ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»

А. Н. Кузнецов

Компьютерная технология в науке и электромеханическом производстве

Методические указания по расчету схем электрических цепей и электронных устройств

Одобрено методической комиссией по естественно-научным и математическим дисциплинам

МОСКВА 2010

УДК , 621.3(075.8), 621.38(076.2)

ББК 31.21,32.844,32.85

Разработано в соответствии с государственным образовательным стандартом ВПО 2000 г. для специальностей

Рецензент:

Работа подготовлена на кафедре «Прикладная и вычислительная математика» имени Э. И. Григолюка

Компьютерная технология в науке и электромеханическом производстве. Методические указания по расчету схем электрических цепей и электронных устройств. учебное пособие / Кузнецов А. Н. М: МГТУ «МАМИ», 2011. – 00 с.

Настоящее пособие имеет целью облегчить магистрам знакомство с компьютерными методами расчета и проектирования электротехнических и электронных приборов.

УДК 417, 517.5, 517.9, 519.2, 519.6 ББК 22.16, 22.17, 22.193

©Кузнецов А. Н. ©МГТУ «МАМИ», 2011

Оглавление

Введение. 14

1. Инсталляция программы Micro-Cap 9. 15

2. Первый шаг. 15

3. Компьютерное выполнение расчетно-графических заданий. 15

3.1 Компьютерное выполнение первого РГР. 15

3.2. Добавление компоненты в пакет. 18

3.3. Уточнение первого РГР. 19

19

20

20

4. Диод. 20

20

Рис. 4.1. Схема для получения вольт-амперной характеристики диода. 20

ЭДС источника значения иметь не будет, так как процедура снятия вольт-амперной характеристики сама изменяет ее в пределах, определенных в окне DC Analysis Limits. Оно возникает после нажатия кнопки DC в меню Analysis. Сопротивление разумно выбрать достаточно малым. 21

21

Рис. 4.2. Вольт-амперная характеристика диода MR2404 21

Построенный график говорит больше о математической модели диода, чем о реальном диоде. На оси тока буква M обозначает MEG, не следует ей пользоваться при указании границ изображения в окне Analysis Limits, так как там она превратится в букву m, то есть в милли, что приведет к астрономическому увеличению строящихся точек графика. 21

На рисунках 4.3-5 изображены в подходящих масштабах части этой характеристики, относящиеся к рабочей зоне прибора, предусмотренной документацией. 21

22

Рис. 4.3. Начало вольт-амперной характеристики диода MR2404. 22

22

Рис. 4.4. Вольт-амперная характеристика диода MR2404 вблизи нуля. 22

23

Рис. 4.5. Вольт-амперная характеристика диода MR2404 с участком режима лавинного пробоя. 23

“Заводская” характеристика этого диода всплывет на экране, если нажать кнопку Plot на окне параметров диода, вход в которое производится двойным щелчком по значку диода. Масштаб по осям — логарифмический. 23

24

Рис. 4.6. Заводская вольт-амперная характеристика диода MR2404. 24

24

Рис. 4.7. Та же характеристика в линейном масштабе. 24

Построим аналогичные картинки для первого попавшегося диода российского производства 2Д212А. Его латинизированное имя D2D212A можно узнать, покопавшись в файлах (R-DIOD.lib). Схема примет вид: 24

25

Рис. 4.8. Схема рис. 4.1 с диодом .2Д212А. 25

Рис. 4.9. Вольт-амперная характеристика диода 2Д212А с участком режима лавинного пробоя. 25

Вопросы и задачи. 25

1. Постройте схемы и графики рисунков 4.1-9, следуя указаниям и срисовывая с них разметку осей. 25

2. Что изменится, если на схемах изменить величину сопротивления. 25

3. Решите аналогичную задачу для стабилитрона Д814Д, кремниевого стабилитрона КС620А, диода Шоттки ЛД923А, кремниевого выпрямительного диода 2Д204В,туннельного усилительного диода 1И104А, арсенидогаллиевого переключательного туннельного диода 3И309Ж и обращенного диода 1И401А. Оформите отчет в программе Word. 25

5. Биполярный транзистор. 26

В программе MicroCap большую часть моделей транзисторов можно выбирать перелистывая их марки и глядя на выходные характеристики. Чтобы это сделать, можно на панели поиска компонет схемы (она помещается слева от окна схемы; если ее нет, нужно в главном меню нажать Options>Panel) войти в Analog Primitives, далее в Active Components, где выбираем тип транзистора. В верхнем окне панели появится значок компоненты, он прицепится к курсору. Ткнув курсором в место на схеме, получим транзистор, для которого необходимо в открывшемся окне параметров задать марку в имени модели. Эту марку можно выбрать из предложенного в подокне списка. Если в списке ничего нет, можно задать имя модели произвольно и тогда в окне проявятся до этого еле видные параметры компоненты, предусмотренные разработчиками на этот крайний случай. 26

Выбрав тип NPN, ткнем курсором в первую марку транзистора и нажмем Plot. Двигаясь по списку, выберем, например, отечественный транзистор КТ608B с достаточно пригожим графиком. Производителя определяем по имени библиотеки размещения модели транзистора, в данном случае это R-NPN.Lib. На рис. 5.1 изображено все сразу, о чем тут было сказано. 26

27

Рис. 5.1. Транзистор КТ608В. Панель поиска компонент, значок NPN-транзистора, окно его параметров и графики его выходных характеристик. 27

27

Рис. 5.2. PNP-транзистор КТ363А. То же, что на рис. 5.1. 27

Но если ткнуть в GaAsFET-транзистор на панели поиска компонент и попробовать вставить его значок в файл схемы, то обнаружится, что никаких моделей транзисторов этого типа разработчики программы Micro-Cap не заготовили. Правда, в окне параметров просматриваются еле видные следы параметров какого-то тразистора. Если набрать в поле имени модели (MODEL=) любой символ, то параметры проявятся. Вероятно это примерные параметры транзисторов этого типа. Где искать настоящий транзистор типа GaAsFET? В Help>Sample Ciruits>Active Components видим 6 заголовков, первый из которых как раз нам подходит: Use of the GaAsFet component. Щелкнув по нему, получаем файл GASFET.cir из каталога DATA, предназначенный для тестирования арсенидо-галлиевых транзисторов. Простая, но не предельно простая схема из этого файла, очевидно, подойдет для тестирования любого транзистора, но, конечно, может потребоваться ее слегка модифицировать, изменить параметры содержащихся в ней компонент, набор графиков и т. п. Кстати, на схеме написано (рис. 5.3), что с ней нужно сделать, чтобы осуществить тестирование транзистора, а сделав указанное, мы узнаем, в чем состоит само тестирование. 27

28

Рис. 5.3. Схема тестирования транзистора. 28

Откуда же взялся здесь транзистор B1? Выясняется (например, если попробовать его перенести из этой схемы в любую другую), что его модель содержится прямо в этой схеме, в разделе Text на языке Spice: .MODEL G1 GASFET (BETA=1e-3 VTO=-1 LAMBDA=0.001 CGS=6F CGD=1F VBI=1.5); там же имеется и модель источника ЭДС V2: .MODEL HA SIN (A=0.1 F=100Meg). Имена G1 и HA на схеме не показаны, но они обнаруживаются в окнах параметров этих приборов. Отсюда следует, что и в этой схеме транзистор, вероятно, не настоящий, его параметры как-то придуманы. Достижением можно считать то, что мы теперь умеем ввести в Micro-Cap-схему транзистор, параметры которого на языке Spice нам известны. 28

Покопавшись в User’s Guide можно найти файл IVBJT.cir с более простой схемой и, естественно, с меньшим числом возможностей для тестирования транзисторов. 29

29

Рис. 5.4. Схема тестирования биполярного транзистора. 29

Вопросы и задачи. 29

1. Проделайте все описанные в этом разделе операции с транзисторами КТ399А и КТ208К, исправьте их малопригожие графики выходных характеристик и вставьте в отчет в программе Word. 29

6. Полевой транзистор. 29

Вопросы и задачи. 29

1. Проделайте описанные в 5-ом разделе операции с полевыми транзисторами 2Р327А, 2Р310А, 2Р301А, 2Р703В и составьте отчет в программе Word из их выходных характеристик. 29

2. Используйте схему MOSCAPS.cir для тестирования транзисторов 2Р327А, 2Р310А, 2Р301А, 2Р703В. Составьте отчет. 29

7. Усилительные каскады с общим эмиттером. 29

Схему можно срисовать из пособий [1,2], но можно воспользоваться каталогом Book-cir.rar, который лежит в Интернете, и в котором можно найти более подробно оформленные схемы из папки DATA, а также еще несколько схем, полезных в учебном процессе. Схемы, как и в пакете Micro-Cap, сопровождаются настройками меню анализов, которые нам остается только слегка деформировать под собственные нужды. Нужная здесь схема легко находится по имени: Усилитель_ОЭ.CIR. 29

30

Рис. 7.1. Усилитель с общим эмиттером. 30

На рисунке схемы присутствует далеко не вся информация о ней; несколько моделей ее компонент записаны на странице Text; настройки анализов вставлены прямо в меню. Следуя указанию на рисунке, проведем анализ переходного процесса, подправив параметры для удобства созерцания в отчете: 30

30

Рис. 7.2. Transient анализ. 30

С графиков можно снять (средствами Micro-Cap) экстремальные значения напряжений на входе и на выходе: поделив их найдем коэффициент усиления: 30

Однако, духу пакета Micro-Cap более соответствует построение графика коэффициента усиления как функции времени, которая равна в модели Micro-Cap этого графика, естественно, нет. Строить график этой функции приходится на участках последовательных запусков, выбрав возможность Retrace в окне State variables настройки параметров анализа. Дело в том, что в Micro-Cap не предусмотрено вычисление экстремальных значений функций на заданных отрезках оси абсцисс. К счастью, функция вычисляет максимум функции на каждом последовательном отрезке запуска анализа в режиме Retrace, кстати, последовательные запуски анализа с места остановки противоречит смыслу слова Retrace; его перевели как перезапуск, что правильно, но происходит не перезапуск построения графиков, а их продолжение, хотя некоторые функции на новом отрезке продолжения строятся отдельно от предыдущего. Это позволяет найти настоящий коэффициент усиления, то есть, снять его с участка установившейся работы. Но интересно посмотреть и на поведение этой величины вначале. 31

31

Рис. 7.3. График коэффициента усиления. Начало. 31

32

Рис. 7.4. . График коэффициента усиления. Отрезок установившегося режима. 32

Находясь в среде Micro-Cap, можно легко снять с графиков точные значения коэффициента усиления: максимальное на начальном отрезке и на отрезке стабилизации . Переносить куда-либо, например, хоть вот в этот текст, их приходится руками; в частности, нельзя просто программно использовать значения вычисленных функций в понравившихся нам точках. Сложно это можно сделать с помощью файлов численного вывода, куда помещаются заказанные графики функций целиком. 32

К двум графикам, предложенным неизвестным автором усилителя приложим график коэффициента усиления здесь он вычисляется по более простой формуле. 32

33

Рис. 7.5. AC анализ. 33

Понятно, что первый из графиков на этом рисунке тоже коэффициент усиления, но измеренный в децибелах. Мы видим, что этот усилитель стабильно работает с максимальным коэффициентом усиления на отрезке частот от 10К до 10MEG. 33

В окне анализа переходных процессов предложено еще два графика: 33

33

Рис. 7.6. Графики спектралього анализа. 33

Функция вычисляет амплитудные значения гармоник, а функция — коэффициент гармоник спектра . Подробности можно узнать в «Руководстве пользователя». 33

Вопросы и задачи. 34

1) Повторить процедуры анализов и получить идентичные авторским графические и численные результаты. 34

2) Найти в Help’е и описать функции и 34

3) Настроить схему усилителя US-BJT_ОЭ_Настройка.CIR. Установить правильно точку покоя и вычислить коэффициенты усиления до настройки и после. 34

8. Усилительные каскады с общим коллектором. 34

Поскольку в библиотеке пакета Micro-Cap нет схемы усилителя с общим коллектором, построим ее путем исправления схемы с общим эмиттером. 34

34

Рис. 8.1. Усилитель с общим коллектором. 34

Лишний резистор R3 играет роль изолятора, его приходится вставлять, поскольку программа не выносит изоляции узла 5 от земли. Результат анализа переходных процессов показывает, что коэффициент усиления по напряжению этого усилителя близок к 1. Изменяя резисторы движками можно добиться лишь приближения его к 1 снизу, но нельзя сделать большим 1, в полном соотвествии с теорией [1] и с его псевдонимом — эмиттерный повторитель. 34

35

Рис. 8.2. Анализ переходных процессов. Напряжения. 35

По току и, следовательно, по мощности усиление происходит. Иначе он бы не назывался усилителем. Уменьшая сопротивление нагрузки, мы уменьшаем усиление по напряжению и по току с 450 до 250, что иллюстрирует следующий рисунок. Усиленный ток имеет постоянное смещение. 35

35

Рис. 8.3. Анализ переходных процессов. Токи. 35

Графики частотного анализа (рис. 8.4) показывают, что усилитель работает стабильно на частотах до 1 Мгц. Несоответствие результатов с анализом переходных процессов возникает из-за того, что программа изменяет параметры схемы по своим правилам, установленным для анализа схемы по переменному току на малом сигнале. 35

36

Рис. 8.4. Частотный анализ. 36

Вопросы и задачи. 36

1) Повторите процедуры анализов и получите идентичные авторским графические и численные результаты. 36

2) Исследуйте эволюцию графиков частотного анализа при уменьшении нагрузки до нуля. Следите при этом за поведением напряжений на входе и выходе схемы. 36

9. Усилительные каскады с общей базой. 36

Готовую схему усилителя с общей базой можно найти в Интернете в файле book-cir, к которому апеллируют авторы пособия [3]. Саму схему, конечно, можно найти в учебниках [1,2], но автор или авторы этой схемы уже подобрали характеристики компонент так, чтобы усилитель в самом деле усиливал, а если схему взять из учебника, придется это делать самостоятельно. 36

37

Рис. 9.1. Усилитель с общей базой. 37

Усиление по напряжению можно видеть на графиках напряжений входа и выхода. 37

37

Рис. 9.2. Графики в зависимости от входного сигнала. 37

Коэффициент примерно равен 60. Новое в анализе этого каскада это многовариантность. Построены графики при четырех значениях ЭДС V2, от 0.01 до 0.08 с логарифмическим шагом 2. В глаза бросается значительно большее искажение входного сигнала по сравнению с усилителем с общим эмиттером. 38

Графики частотного анализа магистры изучают самостоятельно. 38

38

Рис. 9.2. Частотный анализ. 38

Вопросы и задачи. 38

1) Повторить процедуры анализов и получить идентичные авторским графические и численные результаты. 38

2) Как работает логарифмический шаг и что это такое? 38

3) Как запустить многовариантный анализ и как установить в нем число и параметры вариантов? 38

4) По какой переменной варьируются графики частотного анализа? 38

5) Как появились надписи на кривых со значениями варьируемой переменной? Как их убрать? 38

10. Усилители мощности. 38

Построим усилитель мощности из усилителя с общим эмиттером (Рис. 7.1), следуя тексту пособия [1]. Трансформатор лучше собрать из трех частей, а не использовать готовую компоненту (Transformer). Параметры всех компонент остались теми же что в усилителе с общим эмиттером, кроме сопротивления нагрузки Rn, которое взято наугад равным 10 Ом. 38

39

Рис. 10.1. Усилитель мощности. 39

Движками параметров трансформатора в Анализе переходных процессов добиваемся наибольшей величины пика суммарной мощности на нагрузке и обмотках трансформатора. На графике видим, что она равна 339.225m Вт. Можно убедиться, что при этих параметрах достигается и максимум мощности на нагрузке (136m). 39

39

Рис. 10.2. Максимальная мощность. 40

Если эту нагрузку вставить без трансформатора, то ее мощность будет равна 26.428m. Изменяя нагрузку движком, можно получить максимальную мощность (340.116m Вт) на ней в точке 136.444 Ом. Так как числа 340.116 и 339.225 совпадают в рамках принятой в Micro-Cap точности расчетов, то модель усилителя мощности согласуется с теорией [1]. Следовательно, выходное сопротивление усилителя равно 136.444 Ом. 40

Вопросы и задачи. 40

1) Повторить процедуры анализов и получить идентичные авторским графические и численные результаты. 40

2) Почему трансформатор лучше собрать из трех частей? 40

3) Убедиться, что максимум суммарной мощности на трансформаторе и нагрузке и максимум мощности на нагрузке достигаются при одних и тех же параметрах трансформатора. 40

4) Почему выходное сопротивление усилителя равно экстремальному сопротивлению нагрузки? 40

11. Усилители напряжения. 40

Если, следуя [1], собрать двухкаскадный усилитель напряжения из двух усилителей с общим эмиттером, то получится сильное искажение входного сигнала. Дело в том, что амплитуда входного сигнала усилителя из параграфа 7 находится вблизи правой границы рабочей области, расположенной на отрезке [50p,43m]. Коэффициент усиления примерно равен 80. Стоит уменьшить входной сигнал, например, взять его равным 50p, и усилитель заработает с коэффициентом 2400 ÷ 2160 по амплитуде напряжения в рабочей области [50p,1.3m] вольт. 40

41

Рис. 11.1. Двухкаскадный усилитель напряжения. 41

41

Рис. 11.1. Его усиление напряжения. 41

Вопросы и задачи. 41

1) Повторите процедуры анализов и получите идентичные авторским графические и численные результаты. 41

2) Соберите трехкаскадный усилитель напряжения. 41

3) Выясните, как влияют на границы рабочих областей усилителей величины сопротивлений и конденсаторов. 41

4) Соберите двух и трехкаскадные эмиттерные повторители и проведите их анализ. 41

12. Усилители постоянного тока. 41

Однокаскадную схему этого усилителя автору пришлось сочинять самостоятельно. 41

42

Рис. 12.1. Однокаскадный усилитель постоянного тока. 42

Чтобы это сделать, нужно отключить источник сигнала и, задав батареи V1, V2 и резистор нагрузки Rn, последовательно изменяя движками остальные пять резисторов, получить близкие к нулю потенциалы узлов 3 и 5. Транзистор и батарея V1 взяты со схемы Рис. 7.1. Резистор R5 фиктивен, его назначение — измерять ток базы для показа на графике. После этого подключается источник очень медленно меняющегося напряжения и движком его амплитуды устанавливаются границы рабочей зоны усилителя, показанные на рисунке как ограничители движка. 42

42

Рис. 12.2. Графики усиления. 42

В границах полученной рабочей зоны, где сигнал почти не искажается, коэффициент усиления слабо колышется около значения 3.5. При уменьшении сигнала за пределы нижнего ограничителя теряется симметрия относительно нуля входного и выходного сигнала. Вероятно, это связано с наличием внутреннего сопротивления источника и с неточностью установки нулей на входе и выходе. 43

Схему двухкаскадного усилителя постоянного тока возьмем из пособия [1]. Транзисторы в нее снова вставим из схемы Рис. 7.1. Амплитуду генератора усиленного напряжения V1 чуть увеличим, а амплитуду компенсирующего источника приходится выбирать в процессе настройки усилителя. Сначала настраивается первый каскад, второй от него отсоединяется. Коэффициент усиления получается примерно 10. При настройке первого каскада выявляется дефект программы, который можно нейтрализовать фиктивным сопротивлением R7. После настройки первого каскада к нему подсоединяется второй с величинами сопротивлений, подобными соответствующим сопротивлениям из первого каскада. Настроить двухкаскадный усилитель после этого удается вариацией только параметров второго каскада. С рисунка схемы величины сопротивлений стерты, чтобы озадачить магистров. 43

43

Рис. 12.3. Двухкаскадный усилитель постоянного тока. 43

На графике снова рабочая зона источника задается ограничителями движка. Напряжение, очевидно, на первом каскаде усиливается примерно в 10 раз, на втором еще в 6, итого — 60. 43

44

Рис. 12.4. Его графики усиления. 44

Вопросы и задачи. 44

1) Повторите процедуры анализов и получите идентичные авторским графические и численные результаты. 44

2) Проверьте предположение, относящееся к однокаскадному усилителю. 44

3) Повторите построение для схемы однокаскадного усилителя с исходными данными (по вариантам): Амплитуду , если необходимо, разрешается изменить. 44

4) Убедитесь, что усилители работают в границах рабочей области транзистора, которые можно увидеть на графиках в окне его параметров. 44

5) Пользуясь указаниями в тексте спроектируйте усилитель рис. 12.3 по вариантам: 44

6) Найдите и укажите на графиках выходных характеристик транзисторов параметры точек покоя усилителей (). 44

13. Оптимизация параметров схем. 45

Овладеем средствами оптимизации на примере схемы двухкаскадного усилителя постоянного тока. Сначала оптимизируем первый каскад. 45

45

Рис. 13.1. Первый каскад. 45

При амплитуде источника 10m в коэффициент усиления равен 14.5. Рабочая зона входного сигнала: 8m ÷30m в. 45

45

Рис. 13.2. Первый каскад. Графики. 45

Оптимизируемый параметр здесь — разность значений в двух соседних экстремальных точках усиленного сигнала. Он зависит от параметров компонент цепи, численные значения которых на рисунке схемы не указаны на схеме. Это параметры компонент R1, R2, R4, Re, Rk, V3. Порядок оптимизации может быть следующим. Сначала параметры выбираются как-нибудь. Затем четыре из них включаются в процедуру оптимизации. При проведении оптимизации границы возможных значений оптимизирующих параметров лучше расширять постепенно, следя за тем, чтобы изменения происходили в нужную сторону. После каждого цикла оптизации приходится движком подходящей компоненты возвращать графику усиленного напряжения симметрию относительно нуля, потерянную в цикле оптимизации. 46

Вопросы и задачи. 46

1) Повторить процедуры анализов и получить идентичные авторским графические и численные результаты. 46

2) Написать формулу вычисления указанного оптимизируемого параметра. 46

3) Можно ли достичь симметрии усиленного сигнала относительно нуля вставкой конденсатора на выходе? 46

14. Операционные усилители. 46

Вопросы и задачи. 46

4) Повторить процедуры анализов и получить идентичные авторским графические и численные результаты. 46

15. Автогенераторы синусоидальных колебаний. 46

Вопросы и задачи. 46

1) Повторить процедуры анализов и получить идентичные авторским графические и численные результаты. 46

16. Импульсные генераторы. 46

Вопросы и задачи. 46

1) Повторить процедуры анализов и получить идентичные авторским графические и численные результаты. 46

17. Цифровые устройства. 47

Вопросы и задачи. 47

1) Повторить процедуры анализов и получить идентичные авторским графические и численные результаты. 47

18. Антенны. 47

17.1. Пакет программ MMANA. 47

17.2. Симметричный электрический вибратор. 47

17.3 Штыревая наружная антенна для автотранспортных средств. 47

17.4 Моделирование кузова автомобиля в качестве антенны. 47

Вопросы и задачи. 47

2) Повторить процедуры анализов и получить идентичные авторским графические и численные результаты. 47

19. Сокращения. 47

47

47

Буквой u в программе Micro-Cap обозначают греческую букву µ, чтобы не иметь дела с греческим алфавитом. На осях графиков пишут M вместо MEG, но не следует в других местах заменять MEG на M. 47

db, DB — децибел, значение определяется как функция комплексной переменной 47

Литература. 47