Автоматизированный анализ
LC-автогенераторов
По схеме ёмкостной трёхточки на биполярном транзисторе
Особенностью схемы автогенератора с ёмкостной обратной связью является наличие ёмкостного делителя напряжения, который определяет коэффициент обратной связи по напряжению. Конденсатор Cк с индуктивностью Lк образуют колебательный контур, который на частоте
Рис. 3.39. Задание на моделирование
LC-автогенератора по схеме с ёмкостной
обратной связью на биполярном транзисторе
генерации должен иметь индуктивный характер. Задание на моделирование при исследовании автогенератора представлено на рис. 3.39. Колебательный контур включён в коллекторную цепь транзистора Q1. Обратная связь осуществлена с помощью конденсаторов С1 и С2. Исходное смещение, обеспечивающее первоначальное положение рабочей 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, L,);
-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 формы генерируемых колебаний производится вывод значения напряжения на коллекторе транзистора Q1. Установка маркера напряжений ускоряет эту процедуру. В результате расчёта получается временная диаграмма (рис. 3.40). Из диаграммы видно, что форма генерируемых колебаний близка к синусоидальной а разница между их амплитудами в колебательном процессе незначительна.
Рис. 3.40. Временная диаграмма напряжения
на коллекторе транзистора Q1
Для исследования спектра генерируемого сигнала необходимо исключить из временной диаграммы участок переходного процесса. Спектральный состав генерируемых колебаний рассчитывается с использование быстрого преобразования Фурье (рис. 3.41). На спектральной диаграмме кроме первой отмечены также вторая, третья и четвёртая гармоники.
Рис. 3.41. Спектральная диаграмма генерируемых
колебаний
Оценка влияния температуры на частоту генерируемых колебаний производится путём расчёта спектра
Таблица 3.3
Исследование влияния температуры на частоту генерируемых колебаний
-
Температура
оС
Частота первой гармоники, МГц
Амплитуда первой гармоники, мВ
27
10,800
389,089
70
10,800
442,444
при значении температуры 70 °С. Результаты исследования влияния температуры сведены в табл. 3.3.
Исследования влияния напряжения питания на частоту генерируемых колебаний производится при изменении текущего значения атрибута источника питания V1 «DC».На рис. 3.42 приведена спектральная диаграмма генерируемых колебаний при напряжении питания 9В. В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а также изменяются его внутренние параметры. С учётом условия баланса фаз, это ведёт к изменению частоты генерации.
Рис. 3.42. Иллюстрация влияния изменения
напряжения источника питания
на частоту генерируемых колебаний
Для исследования влияния положения рабочей точки на генерацию колебаний необходимо изменить её положение. Это произойдёт, например, при увеличении сопротивления резистора R3. На рис. 3.43 представлена временная диаграмма затухающих колебаний при значении сопротивления R3 27 кОм.
При смещении положения рабочей точки в область меньшей крутизны характеристики транзистора происходит генерация затухающих колебаний.
Рис. 3.43. Временная диаграмма затухающего колебания при неправильном выборе рабочей точки транзистора
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 затуханию колебаний (рис. 3.44).
Рис. 3.44. Временная диаграмма затухающего
колебания при уровне напряжения положительной
обратной связи меньше критического
Методика автоматизированного
анализа LC-автогенераторов
на полевых транзисторах
Порядок автоматизированного анализа и содержание подготовительного этапа изложены в подразделе 3.3.
Автоматизированный анализ
LC-автогенераторов по схеме
с трансформаторной обратной связью
на полевом транзисторе
Задание на моделирование при исследовании автогенератора с трансформаторной обратной связью представлено на рис. 3.44. Колебательный контур LkCk включён в цепь стока 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.
Рис. 3.44. Задание на моделирование LC-автогенератора по схеме с трансформаторной обратной связью
на полевом транзисторе
Конденсаторы С1, С3 обеспечивают подведение напряжения обратной связи на затвор транзистора без потерь. Элементы R3, C3 образуют цепь истоковой стабилизации рабочей точки транзистора. Конденсатор С2и резистор R4 образуют развязывающий фильтр.
При вводе этой схемы использовать компоненты следующих библиотек:
-analog.slb – пассивные компоненты (R, C, L, 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, обозначенных 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 индуктивности связи;
L2 = Lk – наименование контурной катушки индуктивности;
COUPLING = 0.5 – коэффициент связи.
Для анализа формы генерируемых колебаний производится вывод зависимости напряжения на стоке
Рис. 3.45. Временная диаграмма напряжения
на стоке транзистора J1
транзистора J1 от времени. Установка маркера напряжений ускоряет эту процедуру. В результате расчёта получается временная диаграмма (рис. 3.45). Из диаграммы видно, что фор- ма генерируемых колебаний близка к синусоидальной.
Для исследования спектра генерируемого сигнала необходимо исключить из временной диаграммы участок переходного процесса. Спектральный состав генерируемых колебаний рассчитывается с использованием быстрого преобразования Фурье (рис. 3.46). На спектральной диаграмме кроме первой гармоники отмечены также вторая и третья гармоники.
Оценка влияния температуры на частоту генерируемых колебаний производится путём расчёта спектра при значении температуры 70 °С. Результаты исследования влияния температуры сведены в табл. 3.4.
Исследования влияния напряжения питания на частоту генерируемых колебаний производится при изменении текущего значения атрибута источника питания V1 «DC». На рис. 3.47 приведена спектральная диаграмма генерируемых колебаний
Рис. 3.46. Спектральная диаграмма
генерируемых колебаний
Таблица 3. 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 |
Рис. 3.47. Иллюстрация влияния изменения напряжения источника питания на частоту генерируемых колебаний
при напряжении питания 9В. В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а также 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, напр., при уменьшении сопротивления резистора R1. На рис. 3.48 представлена временная диаграмма затухающих колебаний при значении сопротивления R1 10 Ом.При смещении положения рабочей точки в область меньшей крутизны характеристики транзистора происходит генерация затухающих колебаний.
Рис. 3.48. Временная диаграмма затухающего колебания при
неправильном выборе рабочей точки
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 уменьшению амплитуды колебаний и переходу в режим генерации затухающих колебаний (рис. 3.49).
Рис. 3.49. Временная диаграмма затухающего
колебания при уровне напряжения положительной
обратной связи меньше критического