Файл: Расчет и моделирование генератора с внешним возбуждением. Часть 1.pdf

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
(национальный исследовательский университет)»
ФАКУЛЬТЕТ «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА» (РЛ)
КАФЕДРА «РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА» (РЛ1)
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к домашнему заданию №1 по курсу «Устройства генерирования и формирования сигналов» на тему:
«Расчет и моделирование генератора с внешним возбуждением. Часть 1»
ВЫПОЛНИЛ:
студент группы
РЛ1-81
Масляев П. А.
«___»___________ 20____ г.
ПРОВЕРИЛ: к.т.н., доцент кафедры
«Радиоэлектронные системы и устройства»
Родин М. В.
«___»___________ 20____ г.
Москва, 2022

2
РЕФЕРАТ
Расчётно-пояснительная записка содержит: 36 страниц, 40 рисунков,
6 таблиц, 1 приложение. В результате расчётов и моделирования был разработан усилитель на базе полевого транзистора IRF540.

3
СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ .............................................. 4
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 5 1 Исходные данные, выбор сопротивления нагрузки ........................................ 6 2 Построение схемы усилителя с общим истоком в “Microcap”, исследование проходной и выходной характеристики, выбор рабочей точки ......................... 7 3 Моделирование работы усилителя .................................................................. 10 4 Теоретический расчёт мощности усилителя .................................................. 13 5 Исследование характеристик усилителя при разных нагрузках .................. 15 6 Расчёт колебательного контура ....................................................................... 18 7 Исследование характеристик усилителя с колебательным контуром при разных нагрузках ................................................................................................... 19 8 Моделирование работы усилителя с колебательнм контуром ..................... 22 9 Исследование динамических характеристик усилителя с колебательным контуром при различных нагрузках .................................................................... 24 10 Исследование динамических характеристик усилителя с расстроенным контуром 27 11 Исследование характеристик усилителя при разных углах отсечки ......... 28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 35
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Принципиальная электрическая схема усилителя мощности с колебательным контуром ................................................................ 36

4
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
ВАХ – вольт - амперная характеристика
ГП – генераторный прибор
КНИ – коэффициент нелинейных искажений
САПР – средство автоматизированного проектирования

5
ВВЕДЕНИЕ
В этом домашнем задании проводится разработка усилителя сигнала на базе полевого транзистора IRF540. Моделирование работы устройства происходит в средстве автоматизированного проектирования (САПР) “Micro-
Cap”, математические расчёты делаются в программе “Mathcad”.

6 1
ИСХОДНЫЕ
ДАННЫЕ,
ВЫБОР
СОПРОТИВЛЕНИЯ
НАГРУЗКИ
Сопротивление нагрузки находится по формуле (1) с помощью данных из таблицы 1.
R
н
=
V
DSmax
I
DSmax
=
100 20
=5 Ом.
(1)
Для того, чтобы не допускать работу транзистора в предельном режиме и для упрощения расчётов, I
DSmax решено было взять 20 А.
Таблица 1 – Характеристики транзистора
Наименование транзистора
IRF540
Канал
N - канальный
Предельное напряжение сток - исток,
V
DSmax
100 В
Предельный ток стока, I
DSmax
22 А
Предельное напряжение затвор - исток, V
GSmax
± 20 В

7 2
ПОСТРОЕНИЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ С ОБЩИМ ИСТОКОМ В
“MICROCAP”,
ИССЛЕДОВАНИЕ
ПРОХОДНОЙ
И
ВЫХОДНОЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВЫБОР РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
На рисунке 1 изображена схема, построенная в программе Micro-Cap.
Рисунок 1 – Схема усилителя в программе “Micro-Cap”
Получив выходную, изображённую на рисунке 3, и проходную, изображённую на рисунке 2, характеристики можно выбрать рабочую точку усилителя. Так как этот усилитель работает в классе А, то выбирается рабочая точка в середине линейного участка вольт – амперной характеристики (ВАХ).
Для установки рабочей точки необходимо настроить постоянную составляющую входного сигнала, в данном случае оптимальна величина в 4 В.

8
Рисунок 2 – Проходная характеристика
Рисунок 3 – Выходная характеристика

9
В классе работы А коэффициент нелинейных искажений (КНИ) не должен превышать 20%. Разрабатываемый усилитель выполняет это условие.
КНИ не превышает 8%, что прослеживается на рисунке 4.
Рисунок 4 – График коэффициента нелинейных искажений

10 3
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ
С помощью временного анализа получаются следующие осциллограммы, изображённые на рисунках 5 - 8.
Рисунок 5 – Напряжение затвор – исток
Рисунок 6 – Напряжение сток – исток
Рисунок 7 – Напряжение на нагрузке

11
Рисунок 8 – Ток стока
Также получается мощностной спектр на нагрузке, изображённый на рисунке 9.
Рисунок 9 – Мощность на нагрузке
После измерения мощности, рассеиваемой на генераторном приборе
(ГП), происходит проверка соблюдения баланса мощностей. Как видно из рисунка 10, сумма рассеянных мощностей на транзисторе нагрузке равна сгенерированной мощности на источнике питания, из этого следует, что баланс мощностей соблюдается.

12
Рисунок 10 – Мощности в схеме усилителя

13 4
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ МОЩНОСТИ УСИЛИТЕЛЯ
Из осциллограмм берутся следующие данные, которые показаны в таблице 2, и делается теоретический расчёт мощности и коэффициента полезного действия (КПД) в формулах 2-7.
Таблица 2 - Данные для теоретического расчёта
Обозначение
Название величины
Значение величины
U
DC
Постоянная составляющая напряжения в нагрузке
11,4 В
I
DC
Постоянная составляющая тока в нагрузке
2,3 А
R
Н
Сопротивление нагрузки
5 Ом
U
peak
Пиковое значение напряжения нагрузки
12,3 В
I
peak
Пиковое значение тока нагрузки
2,5 А
I
D
Постоянная составляющая тока стока
2,3 А
U
DS
Постоянная составляющая напряжения сток - исток
12,6 В
При расчётах в формулах (4), (5) используются значения постоянных составляющих, так как переменные составляющие малы, и ими можно пренебречь.
- Мощность нулевой гармоники в нагрузке:
P
DC
=U
DC
∙I
DC
=26,22 Вт.
(2)
- Пиковая мощность в нагрузке:
P
peak
=U
peak
∙I
peak
=30,75 Вт.
(3)
- Мощность первой гармоники в нагрузке:
P
1
=P
peak
-P
DC
=4,51 Вт.
(4)

14
- Мощность, рассеиваемая на ГП:
P
ГП
=U
DS
∙I
D
=28,67 Вт.
(5)
- Мощность, потребляемая от источника питания:
P
sum
=P
peak
+P
ГП
=59,42 Вт.
(6)
- КПД:
η=
P
peak
P
sum
∙100%=51,76%.
(7)
Для того, чтобы оценить правильность расчётов, проводится их сравнение со значениями, полученными в “Micro-Сap” (таблица 3).
Таблица 3 - Сравнение рассчитанного значения полной рассеиваемой мощности в нагрузке, со значениями, поученными в “Micro-Cap”
Величина
Рассчитанное значение Значение в “Micro-Cap”
P
peak
30,75 Вт
29,73 Вт
Расчёты, практически совпадают, поэтому делается вывод, что они справедливые. Незначительные расхождения можно списать на погрешность ручных вычислений, вычислений “Micro-Сap”, графиков.

15 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЯ ПРИ
РАЗНЫХ НАГРУЗКАХ
При величинах нагрузки от 0 до 2R
Н
построены следующие зависимости, изображённые на рисунках 12 - 15.
Рисунок 11 – Зависимость мощности первой гармоники от нагрузки
Рисунок 12 – Зависимость средней мощности, потребляемой от питания, от нагрузки

16
Рисунок 13 – Завмсмость средней мощности, рассеиваемой на ГП от нагрузки
Рисунок 14 – Зависимость КПД от нагрузки

17
Рисунок 15 – Зависимость динамических характеристик усилителя от нагрузки

18 6
РАСЧЁТ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА
Расчёт резонансной частоты колебательного контура, равной f вх
, производится по формуле (8). f
рез
=
1 2π√LC
(8)
Произвольно из ряда E6 берётся ёмкость C = 330 нФ.
Выражается L из формулы (8) и получается следующее выражение, указанное в формуле (9).
L=
1 4π
2
Cf
2
=12 мкГн.
(9)
12 мкГн есть в ряде ЕС24.
Волновое сопротивление найдём по формуле (10).
ρ=√
L
C
≈193 Ом.
(10)
Волновое сопротивление удовлетворяет условию (100…200 Ом).

19 7
ИССЛЕДОВАНИЕ
ХАРАКТЕРИСТИК
УСИЛИТЕЛЯ
С
КОЛЕБАТЕЛЬНЫМ КОНТУРОМ ПРИ РАЗНЫХ НАГРУЗКАХ
Зависимости характеристик усилителя от нагрузки изображены на рисунках 16 - 20.
Рисунок 16 – Зависимость мощности постоянной составляющей в схеме с колебательным контуром от нагрузки
Рисунок 17 – Зависимость мощности первой гармоники в схеме с колебательным контуром от нагрузки

20
Рисунок 18 – Средняя мощность, потребляемая от источника питания, в схеме с колебательным контуром
Рисунок 19 – Средняя мощность, рассеиваемая на ГП, в схеме с колебательным контуром

21
Рисунок 20 – КПД в схеме с колебательным контуром

22 8
МОДЕЛИРОВАНИЕ
РАБОТЫ
УСИЛИТЕЛЯ
С
КОЛЕБАТЕЛЬНМ КОНТУРОМ
Осциллограммы усилителя с колебательным контуром изображены на рисунках 21 - 24.
Рисунок 21 – Напряжение завтвор – исток в схеме с колебательным контуром
Рисунок 22 – Напряжение сток-исток в схеме с колебательным контуром
Рисунок 23 – Напряжение нагрузки в схеме с колебательным контуром

23
Рисунок 24 – Ток стока в схеме с колебательным контуром

24 9
ИССЛЕДОВАНИЕ
ДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК
УСИЛИТЕЛЯ С КОЛЕБАТЕЛЬНЫМ КОНТУРОМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ
НАГРУЗКАХ
Исследование динамических характеристик усилителя при различных нагрузках происходит на рисунках 25 - 29.
Рисунок 25 – Динамическая характеристика усилителя с колебательным контуром при R
Н
=0
Рисунок 26 – Динамическая характеристика усилителя с колебательным контуром при R
Н
=5 Ом

25
Рисунок 27 – Динамическая характеристика усилителя с колебательным контуром при R
Н
=10 Ом
Рисунок 28 – Динамическая характеристика усилителя с колебательным контуром при R
Н
=15 Ом

26
Рисунок 29 – Динамическая характеристика усилителя с колебательным контуром при R
Н
=20 Ом

27 10
ИССЛЕДОВАНИЕ
ДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК
УСИЛИТЕЛЯ С РАССТРОЕННЫМ КОНТУРОМ
Исследование динамических характеристик усилителя с расстроенным колебательным контуром при ????
Н
= 10 Ом, когда f=1,1f вх и f=0,9f вх изображено на рисунках 30, 31.
Рисунок 30 – Динамические характеристики усилителя с растроенным колебательным контуром при f=0,9f вх
Рисунок 31 – Динамические характеристики усилителя с растроенным колебательным контуром при f=1,1f вх

28 11
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЯ ПРИ
РАЗНЫХ УГЛАХ ОТСЕЧКИ
Для исследования характеристик при разных углах отсечки данные берутся из таблицы 4.
Таблица 4 – Данные для расчёта крутизны ВАХ
Наименование величины
Размер величины
Обозначение
Минимальное напряжение затвор – исток на прямолинейном участке проходной ВАХ
3,7 В.
Uзи min
Максимальное напряжение затвор – исток на прямолинейном участке проходной ВАХ
4,4 В.
Uзи max
Минимальный ток стока на прямолинейном участке проходной ВАХ
1,13 А
Ic min
Максимальный ток стока на прямолинейном участке проходной ВАХ
4,5 А
Ic max
Крутизна ВАХ рассчитывается по формуле (11).
S=
Ic max
-Ic min
Uзи max
-Uзи min
=4,814.
(11)
После того, как стала известна величина крутизны ВАХ, находятся соответствия амплитуды входного сигнала ????
????
и напряжения смещения
????
см углам отсечки θ при входном напряжении E
вх
= 4 В с помощью формул 12 -
14. Результаты расчётов по этим формулам изложены в таблице 5. cos(θ) =
E
вх
-E
см
U
m
(12)
U
m
=
Ic max
S(1- cos(θ) )
(13)
E
см
=E
вх
-U
m cos(θ).
(14)

29
Таблица 5 – Соответствия амплитуды входного U
m сигнала и
E
см углам отсечки θ
Угол отсечки θ, град.
Амплитуда входного сигнал, U
m
, В.
Величина напряжения смещения E
см
, В.
30 7
-2 40 4
0,9 50 2,6 2,3 60 1,9 3
70 1,4 3,5 80 1,1 3,8 90 0,9 4
100 0,7 4,1 110 0,7 4,2 120 0,6 4,3 130 0,56 4,3 140 0,53 4,4 150 0,5 4,4 160 0,48 4,5 170 0,5 4,5 180 0,47 4,46

30
Подставив значения из таблицы 5 в программу “Micro-Сap” в режиме
“Stepping”, получаются следующие осциллограммы, изображённые на рисунках 32, 33.
Рисунок 32 – Напряжение затвор – исток для разных углов отсечки
Рисунок 33 – Ток стока для разных углов отсечки
Получив значения из графиков через “Numeric output” в программе
“Mathcad” строятся зависимости амплитуд гармоник, мощностей, КПД от угла отсечки (рисунки 34 - 38).

31
Рисунок 34 – Мощность первой гармоники в нагрузке для разных углов отсечки
Рисунок 35 – Средняя мощность, потребляемая от источника питания для разных углов отссечки

32
Рисунок 36 – Средняя мощность, рассеиваемая на ГП для разных углов отсечки
Рисунок 37 – КПД для разных углов отсечки

33
Рисунок 38 – Амплитуды гармоник тока для разных углов отсечки
Для того, чтобы установить угол отсечки θ, при котором мощность в нагрузке максимальна, строится график зависимости мощности в нагрузке от угла отсечки (рис.39).