Применение LTSpice для измерения входного и выходного сопротивлений усилительных каскадов

Измерение выходного сопротивления усилителя

На рисунке изображена схема двухтактного усилителя звуковой частоты, в котором каждый полупериод сигнала усиливается отдельным каскадом и выходной сигнал суммируется на нагрузке. Так как выходы транзисторов не соединяются по постоянному току, то искажения типа "ступенька" (Crossover distortion), относящиеся к моментам перехода сигнала через нуль практически устранены. Недостаток такого усилителя - высокие требования к выходным конденсаторам С2 и С3, ёмкости которых должны быть равны, иначе форма выходного сигнала будет несимметричной.

схема двухтактного усилителя звуковой частоты с уменьшенными искажениями сигнала типа ступенька.

Резистор R1 эмулирует выходное сопротивление источника сигнала, дело в том что измерять выходное сопротивление необходимо при том сопротивлении источника, при котором схема и будет эксплуатироваться. Точно так же и при измерении входного сопротивления схему необходимо нагрузить сопротивлением рабочей нагрузки.

В этой схеме используются биполярные транзисторы типа КТ503А и КТ502А, модели которых не входят в стандартную поставку программы LTSpice. Модели этих транзисторов можно скачать здесь. Что бы транзисторы КТ503А и КТ502А были доступны в LTSpice, необходимо добавить их модели в текстовый файл с со стандартными моделями транзисторов, находящийся в той директории, куда установлен LTspice, например:
c:\LTspiceIV\lib\cmp\standard.bjt
Естественно, все манипуляции с файлами программы необходимо проводить когда программа не запущена. Как добавлять компоненты на схему было описано ранее.

Теперь для того, что бы добавить необходимый транзистор, нажимаем клавишу F2, и в появившемся меню следует выбрать npn, и установить значок транзистора на схему:

установка значка транзистора на схему

Далее кликнуть правой кнопкой мыши по символу транзистора, в появившимся окне нажать кнопку Pick New Transistor:

выбор транзистора

Далее выбрать необходимый транзистор модели КТ503А:

Окно выбора символа транзистора

И закрыть все окна (кнопка ОК).

Кроме транзисторов понадобятся ещё источники тока и напряжения (клавиша F2 --> корневой каталог - и далее выбрать voltage или current):

Окно выбора компонентов

Поместить выбранный символ на схему, нажать правую кнопку мыши и в появившемся окне выбрать Advanced:

Расширенные настройки источника напряжения

И в появившемся окне ввести амплитуду переменного сигнала (AC Amplitude), равную единице:

Ввод параметров источника напряжения

Точно так же поступить и с источником тока, только амплитуду переменного сигнала AC Amplitude следует выбрать близкой к бесконечности, что бы параметры источника не влияли на расчёт:

Ввод параметров источника тока

На схеме значение резистора R1 указано в фигурных скобках - {R}. Это сделано для того, что бы сопротивление этого резистора можно было автоматически изменять. Для этого необходимо на схему поместить две Spice директивы (нажав клавишу S)
.param R=100
и
.step param R LIST 1 10 100 1K:

Задание переменных параметров

Убедитесь, что переключатель SPICE directive включён.

Теперь нужно ввести параметры расчёта. В меню Simulate --> Edit Simulation Cmd следует выбрать AC Analysis (анализ малосигнальных частотных характеристик схемы) и ввести вот такие параметры моделирования:

Ввод параметров моделирования

Параметры .ac oct 100 100 100k указывают на то, что расчёт будет идти начинаясь с частоты 100 Гц по 100 кГц, точность расчёта - 100 точек на октаву. Теперь можно запустить симуляцию.

В появившемся пустом окне с результатами расчётов нажать правую клавишу мыши и выбрать пункт Add Trace (или можно нажать комбинацию клавиш Ctrl+A) и ввести выражение V(out)/I(I1) (т.е. напряжение в точке out делённое на ток источника I1):

Добавление точек на график

Теперь в окне расчётов появятся результаты моделирования:

окне расчётов программы LTSpice

В правой части этого окна находится шкала фазовых характеристик, они нам не нужны, поэтому кликнув по этой шкале левой кнопкой мыши, вызовем окно настройки шкалы, в котором нажатием на кнопку Don't plot phase фазовые характеристики будут удалены из расчёта:

Удаление с графика шкалы фазовых характеристик

Аналогично вызвав окно настройки левой части шкалы, указать в этом окне тип диаграммы - Боде (Bode) и её вид - линейный (Linear):

Настройка шкалы окна вывода результатов

Окно с результатами расчётов примет такой вид:

Настроенное окно вывода результатов моделирования

Теперь шкала слева отображает выходное сопротивление усилителя при разных значениях входного сопротивления источника сигнала. Для того, что бы каждый раз не настраивать окно вывода результатов, то можно записать в файл параметры окна - когда окно будет находиться в фокусе, из меню File выбрать Save Plot Setting, настройки сохранятся в файле с расширением .plt. Имя этого файла по умолчанию соответствует имени файла симуляции, содержимое файла .plt примерно такое:

[AC Analysis]
{
   Npanes: 1
   {
      traces: 1 {2,0,"V(out)/I(I1)"}
      X: ('K',0,100,0,100000)
      Y[0]: (' ',1,4.9,0.7,12.6)
      Y[1]: (' ',0,120,8,200)
      Log: 1 0 0
      GridStyle: 1
      PltMag: 1
   }
}

Та SPICE директива, что была задана ранее, .step param R LIST 1 10 100 1K ступенчато изменяет сопротивление резистора R1, в данном случае это 4 значения 1, 10, 100 Ом и 1 кОм. Поэтому в окне результата расчёта выводятся четыре кривые. Эту директиву можно заменить другой, например, директива .step param R 1 100 20 будет производить расчёт в диапазоне с 1 по 100 Ом с шагом 20.

Что бы узнать, какая кривая к какому шагу относится, нужно вызвать меню правой кнопкой мыши и нажать Select Steps, где выбрать один или несколько шагов, которые будут отображаться на графике:

Выбор параметров, которые будут отображаться на графике

Файл с вышеописанной схемой усилителя можно скачать здесь.

Измерение входного сопротивления усилителя

Изменим немного схему, удалив из неё источник тока I1 и включив вместо него резистор R1, а также добавим метку IN (клавиша F4):

Схема усилителя, настроенная для измерения входного сопротивления

В директиве .step param R LIST 100 1K 10K изменены параметры списка, теперь сопротивление R1 будет равно 100, 1000 и 1 кОм. Запустив вычисления и настроив окно вывода результатов точно также, как описывалось выше и используя выражение V(IN)/I(V2), получим графики входных сопротивлений усилителя при разных сопротивлениях нагрузки:

Результаты расчётов выходного сопротивления усилителя в системе LTSpice

Из результатов расчётов видно, что для сопротивления нагрузки 100 Ом входное сопротивление усилителя будет равно 6,06 кОм, для 1 кОм - 13,36 кОм, и для 10 кОм - 15,22 кОм.

Содержимое .plt файла будет примерно таким:

[AC Analysis]
{
   Npanes: 1
   {
      traces: 1 {2,0,"V(IN)/I(V2)"}
      X: ('K',0,100,0,100000)
      Y[0]: ('K',1,5400,900,15300)
      Y[1]: (' ',1,172.9,0.7,181.3)
      Log: 1 0 0
      GridStyle: 1
      PltMag: 1
   }
}

Файл с изменённой схемой можно скачать здесь.

Проверим полученный результат. Для этого добавим метку Vac и нагрузим усилитель на сопротивление 100 Ом, зададим резистору R1 величину сопротивления, полученного из предыдущего расчёта (6,06 кОм):

Схема усилителя низкой частоты на транзисторах КТ502 и КТ503 с низким выходным сопротивлением

А так же изменим параметры источника сигнала V2, установив амплитуду синусоидального сигнала 1 В и частоту 1 кГц:

Параметры источника сигнала V2

Изменим режим моделирования на Transient (анализа переходных процессов) с параметрами .tran 0 0.1 0.095 0.0001:

Настройка анализа переходных процессов в программе LTSpice

И в окне расчётов получим синусоиды напряжений на источнике сигнала и на входе усилителя, установив щупы на метки Vac и IN:

Результаты расчётов входного сопротивления усилителя

Как видно из графиков, амплитуда сигнала на входе усилителя IN в два раза меньше, чем амплитуда источника сигнала Vac, следовательно, входное сопротивление усилителя равно сопротивлению резистора R1.

Последнюю схему можно скачать здесь.

BACK MAIN PAGE

Рейтинг@Mail.ru