Elektronika i Telekomunikacja
Semestr IV , grupa C
Mariusz Stasiński
Tomasz Trzybiński
Daniel Żukowski
Laboratorium z Analizy i Projektowania Komputerowego
Zadanie 4.
Modelowanie wzmacniacza szerokopasmowego.
Dla układu przedstawionego na rysunku wykonać :
1. Dobór napięcia zasilającego i rezystorów w układzie tak , aby wzmacniacz pracował w klasie A.
2. Analizę stałoprądową punktu pracy tranzystora.
3. Analizę wzmocnienia układu w funkcji częstotliwości.
4. Analizę przebiegów czasowych przy pobudzeniu układu sygnałem sinusoidalnym.
5. Analizę przebiegów czasowych na wyjściu układu , podając na wejście falę prostokątną.
Wartości elementów w układzie :
R1 = 120 kΩ
R2 = 6.4 kΩ
R3 = 1 kΩ
R4 = 5 kΩ
C1 = C2 = C3 = 100 nF.
Modelowany obwód jest typowym układem wzmacniającym z tranzystorem bipolarnym pracującym w konfiguracji wspólny emiter. Układ zawiera sprzężenie zwrotne dla prądu stałego , stabilizujące punkt pracy.
Wartość rezystora R0 ustaliliśmy na 35 kΩ. Układ ma wówczas największe wzmocnienie. Napięcie zasilające E1 wynosi 20 V.
Na rysunku 1 przedstawiona jest charakterystyka stałoprądowa Uc = f ( Ub ) dla różnych wartości rezystora R0 z zakresu 30 ... 40 kΩ. Jest to rodzina statycznych charakterystyk przejściowych tranzystora. Z założenia tranzystor powinien pracować w klasie A. Jak wynika z charakterystyk , można to uzyskać dla wszystkich analizowanych wartości. Jednak najbardziej korzystną wartością ze względu na wzmocnienie jest 35 kΩ.
Na rysunku 2 widnieje charakterystyka wzmocnienia układu w funkcji częstotliwości. Zakres optymalnej pracy układu obejmuje częstotliwości z zakresu około
500 kHz ... 5 MHz. Pasmo przenoszenia układu przy maksymalnym wzmocnieniu wynosi więc około 4.5 MHz. Wzmocnienie wynosi wtedy około 48 dB. Od strony niższych częstotliwości wzmocnienie układu ograniczają pojemności sprzęgające , które nie stanowią dla niższych harmonicznych dostatecznie dobrego zwarcia.
Natomiast w zakresie wyższych częstotliwości uaktywniają się pasożytnicze pojemności międzyzłączowe tranzystora.
Na rysunku 3 przedstawione są przebiegi czasowe na wejściu oraz wyjściu wzmacniacza przy podaniu na wejście fali sinusoidalnej. Widoczne jest odwracanie fazy sygnału przez układ. Jest to spowodowane konfiguracją pracy tranzystora - układ ze wspólnym emiterem.
Na rysunku 4 przedstawiony jest przebieg czasowy napięcia na wyjściu układu przy pobudzeniu go falą prostokątną o okresie około 4 ms. Jak wynika z wykresu , przebieg jest zniekształcony poprzez silne różniczkowanie sygnału. Sygnał prostokątny zawiera dużą ilość wyższych harmonicznych , które są tłumione przez układ. Powoduje to znaczne zniekształcenia , jakie obserwujemy na wyjściu.
Elektronika i Telekomunikacja
Semestr IV , grupa C
Mariusz Stasiński
Tomasz Trzybiński
Daniel Żukowski
Laboratorium z Analizy i Projektowania Komputerowego
Zadanie 3.
Modelowanie układów zasilających.
Dla układu przedstawionego na rysunku wykonać :
1. Analizę czasową prądu płynącego w diodach.
2. Analizę czasową napięcia na obciążeniu R0.
3. Dobór kondensatora filtrującego włączonego na wyjściu tak , aby tętnienia napięcia były jak najmniejsze.
4. Dobór cewki filtrującej tętnienia w obwodzie wyjściowym , przy jednoczesnym zmniejszeniu wartości uprzednio dobranego kondensatora.
Wartość rezystancji obciążającej układ wynosi 1 kΩ.
Modelowany układ jest klasycznym układem zasilającym. Składa się on z transformatora oraz diod tworzących mostek Graetza. Układ przetwarza napięcie przemienne na napięcie pulsujące lub stałe , zależnie od zastosowanych na wyjściu filtrów.
Rysunek 1 przedstawia wykresy czasowe napięcia podanego na wejście układu oraz napięcia odkładającego się na rezystancji obciążenia. Napięcie wejściowe jest sinusoidalną falą przemienną. Jak wynika z wykresu , wyjściowy sygnał jest wyprostowaną falą sinusoidalną. Prostowanie układu jest dwupołówkowe. Widać zmniejszenie amplitudy na wyjściu spowodowane spadkiem napięć na przewodzących diodach.
Na rysunku 2 przedstawiony jest przebieg prądu płynącego przez obciążenie. Jest to jednocześnie prąd płynący przez diody prostownicze. W każdej połówce napięcia zmiennego podanego na wejście mostka prąd płynie przez dwie diody.
Tętnienia przebiegu wyprostowanego są znaczne. Wiele urządzeń elektronicznych potrzebuje do poprawnej pracy napięcia zasilającego zbliżonego do stałego. W celu wygładzenia napięcia dostarczanego przez układ zasilający stosuje się filtry dolnoprzepustowe. Najczęściej jest to kondensator włączony równolegle do obciążenia o stosunkowo dużej pojemności. Im większy jest prąd pobierany przez obciążenie , tym większa powinna być pojemność kondensatora. Stosowanie dużych pojemności ma jednak pewną wadę , polegającą na tym , że w momencie włączania układu kondensator o dużej pojemności pobiera w stanie nieustalonym znaczny prąd.
Należy więc tak dobrać kondensator , aby tętnienia były jak najmniejsze , ale jednocześnie nie może on być zbyt duży , żeby niekorzystny impuls prądowy przy załączeniu był jak najmniejszy i najkrótszy. W naszym przykładzie ustaliliśmy pojemność 400 μF jako optymalną. Tętnienia na wyjściu są nieznaczne , a stan nieustalony trwa najkrócej. Przebieg napięcia wyjściowego po włączeniu tego kondensatora przedstawia rysunek 3.
W skład układów eliminujących tętnienia wchodzą również cewki , pełniące w tym wypadku rolę dławików. Zastosowanie dławika pozwala na zmniejszenie pojemności filtrującej. W modelowanym układzie zastosowaliśmy cewkę 100 μH. Następnie obniżyliśmy wartość kondensatora do 150 μF. Pomimo prawie czerokrotnego zmniejszenia pojemności , tętnienia na wyjściu wzrosły nieznacznie. Wykres napięcia na wyjściu układu , po zastosowaniu cewki i kondensatora przedstawia rysunek 4.
Elektronika i Telekomunikacja
Semestr IV , grupa C
Mariusz Stasiński
Tomasz Trzybiński
Daniel Żukowski
Laboratorium z Analizy i Projektowania Komputerowego
Zadanie 2.
Modelowanie filtru pasmowego.
Dla obwodu przedstawionego na rysunku wykonać :
1. Analizę zmiennoprądową AC (dobór zakresu częstotliwości ).
2. Analizę czasową napięcia na wyjściu układu , podając na jego wejście przebieg prostokątny.
3. Analizę czasową napięcia na wyjściu układu , podając na jego wejście impuls Diraca.
3. Analizę Fouriera odpowiedzi impulsowej układu.
Wartości elementów w obwodzie :
R = 150 Ω
L = 4.19 μH
C1 = 259 pF
C3 = 385 pF
Rozpatrywany obwód jest filtrem dolnoprzepustowym. Jego struktura drabinkowa wpływa korzystnie na własności selektywne. Filtr dolnoprzepustowy ma za zadanie przenosić przebiegi o częstotliwościach niższych od pewnej ustalonej wartości z możliwie jak najmniejszym tłumieniem. Natomiast przebiegi o częstotliwościach wyższych od tej wartości granicznej powinny zostać jak najsilniej wytłumione. Zatem najbardziej istotną cechą każdego filtru jest jego charakterystyka częstotliwościowa. Badamy ją w pierwszej części zadania. Charakterystykę częstotliwościową modelowanego układu przedstawia rysunek 1. Obserwując zachowanie wzmocnienia filtru dla różnych częstotliwości można wyróżnić dwa zakresy charakterystyki. W pierwszym z nich tłumienie filtru utrzymuje się na stałym , niewielkim poziomie
(około -5 dB ). Zakres ten obejmuje częstotliwości od 0 do około 7 MHz . Dla niskich częstotliwości zwarciem stają się cewki , natomiast rozwarcie stanowią kondensatory. Tłumienie układu wynika więc głównie z rezystancji wewnętrznej generatora dołączonego na wejściu. Powyżej częstotliwości 7 MHz układ przechodzi w drugi zakres pracy - jego charakterystyka wzmocnienia zaczyna opadać , a zatem tłumienie wzrasta. Wówczas istotny wpływ na pracę układu zaczynają wywierać reaktancje cewek. Kondensatory natomiast zwierają sygnał do masy.
Rysunek 2 przedstawia przebiegi czasowe na wejściu i wyjściu układu po doprowadzeniu na wejście sygnału prostokątnego o okresie 2 μs.
Widać wyraźnie , iż odpowiedź jednostkowa układu ma charakter oscylacyjny. Przy tym stan nieustalony trwa dosyć długo. Okres oscylacji wynosi około 0.25 μs.
Na rysunku 3 widnieje przebieg czasowy odpowiedzi impulsowej układu. W tym wypadku jeszcze bardziej zaznacza się charakter oscylacyjny odpowiedzi. Na rysunku 4 przedstawiona jest analiza fourierowska odpowiedzi impulsowej. Ponieważ delta Diraca ma bardzo szerokie widmo częstotliwościowe , badanie odpowiedzi układu na impuls Diraca pozwala na obserwację zachowania układu dla różnych częstotliwości. Analizując widmo amplitudowe odpowiedzi , zauważamy , że nastąpiło wytłumienie harmonicznych o wyższych częstotliwościach. Zatem zachowanie układu jest zgodne z oczekiwaniami.
Elektronika i Telekomunikacja
Semestr IV , grupa C
Mariusz Stasiński
Tomasz Trzybiński
Daniel Żukowski
Laboratorium z Analizy i Projektowania Komputerowego
Zadanie 5.
Modelowanie i analiza generatora samowzbudnego.
Dla obwodu przedstawionego na rysunku wykonać :
1. Dobór wartości rezystorów i kondensatorów nastawnych tak , aby układ pracował poprawnie.
2. Analizę czasową przebiegu na wyjściu układu.
3. Analizę częstotliwościową układu.
4. Analizę widmową przebiegu na wyjściu.
Wartości elementów w układzie :
R1 = 50 k
R2 = 6.4 k
R3 = 1 k
L = 20 μH
C3 = 500 nF
Dobraliśmy następujące wartości rezystorów i kondensatorów : R0 = 30 kΩ , C1 = 5nF
C2 = 30 nF.
Przebieg czasowy napięcia na wyjściu układu , którym jest napięcie odłożone na kondensatorze C1 , przedstawia rysunek 1. Jak widać , czas stanu nieustalonego (wzbudzania się ) w generatorze trwa krótko , około 1 ms.
Na rysunku 2 widnieją charakterystyki amplitudowe oraz fazowe analizowanego układu. Charakterystyki te przypominają swym kształtem analogiczne charakterystyki dla obwodów rezonansowych. Spowodowane jest to obecnością elementów reaktancyjnych w pętli sprzężenia zwrotnego. Charakterystyka amplitudowa osiąga maksymalną wartość dla częstotliwości około 150 kHz. Jest to tzw. częstotliwość generacji układu. Poza częstotliwością generacji charakterystyka amplitudowa opada stromo , zwłaszcza w pobliżu tej częstotliwości. Powoduje to eliminację niepożądanych harmonicznych w sygnale wyjściowym.
Na rysunku 3 przedstawiona jest analiza widmowa generowanego przebiegu.