Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
МОДЕЛЮВАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ПІДСИЛЮВАЧА ПОТУЖНОСТІ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології
Факультет:
Інформаційна безпека
Кафедра:
Кафедра захисту інформації
Інформація про роботу
Рік:
2008
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Методи та засоби технічного захисту інформаціЇ
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
МОДЕЛЮВАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ПІДСИЛЮВАЧА ПОТУЖНОСТІ
Інструкція до лабораторної роботи № 4
з навчальної дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка”
для студентів базового напряму 6.0914
«Інформаційна безпека», «Безпека інформаційних і комунікаційних систем», «Системи технічного захисту інформації», «Управління інформаційною безпекою»
Затверджено
на засіданні кафедри
Захист інформації
Протокол № від 2008 р.
Львів – 2008
Моделювання та дослідження підсилювача потужності: Інструкція до лабораторної роботи №4 з дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка” / Укл.: Кеньо Г.В., Собчук І.С. , Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2008. с.
Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц., Собчук І.С., к.ф.-м.н., доц.
Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф.
Рецензенти:
МЕТА РОБОТИ
Ознайомитися з основними параметрами і характеристиками підсилювача потужності(ПП). Отримати амплітудно-частотні характеристики, визначити коефіцієнти підсилення по напрузі і потужності. Виявити вплив зміни опору навантаження на коефіцієнт підсилення по потужності.
ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП
Вихідний каскад підсилювача призначений для віддачі заданої величини потужності сигналу у задане навантаження. У порівнянні з каскадами попереднього підсилення вихідні каскади мають низку особливостей.
Вихідні каскади споживають від джерел живлення значно більшу потужність, тому їх коефіцієнт корисної дії повинен бути достатньо високим. Для виділення у навантаженні заданої потужності на вхід каскаду потужного підсилення подається велика амплітуда сигналу, яка захоплює значну область характеристик транзистора. Тому збільшення потужності, що розвивається підсилювачем у навантаженні, супроводжується зростанням нелінійних спотворень.
Величина максимальної неспотвореної потужності та к.к.д. кінцевого каскаду залежить від типу транзистора, режиму його роботи і схеми каскаду. При невеликій вихідній потужності (від міліват до десятих часток вата) використовуються ті ж транзистори, що і в попередніх каскадах.
Для отримання середньої та великої потужності (одиниці – десятки ват та більше) використовуються спеціальні потужні транзистори.
Підсилювачі потужності бувають однотактними та двотактними. В ідеальному випадку двотактна схема являє собою сукупність двох ідентичних однотактних схем, які працюють почергово на одне навантаження. Однотактні підсилювачі частіше використовують за малих вихідних потужностей. Зазвичай в однотактній схемі транзистор працює у режимі А, у двотактній – у режимах АВ або В. Із цих варіантів двотактна схема є більш економною, що працює у режимі В. Підсилювачі потужності поділяються на трансформаторні та безтрансформаторні. Включення за схемою зі спільним колектором використовується в основному в безтрансформаторних підсилювачах потужності.
Незважаючи на те, що трансформаторам властиві незначні втрати енергії, і їх використання дає змогу оптимізувати умови роботи підсилювального елемента, за яких забезпечується необхідна вихідна потужність, високий к.к.д і низький рівень нелінійних спотворень, вони порівняно рідко застосовуються в транзисторних схемах, а особливо в аналогових мікросхемах, оскільки їх використання веде до збільшення габаритів, маси і вартості підсилювача. Разом з тим, застосування в кінцевих каскадах глибокого зворотного зв’язку для покращення узгодження плечей транзисторних двотактних схем і підвищення їх лінійності привело до використання повторювачів напруги у вихідних каскадах, які практично витіснили трансформаторні підсилювачі потужності.
Безтрансформаторний двотактний каскад підсилення потужності з паралельним (несиметричним) виходом зображено на рис.1а. Такий каскад вимагає подання на вхід двох рівних за значенням напруг вхідного сигналу Uвх1 і Uвх2, які мають протилежні фази (двох парафазних вхідних сигналів). Живлення каскаду здійснюється від двох постійних напруг +EK/2 і -EK/2, які з’єднані послідовно. При позитивній півхвилі вхідної напруги Uвх1 відкривається транзистор VT1 і залишається закритим транзистор VT2. Струм іK1 під дією напруги джерела живлення +EK/2 протікає через відкритий транзистор VT1 і резистор навантаження RН. При від’ємній півхвилі вхідної напруги Uвх1 відкривається транзистор VT2 і закривається транзистор VT1. Струм іK2 під дією напруги джерела живлення -EK/2 протікає через відкритий транзистор VT2 і резистор навантаження RН. При симетрії схеми постійна складова струму не проходить через навантаження, оскільки середні значення струмів обох транзисторів рівні за значенням EMBED Equation.3 , але направлені в протилежні сторони. Одночасно змінні складові сигналу іK1 і іK2 проходять через навантаження в одному напрямку і додаються. Схема каскаду несиметрична, оскільки транзистор EMBED Equation.3 ввімкнений у схемі зі спільним колектором, а транзистор EMBED Equation.3 – зі спільним емітером.
EMBED Visio.Drawing.11
а) б)
Рис.1. Безтрансформаторний двотактний підсилювач потужності з несиметричним виходом з двома джерелами живлення (а) та з одним джерелом живлення (б)
Якщо необхідно використовувати одне джерело живлення, то застосовують схему каскаду підсилення потужності, в якій навантаження вмикають через розділювальний конденсатор Ср (рис.1б). У цій схемі постійна складова струму не проходить через навантаження і воно вмикається відносно спільної точки схеми. По відношенню до джерела живлення ЕK обидва транзистори увімкнені послідовно, а по відношенню до навантаження (або за змінним струмом) – паралельно. Як і в інших двотактних схемах, транзистори VT1 і VT2 працюють почергово. При позитивній півхвилі вхідної напруги відкривається транзистор VT1 і залишається закритим транзистор VT2. Струм іK1 під дією напруги джерела живлення протікає через відкритий транзистор VT1 і резистор навантаження RН, при цьому конденсатор Ср заряджається до UC=0,5EK. При від’ємній півхвилі вхідної напруги відкривається транзистор VT2 і закривається транзистор VT1. Джерело живлення EK виявляється відімкненим від двотактної схеми і заряджений конденсатор Ср розряджається по колу: відкритий транзистор VT2 – резистор навантаження RН. Оскільки виконати умову UC=0,5EK і UC=const при значному струмі навантаження є важко, то в таких схемах можуть виникати спотворення сигналу, що є однією з причин обмеженого їх використання.
Розглянуті каскади підсилення потужності можна спростити, якщо застосувати транзистори з однаковими параметрами, але з різним типами провідності (рис.2).
EMBED Visio.Drawing.11
(а ) (б)
Рис.2. Безтрансформаторний двотактний підсилювача потужності з додатковою симетрією (комплементарний повторювач напруги) з двома джерелами живлення в режимі В (а ) і в режимі АВ (б)
Такі схеми не вимагають фазоінверсного каскаду, оскільки при подаванні одного і того ж сигналу на бази обох транзисторів, струм колектора одного транзистора буде зростати, а другого зменшуватися, а схема буде працювати як двотактна, а в резисторі навантаження буде формуватись змінний сигнал. Оскільки транзистори ввімкнені у такій схемі зі спільним колектором, то такі каскади називають також комплементарними повторювачами напруги (бустерами струму).
На рис.2а зображена принципова схема найпростішого варіанту бустера струму в режимі В.
При Uвх=0 обидва транзистори закриті, а струм спокою дуже малий. При додатній полярності вхідного сигналу VT1 працює як емітерний повторювач, а VT2 – закритий. При від’ємній полярності вхідного сигналу VT1 закривається, а VT2 працює як емітерний повторювач. З відкритого стану у закритий транзистор проходить протягом певного проміжку часу, тому коли тривалість періоду сигналу менша від цього проміжку, то обидва транзистори будуть відкриті. В цьому випадку VT1 буде ще відкритий, а VT2 вже відкритий і через обидва відкриті транзистори буде проходити великий струм (наскрізний струм), який може їх зруйнувати. Для захисту транзисторів від цього наскрізного струму необхідно передбачити обмеження струму. Найпростіший спосіб обмеження цього струму – застосування в колах емітерів обмежуючих резисторів RЕ1 і RЕ2.
Каскади зі СК дуже добре підходять для їх використання в підсилювачах потужності. Вони мають великий вхідний опір, малий вихідний опір і малі коефіцієнти нелінійних спотворень. Всі ці переваги, а також малі частотні спотворення існують із-за 100%-ного послідовного ЗЗ за напругою. Коефіцієнт підсилення за напругою такої схеми близький до одиниці.
Основні параметри комплементарного повторювача напруги:
вхідний опір EMBED Equation.3 ; (1)
вихідний опір EMBED Equation.3 ; (2)
коефіцієнт підсилення за напругою
EMBED Equation.3 ; (3)
максимальна потужність на навантаженні EMBED Equation.3 ; (4)
коефіцієнт корисної дії каскаду:
EMBED Equation.3 . (5)
При встановленні навіть незначного струму спокою транзисторів їх опори і перехідні спотворення зменшуються. Схема комплементарного повторювача напруги, що працює в режимі АВ зображена на рис.2б.
Напруга зміщення знімається з діодів VD1 і VD2, які ввімкнені у прямому напрямку. Резистори R1 і R2 задають струм через діоди і відповідно напругу зміщення.
Для стабілізації струму спокою застосовують резистори RЕ1 і RЕ2, які вмикають в емітери транзисторів, що забезпечує від’ємний зворотний зв’язок за струмом. Збільшення значення цих резисторів приводить кращої стабілізації режиму, але оскільки вони ввімкнені послідовно з опором навантаження, то вони збільшують вихідний опір каскаду. Ці опори повинні бути значно менші від опору навантаження EMBED Equation.3
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
Синтизувати схему двотактного підсилювача потужності рис.3, за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8).
Подати на вхід підсилювача синусоїдальний сигнал з амплітудою 0,02В і частотою 1кГц. Провести аналіз перехідних процесів: отримати часові характеристики V(1), V(5), Іе(Q2), Іе(Q3), V(10), I(R5). Зробити висновок про форму та фазу отриманих сигналів.
Отримати амплітудно-частотні характеристики.
Визначити коефіцієнт підсилення по напрузі на основі отриманих АЧХ.
Визначити коефіцієнт підсилення по потужності та к.к.д.
Дослідити вплив пасивних елементів - R1 та R5 підсилювача (див. рис.3) на АЧХ та Кр. Зробити висновок.
Рис.3. Схема двотактного підсилювача потужності.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
В схемі рис.3. використані транзистори – Q1(BC337), Q2(BD135) n-p-n типу і Q3(BD136) p-n-p типу, а також діоди D1 і D2 типу 1N4148. Вибір транзисторів і діодів проводимо відриваючи вікно Компоненты. За допомогою інструментів Компоненты можна вибрати світові аналоги у розділі Analog Primitives /Active Devices(рис.4.).
Для забезпечення необхідних режимів роботи транзисторів використовуємо джерело живлення V2=18В.
Проведемо аналіз вхідних та вихідних характеристик для цього виберемо з меню команд Анализ/Переходные процессы. Задамо параметри аналізу , де діапазон часу – 0.01с(оскільки частота сигналу 1кГц, то на екрані буде відображено 10 коливань – 0.01*1000=10), по осі Х(XExpression) задаємо час Т, по осі Y(YExpression) задаємо номери вузлів у яких ми хочемо отримати значення величини сигналу (наприклад v(10) – вихідна напруга або ie(q3) – струм емітера транзистора Q3 див.рис.5.). Мінімальні та максимальні значення величин по осях X таY(XRange та YRange) при першому запуску рекомендується встановити Auto, оскільки нам невідомо верхня межа значень у заданих вузлах.
Рис.4. Вікно вибору типу транзистора або діодів.
Після натискання кнопки Запуск ми отримаємо на екрані віртуальні залежності напруги від часу в заданих вузлах схеми.
Якщо в меню команд вибрати Анализ/Частотные характеристики то отримаємо АЧХ досліджуваного підсилювача. Після
Рис.5. Вікно аналізу перехідних процесів.
вибору Частотные характеристики відкривається вікно у якому задаються параметри моделювання характеристик.
Діапазон частот – верхня 108 Гц і нижня 1 Гц межі, температура 27○ рис.6. По осі Х задаємо частоту, по осі Y: Ku=v(10)/v(1)(рис.3), а для визначення коефіцієнта підсилення по потужності Kр=v(10)*i(R5), максимальні та мінімальні значення – Auto.
Рис.6. Вікно розрахунку частотних характеристик.
Після натискання клавіші Запуск на екрані отримаємо осцилограми АЧХ досліджуваного підсилювача.
ЗМІСТ ЗВІТУ
Звіт про пророблену роботу повинен містити:
Точну назву і мету роботи.
Схему двотактного підсилювача потужності з короткою характеристикою елементів, які входять в неї.
Графіки залежностей V(1), V(5), Іе(Q2), Іе(Q3), V(10), I(R5) від часу.
Осцилограми АЧХ і коефіцієнти підсилення по напрузі і потужності.
Залежності коефіцієнтів підсилення по напрузі і потужності від пасивних елементів R1 і R5 .
Короткі висновки: які Ku і Kр досліджуваної схеми, про форму та фазу вихідних сигналів , вплив зміни R1 та R5 на роботу підсилювача і АЧХ.
Контрольні запитання та завдання
Що таке ПП?
Якого типу бувають ПП?
Чому трансформаторні ПП недоцільно використовувати в мікроелектроніці?
Як працює безтрасформаторний ПП з несиметричним виходом?
Що таке комплементарний повторювач напруги?
Намалюйте схему комплементарного повторювача напруги і поясніть його роботу.
Який коефіцієнт підсилення за напругою та потужністю в бестерах струму?
Поясніть як працює досліджувана схема і в якому режимі(А, В, АВ, С)?
Чому рівний к.к.д. ПП?
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
Разевиг В.Г. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6.- М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с., ил.
Кардашов Г.А. Виртуальная електроника. Компьютерное моделирование аналогових устройств.- М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 260 с., ил.
Бойко В.И. и др.. Схемотехника электронных систем. Аналоговые ы импульсные устройства.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004.-496 с., ил.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник / За ред. А.Г. Соскова - К.: Каравела, 2006. - 384 с.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб. / За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. - К.: Каравела, 2004. - 432 с.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора