Вольтамперные характеристики

 

При описании свойств нелинейных электронных элементов на постоянном токе используются вольтамперные характеристики (ВАХ) – зависимости тока элемента от приложенного к нему напряжения.

Для элемента с двумя полюсами (выводами, контактами, клеммами) - двухполюсника (например, резистора, полупроводникового диода) вольтамперные характеристики представляют собой зависимости тока через элемент от напряжения на его полюсах и показаны на рис. 5.1.

Резистор (линейный двухполюсник) имеет прямолинейную ВАХ (рис. 5.1, а) до тех пор, пока не начнет существенно повышаться его температура за счет выделяемой мощности.

Полупроводниковый диод является нелинейным двухполюсником. Он уже рассматривался при анализе выпрямителя (рис. 2.17). Его ВАХ показана на рис. 5.1, б.

 

Рис. 5.1

 

 

Достаточно часто ВАХ диода представляется в разных масштабах, как показано на рис. 5.1, в.

Четырехполюсником называют электронное устройство с четырьмя полюсами (выводами), два из которых называют входными (на них подается входной сигнал), а два других – выходными (с них снимается выходной сигнал), его условно-графическое обозначение показано на рис. 5.2, а, где и - соответственно входные и выходные токи и напряжения.

Биполярный транзистор является нелинейным трехполюсником, который обычно включается как четырехполюсник. На рис. 5.2, б показана построенная в программе MicroCAP схема включения транзистора с общим эмиттером, где входным напряжением является разность потенциалов между базой и эмиттером (общим электродом для входной и выходной цепи), а ток базы - это входной ток четырехполюсника. Выходным напряжением является разность потенциалов между коллектором и эмиттером, а входным током – ток коллектора .

Рис. 5.2

 

Биполярный транзистор описывается двумя семействами ВАХ – входными и выходными. Входные ВАХ – это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении , которое является пара-

метром семейства кривых, или

 

.

 

Пример входных ВАХ вида транзистора КТ315А для схемы рис. 5.2, б показан на рис. 5.3.

 

Рис. 5.3

 

Выходными ВАХ называют зависимости выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе или

.

 

Пример выходных ВАХ вида транзистора КТ315А для модели рис. 5.2б показан на рис. 5.4.

Передаточные характеристики по постоянному

Току

 

На постоянном токе четырехполюсник представляет собой соединение сопротивлений, нелинейных элементов и, если необходимо, источников тока и (или) напряжения.

Передаточной характеристикой называют зависимость тока или напряжения на выходе цепи от постоянного входного воздействия.

В линейной цепи передаточная характеристика прямолинейна, а если в цепи имеется хотя бы один нелинейный элемент, то она будет нелинейной.

Рассмотрим линейную цепь, показанную на рис. 5.5, а.

 

Рис. 5.5

 

Проведем расчет выходного напряжения , используя закон Ома. Входной ток равен

 

,

 

тогда выходное напряжение можно записать в виде

 

,

 

где коэффициент передачи равен

 

.

 

Графически передаточная характеристика по постоянному току показана на рис. 5.5, б (прямая линия).

Расчет передаточной характеристики нелинейного четырехполюсника проведем на примере, показанном на рис. 5.6.

 

Рис. 5.6

 

Полупроводниковый диод имеет ВАХ вида

 

 

(она уже рассматривалась в программе на рис. 2.17), тогда для диодов VD1 и VD2 соответственно получим

 

,

.

По первому закону Кирхгофа для цепи на рис. 5.6 получим

,

 

тогда по второму закону Кирхгофа с учетом закона Ома

 

.

 

с учетом , подставляя ВАХ диодов, получим

 

.

 

Из полученного уравнения необходимо получить передаточную характеристику цепи по постоянному току - зависимость и представить ее графически. Это можно сделать в программе MathCAD, показанной на рис. 5.7.

Рис. 5.7

 

Как видно, передаточная характеристика нелинейна, а устройство на рис. 5.6 называют диодным ограничителем.

Частотные характеристики

 

Частотная характеристика – это зависимость от частоты входного гармонического сигнала величины, характеризующей свойства цепи. Это могут быть модуль сопротивления двухполюсника, амплитуда протекающего тока или выходного напряжения цепи и т. д.

Чаще всего о частотных характеристиках говорят применительно к четырехполюснику и рассматривают его комплексный коэффициент передачи по напряжению, равный отношению комплексной амплитуды выходного напряжении к комплексной амплитуде входного (рис. 5.8, а) на частоте ,

.

 

Рис. 5.8

 

Рассмотрим пример цепи на рис. 5.8, б. С помощью закона Ома нетрудно получить выражение для комплексного коэффициента передачи в виде

После преобразования можно записать

 

.

 

Как видно, получена комплексная функция действительной переменной . Для удобства ее представления используют показательную форму записи

 

,

 

где - модуль комплексного коэффициента передачи, который называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а - его аргумент, называемый фазочастотной характеристикой (ФЧХ). В рассматриваемом примере для АЧХ получим

 

 

(модуль частного равен частному модулей), а для ФЧХ

 

 

(аргумент частного равен аргументу числителя минус аргумент знаменателя).

Программа расчета АЧХ и ФЧХ и соответствующие графики показаны на рис. 5.9. Как видно по АЧХ, цепь, показанная на рис. 5.8, б, выделяет гармонические сигналы на нижних частотах и подавляет их на верхних часто-

тах , то есть является фильтром нижних частот.

 

Рис. 5.9

 

Фазочастотная характеристика показывает, как меняется сдвиг фаз между выходным и входным гармоническими сигналами

при изменении частоты.

Значения АЧХ по напряжению (или току) часто представляются в логарифмическом масштабе ( в децибелах - дБ ),

 

.

 

Эта мера удобна при отображении на графике одновременно больших и малых значений функции.

 

СИСТЕМА СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ MICROCAP

 

Формирование модели

 

Модель цепи формируется на экране в виде ее схемы, содержащей графические изображения элементов и соединительные линии (проводники). Элементы выбираются из меню Component, в котором содержатся простейшие аналоговые (Analog primitives) и цифровые (Digital primitives) компоненты, а также библиотеки моделей реальных электронных аналоговых (Analog library) и цифровых (Digital library) элементов.

Из библиотек манипулятором «мышь» выбираются (левой кнопкой мыши) и размещаются на экране (перемещаются при нажатой левой кнопке) изображения элементов цепи. В открывающемся окне задаются их параметры (Value). Параметры можно изменить в том же окне после установки маркера на изображении элемента и двойного щелчка левой кнопки мыши. Их размерность указывается с приставками, приведенными в таблице ниже.

 

Английский символ	p	n	u	m	k	М
приставка	пико	нано	микро	милли	кило	мега
значение

 

Повторным нажатием левой кнопки мыши устанавливается следующий такой же элемент. Эта последовательность прерывается щелчком правой кнопки или нажатием кнопки в верхней левой части панели инструментов.

Элементы соединяются линиями (проводниками), режим изображения которых включается кнопками или

 

(прямое и ломаное соединения). Для проверки соединений в узловых точках нажмите кнопку , и на экране появятся точки узлов с их номерами.

После формирования схемы цепи необходимо задать точку нулевого потенциала с помощью символа «земля», который выбирается из меню Component / Analog primitives / Connectors / Ground.

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: