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.
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:
Далее кликнуть правой кнопкой мыши по символу транзистора, в появившимся окне нажать кнопку Pick New Transistor:
Далее выбрать необходимый транзистор модели КТ503А:
И закрыть все окна (кнопка ОК).
Кроме транзисторов понадобятся ещё источники тока и напряжения (клавиша F2 --> корневой каталог - и далее выбрать voltage или current):
Поместить выбранный символ на схему, нажать правую кнопку мыши и в появившемся окне выбрать Advanced:
И в появившемся окне ввести амплитуду переменного сигнала (AC Amplitude), равную единице:
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:
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:
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:
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):
Теперь в окне расчётов появятся результаты моделирования:
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:
Аналогично вызвав окно настройки левой части шкалы, указать в этом окне тип диаграммы - Боде (Bode) и её вид - линейный (Linear):
Окно с результатами расчётов примет такой вид:
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:
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):
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:
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):
А так же изменим параметры источника сигнала V2, установив амплитуду синусоидального сигнала 1 В и частоту 1 кГц:
Изменим режим моделирования на Transient (анализа переходных процессов) с параметрами .tran 0 0.1 0.095 0.0001:
И в окне расчётов получим синусоиды напряжений на источнике сигнала и на входе усилителя, установив щупы на метки Vac и IN:
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.