Исследование частотно-избирательного усилительного каскада с трансформаторной связью

Тема: Исследование частотно-избирательного усилительного каскада с трансформаторной связью Цель работы. Средствами программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 7 провести:

• — анализ усилительного каскада в режиме постоянного тока (DC);
• — расчет амплитудо-частотных и фазо-частотных характеристик усилителя, полосы пропускания и добротности в режиме переменного тока малой амплитуды (AC);
• — временной и спектральный анализ сигналов в режиме Transient Analysis (ТА);
• — расчет нелинейных искажений при повышенном уровне сигнала;

Провести математическое моделирование блочно-структурной схемы замещения в режиме усиления и генерирования сигналов средствами пакета Mathcad. ток усилитель амплитуда спектральный.

Рисунок 1. Принципиальная схема усилительного каскада с трансформаторной связью Исходные данные.

Во всех вариантах данной работы используется кремниевый биполярный транзистор n-p-n типа 2N2218, основные характеристики и предельно-допустимые режимы этого транзистора приведены в следующей таблице:

Рассчитать: — напряжение питания V1 по формуле:

V1 = 20 + Z=20+6=26(В);(1).

— емкость конденсатора С1 по формуле:

C1=(1000+100*Y)=1000+100*6=1600(пФ)(2).

— индуктивности L1 и L2 по формулам:

L1=(80+Y)=80+6=86(мкГн).

L2=0,005*L1=0,005*86=0,43(3).

— сопротивление R4 по формуле:

R4 = 10 + X=10+0=10 (Ом);(4).

— коллекторный ток в рабочей точке по формуле:

I_C = 15 + Z=15+6=21(мА);(5).

здесь X — третья справа, Y — предпоследняя, Z — последняя цифра в номере зачетной книжки.

П. 1. Анализ схемы по постоянному току.

Рисунок 2. Анализ усилительного каскада по постоянному току.

Рисунок 3. Ic=21мА, тогда подбираем R3=61k.

Проведенный анализ показал, что мощность, рассеивается транзистором, равна 546,89 мВт, что соответствует предельно-допустимой мощности прибора данного типа. Для обеспечения надежной работы усилителя при повышенной температуре базовый ток следует уменьшить.

П. 2. Анализ частотных характеристик усилителя проводится при гармоническом входном сигнале малой амплитуды.

Рисунок 5. Амплитудо-частотная характеристика усилительного каскада Источник питания заземлен по высокой частоте, поэтому напряжение на LCконтуре равно напряжению на коллекторе транзистора. Из графиков видно, что усилитель обладает избирательной частотной характеристикой, наибольшее усиление происходит на частоте 455 кГц, и напряжение V (L1) на этой частоте достигает 144 В (рисунок 5-б). Поскольку трансформатор является понижающим, амплитуда напряжения на вторичной обмотке V (L2) на этой частоте в 14 раз меньше и равна 10 В (рисунок 5-в).

Рисунок 6. Частотная зависимость амплитуды входного и выходного напряжений при различных значениях активной нагрузки Графики зависимости амплитуды входного и выходного напряжений от частоты на рисунке 7 построены при изменении сопротивления R5 в пределах от 3,2 Ом до 13,2 Ом.

Вывод: на 1 графике амплитуда входного сигнала остается постоянной при любой частоте, а амплитуда выходного сигнала на частоте 70 кГц принимает постоянные значения.

Рисунок 8. Фазо-частотные характеристики и амплитудо-фазовая характеристика Подключение емкостной или индуктивной нагрузки изменяет резонансную частоту контура.

Рисунок 9. Принципиальная схема усилительного каскада с емкостной нагрузкой.

Рисунок 10. АЧХ и ФЧХ усилительного каскада при изменении емкостной нагрузки П. 3. Построение временных диаграмм напряжений и токов.

Рисунок 11. Временные диаграммы напряжений и токов П. 4. Анализ нелинейных искажений в усилителе при повышенном уровне входного сигнала.

Рисунок 12. Диаграммы напряжений и спектр амплитуд.

Рисунок 13. Периодический несинусоидальный сигнал и его амплитудный спектр П. 5. Анализ усилительного каскада при импульсном периодическом входном воздействии.

Резонансную частоту контура (без учета индуктивности L2 и сопротивления нагрузки) рассчитаем по формуле.

=2,33.

Рисунок 14. Форма входного импульсного сигнала.

Рисунок 15. Форма импульсов тока и напряжения в режиме Transient Analysis.

Таким образом, усилитель обладает частотно-избирательными свойствами, пропуская только те частоты, которые близки к резонансной частоте контура.

П. 6. Построение переходной характеристики усилительного каскада.

На рисунке 24 показана переходная характеристики усилительного каскада, т. е. форма импульсов напряжения на выходе усилителя при входном воздействии в виде функций Хевисайда (единичной функции).

Рисунок 16. Переходная характеристика усилительного каскада П. 8. Моделирование процесса генерации колебаний.

Рисунок 17. Реализация обратной связи в усилительном каскаде.

Рисунок 19. Возникновение колебаний при введении положительной обратной связи.

Рисунок 20. Измерение мгновенных значений коллекторного тока в заданные моменты времени.

Рисунок 22. Возникновение и прекращение колебаний при R6 = 3 Ома (Dt = 50 мкс) П. 9. Исследование характеристик резонансного усилителя с трансформатором, содержащем сердечник из ферромагнитного материала.

В предыдущих схемах был использован идеализированный трансформатор без потерь и без искажений. Реальный трансформатор будет вносить искажения в форму выходного напряжения вследствие зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля и энергетических потерь в ферромагнитном материале, из которого изготовлен сердечник. Эти потери обусловлены вихревыми токами, а также гистерезисом кривой намагничивания.

Рисунок 23. Принципиальная схема усилителя с трансформатором, содержащем сердечник из ферромагнитного материала Рассмотрим влияние подмагничивающего тока в первичной обмотке трансформатора на резонансную частоту. Для этого используем схему, показанную на рисунке 35.

Рисунок 24. Принципиальная схема для исследования характеристик трансформатора Транзистор здесь замещается эквивалентной схемой из компонентов I1, R1 и C1.

Рисунок 25. Зависимость резонансной частоты от тока подмагничивания.

Рисунок 26. Гистерезисная кривая намагничивания (зависимость B от H) и временная диаграмма индукции магнитного поля в сердечнике трансформатора (напряженность в системе Micro-Cap измеряется в Эрстедах, индукция в Гауссах).

Четырехполюсник описывается в системе z — параметров следующими уравнениями:

Из этого соотношения видно, что если положить I₂ = 0, то.

z₁₁= U₁ / I₁ и z₂₁= U₂ / I₁,.

а если положить I₁ = 0, то.

z₁₂= U₁ / I₂ и z₂₂= U₂ / I₂

Проведем опыты холостого хода со стороны первичной и вторичной обмоток. При этом для первичной обмотки трансформатора нужно обеспечить тот режим по постоянному и переменному току, который имел место в усилительном каскаде. Функциональные источники тока удобны тем, что можно задать и постоянную, и переменную составляющие тока.