CC BY
116
УДК 378.1 + 53.072 : 681.3
КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ LC-АВТОГЕНЕРАТОРОВ В ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДЕ OrCAD У.9.Х
А.И. Мушта, Ю.С. Балашов, С.Е. Тарасов, А.В. Дыхно
В информационной среде ОгСЛБ У.9.Х с использованием персональной ЭВМ рассмотрены принципы работы ЬС-автогенераторов на биполярных и полевых транзисторах, процессы реализации режима генерации, определение спектрального состава генерируемых колебаний, влияния температуры на частоту генерации, проанализировано влияние положения рабочей точки, а также напряжения обратной связи на генерацию колебаний
Ключевые слова: автогенераторы, высокая частота, транзисторы, персональная ЭВМ, информационная среда
Постановка задачи. Важным направлением снижения затрат на разработку электронных средств является организация сквозного цикла автоматизированного проектирования [1], первым основополагающим фактором которого является схемотехническое моделирование и оптимизация электронного устройства. Моделирование высокочастотных автогенераторов, нашедших широкое распространение, в частности, в технике радиоприёма, измерительных устройствах и т.д., имеет специфические особенности. Представляется целесообразным далее в информационной среде ОгСЛБ У.9.Х рассмотреть основные процедуры моделирования ЬС-автогенераторов. Схемотехническое моделирование электронных средств с использованием персональной ЭВМ существенно повышает эффективность исследований. САПР ОгСЛБ У.9.Х является мощным средством, позволяющим глубже постигать физические процессы, протекающие в электронных средствах, при этом расширение анализируемых задач достигается без необходимости поставки дополнительного оборудования.
Процесс анализа ЬС-автогенераторов может иметь следующий порядок:
1. Установка режима непрерывной генерации;
2. Определение спектра и установка требуемой частоты генерируемых колебаний;
3. Исследование влияния температуры на частоту генерируемых колебаний;
4. Исследования напряжения питания на частоту генерируемых колебаний;
5. Исследования влияния положения рабочей точки на генерацию колебаний;
6. Исследование влияния положительной обратной связи на генерацию колебаний.
Схемотехническое моделирование ЬС-автогенератора на биполярном транзисторе по схеме с трансформаторной обратной связью.
Обеспечение режима генерации гармонических колебаний автогенератора, который характеризуется та-
кой особенностью, что обратная связь осуществляется при помощи трансформатора, первичная обмотка которого вместе с конденсатором образуют колебательный контур. Схема для исследования автогенератора представлена на рис. 1.
Мушта Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. 89610285069
Балашов Юрий Степанович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (4732) 929445 Тарасов Сергей Евгеньевич - ВГТУ, студент, тел. 89102809498
Дыхно Александр Владимирович - ВГТУ, инженер, тел. 89042147128
Рис. 1. Схема LC-автогенератора на биполярном транзисторе по схеме с трансформаторной обратной связью
Колебательный контур LkCk включён в цепь коллектора транзистора Q1. Сопротивления RLk и RK отражают в этом контуре активные потери катушек индуктивности. Напряжение положительной обратной связи снимается с катушки связи L1 и подводится к базе транзистора Q1. Начальное смещение, обеспечивающее первоначальное положение рабочей точки задаётся резисторами R1 и R2. Конденсаторы С1, С3 обеспечивают подведение напряжения обратной связи на вход транзистора без потерь. Элементы R3, C3 образуют цепь эмит-терной стабилизации рабочей точки транзистора. Конденсатор С2 и резистор R4 образуют развязывающий фильтр.
При составлении задания на моделирование использовались компоненты следующих библиотек:
• analog. slb - пассивные компоненты (R, C, I,
K);
• bipolar.slb - биполярный транзистор (Q1);
• port.slb - узел с нулевым потенциалом, общий провод (AGND);
• source.slb - источник постоянного напряжения (VDC).
Трансформаторная связь реализуется двумя катушками индуктивности L1, Lk. Связь между катушками установлена с помощью модели сердечника K_Linear. Сердечник характеризуется следующими атрибутами:
L1 = L1 - наименование первой катушки;
L2 = Lk - наименование второй катушки;
COUPLING = 0.5 - коэффициент связи.
Для анализа формы генерируемых колебаний производится вывод зависимости напряжения на коллекторе транзистора Q1 от времени. Установка маркера напряжений ускоряет эту процедуру.
Режим временного анализа назначается в конфигурационном окне Analysis Setup (выбор анализа). Выбирается раздел Transient и в нём задаются параметры директивы (рис.2).
т
Т ransient Analysis
Print Step: Id
Final Time: |0.1ms
No-Print Delay: I»
Step Ceiling: l°
I- Detailed Bias Pt.
Г~ Skip initial transient solution
Transfer Function...
Рис. 2. Окна выбора режима и задания параметров моделирования
В результате расчёта получается временная диаграмма. Из неё видно, что в начале имеет место переходной процесс, после которого устанавливается стабильный режим генерации. Форма генерируемых колебаний близка к синусоидальной (рис. 3) а разница между их амплитудами незначительна.
транзистора рі
Для исследования спектра генерируемого сигнала необходимо исключить из временной диаграммы участок переходного процесса.
(26.3001 ,1.4924)
1
, ( 7.Aim, 47. , 4ІП) (/X.M llll, hi 1111 In
GHz 1BMHz 20MHZ 30MHZ 40MHZ 50MHz 60MHz 70MHZ 80MHz 90MHZ 100MHZ d U(RLk: 1)
Frequency
Рис. 4. Спектральная диаграмма генерируемых колебаний
Использование быстрого преобразования Фурье даёт возможность рассчитать спектральный состав генерируемых колебаний (рис. 4). Выполнение преоб-52
разования производится по команде Fourier, вызываемой из меню Trace (График) после завершения расчёта переходного процесса.
На спектральной диаграмме хорошо видны первая, вторая и третья гармоники.
Оценка влияния температуры на частоту генерируемых колебаний производится путём расчёта спектра. Установка значения температуры производиться по директиве Temperature в конфигурационном окне Analysis Setup (рис. 5). Здесь указывается список значений температуры в градусах Цельсия, для которых требуется выполнить расчёт временных характеристик.
Analysis Setup
Enabled
Г
AC Sweep...
Options...
Temperature Analysis
Parametric...
Sensitivity...
Temperature...
Transfer Function...
Рис. 5. Окно задания вариации температуры
Результаты исследования влияния температуры сведены в табл.1.
Таблица 1
Исследование влияния температуры на частоту
Температура Частота первой гармоники, МГ ц Амплитуда первой гармоники, В
27 26,300 1,4924
70 26,100 1,2670
Исследования влияния напряжения питания на частоту генерируемых колебаний производится при изменении текущего значения атрибута источника питания VI «ЭС»
На рис. 6 приведена спектральная диаграмма генерируемых колебаний при напряжении питания 5В.
(26.Л001
■
(S2.S00li,S30.638n)
¡79.29011,1*52
016n)
Ш ЮМНг 20ИНг ЗОМНг Шг БОМНг бОМНг 70МНг ШНг 90М№ ЮОМНг а и(Ш.к:1)
Ргециепсу
Рис. 6. Иллюстрация влияния изменения напряжения источника питания на частоту генерируемых колебаний В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а также из-
меняются его внутренние параметры. С учётом условия баланса фаз, это ведёт к изменению частоты генерации.
Для исследования влияния положения рабочей точки на генерацию колебаний необходимо изменить её положение. Это произойдёт, например, при уменьшении сопротивления резистора Я2. На рис. 7 пред-
тур, резонансная частота которого близка к частоте генерации автогенератора. Задание на моделирование при исследования автогенератора представлено на рис. 9.
Рис. 7. Временная диаграмма затухающего колебания при неправильном выборе рабочей точки
При смещении положения рабочей точки в область меньшей крутизны характеристики транзистора происходит генерация затухающих колебаний, что объясняется нарушением баланса амплитуд.
Для исследования влияния напряжения обратной связи на генерацию колебаний потребуется, например, уменьшить значение индуктивности L1 до 5 нГн, а также понизить коэффициент связи в модели сердечника «COUPLING» до 0,1. Это приводит к уменьшению напряжения обратной связи и затухаю колебаний
колебания при уровне напряжения положительной обратной связи меньше критического
Схемотехническое моделирование ЬС-автогенератора на биполярном транзисторе по схеме индуктивной трёхточки. Отличие схемы автогенератора с автотрансформаторной обратной связью от предыдущей заключается в том, что используется катушка индуктивности с отводом. Индуктивность вместе с ёмкостью параллельно включённого конденсатора образуют параллельный колебательный кон-
Рис. 9. Задание на моделирование LC-автогенератора на биполярном транзисторе по схеме индуктивной трёхточки
Колебательный контур, образованный индуктивностями L1, L2 и конденсатором Ck, включён в цепь коллектора транзистора Q1. Обратная связь автотрансформаторного типа. Напряжение обратной связи снимается с катушки индуктивности L2 и подводится к базе транзистора. Начальное смещение, обеспечивающее первоначальное положение рабочей точки задаётся резисторами R1 и R2. После возникновения колебаний рабочая точка транзистора Q1 несколько смещается за счёт возникновения дополнительного автоматического смещения. Последнее обусловлено напряжением отрицательной обратной связи, создаваемом на резисторе R3 вследствие прохождения по нему постоянной составляющей тока эмиттера транзистора. Конденсатор С1 обеспечивает подведение без потерь напряжения обратной связи на вход транзистора. Элементы R3, C2 образуют цепь эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора. Конденсатор С4 и резистор R4 образуют развязывающий фильтр. При вводе этой схемы использовались компоненты следующих библиотек:
- analog. slb - пассивные компоненты (R, C, I,
K);
- bipolar.slb - биполярный транзистор (Q1);
- port.slb - узел с нулевым потенциалом, общий провод (AGND);
- source.slb - источник постоянного напряжения
(VDC).
Для устойчивого запуска автогенератора атрибутам конденсатора Ck и индуктивностей L1 и L2 «.IC» (initial conditions - начальные условия) присвоены значения «0.1 V» и «10 uA» соответственно. При расчёте переходного процесса использование этих атрибутов обеспечивает установку на конденсаторе напряжения 0,1 В и тока через индуктивность 10 мкА в начальный момент времени.
Связь между индуктивностями дросселя L1 и L2 установлена с помощью модели сердечника K_Linear. Сердечник характеризуется следующими атрибутами:
L1 = L1 - наименование первой катушки;
L2 = Lk - наименование второй катушки;
COUPLING = 0.5 - коэффициент связи.
Для анализа формы генерируемых колебаний производится вывод значения напряжения на коллекторе транзистора Q1.
В результате расчёта получается временная диаграмма (рис. 10), окуда следует, что форма генерируемых колебаний близка к синусоидальной, а разница между амплитудами в колебательном процессе незначительна.
Рис. 10. Временная диаграмма напряжения на коллекторе транзистора Q1
Для исследования спектра генерируемого сигнала необходимо исключить из временной диаграммы участок переходного процесса Режим анализа временных характеристик (Transient) определяется заданием, представленным на рис. 11.
В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а так же изменяются его внутренние параметры. С учётом условия баланса фаз это ведёт к изменению частоты генерации.
- Т ransient Analysis
Print Step: |o
Final Time: |51 us
No-Print Delay: |50us
Step Ceiling: 10.01ns
Г Detailed Bias Pt.
Г Skip initial transient solution
Рис. 11. Окно задания параметров моделирования
Расчёт спектрального состава генерируемых колебаний выполнен с использованием быстрого преобразования Фурье (рис. 12). На спектральной диаграмме видны также вторая и третья гармоники.
(34.100 1,1.303»)
/и.2 0011.13V m П)
■ 10', 30011.3/ Ї32 1)
■ і
OHz 20MHz 40MHz 60MHz 80MHz 100MHz 120MHz 140MHz
о V(L1:2)
Frequency
Оценка влияния температуры на частоту генерируемых колебаний производится путём расчёта спектра при значении температуры 70 °С. Результаты исследования влияния температуры сведены в табл. 2.
Таблица 2
Исследование влияния температуры на частоту генерируемых колебаний___________________________
Температура Частота первой гармоники, МГ ц Амплитуда первой гармоники, В
27 35,100 1,3038
70 35,050 1,3090
Исследования влияния напряжения питания на частоту генерируемых колебаний производятся при изменении текущего значения атрибута источника питания VI «ЭС»
На рис. 13 приведена спектральная диаграмма генерируемых колебаний при напряжении питания 5В. В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а так же изменяются его внутренние параметры. С учётом условия баланса фаз это ведёт к изменению частоты генерации._________________________________________
(3S 600 1,5.?715)
/
И (10б|.80ВД,18МЯ зп) ! і і
; и
0Н2 2011Hz itBMHz 60MHz 80MHz 100HHz 120MHz 140MHz
n U(L1:2)
Frequency
Рис. 13. Иллюстрация влияния изменения напряжения источника питания на частоту генерируемых колебаний
Для исследования влияния положения рабочей точки на генерацию колебаний необходимо изменить постоянное напряжение на базе транзистора.
d V(L1:2)
Tine
Рис. 14. Временная диаграмма затухающего колебания при неправильном выборе рабочей точки
Это произойдёт, например, при уменьшении сопротивления резистора R2. На рис. 14 представлена временная диаграмма затухающих колебаний при значении сопротивления R2 200 Ом.
При смещении положения рабочей точки в область меньшей крутизны характеристики транзистора происходит генерация затухающих колебаний.
Для исследования влияния напряжения обратной связи на генерацию колебаний потребуется уменьшить значение индуктивности L2, например, до 5 нГн, а так же понизить коэффициент связи в модели сердечника «COUPLING» до 0,1. Чтобы частота генерации не изменялось, необходимо величину индуктивности L1+L2 сохранить равной предыдущему значению. Это приводит к уменьшению напряжения обрат-
Рис. 15. Временная диаграмма затухающего колебания при уровне напряжения положительной обратной связи меньше критического
Схемотехническое моделирование ЬС-автогенератора на биполярном транзисторе по схеме ёмкостной трёхточки. Особенностью схемы автогенератора с ёмкостной обратной связью является наличие ёмкостного делителя напряжения, который определяет коэффициент обратной связи по напряжению. Конденсатор СК с индуктивностью ЬК образуют колебательный контур, который на частоте генерации должен иметь индуктивный характер. Задание на моделирование при исследовании автогенератора представлена на рис. 16.
10к -і- 2.2nF
Рис. 16. Задание на моделирование ЬС-автогенератора на биполярном транзисторе по схеме с ёмкостной обратной связью
Колебательный контур включён в коллекторную цепь транзистора 01. Обратная связь осуществлена с помощью конденсаторов С1 и С2. Исходное смещение, обеспечивающее первоначальное положение ра-
бочей точки, задаётся резисторами R2 и R3. Конденсатор С3 обеспечивает подведение напряжения обратной связи на базу транзистора без потерь. Элементы R1, C2 образуют цепь эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора. Конденсатор С4 и резистор R4 образуют развязывающий фильтр. При вводе этой схемы использовались компоненты следующих библиотек:
- analog.slb - пассивные компоненты (R, C, I,);
- bipolar.slb - биполярный транзистор (Q1);
- port.slb - узел с нулевым потенциалом, общий провод (AGND);
- source.slb - источник постоянного напряжения (VDC).
Для устойчивого запуска автогенератора атрибутам конденсатора CK и индуктивности LK «.IC» (initial conditions - начальные условия) присвоены значения «0.1 V» и «10 uA» соответственно. При расчёте переходного процесса использование этих атрибутов обеспечивает установку на конденсаторе напряжения 0,1 В и тока через индуктивность 10 мкА в начальный момент времени.
Для анализа осцилограммы генерируемых колебаний производится вывод значения напряжения на коллекторе транзистора Q1. Установка маркера напряжений ускоряет эту процедуру.
В результате расчёта получается временная диаграмма (рис. 17). Из диаграммы видно, что форма генерируемых колебаний близка к синусоидальной, а разница между их амплитудами незначительна.
Рис. 17. Временная диаграмма напряжения на коллекторе транзистора 01
Для исследования спектра генерируемого сигнала необходимо исключить из временной диаграммы участок переходного процесса. Спектральный состав генерируемых колебаний рассчитывается с использование быстрого преобразования Фурье (рис. 18). На спектральной диаграмме присутствуют также высшие гармоники.
6 00пи
.ШМ89.089П)
0Hz 5MHz 10MHz 15MHz 20MHz 25MHz 30MHz 35MHz 40MHz 45MHz 5 0MHz nU(Q1:c)
Frequency
Рис. 18. Спектральная диаграмма генерируемых колебаний
Оценка влияния температуры на частоту генерируемых колебаний производится путём расчёта спектра при значении температуры 70 °С. Результаты исследования влияния температуры сведены в табл. 3.
Таблица 3
Исследование влияния температуры на частоту ге-
Температура Частота первой гармоники, МГ ц Амплитуда первой гармоники, мВ
27 10,800 389,089
70 10,800 442,444
Исследования влияния напряжения питания на частоту генерируемых колебаний производится при изменении текущего значения атрибута источника питания V! «ЭС»
На рис. 19 приведена спектральная диаграмма генерируемых колебаний при напряжении питания 9В.
(?1/,МП,Яг,.7Ип|
долин,-!
20HHz 25MHz 3flMHz _____________Frequency_____________
Рис. 19. Иллюстрация влияния изменения напряжения источника питания на частоту генерируемых колебаний
В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а так же изменяются его внутренние параметры. С учётом условия баланса фаз, это ведёт к изменению частоты генерации.
Для исследования влияния положения рабочей точки на генерацию колебаний необходимо изменить её положение. Это произойдёт, например, при увеличении сопротивления резистора ЯЗ. На рис. 20 представлена временная диаграмма затухающих колебаний при значении сопротивления ЯЗ 27 кОм.
Os I.Qus 2. Bus 3.0us <t.Bus 5. Bus 6.Dus 7.Bus 8.Bus
□ V(Q1:c) _
Рис. 20. Временная диаграмма затухающего колебания при неправильном выборе рабочей точки
При смещении положения рабочей точки в область меньшей крутизны характеристики транзистора происходит генерация затухающих колебаний.
"1 Іій ess
Рис. 21. Временная диаграмма затухающего колебания при уровне напряжения положительной обратной связи меньше критического
Для исследования влияния напряжения обратной связи на генерацию колебаний потребуется, например, увеличить значение ёмкости С2 до 0,47 мкФ. Это приводит к уменьшению напряжения положительной обратной связи и затухаю колебаний (рис. 21).
Схемотехническое моделирование ЬС-автогенератора на полевом транзисторе по схеме с трансформаторной обратной связью. Задание на моделирование при исследовании автогенератора с трансформаторной обратной связью представлено на рис. 22.
Рис. 22. Задание на моделирование LC-автогенератора на
полевом транзисторе по схеме с трансформаторной обратной связью
Колебательный контур LkCk включён в цепь коллектора транзистора J1. Сопротивления RLk и RL1 введены в контур в качестве потерь. Напряжение положительной обратной связи снимается с катушки связи L1 и подводится к затвору транзистора Q1. Начальное смещение, обеспечивающее первоначальное положение рабочей точки, задаётся резисторами R1 и R2. Конденсаторы С1, С3 обеспечивают подведение напряжения обратной связи на затвор транзистора без потерь. Элементы R3, C3 образуют цепь истоковой стабилизации рабочей точки транзистора. Конденсатор С2 и резистор R4 образуют развязывающий фильтр.
При вводе этой схемы использовались компоненты следующих библиотек:
- analog. slb - пассивные компоненты (R, C, I,
K);
- jfet.slb - полевой транзистор (J1);
- port.slb - узел с нулевым потенциалом, общий провод (AGND);
- source. slb - источник постоянного напряжения (VDC).
Для устойчивого запуска автогенератора атрибутам конденсатора Ck и индуктивностей L1 и Lk «.IC» (initial conditions - начальные условия) присвоены значения «0.1 V» и «10 uA» соответственно. При расчёте переходного процесса использование этих атрибутов обеспечивает установку на конденсаторе напряжения 0,1 В и тока через индуктивность 10 мкА в начальный момент времени.
Трансформаторная связь осуществлена с использованием двух индуктивностей, обозначеных как L1, Lk. Резисторы RL1 и RLk характеризуют активные сопротивления потерь этих обмоток. Связь между катушками индуктивности установлена с помощью модели сердечника K_Linear. Сердечник характеризуется следующими атрибутами:
L1 = L1 - наименование катушки связи;
L2 = Lk - наименование контуронй катушки;
COUPLING = 0.5 - коэффициент связи.
Для анализа временной зависимости генерируемых колебаний производится вывод зависимости напряжения на стоке транзистора J1 от времени. Установка маркера напряжений ускоряет эту процедуру.
В результате расчёта получается временная диаграмма (рис. 23), из которой следует, что форма генерируемых колебаний близка к синусоидальной, а разница между их амплитудами колебательного процесса незначительна.
Рис. 23. Временная диаграмма напряжения на стоке транзистора Л Для исследования спектра генерируемого сигнала необходимо исключить из временной диаграммы участок переходного процесса. Спектральный состав генерируемых колебаний рассчитывается с использованием быстрого преобразования Фурье (рис. 24).
—ГГГ Я1 І.1.ЯНІ
■
'
/
OHz 10MHz 20MHz 30MHZ 40MHz 50MHz 60MHz 70MHz 80MHz 90MHz 100HH d V(RLk:1)
Frequency
Оценка влияния температуры на частоту генерируемых колебаний производится путём расчёта спектра при значении температуры 70 °С. Результаты исследования влияния температуры сведены в табл. 4.
Таблица 4
Исследование влияния температуры на частоту генерируемых колебаний
Температура Частота первой гармоники, МГц Амплитуда первой гармоники, В
27 27,200 1,2977
70 27,200 1,1462
Исследования влияния напряжения питания на частоту генерируемых колебаний производится при изменении текущего значения атрибута источника питания VI «БС»
На рис. 25 приведена спектральная диаграмма генерируемых колебаний при напряжении питания 9В.
(Ц./Ш.5 / ».0ІМ.2М1
OHz 10MHz 20MHz 30MHz 40MHz 50MHz 60MHz 70MHz 86MHz 90MHz 100MHz □ U(RLk:1)
Frequency
Рис. 25. Иллюстрация влияния изменения напряжения источника питания на частоту генерируемых колебаний В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а так же изменяются его внутренние параметры. С учётом условия баланса фаз, это ведёт к изменению частоты генерации.
Для исследования влияния положения рабочей точки на генерацию колебаний необходимо изменить её положение. Это произойдёт, например, при уменьшении сопротивления резистора Ю. На рис. 26 представлена временная диаграмма затухающих колебаний при значении сопротивления Ю 10 Ом.
шшш
Ііі |РЩЦ|И
ш
Рис. 26. Временная диаграмма затухающего колебания при неправильном выборе рабочей точки
При смещении положения рабочей точки в область большей крутизны характеристики транзистора происходит генерация затухающих колебаний.
Для исследования влияния напряжения обратной связи на генерацию колебаний потребуется уменьшить значение индуктивности L1 до 5 нГн, а так же понизить коэффициент связи в модели сердечника «COUPLING» до 0,1. Это приводит к уменьшению напряжения обратной связи и уменьшению амплитуды колебаний (рис. 27).
39us 40us
Рис. 27. Временная диаграмма затухающего колебания при уровне напряжения положительной обратной связи меньше критического
Схемотехническое моделирование ЬС-автогенератора на полевом транзисторе по схеме индуктивной трёхточки. Задание на моделирование автогенератора представлено на рис. 28.
[
к-
їй кі
R2 ' R3 сг
ЯЛ 9Н JL 2nF
Рис. 28. Схема ЬС-автогенератора на полевом транзисторе по схеме индуктивной трёхточки
Колебательный контур, образованный индуктивностями Ь1, Ь2 и конденсатором Ск, включён в цепь стока транзистора Л. Автотрансформаторная обратная связь осуществлена с помощью индуктивности Ь2, подключённой к затвору полевого транзистора. Начальное смещение, обеспечивающее первоначальное положение рабочей точки, задаётся резисторами Я1 и И2. Конденсатор С1 обеспечивает подведение напряжения обратной связи без потерь. Элементы Я3, С2 образуют цепь истоковой стабилизации рабочей точки транзистора. Конденсатор С4 и резистор Я4 образуют развязывающий фильтр. При вводе этой схемы использовались компоненты следующих библиотек:
- апа^.8ІЬ - пассивные компоненты (Я, С, I, К);
- _]Геі.8ІЬ - полевой транзистор (Л);
- роїІ^ІЬ - узел с нулевым потенциалом, общий провод (AGND);
- source.slb - источник постоянного напряжения (VDC).
Для устойчивого запуска автогенератора атрибутам конденсатора Ck и индуктивностей L1 и L2 «.IC» (initial conditions - начальные условия) присвоены значения «0.1 V» и «10 uA» соответственно. При расчёте переходного процесса использование этих атрибутов обеспечивает установку на конденсаторе напряжения 0,1 В и тока через индуктивность 10 мкА в начальный момент времени.
Связь между индуктивностями дросселя L1 и L2 установлена с помощью модели сердечника K_Linear. Сердечник характеризуется следующими атрибутами:
L1 = L1 - наименование первой катушки;
L2 = Lk - наименование второй катушки;
COUPLING = 0.5 - коэффициент связи.
Для анализа временной зависимости генерируемых колебаний производится вывод значения напряжения на стоке транзистора J1. Установка маркера напряжений ускоряет эту процедуру.
В результате расчёта получается временная диаграмма (рис. 29). Из диаграммы видно, что форма генерируемых колебаний близка к синусоидальной.
Рис. 29. Временная диаграмма напряжения на стоке транзистора Л Спектр генерируемого сигнала находится путём исключения из временной диаграммы участка переходного процесса. Спектральный состав генерируемых колебаний рассчитывается с использованием быстрого преобразования Фурье (рис. 30). Частота генерации определяется по первой гармонике спектрального состава.__________________________
(/4.1*1011,Ml
0Hz 10MHz 20MHz 30MHz 40MHz 50MHz 60MHz 70MHz 80MHz 90MHz 100MHz □ V(J1:d)
Frequency
Оценка влияния температуры на частоту генерируемых колебаний производится путём расчёта спектра при значении температуры 70 °С. Результаты исследования влияния температуры сведены в табл. 5.
Таблица 5
Исследование влияния температуры на частоту генерируемых колебаний________________________________
Температура Частота первой гармоники, МГ ц Амплитуда первой гармоники, В
27 24,700 2,6105
70 24,700 2,6447
Исследования влияния напряжения питания на частоту генерируемых колебаний производится при изменении текущего значения атрибута источника питания VI «БС» На рис. 31 приведена спектральная диаграмма генерируемых колебаний при напряжении питания 9В.
точника питания на частоту генерируемых колебаний
В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а так же изменяются его внутренние параметры. С учётом условия баланса фаз это ведёт к изменению частоты генерации.
Для исследования влияния положения рабочей точки на генерацию колебаний необходимо изменить её положение. Это произойдёт, например, при уменьшении сопротивления резистора Я2. На рис. 32 представлена временная диаграмма затухающих колебаний при значении сопротивления Ы2 1 кОм.
fl Шиш lililí III
Рис. 32. Временная диаграмма затухающего колебания при неправильном выборе рабочей точки
При смещении положения рабочей точки в область меньшей крутизны характеристики транзистора происходит генерация затухающих колебаний.
Для исследования влияния напряжения обратной связи на генерацию колебаний потребуется уменьшить значение индуктивности L2, или понизить коэффициент связи в модели сердечника «COUPLING», либо выполнить обе процедуры. Это приводит к
уменьшению напряжения обратной связи и затухаю колебаний (рис. 33). Иллюстрация получена при значении индуктивности Ь2, равном 5 нГн, и коэф-
Рис. 33. Временная диаграмма затухающего колебания при уровне напряжения положительной обратной связи меньше критического
Схемотехническое моделирование LC-автогенератора на полевом транзисторе по схеме ёмкостной трёхточки. Задание на моделирование при исследовании автогенератора представлено на
рис. 34.
Рис. 34. Схема LC-автогенератора на полевом транзисторе по схеме с ёмкостной обратной связью
Колебательный контур, который включён в цепь стока транзистора J1, образован индуктивностью Lk и конденсатором Ck. На частоте генерации он эквивалентен индуктивности. Обратная связь осуществлена с помощью конденсаторов С1 и С2. Начальное смещение, обеспечивающее первоначальное положение рабочей точки задаётся резисторами R2 и R3. Конденсатор С2 обеспечивает подведение напряжения обратной связи без потерь. Элементы R1, C3 образуют цепь истоковой стабилизации рабочей точки транзистора. Конденсатор С3 введён для того, чтобы напряжение положительной обратной связи без потерь поступало на затвор транзистора. Резистор R4 и конденсатор С4 образуют развязывающий фильтр. При вводе задания на моделирование использовались компоненты следующих библиотек:
- analog.slb - пассивные компоненты (R, C, I,);
- jfet.slb - полевой транзистор (J1);
- port.slb - узел с нулевым потенциалом, общий провод (AGND);
- source.slb - источник постоянного напряжения (VDC).
Для устойчивого запуска автогенератора атрибутам конденсатора Ck и индуктивности Lk «.IC» (initial conditions - начальные условия) присвоены
значения «0.1 V» и «10 uA» соответственно. При расчёте переходного процесса использование этих атрибутов обеспечивает установку на конденсаторе напряжения 0,1 В и тока через индуктивность 10 мкА в начальный момент времени.
Для анализа временной зависимости генерируемых колебаний производится вывод значения напряжения на стоке транзистора Л. Установка маркера напряжений ускоряет эту процедуру.
В результате расчёта получается временная диаграмма (рис. 35). Из диаграммы видно, что форма генерируемых колебаний близка к синусоидальной а разница между их амплитудами незначительна.
Рис. 35. Временная диаграмма напряжения на стоке транзистора Л
Для исследования спектра генерируемого сигнала необходимо исключить из временной диаграммы участок переходного процесса. Спектральный состав генерируемых колебаний рассчитывается с использованием быстрого преобразования Фурье (рис. 36). На спектральной диаграмме зафиксирована и вторая гармоника.
.
(Т1.Н
0Hz 2 MHz 4MHz 6MHz 8MHz 10MHz 12MHz 14MHz
□ U(J1:d)
Frequency
Рис. 36. Спектральная диаграмма генерируемых колебаний
Оценка влияния температуры на частоту генерируемых колебаний производится путём расчёта спектра при значении температуры 70 °С. Результаты исследования влияния температуры сведены в табл. 6.
Таблица 6
Исследование влияния температуры на частоту генерируемых колебаний_______________________________________________
Температура Частота первой гармоники, МГц Амплитуда первой гармоники, В
27 5,950 1,6044
70 5,900 1,5317
Исследования влияния напряжения питания на частоту генерируемых колебаний производится при изменении текущего значения атрибута источника питания V! «БС»
На рис. 37 приведена спектральная диаграмма генерируемых колебаний при напряжении питания 9В.
источника питания на частоту генерируемых колебаний
В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а так же изменяются его внутренние параметры. С учётом условия баланса фаз, это ведёт к изменению частоты генерации.
Для исследования влияния положения рабочей точки на генерацию колебаний необходимо изменить её положение. Это произойдёт, например, при уменьшении сопротивления резистора ЯЗ. На рис. 38 представлена временная диаграмма затухающих колебаний при значении сопротивления ЯЗ 100 Ом.
при неправильном выборе рабочей точки
При смещении положения рабочей точки в область меньшей крутизны характеристики транзистора происходит генерация затухающих колебаний.
Для исследования влияния напряжения обратной связи на генерацию колебаний при проведении эксперимента потребуется, например, увеличить сопротивление конденсатора С1, стоящего в цепи сток-исток транзистора, либо уменьшить сопротивление конденсатора С2, с которого снимается напряжение положительной обратной связи, либо реализовать то и другое. В частности, увеличение значения ёмкости С2 до 5 мкФ и уменьшение величины ёмкости С1 до 10 пФ приводит к уменьшению коэффициента передачи цепи обратной связи и затухаю колебаний (рис. 39).
Рис. 39. Временная диаграмма затухающего колебания при уровне напряжения положительной обратной связи меньше критического
Заключение. В информационной среде высокого уровня с использованием метода схемотехнического моделирования электронных устройств [2] проведён компьютерный анализ высокочастотных ЬС-автогенераторов на биполярных и полевых транзисторах, рассмотрены автогенераторы, построенные по схемам с автотрансформаторной обратной связью (индуктивной трёхточки), ёмкостной трёхточки, с трансформаторной обратной связью. Проиллюстрированы процессы реализации режима генерации, определения спектрального состава генерируемых колебаний, влияния температуры на частоту генерации, проанализировано влияние положения рабочей точки, а так же напряжения обратной связи на генерацию колебаний.
Приведенные результаты могут быть полезны разработчикам электронных средств, а также студентам различных ступеней обучения в виде расширения источника [3] при проектировании радиоэлектронных устройств. В качестве итогов реализации проведённого анализа отметим решение следующих целевых функций, в частности, процесса обучения: интенсификация учебного процесса;
расширение объёма исследований достижимо без увеличения расходов на комплектацию и оборудование; более глубокое познание сущности физических процессов, протекающих в анализируемых радиоэлектронных средствах; приобретение навыков автоматизированного анализа при проектировании радиоэлектронных средств; реализация компетент-ностного подхода в организации исследований.
Литература
1. Новожилов О.П. Электротехника и электроника. Учебник для студентов вузов / О.П. Новожилов - М.: Гардарики, 2008. - 654 с.
2. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). - М.: СК Пресс, 1996 -272с.
3. Мушта А.И. Исследование аналоговых элекрон-ных устройств с использованием персональных ЭВМ (курсовое проектирование): учеб.пособие / А.И. Мушта, Ю.С. Балашов, О.П. Новожилов. - Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2005. 148с.
Воронежский государственный технический университет
THE COMPUTER ANALYSIS OF PRINCIPLES OF WORK LC-OSCILLATOR IN INFORMATION ORCAD V.9.X ENVIRONMENT
A.I. Mushta, U.S. Balashov, S.E. Tarasov, A.V. Dykhno
In information environment OrCAD V.9.X with use of personal COMPUTERS principles of work of LC-oscillators on bipolar and field transistors are considered
Key words: oscillators, high frequency, transistors, the personal computer, the information environment
