Анализ усилителя в частотной области. Температурный анализ

Частотный анализ схемы проводится путем построения АЧХ усилительного каскада и проведения дополнительных расчетов.

Для построения АЧХ усилителя используется пункт меню “Частотный анализ”. В окне “Установки частотного анализа” вводятся необходимые параметры, соответствующие данной схеме. Это окно представлено на рисунке 2.1. Для построения АЧХ в графе “Выражение по оси Y” необходимо ввести “db(v(10)/v(1))”. Также в графе «Температура» ввели диапазон температур,

в котором исследуется усилитель. Данный каскад исследовали в диапазоне температур от -35°С до +55°С с шагом в 15°С. График АЧХ приведен

на рисунке 2.2.

Рисунок 2.1. Окно “Limits”

Рисунок 2.2. АЧХ исследуемого каскада в диапазоне температур.

На полученной зависимости увеличили участок характеристики, где коэффициенты усиления при разных температурах максимальны и определили их значение. Полученные результаты свели в таблицу 2. Увеличенный участок характеристики изображен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3. Изменение коэффициента усиления в диапазоне температур

После определения коэффициентов усиления открыли окно “Установки частотного анализа”, в котором, для определения полосы пропускания, задали для построения программой величины коэффициент усиления -3 дБ. Окно “Limits” представлено на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4. Окно “AC Analysis Limits”

После того, как окно “AC Analysis Limits” было заполнено, вновь запустили анализ, в результате которого на экране появились характеристики, каждую из которых пересекала линия, которая отмечала полосу пропускания усилителя при данной температуре. Данная зависимость представлена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5. АЧХ усилительного каскада с дополнительными построениями

для расчета полосы пропускания.

После получения изображения, показанного на рисунке 2.5, на характеристике были найдены две зоны, в которых пересекаются характеристики с дополнительно построенными для определения полосы пропускания линиями. Зона, расположенная слева по рисунку является областью нижних частот; зона, расположенная справа по рисунку – область верхних частот.

Для дальнейших расчетов зоны, выделенные на рисунке, увеличили и посчитали частоты пропускания усилителя на нижних и верхних частотах. Увеличенное изображение зоны частот пропускания на нижней частоте приведены на рисунке 2.6; зоны частот пропускания на верхних частотах – на рисунке 2.7.

Рисунок 2.6. Зона нижних частот полосы пропускания с дополнительными построениями.

Рисунок 2.7. Зона верхних частот полосы пропускания с дополнительными построениями.

По полученным изображениям с помощью дополнительных построений определили нижние и верхние частоты пропускания для всего диапазона температур. Полученные данные свели в таблицу 2.

Далее повторили расчеты для полосы задержания (уровень -20дБ от максимального коэффициента усиления). Окно “Установки частотного анализа” для построения полосы задержания приведено на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8. Окно “Limits” для построения полосы задержания.

После заполнения окна “Установки частотного анализа” вновь запустили расчет, в результате чего получили АЧХ с построениями для определения частоты среза. Изображение полученной АЧХ приведено на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9. АЧХ усилительного каскада с дополнительными построениями для расчета полосы задержания.

На полученной характеристике отметили зоны полосы задержания на нижних и верхних частотах. Для определения частот среза увеличили отмеченные зоны и сделали на полученных изображениях дополнительные построения. Полученные изображения приведены на рисунках 2.10 и 2.11.

Рисунок 2.10. Зона нижних частот полосы задержания с дополнительными построениями.

Рисунок 2.11. Зона верхних частот полосы задержания с дополнительными построениями.

По полученным изображениям с помощью дополнительных построений определили нижние и верхние частоты задержания для всего диапазона температур. Полученные данные свели в таблицу 2.

Таблица 2. Зависимость коэффициента усиления и частот пропускания и задержания усилительного каскада от температуры.

t, °C	К, дБ	fн пп, Гц	fв пп, МГц	fн пз, Гц	fв пз, МГц
-35	18,058	320,44	32,824	33,306	75,783
-20	18,09	320,84	31,703	32,975	74,151
-5	18,12	321,28	30,668	32,662	72,607
	18,158	322,12	29,685	32,306	71,169
	18,226	323,78	28,682	31,875	69,754
	18,262	332,98	27,358	32,456	68,623
	17,429	383,24	27,935	37,656	77,566

По полученным в таблице значениям построили зависимости коэффициента усиления и частот пропускания и задержания усилительного каскада от температуры. Графики полученных зависимостей приведены на рисунках 2.12-2.16 соответственно.

Рисунок 2.12. Зависимость коэффициента усиления каскада от температуры.

Рисунок 2.13. Зависимость нижней частоты полосы пропускания каскада от температуры.

Рисунок 2.14. Зависимость верхней частоты полосы пропускания каскада от температуры.

Рисунок 2.15. Зависимость нижней частоты полосы задержания каскада от температуры.

Рисунок 2.16. Зависимость верхней частоты полосы задержания каскада от температуры.

В ходе задания были исследованы частотные свойства усилительного каскада, то есть исследовано усиление каскада на полосе частот. Проведен температурный анализ частотных свойств каскада. Исследовано изменение коэффициента усиления в зависимости от температуры, при которой работает усилительный каскад. По полученным зависимостям можно сделать вывод, что максимального усиления каскада можно добиться при температуре 40°C.

Кроме того, из полученных зависимостей заметно, что с увеличением температуры уменьшается ширина полосы пропускания, что отрицательно влияет на усилительные свойства каскада. Это явление (уменьшение ширины полосы пропускания) можно объяснить тем, что с увеличением температуры увеличиваются паразитные диффузионные токи в транзисторах, которые уменьшают коэффициент усиления транзисторов и, соответственно, всей схемы.