POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

ZAMIEJSCOWY OŚRODEK DYDAKTYCZNY

W JELENIEJ GÓRZE

Wydział Elektroniki

Projekt wzmacniacza wspomagany programem PSpice

Prowadzący

dr inż. Andrzej Grobelny

Projekt wykonałi:

Damian Nadybski

Nr albumu 155728

Piotr Maciejewski

Nr albumu 163254

Spis treści

1. Temat projektu

1. Wyznaczyć wartości rezystorów i SEM baterii zasilających we wzmacniaczu o schemacie pokazanym na rysunku 1. Przyjąć, że zasilanie jest symetryczne (Vcc =| Vee|) oraz, że rezystory R1 i R3 mają taką samą rezystancję, równą R1 = R3 = (8÷10) x Rg. Wartość skuteczna napięcia wyjściowego wzmacniacza, które nie jest jeszcze obcinane, nie może być mniejsza od zadanej w temacie projektu i większa od 1,5 wielkości zadanej, w całym zakresie zmian temperatury od Tmin= 10°C do Tmax=50°C, i rozrzutów współczynników wzmocnienia prądowego (od βmin= 100 do βmax=200). Do szacowania napięcia wyjściowego założyć, że kondensatory C1 i C2 stanowią zwarcie, a kondensator C3 stanowi rozwarcie dla prądów zmiennych. W tej fazie projektu założyć, że rezystor R4 ma wartość 0 (jest zwarciem).

2. Wyznaczyć moc prądu stałego pobieraną przez układ ze źródła zasilającego oraz moce wydzielane w tranzystorach i rezystorach.

3. Ocenić maksymalną wartość napięcia wyjściowego wzmacniacza i zmiany punktów pracy tranzystorów pod wpływem zadanych zmian temperatury, napięć zasilających oraz rozrzutów współczynnika wzmocnienia prądowego.

4. Obliczyć wartości parametrów Ku, Kusk, Ki, Rwej i Rwyj wzmacniacza zaprojektowanego

w ramach projektu I dla średnich częstotliwości. Dla analizy zmiennoprądowej (AC) założyć, że przy częstotliwości sygnału kondensatory C1 i C2 oraz baterie zasilające mogą być uważane za zwarcie, a pojemności wewnętrzne tranzystorów i kondensator C3 są rozwarcie. Parametry modeli tranzystorów dla ustalonych prądów kolektorów obliczyć z wzorów:
,
,
,
.

5. Wyznaczyć rezystancję rezystora R4 tak, aby uzyskać skuteczne wzmocnienie napięciowe w zakresie średnich częstotliwości |Kuskf|= 100. Obliczenie wartości parametrów Kuf, Kuskf, Kif, Rwef i Rwyf wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym dla średnich częstotliwości.

6. Obliczyć pojemności kondensatorów C1 i C2 tak, aby otrzymać dolną, trzydecybelową

częstotliwość graniczną skutecznego wzmocnienia napięciowego fdf zadaną w temacie zadnia projektowego. Biegun związany z kondensatorem C2 powinien być dominujący.

7. Obliczyć pojemność kondensatora C3 tak, aby uzyskać zadaną w temacie projektu wartość górnej częstotliwości granicznej wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym fgf,

odpowiadającą spadkowi wzmocnienia |Kuskf(jω)| o 3dB. Założyć że górne częstotliwości

graniczne stopni wzmacniających przekraczają znacznie zadaną wartość fgf, a pojemności wewnętrzne modeli tranzystorów są pomijalnie małe.

Rys. 1 Schemat ideowy układu

2. Założenia projektu oraz wyliczone wartości

Założenia projektowe:

I_c(T1), I_c(T2)=0,8mA

I_c(T5)=2mA

R_g=3kΩ

R_l=7kΩ

f_df=45Hz

f_gf=35kHz

U_wy=2V

U_BE=0,65V

T=25˚

Wyniki z projektu 1:

U_wy=2V

Punkty pracy tranzystorów

	T1	T2	T3	T4	T5
UCE [V]	5,256	5,256	0,65	0,65	5,4
IC [mA]	0,8	0,8	0,787	0,789	2

Wyznaczone wartości

R1 [kΩ]	27
R2 [kΩ]	3
R3 [kΩ]	27
R4 [Ω]	240
R5 [kΩ]	2,7
C2 [uF]	13
C1 [uF]	12
C3 [nF]	1
ECC=-Eee [V]	5,4

Moce na rezystorach

Moce na tranzystorach

Całkowitej moc w układzie

3. Analiza stałoprądowa

3.1. Wyznaczenie charakterystyk tranzystorów za pomocą PSpice

3.1.1. Charakterystyka wejściowa tranzystora Q2N2222

Rys. 2 Schemat pomiarowy charakterystyki wejściowej tranzystora Q2N2222

Rys. 3 Charakterystyka wejściowa tranzystora Q2N2222

3.1.2. Charakterystyka wyjściowa tranzystora Q2N2222

Rys. 4 Schemat pomiarowy charakterystyki wyjściowej tranzystora Q2N2222

Rys. 5 Charakterystyka wyjściowa tranzystora Q2N2222

3.1.3. Charakterystyka wejściowa tranzystora Q2N2907A

Rys. 6 Schemat pomiarowy charakterystyki wejściowej tranzystora Q2N2907A

Rys. 7 Charakterystyka wejściowa tranzystora Q2N2907A

3.1.4. Charakterystyka wyjściowa tranzystora Q2N2907A

Rys. 8 Schemat pomiarowy charakterystyki wyjściowej tranzystora Q2N2907A

Rys. 9 Charakterystyka wyjściowa tranzystora Q2N2907A

3.2. Punkty pracy wyliczone przez PSpice

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

T=10˚C

NAME Q_T3 Q_T4 Q_T5 Q_T1 Q_T2

MODEL Q2N2222 Q2N2222 Q2N2222 Q2N2907A Q2N2907A

IB 5.65E-06 5.65E-06 1.31E-05 -3.66E-06 -3.65E-06

IC 7.44E-04 7.44E-04 2.00E-03 -7.57E-04 -7.55E-04

VBE 6.69E-01 6.69E-01 6.92E-01 -7.44E-01 -7.44E-01

VBC -2.29E-02 0.00E+00 -4.71E+00 4.81E+00 4.83E+00

VCE 6.92E-01 6.69E-01 5.40E+00 -5.55E+00 -5.57E+00

BETADC 1.32E+02 1.32E+02 1.52E+02 2.07E+02 2.07E+02

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

T=25˚C

NAME Q_T3 Q_T4 Q_T5 Q_T1 Q_T2

MODEL Q2N2222 Q2N2222 Q2N2222 Q2N2907A Q2N2907A

IB 5.27E-06 5.27E-06 1.22E-05 -3.41E-06 -3.40E-06

IC 7.50E-04 7.50E-04 2.00E-03 -7.62E-04 -7.60E-04

VBE 6.42E-01 6.42E-01 6.66E-01 -7.21E-01 -7.21E-01

VBC -2.38E-02 0.00E+00 -4.73E+00 4.83E+00 4.85E+00

VCE 6.66E-01 6.42E-01 5.40E+00 -5.55E+00 -5.57E+00

BETADC 1.42E+02 1.42E+02 1.65E+02 2.24E+02 2.24E+02

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

T=50˚C

NAME Q_T3 Q_T4 Q_T5 Q_T1 Q_T2

MODEL Q2N2222 Q2N2222 Q2N2222 Q2N2907A Q2N2907A

IB 4.73E-06 4.73E-06 1.08E-05 -3.05E-06 -3.04E-06

IC 7.60E-04 7.59E-04 2.00E-03 -7.70E-04 -7.69E-04

VBE 5.96E-01 5.96E-01 6.22E-01 -6.82E-01 -6.82E-01

VBC -2.54E-02 0.00E+00 -4.78E+00 4.86E+00 4.89E+00

VCE 6.22E-01 5.96E-01 5.40E+00 -5.54E+00 -5.57E+00

BETADC 1.61E+02 1.61E+02 1.86E+02 2.53E+02 2.53E+02

Ręcznie wyliczone punkty pracy nieznacznie różnią się od tych wyliczonych przez program. Spowodowane jest to uproszczeniami w obliczeniach ręcznych. Różnica pomiędzy wartościami wynosi do 5%. Niestety aby uzyskać wartości zgodne z założeniami musielibyśmy użyć rezystorów z szeregu E48. Uznaliśmy więc, że różnica 5% jest dopuszczalną.

Całkowita moc wydzielana w układzie: 3.81E-02 WATTS

3.3. Analiza wpływu zmian napięć zasilających na punkt pracy tranzystora T5

Rys. 10 Zmiany prądu Ic_T5 w funkcji zmian napięć zasilających

Do analizy przyjęto wahania napięcia zasilającego 5,4V +/- 1,4V czyli około +/-30%. Prąd Ic Zmienia się w granicach od 1,48mA do około 2,52 czyli także +/-26%

Ponieważ tranzystor T5 stanowi stopień wyjściowy to on został poddany analizie.

3.4. Analiza wpływu zmian temperatury na punkt pracy tranzystora T5

Rys. 11 Zmiany prądu Ic_T5 w funkcji zmian temperatury

Rys. 12 Zmiany napięcia U_CET5 w funkcji zmian temperatury

Z wykresów 11 i 12 łatwo zauważyć, że temperatura ma znikomy wpływ na punkt pracy stopnia wyjściowego. Temperaturę zmieniano od 10̊C do 80̊C.

3.5. Analiza wpływu tolerancji rezystorów

3.5.1. Analiza czułości (SENSITIVITY)

Wyniki analizy tolerancji rezystorów na napięcia Uce tranzystora T5:

DC SENSITIVITIES OF OUTPUT V(out)

ELEMENT ELEMENT ELEMENT NORMALIZED

NAME VALUE SENSITIVITY SENSITIVITY

(VOLTS/UNIT) (VOLTS/PERCENT)

R_RL 7.000E+03 5.433E-12 3.803E-10

R_Rg 3.000E+03 0.000E+00 0.000E+00

R_R2 3.000E+03 4.942E-07 1.483E-05

R_R1 2.700E+04 3.406E-06 9.195E-04

R_R5 2.700E+03 -6.501E-07 -1.755E-05

R_R3 2.700E+04 -3.396E-06 -9.169E-04

R_R4 2.700E+02 0.000E+00 0.000E+00

V_Eg 1.000E+00 0.000E+00 0.000E+00

V_Vcc 5.400E+00 -2.296E-05 -1.240E-06

Q_T3 BF 2.533E+02 2.272E-06 5.757E-06

Q_T4 BF 2.533E+02 1.244E-06 3.153E-06

Q_T1 BF 2.294E+02 -3.757E-04 -8.619E-04

Q_T2 BF 2.294E+02 3.746E-04 8.592E-04

Q_T5 BF 2.533E+02 -4.491E-06 -1.138E-05

Analizujemy wyniki NORMALIZED SENSITIVITY. Jak widać największy wpływ na napięcie wyjściowe mają rezystory R1 oraz R3. Zmiana ich wartości o 1% powoduje zmianę napięcia o około 0,92mV. Rezystory te dobieramy z szeregu E48.

Wyniki analizy tolerancji rezystorów na prąd Ic tranzystora T5:

DC SENSITIVITIES OF OUTPUT IC(Q_T5)

ELEMENT ELEMENT ELEMENT NORMALIZED

NAME VALUE SENSITIVITY SENSITIVITY

(VOLTS/UNIT) (VOLTS/PERCENT)

R_Rg 3.000E+03 0.000E+00 0.000E+00

R_R2 3.000E+03 1.335E-09 4.006E-08

R_R1 2.700E+04 1.750E-09 4.726E-07

R_R5 2.700E+03 7.404E-07 1.999E-05

R_R3 2.700E+04 -1.743E-09 -4.706E-07

R_R4 2.700E+02 0.000E+00 0.000E+00

R_RL 7.000E+03 -6.188E-12 -4.332E-10

V_Eg 1.000E+00 0.000E+00 0.000E+00

V_Vcc 5.400E+00 -3.711E-04 -2.004E-05

Jak widać największy wpływ na prąd Ic ma rezystancja R5. Zmiana jej wartości o 1% powoduje zmianę prądu o 20uA. Rezystor ten dobieramy z szeregu E48.

3.5.2. Analiza Worst Case

Wartość maksymalna Ic_T5:

WORST CASE ALL DEVICES

*****************************************************************************

DEVICE PARAMETER NEW VALUE

R_Rg R .95 (Decreased)

R_R4 R .95 (Decreased)

R_R2 R .95 (Decreased)

R_RL R .95 (Decreased)

R_R1 R .98 (Decreased)

R_R3 R 1.02 (Increased)

R_R5 R .98 (Decreased)

**** SORTED DEVIATIONS OF IC(Q_T5) TEMPERATURE = 27.000 DEG C

WORST CASE SUMMARY

*****************************************************************************

RUN MAXIMUM VALUE

ALL DEVICES 2.1502E-03 at V_Vcc = 5.67

( 102.22% of Nominal)

NOMINAL 2.1034E-03 at V_Vcc = 5.67

Rys. 13 Najgorszy przypadek wartości prądu Ic_T5 (HI)

Wartość minimalna Ic_T5:

WORST CASE ALL DEVICES

*****************************************************************************

DEVICE PARAMETER NEW VALUE

R_Rg R 1.05 (Increased)

R_R4 R 1.05 (Increased)

R_R2 R 1.05 (Increased)

R_RL R 1.05 (Increased)

R_R1 R 1.02 (Increased)

R_R3 R .98 (Decreased)

R_R5 R 1.02 (Increased)

**** SORTED DEVIATIONS OF IC(Q_T5) TEMPERATURE = 27.000 DEG C

WORST CASE SUMMARY

*****************************************************************************

RUN MINIMUM VALUE

NOMINAL 1.9105E-03 at V_Vcc = 5.15

ALL DEVICES 1.8712E-03 at V_Vcc = 5.15

( 97.948% of Nominal)

Rys. 14 Najgorszy przypadek wartości prądu Ic_T5 (LO)

3.5.3. Analiza Monte Carlo

Rys. 15 Rozkład prawdopodobieństwa wystąpienia określonej wartości prądu Ic_T5

Rys. 16 Rozkład prawdopodobieństwa wystąpienia określonej wartości napięcia U_CET5

Z uzyskanych wyników widać, że w najgorszych przypadkach układ może zmienić punkt pracy stopnia wyjściowego o +/-2,2% w stosunku do punktu nominalnego. Jest to wartość dobra i nie wymagane jest dobieranie elementów o mniejszej tolerancji.

4. Analiza zmiennoprądowa

4.1. Analiza wstępna

4.1.1. Odczytanie parametrów tranzystorów z wykorzystaniem modelu hybryd π

Z pliku wyjściowego programu odczytujemy informacje o tranzystorach:

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME Q_T3 Q_T4 Q_T1 Q_T2 Q_T5

MODEL Q2N2222 Q2N2222 Q2N2907A Q2N2907A Q2N2222

IB 5.22E-06 5.22E-06 -3.38E-06 -3.37E-06 1.20E-05

IC 7.51E-04 7.50E-04 -7.63E-04 -7.61E-04 2.00E-03

VBE 6.38E-01 6.38E-01 -7.18E-01 -7.18E-01 6.62E-01

VBC -2.40E-02 0.00E+00 4.83E+00 4.85E+00 -4.74E+00

VCE 6.62E-01 6.38E-01 -5.55E+00 -5.57E+00 5.40E+00

BETADC 1.44E+02 1.44E+02 2.26E+02 2.26E+02 1.66E+02

GM 2.89E-02 2.89E-02 2.95E-02 2.94E-02 7.69E-02

RPI 5.52E+03 5.52E+03 7.89E+03 7.91E+03 2.36E+03

RX 1.00E+01 1.00E+01 1.00E+01 1.00E+01 1.00E+01

RO 9.86E+04 9.86E+04 1.58E+05 1.58E+05 3.93E+04

CBE 4.81E-11 4.81E-11 5.05E-11 5.04E-11 6.85E-11

CBC 7.23E-12 7.31E-12 5.01E-12 5.00E-12 3.70E-12

CJS 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00

BETAAC 1.60E+02 1.60E+02 2.32E+02 2.32E+02 1.82E+02

CBX/CBX2 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00

FT/FT2 8.33E+07 8.32E+07 8.45E+07 8.44E+07 1.70E+08

Z danego pliku odczytujemy interesujące nas wartości:

Tab. Parametry modeli hybryd π

Parametr	T1	T2	T3	T4	T5
rbb' (RX)	10	10	10	10	10	Ω
rb'e (RPI)	7,89	7,91	5,52	5,52	2,36	kΩ
rce (RO)	158	158	98,6	98,6	39,3	kΩ
gm (GM)	29,5	29,4	28,9	28,9	76,9	mS
Cb'c (CBC)	5,01	5	7,23	7,31	3,7	pF
Cb'e (CBE)	50,5	50,4	48,1	48,1	68,5	pF
rb'c	brak - przyjęto ∞

Rys. 17 Model hybryd π tranzystora.

4.1.2. Wyznaczenie parametrów [Y] tranzystorów.

Mając dane wartości elementów modelu hybryd π tranzystora możemy obliczyć wartości

macierzy [y] tranzystorów. Wartości macierzy [y] tranzystora, przy potraktowaniu pojemności wewnętrznych tranzystorów jako rozwarcie, możemy wyliczyć z następujących wzorów:

Rys. 18 Schemat uproszczony dla składowych zmiennych

Rys. 19 Schemat uproszczony wzmacniacza AC

Wyznaczenie wartości parametrów „y” tranzystorów:

Dla tranzystora T₁:

Dla tranzystora T₂:

Dla tranzystora T₃ :

Dla tranzystora T₄ :

Dla tranzystora T₅:

4.1.3. Wyznaczenie macierzy Y układu bez sprzężenia

Wyznaczenie macierzy oporników:

Wyznaczenie macierzy tranzystorów:

Dla tranzystora T1:

Dla tranzystora T2:

Dla tranzystora T3:

Dla tranzystora T4:

Dla tranzystora T5:

Wyznaczenie macierzy układu:

Podstawienie wartości:

Redukcja macierzy:

Węzeł 4:

Węzeł 3:

Węzeł 2:

4.1.4. Obliczenia K_u, K_usk, K_i, R_wej i R_wyj

4.1.5. Wyznaczenie wartości rezystora R4

Rys. 20 Schemat uproszczony wzmacniacza AC uwzględniający rezystor R4

Założenie: K_Uskf = 100

Po wyznaczeniu parametrów układu ze sprzężeniem zwrotnym okazało się, że K_Uskf = 89,55. Aby uzyskać K_Uskf = 100 przyjeliśmy z szeregu E24: R4=240Ω

G4=4166,667µS

4.1.6. Wyznaczenie macierzy Y układu ze sprzężeniem

Wyznaczenie macierzy rezystancji:

Wyznaczenie macierzy tranzystorów:

Dla tranzystora T1:

Dla tranzystora T2:

Dla tranzystora T3:

Dla tranzystora T4:

Dla tranzystora T5:

Wyznaczenie macierzy układu:

Podstawienie wartości:

Redukcja macierzy:

Węzeł 5:

Węzeł 4:

Węzeł 3:

Węzeł 2:

4.1.7. Obliczenia Kuf, Kuskf, Kif, Rwef i Rwyf

4.1.8. Wyznaczenie pojemności kondensatorów

Zadana w projekcie dolna częstotliwość graniczna ma wynosić 45Hz oraz biegun dominujący ma być związany z kondensatorem C2 który wyznacza rozpoczęcie spadku charakterystyki amplitudowo-fazowej o 20dB/dek dla 45Hz

Wyznaczenie pojemności kondensatora C2

Przyjmujemy z szeregu E24, C2 = 15μF

Wyznaczenie kondensatora C1

Wyznaczamy kondensator C1 który będzie odpowiadał za drugi biegun, czyli spadek o następne

20dB/dek. Biegun ten musi znajdować się co najwyżej dla częstotliwości 0,1·fd

Przyjmujemy z szeregu E24, C₁ = 13µF

Wyznaczenie kondensatora C3

Przyjmujemy z szeregu E24, C₃ = 1nF

Rys. 21 Schemat wzmacniacza z wyznaczonymi elementami

4.2. Analiza czasowa i widmowa (TRANSIENT)

Rys. 22 Przebiegi napięcia wyjściowego wzmacniacza.

Rys. 23 Zależność międzyszczytowej wartości napięcia wyjściowego od amplitudy napięcia

wejściowego

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(out)

DC COMPONENT = -4.644958E-02

HARMONIC FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZED

NO (HZ) COMPONENT COMPONENT (DEG) PHASE (DEG)

1 1.000E+03 3.609E+00 1.000E+00 8.063E-01 0.000E+00

2 2.000E+03 4.251E-03 1.178E-03 1.559E+02 1.543E+02

3 3.000E+03 1.033E-03 2.862E-04 1.049E+02 1.024E+02

4 4.000E+03 9.160E-04 2.538E-04 -9.333E+01 -9.656E+01

5 5.000E+03 1.428E-03 3.957E-04 -1.497E+02 -1.537E+02

6 6.000E+03 1.167E-03 3.233E-04 1.717E+02 1.668E+02

7 7.000E+03 4.285E-04 1.188E-04 1.543E+02 1.487E+02

8 8.000E+03 1.993E-04 5.523E-05 -1.041E+02 -1.106E+02

9 9.000E+03 6.620E-04 1.835E-04 -1.439E+02 -1.511E+02

10 1.000E+04 7.744E-04 2.146E-04 -1.670E+02 -1.750E+02

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 1.375615E-01 PERCENT

Rys. 24 Widmo sygnału wyjściowego przy Uwe=36mV i f=1kHz

Aby otrzymać rodzinę charakterystyk napięć wyjściowych, oprócz analizy TRANSIENT musimy wykonać analizę parametryczną. Jako parametr wybraliśmy napięcie generatora z zakresu 0-80mV.

Z rysunku 22 widać, że wzmacniacz obcina dodatnie połówki sinusoidy napięcia wyjściowego przy wartości 3,64V a ujemne przy -5,35V. Wartości te są lepsze niż założenia projektowe wzmacniacza. Natomiast z rysunku 23 widać ze wzmacniacz pracuje linowo od 0 do 36mV U_WE. Powyżej tej wartości następuje przesterowanie. Po określeniu maksymalnej wartości napięcia wejściowego wykonaliśmy analizę Fouriera dla tej wartości. Na rysunku 19 nie widać harmonicznych sygnału. Z pliku wyjściowego odczytujemy wartość zniekształceń nieliniowych THD. Dla U_WE=36mV zniekształcenia są poniżej 0,15%. Przyjmujemy to napięcie jako maksymalne napięcie wejściowe. Dodatkowo możemy odczytać składową stałą, która ma wartość ~-47mV.

Rys. 25 Wykres zależności zniekształceń napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego.

4.3. Analiza zmiennoprądowa w warunkach nominalnych

4.3.1. Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza

Rys. 26 Charakterystyka K_Uf=f(f)

Rys. 27 Charakterystyka K_Uf [dB]=f(f)

Z rysunków 25 i 26 za pomocą kursorów odczytano następujące parametry:

K_Uf=112,071

K_Uf [dB]=40,99

Wyniki te są zgodne z tymi obliczonymi w części 4.1.7

Rys. 28 Charakterystyka K_Uskf=f(f)

Rys. 29 Charakterystyka K_Uskf [dB]=f(f)

Z rysunków 27 i 28 za pomocą kursorów odczytano następujące parametry:

K_Uskf=100,449

K_Uskf [dB]=40,04

Zmierzyliśmy także dolną i górną częstotliwość graniczną przy spadku wzmocnienia o 3dB. Wynoszą one odpowiednio:

f_df=43,5Hz

f_gf=35,08kHz

Wyniki te są zgodne z tymi obliczonymi w części 4.1.7, oraz z założonymi wartościami projektowymi.

Rys. 30 Charakterystyka argK_Uskf=f(f)

Z charakterystyki fazowej (rys. 30) odczytano częstotliwości dwóch najniżej leżących biegunów transmitancji wzmacniacza: odpowiednio 43,5Hz i 33,65kHz

Rys. 31 Charakterystyka K_if=f(f)

Z rysunku 30 za pomocą kursorów odczytano:

Kif=-415,07

Wynik ten jest zgodny z tym obliczonym w części 4.1.7

4.3.2. Analiza wpływu wahań napięć zasilających na parametry robocze wzmacniacza

Rys. 32 Zależność K_Uskf od napięć zasilających.

Rys. 33 Zależność K_Uskf [dB] od napięć zasilających

Rys. 34 Zależność K_if od napięć zasilających

Rys. 35 Zależność K_if [dB] od napięć zasilających

Na podstawie wykresów 32-35 wyznaczono następujące wartości:

Vcc/-Vee [V]	KUskf [dB]	fd [Hz]	fg [kHz]	Ki [A/A]
4,4	40,006	43,2	28,42	-413,36
5,4	40,039	43,5	35,08	-415,07
6,4	40,06	43,7	41,74	-416,22

Jak widać zmiany napięć zasilających mają znikomy wpływ na wzmocnienie napięciowe, prądowe oraz dolną częstotliwość graniczną, ale duży wpływ na górną częstotliwość graniczną.

4.3.3. Analiza wpływu wahań napięcia zasilającego na przebiegi czasowe napięcia wyjściowego

Rys. 36 Przebiegi napięć wyjściowych przy napięciach zasilania od 5,1V-6,5V

Jak widać na rysunku 36 przebiegi napięcia wyjściowego są obcinane od góry przy napięciu zasilania mniejszym niż 5,2V. Zniekształcenia harmoniczne wyniosły około 1% przy Uzas=5,15V. Jest to dolna granica napięcia zasilania. Powyżej tej wartości wzmacniacz wykazuję dużą stałość amplitudy wyjściowej (wzmocnienia). Przy napięciach zasilania równych 6,5V zniekształcenia wyniosły 0,043% Widać tu dokładnie zależność wyższe napięcie- mniejsze zniekształcenia. Niestety wraz ze zwiększeniem napięć zasilających znacząco zwiększa się górna częstotliwość graniczna, a w związku z tym zostają niepotrzebnie wzmocnione szumy.

Dlatego określamy dopuszczalne napięcia zasilające na +/- 5,2-5,8V

4.3.4 Analiza wpływu temperatury na przebiegi napięcia wyjściowego

Rys. 37 Przebiegi napięć wyjściowych przy temperaturze pracy od 10 do 50̊C

Jak widać z powyższego rysunku wzmacniacz jest odporny na wahania temperatury. Temperaturę pracy określamy na 10-85̊C (ze względu na żywotność kondensatorów).

5. Wnioski oraz uwagi końcowe

Tab. Zestawienie parametrów obliczonych ręcznie oraz uzyskanych przy pomocy programu PSpice

Parametr	Zadane	Projekt ręczny	PSpice	Różnica
Ic1 [mA]	0,8	0,811	0,762	4,69%
Ic2 [mA]	0,8	0,811	0,76	4,93%
Ic3 [mA]	-	0,787	0,75	4,70%
Ic4 [mA]	-	0,79	0,75	5,06%
Ic5 [mA]	2	1,99	2	0%
Uce1 [V]	-	5,256	5,55	5,59%
Uce2 [V]	-	5,256	5,57	5,97%
Uce3 [V]	-	0,65	0,666	2,46%
Uce4 [V]	-	0,65	0,666	2,46%
Uce5 [V]	-	5,4	5,4	0,00%
Ku [V/V]	-	7539,117	8965,44	18,92%
Kusk [V/V]	-	5256,7	6873	30,75%
Ki [A/A]	-	-7441,52	-12620,84	69,60%
Kuf [V/V]	-	111,82	112,09	0,24%
Kuskf [V/V]	100	99,9	100,449	0,5%
Kif [A/A]	-	-401,26	-415,07	3,44%
fd [Hz]	45	44,8	43,5	3,35%
fg [kHz]	35	35,4	35,08	0,23%

Zestawienie elementów:

R1=27kΩ 2%

R2=3kΩ 5%

R3=27kΩ 2%

R4=240Ω 5%

R5=2,7kΩ 2%

C1=13uF

C2=15uF

C3=1nF

Vcc=|-Vee|=5,2÷5,8V

Jak widać wzmacniacz spełnia założenia projektowe. Jedyne znaczne różnice pomiędzy wartościami wyliczonymi ręcznie a wartościami wyliczonymi przez program występują przy braku sprzężenia zwrotnego. Nie ma to większego znaczenia, ponieważ wzmacniacz. Pokazuje to jak wpływa sprzężenie zwrotne na najważniejsze parametry wzmacniacza. Uważamy, że wartości uzyskane dzięki programowi PSpice są wiarygodniejsze, ponieważ obliczenia ręczne zakładały duże uproszczenie.

Dzięki symulacjom w programie łatwo zauważyć wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego na wzmacniacz. Maleje wzmocnienie prądowe i napięciowe ale poprawia się stabilność układu, zmniejszają się zniekształcenia nieliniowe, maleją szumy własne wzmacniacza, a co najważniejsze dzięki sprzężeniu maleje wpływ czynników zewnętrznych takich jak zmiana napięć zasilających oraz temperatura na parametry robocze wzmacniacza.

Program PSpice to wygodna metoda na sprawdzenie poprawności działania układu przed jego zmontowaniem (dopiero podczas symulacji zauważyliśmy, że na projekcie ręcznym zostało błędnie obliczone wzmocnienie napięciowe).

Dzięki niemu mamy możliwość szybkiego sprawdzenia założeń projektowych oraz generowania całych rodzin charakterystyk opisujących układ. Niewątpliwą zaletą jest możliwość sprawdzenia jak będzie się zachowywał układ przy różnych temperaturach oraz jaki będzie wpływ tolerancji elementów na parametry robocze.

Spis ilustracji

28

---