На биполярном транзисторе

Индуктивность L1+L2 вместе с ёмкостью конденсатора Cк образуют параллельный колебательный контур, резонансная частота которого близка к частоте генерации автогенератора. Задание на моделирование для исследования автогенератора представлено на рис. 3.33. Колебательный контур, образованный индуктивностями L1, L2 и конденсатором Ck, включён в цепь коллектора транзистора Q1. Обратная связь автотрансформаторного типа. Напряжение положительной обратной связи снимается с катушки индуктивности L2 и подводится к базе транзистора.

Рис. 3.33. Задание на моделирование

LC-автогенератора по схеме индуктивной трёхточки

на биполярном транзисторе

Начальное смещение, обеспечивающее первоначальное положение рабочей точки задаётся резисторами R1 и R2. После возникновения колебаний рабочая точка транзистора Q1 несколько смещается за счёт возникновения дополнительного автоматического смещения. Последнее обусловлено напряжением отрицательной обратной связи, создаваемом на резисторе R3 вследствие прохождения по нему постоянной составляющей тока эмиттера транзистора. Конденсатор С1 обеспечивает подведение без потерь напряжения обратной связи на вход транзистора. Элементы R3, C2 образуют цепь эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора. Конденсатор С4 и резистор R4 образуют развязывающий фильтр. При вводе этой схемы использовались компоненты следующих библиотек:

- analog.slb – пассивные компоненты (R, C, I, K);

- bipolar.slb – биполярный транзистор (Q1);

- port.slb – узел с нулевым потенциалом, общий провод (AGND);

- source.slb – источник постоянного

напряжения (VDC).

Для устойчивого запуска автогенератора атрибутам конденсатора Ck и индуктивностей L1 и L2 «.IC» (initial conditions – начальные условия) присвоены значения «0.1 V» и «10 uA» соответственно. При расчёте переходного процесса использование этих атрибутов обеспечивает установку на конденсаторе напряжения 0,1 В и тока через индуктивность 10 мкА в начальный момент времени. Связь между индуктивностями L1 и L2 установлена с помощью модели сердечника K_Linear. Сердечник характеризуется следующими атрибутами:

L1 = L1 – наименование первой катушки;

L2 = Lk – наименование второй катушки;

COUPLING = 0.5 – коэффициент связи между L1 и Lк.

Для анализа формы генерируемых колебаний производится вывод значения напряжения на коллекторе транзистора Q1.

Рис. 3.34. Временная диаграмма напряжения

на коллекторе транзистора Q1

В результате расчёта получается временная диаграмма (рис. 3.34), откуда следует, что форма генерируемых колебаний близка к синусоидальной, а разница между амплитудами в колебательном процессе незначительна.

Для исследования спектра генерируемого сигнала необходимо исключить из временной диаграммы участок переходного процесса. Режим анализа временных характеристик (Transient) определяется заданием, представленном на рис. 3.35. В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а так же изменяются его параметры. С учётом условия баланса фаз это ведёт к изменению частоты генерации.

Рис. 3.35. Окно задания параметров моделирования

Рис. 3.36. Спектральная диаграмма генерируемых

колебаний

Расчёт спектрального состава генерируемых колебаний выполнен с использованием быстрого преобразования Фурье (рис. 3.36). Из спектральной диаграммы следует, что кроме первой гармоники в спектре сигнала присутствуют вторая и третья гармоники.

Оценка влияния температуры на частоту генерируемых колебаний производится путём расчёта спектра при значении температуры 70 °С. Результаты исследования влияния температуры сведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Исследования влияния напряжения питания на частоту генерируемых колебаний производится при изменении текущего значения атрибута источника питания V1 «DC». На рис. 3.36 приведена спектральная диаграмма генерируемых колебаний при напряжении питания 5В.

Рис. 3.36. Иллюстрация влияния изменения напряжения источника питания на спектральный состав генерируемых колебаний

В результате изменения напряжения питания смещается рабочая точка транзистора, а так же изменяются его внутренние параметры. С учётом условия баланса фаз это ведёт к изменению частоты генерации.

Для исследования влияния положения рабочей точки генерацию колебаний необходимо изменить постоянное напряжение на базе транзистора. Это произойдёт, например, при уменьшении сопротивления резистора R2. На рис. 3.37 представлена временная диаграмма затухающих колебаний при значении сопротивления R2 200 Ом.

При смещении положения рабочей точки в область меньшей крутизны характеристики транзистора происходит генерация затухающих колебаний.

Рис. 3.37. Временная диаграмма затухающего колебания при

неправильном выборе рабочей точки

Для исследования влияния напряжения обратной связи на генерацию колебаний потребуется уменьшить значение индуктивности L2, например, до 5 нГн, а также понизить коэффициент связи в модели сердечника «COUPLING», например, до 0,1. Чтобы частота генерации не изменялось, необходимо величину индуктивности L1+L2 сохранить равной предыдущему значению. В результате за счёт уменьшения напряжения обратной связи колебания затухают (рис. 3.38).

Рис. 3.38. Временная диаграмма затухающего

колебания при уровне напряжения положительной обратной связи меньше критического