 |
Исследование ключевых свойств транзисторов
|
|
|
|
Цель работы: изучение системы параметров модели генератора импульсного напряжения (Pulse Source); исследование влияния параметров моделей транзисторов на характеристики ключевой схемы; освоение режима моделирования во временной области.
Задание: провести моделирование во временной области ключевых схем на основе биполярного и (или) МОП транзисторов.
Указания: с импульсными свойствами биполярных и МОП транзисторов можно ознакомиться в монографиях [4,§8.2-§8.3] и [4,§8.7; 5,§8.4.1] соответственно. Схемы ключей для моделирования во временной области показаны на рис.9 и рис.10.
Рис.9. Схема для моделирования ключа на основе биполярного транзистора
| 
Рис.10. Схема для моделирования ключа на основе МОП транзистора
|
Работа 5
Исследование характеристик активных RC цепей в частотной и временной областях
Цель работы: изучение системы параметров модели операционного усилителя (ОУ); исследование влияния параметров модели ОУ на характеристики активных RC цепей; освоение режимов моделирования в частотной и временной областях.
Задание: для заданной преподавателем активной RC цепи провести моделирование в частотной области и построить амплитудно- и фазочастотную характеристики; провести моделирование во временной области и построить импульсную и переходную характеристики, причем рассмотреть модели как ОУ общего применения, так и быстродействующего (широкополосного) ОУ.
Указания: Схемы активных RC цепей для моделирования в частотной и временной областях показаны на рис.11(а, б, в, г, д, е, ж). При моделировании временных характеристик следует учитывать, что:
- переходная характеристика соответствует реакции устройства на воздействие в виде единичной ступенчатой функции;
|
|
|
- импульсная характеристика соответствует реакции устройства на воздействие в виде дельта функции;
- воздействие может быть задано с использованием импульсного генератора.
При задании параметров ОУ целесообразно использовать следующие типовые значения:
- коэффициент усиления 50000
- площадь усиления 1 МГц для ОУ общего применения и 10-15 МГц для быстродействующих ОУ;
- скорость нарастания выходного напряжения 1 В/мкс для ОУ общего применения и 10-20 В/мкс для быстродействующих ОУ;
- частота первого полюса 20 Гц для ОУ общего применения и 200 Гц для быстродействующих ОУ;
- параметр PM «Запас по фазе на частоте единичного усиления» не используется в российской спецификации и выражается через частоту второго полюса передаточной функции ОУ соотношением вида:
,
где G – площадь усиления, f 2 – частота второго полюса передаточной функции ОУ;
- частота второго полюса 3-5 МГц для ОУ общего применения и 30-50 МГц для быстродействующих ОУ.
а)
| 
б)
| |
в)
| 
г)
| |
д)
| 
ж)
| |
е)
| ||
| Рис.11. Схемы активных RC цепей для моделирования в частотной и временной областях |
Работа 6
Смеситель
Цель работы: изучение системы эквивалентных параметров модели трансформатора; освоение режима моделирования спектра сигнала.
Задание: провести моделирование одно-, двух- и четырехтактной схем смесителя во временной области; провести анализ выходного колебания данных схем; по полученным результатам рассчитать коэффициенты передачи по первой гармонике и коэффициенты нелинейных искажений; определить схему смесителя с минимальным уровнем нелинейных искажений.
Указания: схемы для моделирования показаны на рис.12, рис.13 и рис.14. Подробный анализ смесителей представлен в монографиях [6,7]. При обработке сигналов с частотами сотни килогерц целесообразно задать сопротивление нагрузки единицы килоом, а индуктивность обмоток трансформатора – единицы милигенри.
|
|
|
В системе МС имеется модель идеального двухобмоточного трансформатора без потерь - Transformer, в качестве параметров которого задаются значения индуктивностей обмоток и коэффициент связи. Путь к трансформатору: Component→Analog Primitives→Passive Components→Transformer. Трехобмоточный трансформатор в МС сформирован в виде макромодели на основе файла Centap.mac. В качестве параметров для него задаются значения индуктивностей обмоток, коэффициент связи равен 0,999. Путь к данному компоненту: Component→Analog Primitives→Macros→Centap.
Рис.12. Схема для моделирования однотактного смесителя
|
Рис.13. Схема для моделирования двухтактного смесителя
|
Рис.13. Схема для моделирования четырехтактного смесителя
|
Работа 7
АМ-детектор
Цель работы: изучение системы параметров модели функционального источника напряжения NFV; освоение режима моделирования спектра сигнала.
Задание: сформировать на основе функционального источника напряжения NFV амплитудно-модулированный сигнал и провести моделирование схемы АМ-детектора.
Указания: схема для моделирования АМ-детектора показана на рис.15. Амплитудно-модулированный входной сигнал описывается выражением:
,
где: 
– максимальная амплитуда, 
– глубина модуляции, 
– частота модуляции, 
– частота несущей. Для обеспечения минимального уровня нелинейных искажений значения элементов АМ-детектора следует задавать согласно соотношениям [6]:
.
Рис.15. Схема для моделирования АМ-детектора
|
Работа 8
ЧМ-детектор
Цель работы: изучение системы параметров модели функционального источника напряжения NFV и модели независимого генератора напряжения V; освоение режима моделирования спектра сигнала.
Задание: сформировать на основе функционального источника напряжения NFV или независимого генератора напряжения V частотно-модулированный сигнал и провести моделирование схемы ЧМ-детектора; при моделировании ЧМ-детектора получить зависимость выходного низкочастотного сигнала от изменения частоты; исследовать влияние вида схемы и ее параметров на данную зависимость и коэффициент передачи детектора.
|
|
|
Указания: частотно-модулированный сигнал описывается выражением:
,
где: – максимальная амплитуда, 
– постоянная экспоненциального затухания, 
– основная частота, 
– скорость линейного изменения частоты, 
– период повторения изменения частоты, 
– девиация частоты. Данный сигнал представляет собой колебание с периодическим изменением частоты по линейному закону и амплитуды – по экспоненциальному закону. Для формирования частотно-модулированного сигнала с постоянной амплитудой следует выбрать 
.
Построение схемы ЧМ-детектора, как правило, основано на преобразовании ЧМ-сигнала в АМ-сигнал и использовании АМ-детектора. Данное преобразование осуществляется с помощью линейной частотно-избирательной цепи. В простейшем случае – это колебательный контур, расстроенный относительно средней частоты ЧМ-сигнала (рис.16(а)), или с равной ей резонансной частотой (рис.16(б)). Для успешной работы последней схемы необходимо выполнение условия 
в рабочей полосе частот. Недостатком схем, показанных на рис.16, являются нелинейные искажения вследствие нелинейности частотных характеристик контуров. Устранение данного недостатка возможно при использовании балансных схем. Балансные схемы для моделирования ЧМ-детектора показаны на рис.17(а, б). Крутизна детекторной характеристики определяется как:
.
Трехобмоточный трансформатор в системе МС сформирован в виде макромодели на основе файла Centap.mac. В качестве параметров для него задаются значения индуктивностей обмоток, коэффициент связи равен 0,999. Путь к данному компоненту: Component→Analog Primitives→Macros→Centap.
а)
| 
б)
|
| Рис.16. Схемы для преобразования ЧМ-сигнала в АМ-сигнал | |
а)
| |
б)
| |
| Рис.17. Схемы для моделирования ЧМ-детектора |
Работа 9
Управляемый источник
Цель работы: освоение практических приемов моделирования с использованием управляемых источников.
Задание: на основе нелинейного источника тока, управляемого напряжением, GIofV смоделировать вольтамперную характеристику туннельного диода; используя тот же источник или линейный источник тока, управляемый напряжением, IofV построить частотные зависимости модуля и фазы входного и выходного сопротивления для заданной преподавателем цепи.
|
|
|
Указания: полиномиальный источник GIofV может использоваться для моделирования нелинейных двухполюсников, например, туннельного диода. Для этого необходимо в качестве положительного узла 1-го управляющего напряжения n1p задать положительный выходной узел источника, а в качестве отрицательного узла 1-го управляющего напряжения n1m – отрицательный выходной узел источника. Вольтамперная характеристика туннельного диода (рис.18) может быть описана полиномом третьего порядка. В данном случае коэффициент полинома P0 задает ток через диод при нулевой разности потенциалов. В большей степени наклон начального участка вольтамперной характеристики определяется коэффициентом P1>0, крутизна участка отрицательного сопротивления зависит от коэффициента P2<0, конечный участок описывается коэффициентом P3>0. Схема моделирования вольтамперной характеристики туннельного диода аналогична схема для моделирования характеристик диода, показанной на рис.1 (Работа 1).
Полиномиальный источник GIofV или линейный источник тока, управляемый напряжением, IofV могут использоваться для определения входного (или выходного) сопротивления цепи моделируемой в частотной области. Для этого необходимо обеспечить линейную зависимость выходного тока источника от управляющего напряжения, а значение параметра крутизны характеристики выбрать равным 1 А/В. Подключение выходных узлов источника к входным (или выходным) узлам исследуемой цепи позволит при моделировании передаточной функции через источник в режиме анализа частотных характеристик получить частотные зависимости модуля и фазы входного (или выходного) сопротивления цепи в децибелах по отношению к 1 Ом (0 дБ → 1 Ом, 20 дБ → 10 Ом и т.д.). Этот факт объясняется следующим выражением для коэффициента передачи по напряжению через источник:
.
Рис.18. Вольтамперная характеристика туннельного диода
|
Список литературы
1. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. – М.: СОЛОН, 1997. – 273 с., ил.
2. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с., ил.
3. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 368 с., ил.
4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – М.: Сов. Радио, 1980. – 424 с., ил.
5. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. – М.: Сов. радио, 1979. – 368 с., ил.
|
|
|
6. Буга Н.Н., Фалько А.И., Чистяков Н.И. Радиоприемные устройства. – М.: Радио и связь, 1986. – 320 с., ил.
7. Богданович Б.М. Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах. – М.: Связь, 1980. – 280 с., ил.
Коротков Александр Станиславович
Морозов Дмитрий Валерьевич
|
|
|
