Rttsis_lr_chast_2

31

входное гармоническое напряжение некоторой частоты 0 в гармоническое выходное напряжение той же частоты, т.е. действует как линейное устройство, несмотря на то,

что внутри него осуществляется нелинейное преобразование. Однако настоящим линейным устройством НРУ не является. Важной характеристикой резонансного усилителя является зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного гармонического напряжения Uвых Uвых Uвх . Для настоящего линейного

устройства эта зависимость представляет собой прямую линию, наклон которой определяется коэффициентом усиления усилителя. Для НРУ эта зависимость нелинейна, что можно интерпретировать как то, что коэффициент усиления нелинейного резонансного усилителя зависит от амплитуды входного сигнала.

Если в качестве частотно-избирательной цепи в НРУ используется резонансный контур в выходной цепи усилительного элемета и частота входного сигнала совпадает с

резонансной частотой контура, то

где Rрез – резонансное сопротивление контура, I1 – амплитуда первой гармоники тока в

выходной цепи.

Поскольку амплитуда выходного напряжения получается пропорциональной

амплитуде первой гармоники тока, вместо зависимости Uвых можно рассматривать зависимость I1 I1 Uвх , называемую колебательной характеристикой.

Вместо амплитуды I1 часто рассматривают среднюю крутизну или крутизну по первой гармонике преобразования, осуществляемого активным элементом усилителя

средняя крутизна S1 ) определяется не только амплитудой входного напряжения Uвх , но и режимом работы активного элемента усилителя, задаваемым напряжением смещения

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

в его входной цепи U0 , т.е.

(11)

(зависимость от типа и характеристик самого активного элемента в данном контексте не рассматривается).

При усилении сигналов с переменной амплитудой (например, амплитудно-

модулированных сигналов) требуется, чтобы зависимость (11), в которой величина U0

считается конструктивной константой, была линейной в диапазоне возможного изменения Uвх . Это обстоятельство приходится учитывать при задании режима работы активного элемента (путем выбора подходящего напряжения смещения U0 ) наряду с требованием минимизации энергетических потерь и повышения КПД усилителя.

2.2.4. Резонансный умножитель частоты

Как уже упоминалось, описанный принцип позволяет реализовать операцию умножения частоты входного сигнала, для чего необходимо частотно-избирательную цепь на выходе устройства настроить на требуемую гармонику входной частоты.

Задача умножения частоты сигнала в радиотехнических устройствах возникает достаточно часто. Например, умножение частоты позволяет увеличить индекс модуляции ФМ и ЧМ колебаний, что бывает необходимо при практической реализации соответствующих модуляторов. Действительно, при подаче на вход умножителя ЧМ

(ФМ) сигнала вида

uвх t Uвх cos 0t msin t

с индексом модуляции, равным m, на выходе получается колебание uвых t Uвых cos n 0t nmsin t

индекс модуляции которого в n раз больше, чем на входе.

Активный элемент умножителя частоты с необходимостью должен работать в нелинейном режиме, поскольку для умножения частоты необходимо преобразование спектра – создание новой составляющей с частотой n 0 , отсутствующей во входном сигнале. При этом амплитуда выходного напряжения умножителя

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

33

2.2.5.Аналитическая модель полевого транзистора

Вдальнейшем, для получения расчетных характеристик транзисторных усилителя

иумножителя частоты понадобится его аналитическая модель в виде зависимости

iс (uзи ,uси ) . Простейшая модель полевого транзистора предполагает, описание его характеристик путем задания двух параметров – напряжения отсечки Uотс и тока

насыщения Iнас .

При напряжении на затворе uзи < Uотс ток стока отсутствует (равен нулю) и,

соответственно, стоко-затворная характеристика транзистора совпадает с осью абцисс.

диапазоне напряжений – прямую, проходящую при напряжении uзи 0 через точку со значением iс 0 Iнас . При этом все три участка сопрягаются друг с другом "без скачков и изломов", т.е. в местах сопряжения совпадают как сами значения тока,

рассчитываемые по смежным формулам, так и производные. Указанные условия позволяют получить конкретные выражения для задания математической модели транзистора

Такая модель позволяет описать общую форму семейства вольт-амперных характеристик полевого транзистора, но имеет один существенный недостаток – предполагает бесконечное выходное сопротивление. Однако ее достаточно просто можно модифицировать путем введения эмпирического поправочного множителя Y (uñè ) вида

с учетом которого аналитическая расчетная модель транзистора примет вид

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

34

Параметр в выражении (12) легко подбирается вручную исходя из совпадения наклона реальных транзистора и расчетных выходных характеристик.

2.3. Содержание работы

Теоретический анализ и расчет характеристик нелинейного резонансного усилителя.

Моделирование работы нелинейного резонансного усилителя в программе

Microcap. Построение и анализ характеристик усилителя по данным компьютерного эксперимента.

Теоретический анализ и расчет характеристик резонансного умножителя частоты.

Оптимизация параметров умножителя частоты по данным теоретического анализа.

Моделирование работы нелинейного резонансного умножителя частоты в программе Microcap, исследование его работы и получение характеристик методом компьютерного моделирования. Оптимизация параметров умножителя частоты методом моделирования.

2.4.Порядок выполнения работы

2.4.1.Получение характеристик транзистора и построение расчетной модели

1.Получить у преподавателя номер варианта лабораторной работы и определить исходные данные для работы в соответствии с таблицей 2.

2.В программе MicroCap собрать схему для определения вольт-амперных характеристик транзистора (рис. 17).

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

35

Рис. 17. Схема для снятия характеристик транзистора

3. Построить в MicroCap «экспериментально» (при помощи моделирования в режиме анализа по постоянному току – DC-анализа) стоко-затворные и стоковые

(выходные) характеристики транзистора. Примерные установки для проведения DC-

анализа с целью построения стоко-затворных характеристик приведены на рис. 18.

Рис. 18. Настройки DC-анализа для получения стоко-затворных характеристик

4. По стоко-затворным характеристикам транзистора определить необходимые параметры для проведения их аналитической аппроксимации – напряжение отсечки Uотс и ток насыщения Iнас (рис. 19).

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

36

Рис. 19. Стоко-затворные и стоковые характеристики транзистора

5. В программе Mathcad построить расчетную математическую модель транзистора в соответствии с (13). Пример программы на MathCad приведен на рис. 20.

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

37

Рис. 20. Аппроксимация характеристик транзистора в Mathcad

6. Построить графики вольт-амперных характеристик в соответствии с полученной моделью (рис. 21) и сравнить их с графиками, полученными в MicroCap

(рис. 19). Убедиться в соответствии характеристик расчетной модели в Mathcad и

исходной модели транзистора в MicroCap, при необходимости произвести корректировку расчетной модели.

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

38

Рис. 21. Аппроксимированные вольт-амперные характеристики

2.4.2.Исследование резонансного усилителя

7.Используя аппроксимированные характеристики транзистора и исходные данные в соответствии с вариантом выполнить расчет колебательной характеристики и

средней крутизны усилительного каскада для трех значений напряжения смещения U0 :

U0 < Uотс , U0 = Uотс и U0 > Uотс . Для случаев U0 Uотс выбрать разность между этими

напряжениями в пределах 0,5... 1 В. На рис. 22 и рис. 23 приведены, соответственно,

программа в Mathcad, реализующая такой расчет на основе методики, описанной в разделе теории и примеры графиков, построенных по результатам расчета для одного значения напряжения смещения.

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

39

Рис. 22. Расчет колебательной характеристики и средней крутизны в Mathcad

Рис. 23. Расчетные графики колебательной характеристики а) и средней крутизны б)

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

40

8. В программе Microcap собрать схему исследуемого каскада в соответствии с рис. 24 и провести моделирование в режиме анализа переходных процессов (Transient analysis). В диалоге настройки параметров анализа установите режим задания начальных условий 'Leave' (см. рис. 25). Такой режим позволяет достичь установившегося характера протекания процессов в схеме путем выполнения нескольких последовательных просчетов. Кроме того, обратите внимание, что диапазоны значений по осям частот и амплитуд на спектрограммах требуется задать вручную в соответствии с вариантом задания. На рисунке соответствующие настройки обведены желтой линией (см. также указания ).

Рис. 24. Схема резонансного усилителя/умножителя частоты в MicroCap

Рис. 25. Настройки анализа переходных процессов в MicroCap

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»