Динамические характеристики усилителя

Рассмотрим пример моделирования динамических нагрузочных характеристик.

Рис. 3.3.

Рис. 3.4.

усилителя, выполненного на основе транзистора BFG541. Упрощенная схема усилителя представлена на рис. 3.4 [1]. Напряжение питания U= 10 В. На базу транзистора подается нулевое смещение с помощью индуктивности L_v

Для проведения анализа усилителя в нелинейном режиме в схеме в качестве входного порта используется элемент PORT PS1, который размещается в разделе Elements^ Ports на вкладке библиотеки элементов (см. рис. 1.2). Этот порт позволяет задавать диапазон изменения уровня входной мощности — параметры PStart, PStop, PStep.

Чтобы построить динамические характеристики усилителя, необходимо в разделе Graphs на график со статическими ВАХ добавить измерение IVDLL (размещается в разделе Nonlinear-Current), выбрав в открывшемся диалоговом окне в качестве источника данных в поле Data Source Name (рис. 3.5) наименование схемы усилителя (см. рис. 3.4).

При этом необходимо указать компоненты для измерения напряжения и тока через транзистор — поля Voltage Measure Component и Current Measure Component (см. рис. 3.5). В качестве требуемых компонентов могли бы выступать измерители тока и напряжения,.

Рис. 3.5.

Рис. 3.6.

предварительно включенные в коллекторную цепь усилителя. Эти измерительные элементы — IMETER и V METER — размещаются в разделе MeasDevice библиотеки элементов.

Такую задачу можно решить и без дополнительных измерительных элементов. Для этого следует нажать на кнопку справа от полей Voltage Measure Component и Current Measure Component (см. рис. 3.5) и на схеме в открывшемся новом диалоговом окне (рис. 3.6) выделить требуемые компоненты. В данном случае это может быть один и тот же элемент — коллекторный вывод транзистора. Затем необходимо нажать кнопку ОК в левом верхнем углу диалогового окна (см. рис. 3.6).

На рис. 3.7, а представлены динамические характеристики, полученные при уровне мощности входного колебания 10 дБм на частоте 900 мГц для трех значений нагрузочного сопротивления R усилителя.

На рис. 3.7, б представлены динамические характеристики, полученные для сопротивления нагрузки R = 50 Ом при различных значениях напряжения питания транзистора U и уровня входного сигнала: кривая 1 — U = 10 В, Р._п = 15 дБм, кривая 2 — U = 9 В, Р._п = 10 дБм, кривая 3—11= 8 В, P_jn = 6 дБм.

Для оценки качества согласования источника сигнала со входом усилителя следует построить частотные и амплитудные зависимости входного импеданса. Моделирование частотных зависимостей сопротивления осуществляется с помощью измерения ZIN (Measurement Type^Linear^ZIN), а зависимости от уровня входного сигнала строятся с использованием характеристики Zcomp (Measurement Type *Nonlinear 'Paramcter ?Zcomp).

На рис. 3.8, а приведены частотные зависимости входного импеданса в режиме «малого сигнала» (Р_1п = 0 дБм), а на рис. 3.8, б — зависимости от уровня входной мощности вещественной и мнимой составляющих входного импеданса усилителя на частоте /=900 МГц.

Как следует из графиков на рис. 3.8, входной импеданс усилителя существенно отличается от внутреннего сопротивления ис;

Рис. 3.7.

точника. Так, например, при Р_ы = 10 дБм вещественная и мнимая составляющие входного сопротивления равны соответственно Re (Zin) = 16,5 Ом и Im (Z/>7) = —35,6 Ом. Для согласования входных импедансов можно воспользоваться двухэлементной Г-образной цепочкой (рис. 3.9) [6].

Рис. 3.8.

На рис. 3.10 представлена диаграмма Смита с импедансными характеристиками на частоте /= 900 МГц, иллюстрирующими процедуру построения согласующей Г-образной цепи.

На диаграмме выделены точки, соответствующие исходному (Z_n = 16,5 —/35,6 Ом) и конечному (Z_in = 50 Ом) значениям входного сопротивления согласующей цепи, представленной на рис. 3.9. Стрелки указывают на траекторию движения рабочей точки при последовательном включении в Г-образную цепь индуктивностей.

Рис. 3.9 Рис. 3.10.

L_] и L₂ (cm. рис. 3.9). Добавление элемента L, соответствует движениюточки полинии постоянного вещественного сопротиатения Rc (Z_H) = const, последующее добавление элемента Ь₂ — движению точки полинии постоянной вещественной проводимости Re (Y_in) = = const. Итоговое согласование достигается при Z., = 2,05 нГн и L₂ = 6,3 нГн.

Рис. 3.11.

Включение полученной согласующей цепи на вход усилителя позволило существенно увеличить коэффициент усиления и мощность в нагрузке. На рис. 3.11, а приведены частотные зависимости мощности выходного колебания Р, на рис. 3.11,6— коэффициента усиления мощности P_gaj|). На графиках цифрой 1 обозначены характеристики исходной схемы (см. рис. 3.4), цифрой 2 — схемы со входной согласующей цепью.

Таблица 3.1.

В табл. 3.1 приведены исходные данные для выполнения индивидуальных заданий. В соответствии с персональным вариантом необходимо построить схему усилителя на указанном типе транзистора. Нелинейную модель транзистора необходимо загрузить с сайта производителя [11,12]. В отчете следует привести статические ВАХ транзистора и динамические нагрузочные характеристики усилителя. Исследуйте входное сопротивление усилителя в режиме «малого» и «большого» сигналов в заданном диапазоне частот. Рассчитайте входную согласующую цепь на центральной частоте рабочего диапазона. Сравните характеристики усилителя до и после включения входной согласующей цепи.