Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Metod_pos_prakt

.pdf
Скачиваний:
15
Добавлен:
11.02.2023
Размер:
1.87 Mб
Скачать

ны параметры зависимых источников). Она всегда симметричная относительно главной диагонали.

В правой части системы уравнений матрица контурных напряжений [E] содержит ЭДС зависимого источника, пропорциональную контурному току I22. Поэтому параметр зависимого источника α∙Z2 нужно перенести в левую часть системы с обратным знаком в матрицу сопротивлений [ZП], во второй столбец. После этого матрица контурных ЭДС [E] = [Eнез] будет содержать только ЭДС независимых источников. В результате этого преобразования система уравнений примет вид

Z

Z

2

 

 

1

 

 

 

Z

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

[Z]·[I] = [Eнез]

Z

 

( Z

2

Z

2

)

 

 

I

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

Z

 

Z

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

3

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

22

E

 

 

1

 

0

 

 

.

(8.2)

Полная матрица сопротивлений [Z] учитывает параметры зависимых

источников и, как правило, несимметрична относительно главной диагонали

Z

Z

2

 

 

 

Z

2

 

Z

2

 

 

Z

1

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

.

(8.3)

Z

 

 

 

 

Z

 

 

Z

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

3

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

На основании рассмотренного примера можно сформулировать методику составления системы уравнения цепи, содержащей зависимые источники, методом контурных токов.

1.Преобразовать источники тока в источники ЭДС и выбрать независимые контурные токи: E2 = α·i4·Z2.

2.Выразить параметры зависимых источников через контурные токи:

E2 = α·I22·Z2,

3. Записать систему уравнений в матричной форме в виде (8.1). Матрица

сопротивлений [ZП] должна быть симметричной

 

 

 

 

 

 

Z

1

Z

2

 

 

 

Z

2

 

Z

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

.

П

Z

 

 

 

 

Z

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

4. Перенести из матрицы контурных ЭДС [E] в матрицу сопротивлений

[ZП] параметры зависимых источников с обратным знаком. В результате в пол-

ную матрицу сопротивлений [Z] войдут параметры зависимых источников

 

 

Z

Z

 

Z

2

 

 

 

 

Z

2

α Z

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

Z

 

 

Z

 

 

α

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

3

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

5. Записать систему контурных уравнений активной цепи [Z]∙[I] = [Eнез]:

Z

1

Z

2

 

 

 

Z

2

Z

2

 

 

 

 

 

I

 

E1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

Z

 

Z Z Z

0

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

3

 

 

4

 

 

 

 

 

2

 

22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

61

Решим следующую задачу, пользуясь сформулированной методикой.

Пример 8.2. Записать систему контурных уравнений и матрицу сопротивлений для схемы цепи ( рис. 8.3) методом контурных токов. E2 = k∙UR5,

E3 = r·IR2.

 

R1

 

 

 

 

Решение. 1. В схеме два зависимых

 

 

 

 

источника напряжения E2,

E3 и три

 

 

I22

 

E3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

независимых контура. На рис. 8.3

 

R2

 

R4

 

контурные токи показаны стрелками.

 

 

E2

 

 

 

2. Выразим напряжения зависимых

 

 

 

 

R5

 

E1

I11

 

 

UR5 источников через контурные токи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R3

I33

 

 

UR5 = R5·I33; IR2 = I11 – I22;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E2 = k·R5·I33; E3 = r·( I11 – I22).

 

 

 

Рис. 8.3

 

 

 

3. Запишем систему

уравнений в

 

 

 

 

 

 

 

 

матричной форме

 

 

R

)

 

R

 

 

 

(R

2

 

2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

R

2

 

 

(R

R

2

R

4

)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

R

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

I

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

11

 

 

R

4

 

I

22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(R

 

R

 

R

I

 

 

 

)

 

 

 

 

3

 

4

5

 

 

 

 

 

 

 

 

33

E

 

E

 

 

1

 

 

 

2

 

 

E

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

E

k·R ·I

33

 

 

1

 

 

5

 

 

r (I

 

I

 

)

 

 

11

 

22

 

 

 

 

 

 

 

k·R ·I

 

 

 

 

 

 

 

 

5

33

 

 

.

(8.4)

4. Проанализируем матрицу контурных ЭДС [E] и определим, какие коэффициенты с обратным знаком и куда в матрицу сопротивлений [ZП] нужно перенести:

из первой строки коэффициент (-k∙R5) – в первую строку третьего столб-

ца;

из второй строки коэффициент ( -r) – во вторую строку первого и второго столбца;

из третьей строки коэффициент (k∙R5) – в третью строку третьего столбца. Система уравнений примет окончательный вид

 

(R

2

R )

 

 

R

2

 

 

 

 

( R

 

k·R )

 

 

 

I

11

 

E

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

5

 

 

 

 

 

 

 

1

 

(8.5)

 

 

( R2

r)

(R1 R2

R4

r)

 

 

 

 

 

 

R4

 

 

 

I

22

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

I

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

R

 

 

 

(R

 

R

 

 

 

R

k·R

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

4

 

 

3

 

 

4

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

33

 

 

 

 

 

5. Выпишем полную матрицу сопротивлений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(R

2

 

R

)

 

R

2

 

 

 

 

 

 

R

 

kR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( R

2

r)

(R

R

2

R

4

r)

 

 

 

 

R

4

 

 

 

.

(8.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

R

 

 

 

 

 

(R

R

 

 

R

kR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

4

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

5

 

5

 

 

Полная матрица сопротивлений (8.6) отличается от матрицы сопротивлений пассивной части схемы тем, что она не симметрична относительно главной диагонали.

62

8.2. Метод узловых напряжений

Метод узловых напряжений дуален методу контурных токов, поэтому можно сразу записать правила составления системы уравнений активной цепи на основе принципа дуальности [YП]·[U] = [J]. (8.7)

1.Преобразовать источники ЭДС в источники тока и пронумеровать независимые узлы схемы.

2.Выразить параметры зависимых источников через узловые напряжения

Ukk.

3.Записать систему уравнений в матричной форме в виде (8.7). Матрица проводимостей пассивной части схемы [YП] должна быть симметричная.

4.Преобразовать систему уравнений. Перенести параметры зависимых источников из правой части системы в матрицу проводимостей [YП] с обратным знаком.

5.Записать систему узловых уравнений активной цепи в виде

 

 

 

[Y]∙[U] = [Jнез].

 

 

 

 

(8.8)

 

 

 

6. При необходимости выписать полную матрицу проводимостей [Y].

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

R4

J1

R1

 

R4

 

J1

IR1

E2

 

IR1

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

R2

 

R6

 

 

 

J2

R6

 

 

R5

 

 

 

 

 

IR5

 

 

E1

IR5

 

 

E1

3

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R3

 

R7

 

 

 

R3

 

R7

U44

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.4

 

 

 

 

 

Рис. 8.5

 

 

Пример 8.3. Составить систему уравнений в матричной форме [Y]∙[U] = [Jнез] методом узловых напряжений для схемы (рис. 8.4). Определить коэффициент передачи по напряжению KU. Схема содержит зависимые источники:

E2= r∙IR1, J1 = β∙IR5.

Решение. 1. Составим схему замещения. Преобразуем участок схемы «источник ЭДС E2 и резистор R4» в участок «источник тока J2 = r∙IR1/R4 и резистор R4» (см. рис. 8.5). Пронумеруем независимые узлы схемы.

2. Выразим параметры зависимых источников через узловые напряжения.

IR1 = (U11 – E1)∙g1, IR5 = (U33 – U44)∙g5, где g = 1/R.

J2 = r (U11 – E1)∙g1 ∙g4, J1 = β·(U33 – U44)∙g5.

(8.9)

3. Запишем систему уравнений в матричной форме в виде [YП]·[U] = [J].

63

(g

1

g

2

g

4

)

 

g

4

 

 

 

g

2

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

U

11

 

 

E g

1

J

2

 

 

 

 

 

(g

 

 

 

)

 

0

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

 

 

 

 

 

 

g

4

 

 

4

g

6

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

U

22

 

 

 

1

J

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

0

 

 

(g

 

g

 

 

g

 

)

 

 

g

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

.

 

2

 

 

 

 

 

 

2

3

5

 

 

5

 

 

 

33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

g

 

 

 

 

 

 

(g

 

g

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

5

 

 

 

5

 

6

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Подставим в матрицу-столбец узловых токов [J] токи зависимых источников (8.9)

E g

1

 

J

2

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

J

 

 

J

1

2

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

g

1

r (U

11

E

 

 

) g

1

g

4

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

(U

33

U

44

) g

5

r (U

11

 

E )

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(U

33

U

44

) g

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

Эту матрицу для наглядности можно представить в виде суммы двух матриц – независимых и зависимых источников тока

J

где

J

нез

 

J

нез

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

1

 

J

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

зав

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

g

(1

 

1

 

1

 

 

 

r g

g

 

 

4

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

g (1

 

1

 

 

 

g

g

4

 

1

 

 

 

0

 

 

 

0

 

g

4

)

 

 

 

 

E

 

 

;

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

)

 

g

 

g

4

 

0

 

4

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r g

 

g

 

 

 

 

0

E

 

 

1

4

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

g

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

r g

 

g

 

 

J

 

 

 

1

4

 

зав

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

g

 

 

 

g

 

 

 

5

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

g

 

 

 

 

5

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

0

 

 

 

0

g

5

g

5

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

0

 

 

 

0

g

5

g

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

11

 

 

 

 

 

 

U

22

 

 

 

U

33

 

 

 

U

 

 

 

 

44

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

22

 

 

 

.

33

 

 

 

 

 

44

Матрица зависимых источников тока представлена произведением матрицы проводимостей параметров зависимых источников и матрицы узловых напряжений

 

 

 

 

r g

 

g

 

0

0

 

 

0

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

r g

1

 

 

4

0

g

 

 

g

 

 

 

 

11

 

J

 

Y

U

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

1

 

 

4

 

 

5

 

 

5

 

 

 

зав

 

 

 

 

0

0

0

 

 

U

22 .

 

А

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

33

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

g

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

44

5. Запишем полную матрицу проводимостей в виде разности двух матриц пассивной и активной частей схемы [Y] = ([YП] – [YА])

(g

g

2

g

4

g

g

4

)

 

g

4

 

 

 

 

g

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(g

 

r g

g

 

)

 

 

(g

 

g

 

)

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

( g

 

 

g

 

)

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

g

1

 

4

 

 

 

 

4

0

 

6

 

(g

 

g

 

 

 

5

 

 

 

)

 

 

 

 

6

g

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

g

5

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

( g

5

 

g

5

)

(g

5

g

6

g

7

g

5

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Запишем полную систему уравнений в матричной форме

.(8.10)

64

(g g

2

g

4

g g

4

)

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

(g

4

g1

g4 )

 

 

 

 

 

 

 

g2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E g (1 g

 

)

 

1 1

 

4

 

 

E1 g1

g4

.

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

4

 

 

 

 

g

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

U

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(g

 

g

 

)

 

g

 

 

 

 

 

 

( g

 

g

 

)

 

 

U

 

 

 

 

4

0

 

6

 

(g

 

g

 

 

 

5

 

 

 

)

 

 

 

6

g

 

 

5

 

 

.

22

 

 

 

 

 

 

 

2

3

g

5

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

U

33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

6

 

 

( g

5

g

5

) (g

5

g

6

g

7

g

5

)

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

44

 

Коэффициент передачи по напряжению нужно искать в виде KU =U44 / E. Таким образом, требуется решить систему уравнений относительно U44.

8.3. Выводы

На основании рассмотренных примеров можно сделать вывод о том, что при расчете активных цепей методами контурных токов и узловых напряжений требуется проводить преобразование систем уравнений электрического равновесия. Преобразование сводится к переносу параметров зависимых источников из правой части уравнений в левую.

65

ТЕМА 9. ПРИМЕР РАСЧЕТА ЧАСТОТНЫХ И ПЕРЕХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА

В этом параграфе рассмотрим пример полного расчета частотных и переходной характеристики электронного устройства – избирательного усилителя мощности. Решение такой задачи потребует знания вопросов, изложенных в этом учебном пособии.

Эквивалентная схема усилителя для переменной составляющей изображена на рис. 9.1. Усилитель содержит предварительный избирательный усилитель на ОУ DA и усилитель мощности на транзисторе V1 по схеме с общим коллектором. Предварительный усилитель формирует избирательную частотную характеристику. Избирательность фильтра без колебательного RLC – контура достигается за счет положительной обратной связи через элементы R3, C1, R2, C2. Резистор R1 ограничивает ток источника сигнала на высоких частотах (при ω → ∞). Эти же элементы определяют квазирезонансную частоту ω0. Цепь отрицательной обратной связи R5, R4 позволяет регулировать затухание (коэффициент усиления) и, следовательно, полосу пропускания при неизменной частоте ω0.

Усилитель на транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором, называют эмиттерным повторителем. У него коэффициент передачи по напряжению равен ~1, а по току – >1. Частотная характеристика его равномерная в полосе пропускания предварительного усилителя.

R1

R3

R5

 

 

C1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V1

 

 

DA

R6

 

R2

C2

R4

 

 

 

R7

R8

 

 

 

Рис. 9.1

Пример 9. Провести расчет передаточных частотных характеристик KU(jω) и переходной характеристики выходного напряжения HU(t) узкополосного усилителя мощности, определить квазирезонансную частоту ω0, коэффициент усиления K(ω0), полосу пропускания S, частоту собственных колебаний ωсв.

R1 = 910 Ом ; R2 = 12 кОм; R3 = 4 кОм; R4 = 1 кОм; R5 = 10 кОм; R6 = 100 Ом; R7 = 1 кОм; R8 = 100 Ом; C1 = C2 =100 пФ;

66

параметры транзистора V1: RБ = 200 Ом; RЭ = 40 Ом; RК = 10 кОм; α = 0.99; операционный усилитель DA идеальный k = ∞.

Методические рекомендации: Решение задачи целесообразно провести

вследующей последовательности:

1)нарисовать схему замещения усилителя для переменного тока;

2)выбрать метод расчета и составить систему уравнений;

3)получить выражения операторного коэффициента передачи по напряжению и операторной переходной характеристики выходного напряжения;

4)записать выражения АЧХ и ФЧХ;

5)сделать численный расчет частотных характеристик – АЧХ, ФЧХ, определить квазирезонансную частоту ω0 и полосу пропускания S;

6)вывести формулу переходной характеристики выходного напряжения;

7)сделать численный расчет переходной характеристики, определить частоту собственных колебаний ωсв.

Решение. Задачу будем решать по пунктам, предложенным в задании.

1. Для составления схемы замещения усилителя нужно ОУ и транзистор представить своими схемами замещения. К входным полюсам усилителя подключить источник сигнала, например, источник ЭДС E1(t).

Операционный усилитель представим зависимым источником напряжения E2, управляемым входным напряжением ОУ (см. тему 4).

Транзистор V1 заменим Т-образной схемой замещения с зависимым источником тока J, управляемым током эммитера IЭ : J = α∙IЭ.

Таким образом, получилась схема замещения усилителя, изображенная на рис. 9.2. Схемы ОУ и V1 выделены пунктирными линиями.

 

1

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

R3

 

4

 

 

 

V1

 

 

R5

 

 

 

C1

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

R6

5

6

IЭ

7

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E1

 

R4

 

 

 

RБ

 

RЭ

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

E2

 

 

 

 

 

 

 

R7

RК

J

R8

 

 

 

 

 

 

 

 

DA

 

 

 

 

 

Рис. 9.2

2. Для выбора метода расчета проведем топологический анализ схемы (см. тему 2). Прономеруем узлы и подсчитаем количество ветвей p = 15, узлов g = 8 и источников тока NИТ = 1. Определим количество независимых уравнений по первому и второму законам Кирхгофа: n1 = g – 1 = 7, n11 = p – g – 1 + 1 = 7.

67

Так как число уравнений оказалось одинаковым, то можно выбрать либо метод контурных токов (см. тему 3), либо метод узловых напряжений (см. тему 4). Однако, между четвертым и базисным узлами включен идеальный источник ЭДС. Поэтому число независимых уравнений по первому закону Кирхгофа уменьшится на единицу n1 = 6. Следовательно, выберем метод узловых

напряжений.

Выразим напряжения зависимых источников через узловые напряжения:

E2 = U44 = k∙(U22 - U33), k∙(U22 - U33) - U44 = 0, J = α∙IЭ = α∙gЭ∙(U77 – U66), (9.1)

где gЭ = 1/RЭ.

Запишем систему узловых уравнений в матричной форме [Y]·[U] = [J],

где

(g

g

3

pC

 

1

 

 

 

1

 

pC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

0

 

 

 

Y

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

U

44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

55

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

66

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

77

 

 

 

 

 

 

)

,

 

 

pC

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

(g

2

p(C

C

2

))

 

 

 

0

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

(g

4

g

5

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

g

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

( U

 

 

 

 

 

 

 

Э

66

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

3

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

5

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

(g

 

g

 

 

g

 

)

 

 

g

 

 

 

 

 

0

 

 

6

6

7

Б

 

 

Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

g

Б

 

 

(g

Б

g

К

g

Э

)

g

Э

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

(g

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Э

 

 

Э

8

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

77

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эта система уравнений требует преобразования:

а) из формул (9.1) видно, что при k = ∞ U22 U33 = 0, т.е. U22 = U33, поэтому нужно в [Y]– матрице второй и третий столбец сложить и оставить сумму, а третью строку вычеркнуть; в [U]– и [J]– матрицах вычеркнуть третьи строки;

б) коэффициенты (α∙gЭ) в шестой строке [J]– матрицы перенести с обратным знаком в шестую строку шестого и седьмого столбцов [Y]– матрицы.

После преобразования система уравнений (9.2) примет вид

(g1 g3 pC1)

 

pC1

 

 

0

Y

0

 

0

 

 

 

 

0

 

pC

 

 

g

3

0

0

 

 

 

0

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( g 2 p(C1 C2 ))

0

 

0

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

(g

4

g

5

)

g

5

0

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

0

 

 

g 6

(g 6 g 7 g Б )

g Б

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

g Б

( g Б g К g Э )

 

g Э

 

 

 

 

0

 

 

0

 

0

g

Э

( g

Э

g

8

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

68

U

U

11

 

 

 

 

U

22

 

 

 

 

 

U

44

 

 

 

 

U

55

 

 

 

 

 

U

66

 

 

 

 

U

77

 

,

E

 

g

1

 

 

1

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

.

(9.3)

Подставим в (9.3) численные значения параметров элементов. Получится система, которую нужно решать

 

(1.35

10

3

10

10

p)

10

10

p

 

2.5 10

4

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

 

U

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

10

p

 

(8.33

10

5

2

10

10

p)

0

 

 

 

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

 

U

22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

1.1 10

 

 

 

1 10

 

 

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

 

44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

10

2

1.6

10

2

5 10

3

0

 

 

 

 

U

55

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

 

2

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

5 10

3.01 10

2.5 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

2.5 10

2

3.5 10

2

 

 

 

66

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

77

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

3

E

1.1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

     

. (9.4)

Операторный коэффициент передачи по напряжению (см. темы 6, 7) будем определять решением системы уравнений (9.4) относительно U77(p)

KU(p) = U77(p)/E1.

Это можно сделать с помощью вычислительной программы, например, «Mathcad 2000». Ниже приведено решение системы (9.4) по этой программе (копия окна из программы «Mathcad 2000»).

Выпишем нужное нам значение узлового напряжения

 

 

 

 

E 2.53 107 p

 

 

U 77

( p)

 

 

1

 

 

 

.

p

2

3.33 10

5

p 1.12

13

 

 

 

 

10

69

Коэффициент передачи по напряжению равен

 

 

 

U

77

 

K

 

( p)

 

 

U

E

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2.53 10

7

p

 

 

 

p

2

3.33 10

5

p

13

 

 

1.12 10

.

(9.5)

Операторное выражение переходной характеристики выходного напряжения (см. тему 6) определим с помощью KU(p) при E1 = 1/p

H

 

( p)

K ( p)

 

U

p

 

 

 

 

 

2.53 10

7

 

 

 

 

 

p

2

3.33 10

5

p

1.12

13

 

 

10

.

(9.6)

4. Для получения выражений АЧХ и ФЧХ нужно сделать замену переменной p = jω в KU(p) и записать KU(jω) в показательной форме

KU(jω) = KU(ω)∙ejφ(ω).

 

 

 

2.53 10

7

j

 

 

 

2.53 10

7

 

 

 

 

K

 

( j )

 

 

 

 

 

 

 

 

U

13

 

2

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

2

 

2

 

 

5

 

2

 

 

 

(1.12 10

 

 

) 3.33 10

 

j

 

)

(3.33 10

)

 

 

 

 

 

(1.12 10

 

 

 

 

e

j ( )

,

где

( )

числ

( )

знам

( )

 

 

 

– аргумент KU(jω).

Выражение АЧХ

 

 

 

2.53 10

7

 

 

 

 

K

 

( )

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

2

)

2

(3.33 10

5

)

2

 

 

(1.12 10

 

 

 

 

. (9.7)

Аргумент числителя φчисл(ω) = π /2 при любых значениях ω.

Аргумент знаменателя φзнам(ω) нужно определять для двух областей ча-

стот, которые определяются по знаку действительной части знаменателя

 

(1.12·1013 ω2):

 

 

 

при ω ≤ 3.35·106,

φзнам(ω) = arctg[3.33·105·ω /(1.12·1013 ω2)],

 

при ω > 3.35·106,

φзнам(ω) = π + arctg[3.33·105·ω /(1.12·1013 ω2)].

 

Таким образом, выражение ФЧХ определяется двумя формулами (9.8):

 

 

 

 

а) ω ≤ 3.35·106

φ(ω) = π /2– arctg[3.33·105·ω /(1.12·1013 ω2)],

 

(9.8)

б) ω > 3.35·106

φ(ω) = –π /2– arctg[3.33·105·ω /(1.12·1013 ω2)].

 

 

5. Численный расчет проведем по программе «Mathcad 2000». Перед численным расчетом нужно оценить диапазон частот, в пределах которого будет проведен расчет. Граничные частоты оцениваются по модулю нулей и полюсов

KU(p) (9.5).

Функция (9.5) имеет один ноль po = 0. Полюсы определим из уравнения

(p2 + 3.33·105∙p + 1.12·1013) = 0, p*1,2 = – 1.7·105 ± j 3.34·106, |p*1| ≈ 3·106 рад/с.

Итак, границы диапазона частот можно принять следующими (вблизи полюса):

ωmin < |p*|, например, ωmin =106, ωmax > |p*|, например, ωmax = 107.

На рис. 9.3 изображено окно с комментариями к программе «Mathcad 2000» по расчету АЧХ и ФЧХ усилителя в заданном диапазоне частот. Показана квазирезонансная частота ωо.

70