Загрузите программу LES и открывайте требуемый схемный файл, отредактируйте, если этого требует задача, параметры элементов и конфигурацию схемы. Программа LES в режиме Freq может рассчитывать частотные зависимости характеристик: функции передачи (Uout ¤ Uin) или (U ¤ Iin) при идеальных источниках на входе, входное и выходное сопротивления (Rout) и (Rin). Точками входа и выхода могут быть выбраны любые точки схемы, имеющие метку. Внимание! При расчёте Rout программа заземляет точку с меткой, выбранной как вход. Поэтому при расчёте импедансов двухполюсников часто удобнее использовать метод генератора тока и вольтметра, т.е. использовать процедуру (U ¤ Iin). Конечно, перед этим следует произвести требуемые замыкания или размыкания, руководствуясь известными правилами удаления источников напряжения или тока. В режиме Time программа выводит выходной и входной процессы в виде функций от времени как "двухлучевой осциллограф". Перед проведением расчётов рекомендуется оценить ожидаемые области изменения процессов для рационального выбора масштаба и количества точек изображения (обычно достаточно 500—1000 точек). Чтобы на экране не скапливалось угрожающе большого числа кривых, клавишей <F7> удаляйте графики предыдущих расчётов, если они не нужны. В этом случае останется отображение результатов только последнего расчёта. Для числовых оценок пользуйтесь линиями графического курсора и числовой информацией, отображаемой на экране. Последнюю можно включать/выключать клавишей <Space>. В остальном руководствуйтесь краткой инструкцией пользователя программой и подсказками Help.
Для изучаемых схем наиболее информативны частотные характеристики, т.к. дают представления сразу о нескольких их свойствах. Потому рекомендуется производить расчёты в основном в режиме Freq , при этом наиболее удобен логарифмический масштаб для обеих осей графиков. Режим Time можно использовать как вспомогательный для получения более наглядных представлений.
Практические задания
1.2.1. В схеме fb_sp разомкните ООС и проведите расчёт функции передачи K = Uout/Uin ОУ. Оцените величины резисторов в цепи ООС для ряда величин KB в области от 1 до 100 и проведите расчёты, сохраняя для наглядности представления все графики. Двойной логарифмический масштаб удобен для кусочно-линейной аппроксимации частотных характеристик как модуля (АЧХ), так и фазы (ФЧХ). При расчётах отмечайте характерные участки (асимптоты) и точки (границы участков) графиков. Полезно также отмечать точки ФЧХ, где j = p¤4; p ¤2;… Рассчитайте и обработайте таким же образом графики входного Rin и выходного Rout сопротивлений для KB(0) » 10¸50.
1.2.2. В схеме fb_pp с генератором тока на входе и Ys = 10-3 [1/W] оцените величину Y21 для сопротивления передачи RB(0) = 10 ¸ 50 kW, рассчитайте и обработайте характеристики Rin и Rout. Изменяя величину Ys, определите изменение RB.
Используя теорему об эквивалентном генераторе, не меняя параметров элементов, преобразуйте эту схему в усилитель напряжения. Оцените его коэффициент усиления KB и входное сопротивление Rin.
Комбинируя эту схему с предыдущей, составьте схему дифференциального усилителя напряжения с коэффициентом усиления KB(0) = 5, т.е., если Us1 и Us2 – входные сигналы, то напряжение на выходе U2 = 5×(Us1-Us2). Примем, что Rs = 0 для обоих источников. Поочередно выбирая входы и производя требуемые замыкания, убедитесь в правильности Ваших решений. Введите в схему необходимый элемент (или элементы) для выравнивания входных сопротивлений обоих входов.
1.2.3. Оцените параметры цепей ОС так, чтобы проводимость передачи YB в схеме fb_ss составила 10-3 1/W , а коэффициент передачи тока в схеме fb_ps был равен 10. Рассчитайте и обработайте характеристики Rin и Rout. Обратите внимание на сделанное выше замечание об “измерении” этих величин.
Проведённые в этом разделе расчёты показывают, что создание генераторов тока с выходным сопротивлением ~ 10 ¸ 100 MW вполне реально. Заметим, что такие генераторы находят достаточно широкое применение, например, в прецизионных измерениях величин сопротивлений.
1.2.4. Если у Вас остались какие-то сомнения, или Вы располагаете некоторым запасом времени, проведите расчеты во временной области применительно к двум первым схемам. Выбирайте при этом импульсный источник входного напряжения или тока с длительностями импульса и паузы ~ 1 ¸ 10 ms.
Усилители, как правило, состоят из нескольких каскадно соединённых модулей. Каждый из них или некоторые могут быть охвачены собственной петлёй ОС, вложение петель ОС может быть и многоуровневым. Вложенные петли ОС называют местными. Во многих случаях для придания многокаскадной схеме заданных специальных свойств создаются несколько петель ОС, начинающихся на выходах промежуточных каскадов и замыкающихся на одном входе. Даже элементарные компоненты схем, например транзистор, содержат, как правило, несколько петель местной ОС. Некоторые из них могут быть нежелательными, иначе паразитными. Схемы с вложенными ОС рассчитываются последовательно, начиная с низшего уровня вложения. На каждом этапе расчёта модель внутренней части схемы, содержащейся в рассчитываемой петле, заменяется функциональным блоком без ОС. Таким образом схема приводится к модели с одной петлёй. Схемы многопетлевой ОС, как частный случай, рассчитываются так же. Но в последнем случае петли ОС связаны на входе усилителя, т.е. влияют друг на друга, поэтому, размыкая на входе все петли, следует соблюдать эквивалентность преобразований при определении параметров рассчитываемой петли. Промежуточные каскады заменяются эквивалентными четырёхполюсниками.
Практические задания
2.1. Здесь Вам предлагается исследовать две модели схем. Первая модель – схема транзисторного широкополосного усилителя переменного напряжения собранного по схеме с общим эмиттером (файл ta-e.les). Транзистор выделен точками базы, эмиттера и коллектора: B, E, C соответственно. Элементы модели транзистора: сопротивления базы R2, эмиттера R3 и коллектораR4; ёмкость коллекторного перехода C1; управляемый током генератор тока изображён значком транзистора T1, его коэффициент усиления по току равен К, частота среза на уровне 3дБ – Fcut.
2.2. Установите следующие параметры элементов: Для Т1 – K = 40, Fcut = 2.5MHz. Другие элементы транзистора: R2 = 100, R3 = 25, R4 = 10k, C1 = 5p(5e-12). Остальное: R5 = R6 = 1k, C2 = 5u(5e-6 F). Сопротивление источника сигнала R1 изменяется от 10W до 1kW
Рассчитайте АЧХ и ФЧХ в диапазоне частот от 10Hz до 50MHz,1000 точек, масштаб двойной логарифмический. Оцените максимальное усиление и установите шкалу амплитуды (дБ). Обработайте характеристики таким же образом, как и выше. Найдите нижнюю и верхнюю частоты среза на уровне -3дБ от максимума. Какие ОС Вы находите в этой схеме? Объясните поведение ЧХ в областях нижних и верхних частот как проявление действия ОС. Если Вы не уверены в правильности своих представлений, повторите опыт, варьируя параметры С1, С2 и др. При этом удобно пользоваться режимом “Value sweep”.
Отключите нагрузку, заземлите вход и методом генератора тока рассчитайте 2¸3 графика для Rout при Rs = 10¸1000W. Так же, как и прежде обработайте графики по характерным точкам, объясните результат. Проделайте то же для Rin в точке базы транзистора, нагрузку Rl изменяйте в пределах 1¸10 kW.
2.3. Вторая схема (файл res_amp.les) – двухконтурный резонансный усилитель на полевом транзисторе S1, крутизна транзистора S = 10 mA/V, его проходная ёмкость С1 = 5 pF. Выводы полевого транзистора обозначены как s, g, d. Контура образованы элементами L1 = L2 = 80 mcH; C2 = 75 pF; C3 = C4 = 150 pF; резисторы R1, R2 моделируют потери в контурах (50 kW). Замкните сначала точки g и k и рассчитайте характеристики Uout/Uin сначала при S = 0 (активный элемент отсутствует, т.е. цепь взаимна), затем при S = 10 mA/V. Диапазон частот 0.6...6.5 MHz, шкала А 80 dB, 1000 точек. Какую обратную связь Вы можете указать здесь, и как она действует? Далее разомкните точки d и k, замкните попарно d и e, k и c; в результате получился каскодный усилитель, где биполярный транзистор (БТ) включён по схеме с общей базой. При тех же условиях рассчитайте ЧХ функции передачи. Сравните обе характеристики и объясните результат. Что произошло с обратной связью? Другой способ подавления паразитной ОС через проходную ёмкость, это, так называемая, мостовая компенсация ООС положительной ОС с помощью ёмкости C3. Однако, достичь хороших и стабильных результатов такой компенсацией значительно труднее.
3. Некоторые применения обратной связи
Обратная связь универсальное средство для создания электронных устройств с требуемыми характеристиками входа, выхода и передачи. Наиболее насыщены цепями ОС различные схемы активных частотных фильтров, задачи синтеза специальных частотных или временных характеристик функций передачи требуют отдельного изучения. Здесь в качестве примеров исследуйте модель схемы, в которой ОС используется для обеспечения специальных свойств входного сопротивления и имеет характеристики инструментального ОУ. Другие модели иллюстрируют применение отрицательной ОС для линеаризации слабых нелинейностей усилителя, для изменений нелинейных характеристик диодов.
3.1. Усилитель с дифференциальным входом
Выходной сигнал дифференциального усилителя пропорционален разности сигналов на его входах. Эту разность называют противофазным сигналом, а полусумма называется синфазным сигналом. В схеме с дифференциальным, или, как называют, симметричным, входом источник сигнала с усилителем соединяется, как правило, симметричной двухпроводной линией, часто экранированной. Синфазный сигнал в такой схеме является помехой и должен эффективно подавляться. Симметричный трансформаторный вход с заземлённой средней точкой для синфазного сигнала переменного тока представляет исчезающе малое сопротивление, поэтому помеха подавляется уже на входе.