожидаемый вид частотной зависимости U_Н.

3.2.2. Выполняется в лаборатории:

Создать новый проект в подпапке lab3. Изобразить на поле OrCAD рассчитанную схему. Выполнить анализ ее частотных характеристик. Последовательность действий аналогична действиям, описанным в лабораторной работе № 1.

По результатам моделирования, используя соотношения (3.2), (3.4), (3.5), рассчитать значения гарантированного затухания в полосе задерживания A_S(дБ), , и А и отношение частоты гарантированного затухания к частоте среза f_S/f_С фильтра (рис 3.2).

Рассчитать полосу частот, в которой подавление второй гармоники каскада, работающего с отсечкой тока, будет равно гарантированному.

Затем, чтобы оценить влияние на характеристики фильтра паразитных параметров элементов, добавить в схемы:

– индуктивности выводов L_ВЫВ = 20 нГ, включенные последовательно с конденсаторами С1, С4, С7 для фильтров, изображенных на рис. 3.1,а,в;

– собственные емкости С_ПАР = 5 пФ катушек индуктивностей L1, L4, L7 для фильтров, изображенных на рис. 3.1,б,г. (заданное значение С_ПАР = 5 пФ многократно превышает реальные значения собственных емкостей катушек, но позволяет наглядно оценить их влияние на АЧХ).

Промоделировать АЧХ с установленными паразитными элементами и сравнить с исходными АЧХ.

3.3. Содержание отчета:

1. Принципиальная схема фильтра.

2. Прогнозируемый вид частотной характеристики.

3. Частотные характеристики, построенные в ходе моделирования.

4. Принципиальная схема фильтра с паразитными элементами и ее частотная характеристика.

5. Краткие выводы по результатам работы.

3.4. Контрольные вопросы и задания:

1. Как в данной работе по построенной в ходе моделирования частотной характеристике определить A_S, дБ?

2. Расчетное значение гарантированного затухания A_S = 40 дБ. Какое значение U_Н МИН вы ожидаете измерить в процессе моделирования при U_{Н МАКС}= 1 В?

3. Вычислить значения емкости и индуктивности фильтра для заданных: _С = 10⁹ рад/с; R_Н = 100 Ом; _С = _L = 1. Вычислить значение частоты среза f_С.

4. Объяснить понятие нормированной частоты . Рассчитать для заданных: f_С = 100 МГц и ₂ = 0,677, ₃ = 0,490 частоту f₂ (рис. 3.2).

5. Изобразить схему фильтра, соответствующую рис. 3.3,г. Добавить в схему паразитные емкости параллельно элементам ₁, ₄, ₇. К какому значению будет стремиться значение напряжения на нагрузке при частоте f   и напряжении источника сигнала U = 1 В?

6. Для заданной частоты _S вычислить значение нижней частоты _Н полосы частот, начиная с которой обеспечивается гарантированное затухание второй гармоники генератора.

7. Для заданных _С и _S вычислить полосу (значения) частот, в которой подавление второй гармоники каскада, работающего с отсечкой тока, будет равно гарантированному.

8. Для заданных U_{Н макс} и U_S рассчитать значение гарантированного затухания A_S.