Техническая эксплуатация радиоэлектронного оборудования

100

5.Как убедиться в адекватности аппроксимирующего полинома результатам опыта?

6.Как выглядит аппроксимирующий полином в натуральном масштабе?

7.Как выглядит аппроксимирующий полином с нормированными безразмерными переменными х*?

3.4Сравнительные функциональные испытания стабильности выходного параметра математических моделей усилительных каскадов

при изменении температуры эксплуатации в широком диапазоне

3.4.1Цель работы

На примере входных каскадов усилителя обучить студентов проведению функциональных сравнительных испытаний стабильности выходного параметра математических моделей РЭС при изменении температуры эксплуатации в широком диапазоне в системе MicroCAP 8.

3.4.2 Краткие сведения о стабильности выходного параметра усилительных каскадов при изменении температуры эксплуатации в широком диапазоне

Экспериментальные и расчётные методы исследования РЭС при изменении температуры эксплуатации в широком диапазоне занимают много времени, в отличие от методов их исследования в системе схемотехнического моделирования MicroCAP 8. Точность же полученных результатов во всех случаях приблизительно одинакова. Это связано с тем, что характеристики транзисторов одной и той же марки имеют довольно большой разброс. По этой причине, при прочих равных условиях, исследования несложных радиоэлектронных узлов в системе MicroCAP 8 дают значительный выигрыш во времени и в средствах по сравнению с экспериментальными и расчётными исследованиями.

Анализ стабильности усилительных каскадов при изменении температуры эксплуатации в широком диапазоне методически удобно проводить, рассматривая эти каскады как непрерывные системы автоматического регулирования (САР), если считать, что значения выходной величины этих каскадов (выходного напряжения) прямо пропорциональны величине входного сигнала. При учёте нелинейности управления усилительные каскады следует отнести к нелинейным системам автоматического управления (САУ). Зависимость выходного напряжения усилительных каскадов на транзисторах от возмущающего воздействия температуры эксплуатации является нелинейной. Использование нелинейных законов управления позволяет значительно уве-

101

личить точность процесса управления. Из-за отсутствия общей теории расчёта нелинейных САУ проще, быстрее и дешевле провести их испытания на математических моделях в системе MicroCAP 8.

Системы автоматического управления режимом работы входного усилительного каскада усилителя низкой частот (УНЧ) бывают разомкнутыми и замкнутыми.

В разомкнутой САУ вход и выход каскада не связаны между собой. В замкнутой САУ выходной сигнал, преобразованный цепью обратной связи (как правило, отрицательной) поступает на вход усилительного каскада.

По принципу построения различают САУ:

-с управлением по задающему воздействию (рисунки 3.31, а и 3.33, а);

-с управлением по возмущающему воздействию;

-с комбинированным управлением по задающему и по возмущающему воздействиям (рисунки 3.32, а и 3.33, б).

а– схема каскада с общим эмиттером;

б– вольт-амперная характеристика (ВАХ) биполярного транзистора (УУ – управляющее устройство; ОУобъект управления)

Рисунок 3.31 – Разомкнутая САУ с управлением по задающему воздействию [10]

ВУНЧ следует разделять задающее воздействие по постоянному току

–постоянное смещение на базе транзистора, снимаемое с делителя напряже-

ния на резисторах, и задающее воздействие по переменному току – пере-

менное напряжение на входе усилителя. Принято называть УНЧ двухмерными САУ, так как их выходной параметр характеризуется двумя значениями (величиной напряжения и величиной частоты). В усилительных каскадах усилителей постоянного тока (УПТ) имеется только задающее воздействие по постоянному току. УПТ являются одномерными САУ.

а – с управлением по задающему воздействию; б – с комбинированным управлением по задающему и по возмущающему воздействиям;

в – ВАХ биполярного транзистора

Рисунок 3.33 – Замкнутые САУ [10]

Разомкнутые САУ с управлением по задающему воздействию наиболее просты, но имеют низкую температурную стабильность. Достоинство разомкнутой системы с комбинированным управлением – высокое качество регулирования при учете всех возмущающих воздействий; недостаток –

103

необходимость учета большого количества зависимостей возмущающих воздействий. Замкнутая система с управлением по задающему воздействию работает по отклонению, и регулируемая величина тока коллектора имеет ка- кую-то ошибку. Для повышения точности работы замкнутой системы вводят комбинированное управление по задающему и возмущающему воздействиям. Достоинство замкнутой системы регулирования – универсальность; недостатки при грамотном построении замкнутой системы отсутствуют [10].

Поскольку элементы за счет герметизации защищены от воздействия атмосферного давления, от загрязнений и от повышенной влажности воздуха, а также, частично, от радиации, то основным возмущающим воздействием на УНЧ являются температура окружающей среды. Обычно учитывают воздействие температуры на характеристики полупроводниковых приборов (транзисторов и диодов), а более слабым воздействием температуры на характеристики остальных элементов пренебрегают.

3.4.3 Пример проведения сравнительных функциональных испытаний стабильности выходного параметра

1. Подготовим математическую модель схемы с общим эмиттером входного усилительного каскада с разомкнутой САУ и с управлением по задающему воздействию. Изображение математической модели этой схемы, представленной на рисунке 3.31, а, в системе MicroCAP 8 приведено на рисунке 3.34.

Рисунок 3.34 – Схема с общим эмиттером усилительного каскада с разомкнутой САУ и с управлением по задающему воздействию

Примечание. На рисунках 3.34, 3.36, 3.38, 3.40, 3.42, 3.44 значения напряжений в узлах схемы даны для температуры окружающей среды +60оС. Значения напряжений на схеме заключены в овальные рамки и приведены в формате вида X:Y, где X – порядковый номер узла; Y – значение напряжения. Буква m обозначает милливольты.

104

2. В системе MicroCAP 8 получим эпюры напряжений в узлах этой схе-

мы (с помощью команды Анализ / Переходные процессы / Запуск) для значе-

ний температуры окружающей среды 40оС и +60оС (рисунок 3.35). Более подробно работа с диалоговым окном задания параметров моделирования во временной области описана в пункте 3.3.4.

V(3) = 648.2 мВ и V(1) = 17.29 В для температуры окружающей среды 40оС; V(3) = 516.2 мВ и V(1) = 11.56 В для температуры окружающей среды +60оС

Рисунок 3.35 – Эпюры напряжений в узлах схемы, представленной на рисунке 3.34

Примечание. В подписях к рисункам 3.35, 3.37, 3.39, 3.41 приняты следующие обозначения: V(3) – напряжение на входе схемы (база транзистора); V(1) – напряжение на выходе схемы (коллектор транзистора);

3. Оценим температурную стабильность выходного параметра по фор-

муле:

Для значений напряжений показанных на рисунке 3.35 получим:

4. Подготовим математическую модель схемы с общим эмиттером с разомкнутой САУ и с комбинированным управлением по задающему и по возмущающему воздействиям. Изображение математической модели этой

105

схемы, представленной на рисунке 3.32, а, в системе MicroCAP 8 приведено на рисунке 3.36.

Рисунок 3.36 – Схема с общим эмиттером усилительного каскада

сразомкнутой САУ и с комбинированным управлением по задающему

ипо возмущающему воздействиям

5.В системе MicroCAP 8 получим эпюры напряжений в узлах этой схемы для значений температуры окружающей среды 40оС и +60оС (рисунок 3.37) и оценим температурную стабильность выходного параметра:

V(3) = 756 мВ и V(1) = 6.39 В для температуры окружающей среды 40оС; V(3) = 557 мВ и V(1) = 6.09 В для температуры окружающей среды +60оС

Рисунок 3.37 – Эпюры напряжений в узлах схемы, представленной на рисунке 3.36

106

6. Подготовим математическую модель схемы с общим эмиттером усилительного каскада замкнутой САУ с комбинированным управлением по задающему и по возмущающему воздействиям. Изображение математической модели этой схемы, представленной на рисунке 3.33, б, в системе MicroCAP 8 приведено на рисунке 3.38.

Рисунок 3.38 – Схема с общим эмиттером усилительного каскада замкнутой САУ с комбинированным управлением по задающему

ипо возмущающему воздействиям

7.В системе MicroCAP 8 получим эпюры напряжений в узлах этой схемы для значений температуры окружающей среды 40оС и +60оС (рисунок 3.39) и оценим температурную стабильность выходного параметра:

8.Подготовим математическую модель схемы с общим эмиттером усилительного каскада замкнутой САУ с управлением по задающему воздействию. Изображение математической модели этой схемы, представленной на рисунке 3.33 а, в системе MicroCAP 8 приведено на рисунке 3.40.

9.В системе MicroCAP 8 получим эпюры напряжений в узлах этой схе-

мы для значений температуры окружающей среды 40оС и +60оС (рисунок 3.41) и оценим температурную стабильность выходного параметра:

10. Подготовим математическую модель схемы с общим эмиттером усилительного каскада с разомкнутой САУ и с управлением по задающему воздействию в системе MicroCAP 8 при подаче на вход САУ синусоидального напряжения. Изображение математической модели этой схемы в системе MicroCAP 8 приведено на рисунке 3.42.

107

V(3) = 704 мВ и V(1) = 13.42 В для температуры окружающей среды 40оС; V(3) = 494 мВ и V(1) = 13.246 В для температуры окружающей среды +60оС

Рисунок 3.39 – Эпюры напряжений в узлах схемы, представленной на рисунке 3.38

Рисунок 3.40 – Схема с общим эмиттером усилительного каскада замкнутой САУ с управлением по задающему воздействию

108

V(3) = 199 мВ и V(1) = 16.969 В для температуры окружающей среды 40оС;

V(3) = 194.274 мВ и V(1) = 16.963 В для температуры окружающей среды

+60оС

Рисунок 3.41 – Эпюры напряжений в узлах схемы, представленной на рисунке 3.40

Рисунок 3.42 – Схема с общим эмиттером усилительного каскада с разомкнутой САУ и с управлением по задающему воздействию при подаче на вход САУ синусоидального напряжения

11. В системе MicroCAP 8 получим эпюры напряжений в узлах этой схемы для значений температуры окружающей среды 40оС и +60оС (рисунок 3.43) и оценим температурную стабильность выходного параметра по формуле:

109

где V(5, +60 C), V(5, 40 C) – значение напряжения на узле №5 схемы (выход усилительного каскада) при температуре +60 C и 40 C, соответственно.

а)

б)

в)

а – на коллекторе транзистора; б – напряжение на выходе каскада V(5, +60 оС) = 0.5∙(0.96 + 0.964) = 0.962 В для температуры +60оС;

в – напряжение на выходе каскада V(5, 40 оС) = 0.5∙(0.385 + 0.249) = 0.317 В для температуры 40оС

Рисунок 3.43 – Эпюры напряжений в узлах схемы, представленной на рисунке 3.42