 |
Исследование нелинейного резонансного усилителя и умножителя частоты
|
|
|
|
3.1. Исследование работы усилителя в режиме с отсечкой тока.
Соберите схему модели резонансного усилителя с отсечкой тока (рис.3.1). В качестве L1 и C1 возьмите произвольные значения в интервалах 1…3 мкГн и 1…3 нФ. Параметры источника сигнала пока возьмите по умолчанию. Напряжения источников V1 (напряжение смещения цепи базы) и V3 (напряжение питания цепи коллектора) должны быть равны указанным на схеме. При установке на схему транзистора введите имя какой-либо несуществующей модели (произвольное), при этом получится «идеальный» безынерционный транзистор.
Рис.3.1 Рис.3.2
Снимите АЧХ каскада в режиме АС анализа с целью точного измерения резонансной частоты. Установите частоту источника сигнала равной резонансной частоте, а амплитуду 250…300 мВ. В режиме Transient Analysis постройте графики выходного напряжения усилителя v(out), тока коллектора ic(Q1) и тока базы ib(Q1). Время анализа – 10…20 мкс. По графикам тока коллектора найдите угол отсечки этого тока по формуле
q = (360° * t1) / (2*t0),
где t1 – длительность импульса тока, t0 – период колебания (как их измерить, показано на рис. 3.2).
Напоминаем, что углу отсечки 180° (т.е. отсутствию отсечки тока) соответствует класс работы А, углам отсечки q = 90°…180° – класс работы АВ, углу отсечки q = 90° – класс работы В, углам отсечки меньше 90° – класс работы С.
Определите, к какому классу работы относится установившийся в вашем усилителе режим. Установите напряжение смещения V1 цепи базы так, чтобы получить классы работы А, затем АВ, В, С (Установление каждого класса работы контролируется преподавателем.)
Постройте спектр тока коллектора (одного периода!) для угла отсечки 90°. Для этого в задании на моделирование запишите mag(harm(ic(Q1))) по оси Y и F по оси Х. Выделите для анализа спектра один период колебания тока коллектора. Для этого в режиме Transient Analysis в меню Transient откройте окошко DSP Parameters (рис.3.3) и укажите в нем Upper Time Limit равный tmax, а Lower Time Limit равный tmax минус период колебания (период колебания рассчитайте по возможности точнее). Важно, чтобы разность Upper Time Limit и Lower Time Limit получилась равной именно одному периоду частоты входного сигнала.
|
|
|
Запустите моделирование и проконтролируйте полученный спектр. Если он получился правильно (оцениваете совместно с преподавателем), то числа, записанные в окошке DSP Parameters, не изменяйте – они пригодятся при выполнении последних пунктов работы.
3.2. Исследование напряженности режима работы резонансного усилителя.
Существуют недонапряженный, критический и перенапряженный режимы работы активного элемента (транзистора, лампы) в резонансном усилительном каскаде. Перенапряженным называется режим, при котором в течение части периода колебания происходит перераспределение токов выходного и входного электродов активного элемента (например, коллектора и базы биполярного транзистора). При этом в течение части периода биполярный транзистор находится в режиме насыщения, за счет которого в импульсе тока коллектора наблюдается провал, а в импульсе тока базы – всплеск (рис.3.4).
Рис.3.4
Установите амплитуду сигнала 450…500 мВ, а напряжение смещения 0,5 В. Снижая напряжение питания коллектора, добейтесь слегка перенапряженного режима работы каскада.
Увеличьте частоту сигнала на 0,5%. Слегка повышая (при необходимости) амплитуду входного сигнала, добейтесь перенапряженного режима и убедитесь, что провал в импульсе переместился. То же самое повторите для пониженной на 0,5% частоты.
Верните источнику сигнала частоту, равную резонансной частоте каскада. Замените несуществующий «идеальный» транзистор на реальный, например, ВС547 или другой высокочастотный. Добейтесь работы каскада в классе В или С в слегка перенапряженном режиме. Пронаблюдайте получившуюся форму провалов в токе коллектора и всплесков в токе базы.
|
|
|
3.3. Исследование резонансного умножения частоты.
Увеличьте напряжение питания коллекторной цепи до 50 В, чтобы получить заведомо недонапряженный режим. Установите угол отсечки 90°. Запишите или запомните амплитуду напряжения на нагрузке.
Перестройте контур на вторую гармонику частоты входного сигнала (проконтролируйте правильность настройки в АС анализе). Измерьте амплитуду полученного на нагрузке колебания с удвоенной частотой. Сравните ее с амплитудой в режиме усиления сигнала без умножения частоты.
Перестройте контур на третью гармонику частоты входного сигнала (проконтролируйте правильность настройки в АС анализе). Измерьте амплитуду полученного на нагрузке колебания с утроенной частотой. Сравните ее с амплитудой в режиме усиления сигнала без умножения частоты и с удвоением частоты. Установите угол отсечки 60° и повторите моделирование работы утроителя частоты.
Проконтролируйте спектр выходного напряжения утроителя частоты на резонансном контуре (в точке out по рис.3.1). Для этого в задании на моделирование запишите mag(harm(v(out))) по оси Y и F по оси Х. Выделите для анализа спектра один период колебания выходного напряжения так же, как делали в п.3.1 для тока коллектора.
Обратите внимание, что одиночный колебательный контур плохо справляется с задачей фильтрации ненужных спектральных составляющих. Запишите относительные значения амплитуд первой, второй и четвертой гармоник (нормированные к амплитуде третьей гармоники).
Соберите схему утроителя частоты с двухконтурным полосовым фильтром (рис.3.5); получите эпюры напряжений и их спектры (пример – на рис.3.6) на первом и втором контурах фильтра (точки out, out2 на рис.3.5). Запишите относительные значения первых четырех гармоник. Сделайте сравнение с одноконтурной схемой утроителя.
Рис.3.5.
Рис.3.6.
Лабораторная работа №4
«Исследование автоколебательных систем»
4.1. Исследование идеальной модели колебательной системы.
Соберите колебательную систему (контур) по рис.4.1 с номиналами L = 1..5 мкГн, С = 1..5 нФ (выберите произвольно). Для того, чтобы внести в колебательную систему начальную энергию, установите в качестве начального условия напряжение на емкости или ток через индуктивность в момент начала моделирования, для чего после номинала емкости или индуктивности в строке value через пробел запишите ic = 1 (т.е. напряжение на емкости равно 1 В, или ток через индуктивность равен 1 А).
|
|
|
Сопротивление резистора возьмите равным 1 Ом. При этом в контур вносятся потери энергии и колебание будет затухающим. Запустите моделирование с шагом 1 нс, время моделирования 10..20 мкс. Повторите моделирование для контура без потерь (R = 0) и для контура с источником энергии в виде отрицательного сопротивления (R = -1 Ом). Сделайте вывод о различии характера колебаний для этих трех случаев.
4.2. Исследование транзисторного автогенератора.
4.2.1. Соберите транзисторный автогенератор по схеме рис.4.2. В качестве модели транзистора возьмите несуществующую модель, набрав произвольное сочетание латинских букв и цифр в имени модели, в результате чего получится «идеальный» транзистор. Для получения индуктивной связи между катушками поставьте на схему элемент «К», который можно найти в меню Component\Analog Primitives\Passive Components. Для этого элемента в строке Inductors диалогового окна запишите через пробел позиционные обозначения связываемых катушек индуктивности, например, L1 L2, а в строке Coupling – коэффициент связи между катушками (см. расчет ниже). Обратите внимание на полярность подключения катушек друг относительно друга: для получения положительной обратной связи и, следовательно, возбуждения автоколебаний: она должна быть именно такой.
В соответствии с вашим номером по журналу или номером бригады N рассчитайте требуемую частоту автоколебаний в мегагерцах по формуле: F = 1+0.1N.
Выберите значение волнового сопротивления контура из интервала r = 30...100 Ом.
Рассчитайте индуктивность, емкость и добротность контура:
L = r/w, C = 1/wr, Q = r/R4.
Рассчитайте эквивалентное сопротивление контура на резонансной частоте и коэффициент усиления каскада по напряжению:
|
|
|
Rэ = rQ, Ku = SRэ,
где S – крутизна проходной характеристики транзистора в рабочей точке (для схемы на рис.4.2. S @ 1/R1 = 0.05 А/В).
Определите необходимый (с запасом) для возбуждения автоколебаний коэффициент положительной обратной связи:
КПОС = а / Ku,
где а – фактор регенерации, иначе говоря - тот самый запас по самовозбуждению генератора; примите а = 1.8...2.2.
Задав значение коэффициента связи между обмотками Coupling = 0.9…1, рассчитайте индуктивность вторичной обмотки:
L2 = L1*(КПОС / Coupling)2.
Рассчитанные значения номиналов элементов поместите на схему. Запустите моделирование с шагом 1…3 нс, время моделирования 150..550 мкс, выведите графики напряжения на контуре v(out) и тока коллектора ic(Q1). В случае получения самовозбуждения они будут выглядеть так, как показано на рис.4.3. Если самовозбуждение отсутствует, возможна ошибка в расчетах или вводе схемы; проверьте полярность подключения обмоток трансформатора, попробуйте увеличить индуктивность вторичной обмотки трансформатора.
Рис.4.3
Проконтролируйте частоту полученных автоколебаний, проверьте, совпадает ли она с заданной вам по номеру варианта частотой. Если не совпадает – добейтесь соответствия.
4.2.2. Найдите по графику v(out) время установления автоколебаний для установленного на схеме значения параметра Coupling. Увеличивая и уменьшая этот коэффициент через 0.1, исследуйте зависимость времени установления амплитуды колебаний от его значения. Постройте на бумаге график этой зависимости.
Уменьшите значение коэффициента Coupling до 0.1…0.2. Пронаблюдайте форму затухающего колебания автогенератора с недостаточной для самовозбуждения обратной связью.
Верните прежнее значение коэффициента Coupling, которое обеспечивало устойчивую генерацию. Поменяйте полярность катушки обратной связи L2 (переверните её). Убедитесь, что колебания при этом стали затухающими. Верните прежнюю полярность катушки.
4.2.3. Рассмотрите график тока коллектора в районе установления и стабилизации амплитуды автоколебаний. Обратите внимание на одновременное действие двух механизмов стабилизации амплитуды: отсечки тока и перехода в перенапряженный режим.
Попробуйте избавиться от перехода транзистора в перенапряженный режим, оставив автогенератору один механизм стабилизации амплитуды – работу с отсечкой тока. Для этого необходимо снизить амплитуду автоколебаний уменьшением напряжения смещения транзистора. Ваша задача – уменьшая сопротивление резистора R3 добиться стабилизации амплитуды колебаний в недонапряженном режиме (в реальных автогенераторах это способствует повышению стабильности частоты). В следующих пунктах сохраните подобранное здесь сопротивление резистора R3.
|
|
|
4.2.4. Постройте фазовый портрет работы автогенератора для разных значений коэффициента связи между катушками Coupling, начиная от 1 и снижая его с шагом 0.2 до 0.2. (Фазовым портретом называется график, у которого по оси абсцисс отложены мгновенные значения этого процесса, а по оси ординат – их производная. Например, на рис.4.4 приведен график колебания и его фазовый портрет.) Для этого в окне задания на моделирование Transient Analysis Limits укажите в графе X Expression напряжение на емкости v(C1), а в графе Y Expression – ток через эту емкость i(C1). Для каждого значения коэффициента Coupling желательно проводить моделирование дважды – первый раз с включенным режимом Auto Scale Ranges, а второй раз – с выключенным, чтобы наблюдать построение графика в самом удобном масштабе.
Рис.4.4
4.2.5. Получите зависимость спектрального состава («спектральной чистоты») колебания автогенератора от величины положительной обратной связи. Для этого необходимо будет построить на бумаге график зависимости коэффициента гармоник колебания от величины значения коэффициента Coupling. Коэффициент гармоник вычисляется по формуле
,
где U mi - амплитуды соответствующих гармоник выходного напряжения.
Чтобы получить амплитуды гармоник, необходимо провести спектральный анализ одного периода установившегося колебания напряжения v(out). Для этого, запустив анализ и выведя график v(out), необходимо как можно точнее измерить его период. После этого заполнить окно DSP Parameters меню Transient так, чтобы для анализа спектра остался один последний период установившегося колебания v(out), т.е. Upper Limit = tmax, а Lower Limit = tmax минус период колебания (образец заполнения окна DSP Parameters см. в лабораторной работе №3). В графе Y Expression задания на моделирование укажите harm(v(out)), не забудьте по оси Х отложить частоту F.
Проведите моделирование и измерьте амплитуды первых четырех гармоник для нескольких значений коэффициента Coupling, при которых возникают автоколебания, например, 1, 0.85, 0.7, 0.55. Теперь вы можете для каждого из них вычислить коэффициент гармоник и построить требуемый график.
С учетом всей проделанной работы сделайте вывод, какое значение коэффициента Coupling является наиболее рациональным для повышения качества работы автогенератора.
Библиографический список
1. Капранов М.В., Кулешов В.Н., Уткин В.Г. Теория колебаний в радиотехнике. М.: Наука, 1984. 320 с.
2. Андреев В.С. Теория нелинейных электрических цепей. М.: Радио и связь, 1982. 280 с.
Содержание
Лабораторная работа №1……………………………………………..
Лабораторная работа №2……………………………………………..
Лабораторная работа №3……………………………………………..
Лабораторная работа №4……………………………………………..
Библиографический список…………………………………………..
|
|
|
