Примеры схемотехнического моделирования
Схемотехническое моделирование – важный этап проектирования многих изделий электронной техники: цифровых и аналоговых интегральных схем, электронных схем разной степени сложности на дискретных элементах, блоков радиоаппаратуры и т.д.
Цель схемотехнического моделирования состоит в определении величин тока и напряжения, возникающих в разных точках схемы и вычислении параметров выходных характеристик, таких как длительность фронта, время задержки, спектр выходного сигнала и др. Кроме этого, в процессе схемотехнического моделирования определяется чувствительность схемы к изменению параметров ее элементов, решается задача статистического анализа схемы и оптимизации ее параметров.
Регулятор тембра
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/Регулятор-тембра.png)
Рассмотрим схему (рис.1) регулятора тембра с хорошими техническими характеристиками. В его конструкции применены полевые транзисторы и прецизионный быстродействующий операционный усилитель от «Texas Instruments» LM318N.
Поскольку полевые транзисторы отличаются повышенной линейностью, буферные каскады в этой схеме собраны именно на них (J1 и J3). А резисторы в истоковых повторителях заменены на генераторы тока (J2 и J4). На микросхеме операционного усилителя U1 собран усилитель напряжения коэффициент усиления, которого настраивается подбором резисторов R6, R7, R10.
Эта схема регулятора тембра – мостового типа. Наиболее распространенной мостовой схемой регулятора является комбинированная схема регуляторов нижних и верхних частот. Такие регуляторы обладают меньшими искажениями, чем регуляторы «активного» типа с формированием АЧХ в цепи отрицательной обратной связи.
Для минимизации искажений при больших входных сигналах в истоковых повторителях применены полевые транзисторы с большой крутизной характеристики, большим начальным током стока и большим напряжением отсечки. Поэтому был выбран полевой транзистор КП303, а подбором резисторов R5 и R22 установлены близкие к нулю значения напряжений на истоках J1 и J3.
Основные характеристики регулятора:
- Коэффициент передачи на частоте 1 кГц, в среднем положении потенциометра (R12, R14) – 1;
- Номинальное входное напряжение – 0.7 В;
- Номинальное выходное напряжение – 0.7 В;
- Диапазон регулировки тембров:
на частоте 40 Гц – ±12 дБ;
на частоте 14 кГц – ±12 дБ;
В качестве моделей полевого транзистора КП303А и операционного усилителя LM318N используем модели, полученные на основе данных технического паспорта:
.MODEL KP303A njf (vt0=-0.9 beta=1.6m lambda=0.02 rd=30 rs=35 cgs=5p cgd=4p
is=100f B=1.2 kf=0.1f af=1.4 MFG=USSR)
********************************************************** * OP AMP BUILDER - Level 2 * Subckt Name: %s LM318N * Device Name: LM318N ********************************************************** * * Device Pins In+ In- Vcc Vee Vout .SUBCKT LM318N 1 2 101 102 82 * RIN 1 2 3.00e+06 * * AMPLIFIER STAGE: GAIN, POLE, SLEW * Aol=3.16e+05, fu=1.50e+07 Гц, fp1=4.74e+01 Гц * I1max=1.00e-03 A, slew max=7.00e+01 В/мкс G1 100 10 VALUE = { LIMIT( 1.35e-03 * V(1,2), +1.00e-03, -1.00e-03 ) } R1 10 100 2.35e+08 C1 10 100 1.43e-11 * * INTERNAL REFERENCE EREF 100 0 VALUE = { (V(101)+V(102))/2 } * * OUTPUT VOLTAGE LIMITS (VoLim=2.00e+00 В) DVLP 10 91 DNOM EVLP 91 0 VALUE = { -2.69e+00 + V(101) } DVLN 93 10 DNOM EVLN 93 0 VALUE = { +2.69e+00 + V(102) } * * OUTPUT CURRENT LIMITS (IoLim=1.00e-02 A) DCLP 10 95 DNOM ECLP 95 82 VALUE = { 2.09e-01 } DCLN 97 10 DNOM ECLN 82 97 VALUE = { 2.09e-01 } * .MODEL DNOM D( IS=1e-15 ) * * OUTPUT STAGE EOUT 80 100 10 100 1 ROUT 80 82 1.00e+02 .ENDS
Результаты верификации моделей полевого транзистора и операционного усилителя представлены на рисунках 2 – 4.
Рис. 2. Зависимость тока стока от напряжения затвор исток
Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления ОУ без обратной связи от частоты
Рис. 4. Импульсная характеристика ОУ
Результаты моделирования регулятора тембра представлены на рисунках 5 и 6. На рисунке 6 представлена легенда изменения движка потенциометра w = 0 соответствует его верхнему положению, w = 1 – нижнему.
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/Выходное-напряжение-Регулятора-тембра.png)
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/АЧХ-Регулятора-тембра.png)
Амплитудный модулятор
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/Амплитудный-модулятор.png)
Для обеспечения амплитудной модуляции сигнала, формируемого высокочастотным-генератором в малогабаритных транзисторных радиопередающих устройствах, обычно применяются схемы модуляторов, выполненных на одном транзисторе. Принципиальная схема одного из вариантов такого модулятора, основу которого составляет биполярный n-p-n-транзистор, приведена на рисунке 1.
Работа схемы происходит следующим образом. Падение напряжения между базой и эмиттером транзистора Q1, является функцией тока, протекающего через его базу. Тогда подавая на эмиттер транзистора низкочастотный сигнал, мы меняем напряжение база-эмиттер, и, как следствие, ток базы, который в свою очередь напрямую влияет на усиление транзистора. Когда амплитуда низкочастотного сигнала максимальна, напряжение база-эмиттер минимально, и потому минимально усиление транзистора. Когда амплитуда низкочастотного сигнала минимальна, имеем максимальное напряжение база-эмиттер минимально и максимально усиление. Таким образом, несущий сигнал усиливается в зависимости от низкочастотного, и мы получаем амплитудную модуляцию.
В качестве модели транзистора КТ315Г используем модель, полученную на основе данных технического паспорта.
.MODEL KT315G NPN (IS=10F BF=150.908 VAF=100 IKF=100.171M ISE=1.647447e-020
NE=843.555M BR=1.24332 IKR=12.5037M ISC=2.069447e-017 RE=500M RC=1.20975
CJE=2P MJE=500M CJC=5P MJC=500M TF=1N XTF=500M VTF=10 ITF=10M TR=10N)
Результаты верификации модели приведены на рисунке 2.
Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления тока базы от тока коллектора
Результаты моделирования представлены на рисунке 3.
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/АМ-выходной-сигнал.png)
Режекторный фильтр на операционном усилителе
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/Режекторный-фильтр.png)
Многие устройства, которые питаются от источников постоянного тока, преобразовывающих переменное сетевое напряжение 230 В, или находятся в мощных электромагнитных полях сетевого напряжения, нуждаются в дополнительной фильтрации паразитного фона частотой 50 Гц.
Такой фильтр должен подавлять только компоненты сигнала на частоте 50 Гц, пропуская полезные частоты сигнала. Чтобы собрать LC фильтр с добротностью 10, потребовалось бы использовать индуктивность почти 150 Гн, поэтому целесообразнее синтезировать схемотехнический эквивалент индуктивности.
На рисунке 1 показана схема режекторного фильтра на двух операционных усилителях. С элементами R2…R6, С2 схема моделирует работу катушки индуктивности. Индуктивность синтезированной катушки определяется по формуле: L = R2 × R3 × С2.
В качестве модели операционного усилителя LF356 используем модель от компании National Semiconductor.
Результаты моделирования в зависимости от положения движка потенциометра представлены на рисунке 2. w = 0 соответствует верхнему положению, а w = 0 – нижнему.
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/АЧХ-фильтра.png)
Генератор прямоугольных импульсов на ОУ
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/Генератор.png)
Обычно для построения схемы генератора применяют широко распространённую интегральную микросхему таймера NE555, работающего в режиме неустойчивого мультивибратора. На рисунке 1 предложен вариант схемы генератора на операционном усилителе, выполняющем роль компаратора с двумя состояниями на выходе.
Частота сигнала на выходе генератора зависит от времязадающего конденсатора С2. Он разряжается через резистор R5 и потенциометр R6, которым изменяют частоту выходного сигнала. Резисторы R7, R4 и конденсатор С3 обеспечивают напряжение смещения на ОУ.
В качестве модели операционного усилителя LF356 использована модель компании National Semiconductor.
Результаты моделирования в зависимости для двух положения движка потенциометра R6 представлены на рисунке 2.
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/Выходное-напряжение-Генератора.png)
Усилитель с заземленным эмиттером
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/Усилитель-с-заземленным-эмиттером.png)
Рассмотрим схему усилителя с заземленным эмиттером, представленную на рисунке 1.
Для реализации схемы выбран транзистор, используемый при построении хороших предусилителей звукового диапазона 2N5088. Расчет параметров элементов схемы проведем для тока коллектора транзистора Q2, равного 1 мА и напряжения на коллекторе равного 10 В.
Проведем расчет схемы в статическом режиме, использовав модель биполярного транзистора компании Intusoft.
.model QN5088 NPN BF=780 BR=4 CJC=7.83P CJE=11.8P IKF=30M IKR=45M IS=21.0P ISE=41.8P NE=2 NF=1 NR=1 RB=92.6 RC=9.26 RE=23.1 TF=3.18N TR=127F VAF=98.5 VAR=18 XTB=1.5
Результаты показывают, что напряжение на коллекторе равно 9.56 В, что достаточно близко к желаемому 10 В и ток коллектора близок к 1 мА, а напряжение база-эмиттер составляет 482 мВ.
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/АЧХ-QN5088.png)
Определим коэффициент передачи исходя из следующих соотношений динамическое сопротивление re= VT/IC, а VT=kT/q =25мВ при комнатной температуре. Тогда при токе 1 мА re = 25 Ω, а коэффициент передачи Ku = R4/re = 400.
Результаты моделирования усилителя в частотной области, приведенные на рисунке 2 показывают, что коэффициент передачи составляет примерно 200, что в два раза отличается от расчетного.
Проведем верификацию модели от компании Intusoft. Для этого рассчитаем зависимость напряжений насыщения база-эмиттер и коллектор-эмиттер от тока коллектора.
Рис. 3. Верификации модели транзистора компании Intusoft
Результаты верификации модели Intusoft, приведенные на рисунке 3 показывают, что модель не адекватно описывает зависимости напряжений насыщения база-эмиттер и коллектор-эмиттер от тока коллектора.
В качестве альтернативы применим модель от компании Fairchild.
.MODEL 2N5088F NPN BF=1.122K BR=1.271 CJC=4.017p CJE=4.973p EG=1.11 FC=.5 IKF=14.92m IKR=0 IS=5.911f ISC=0 ISE=5.911f ITF=.35 MJC=.3174 MJE=.4146 NC=2 NE=1.394 RB=10 RC=1.61 TF=821.7p TR=4.673n VAF=62.37 VJC=.75 VJE=.75 VTF=4 XTB=1.5 XTF=7 XTI=3
Проверяем параметры по постоянному току. Напряжение на коллекторе равно 9.17 В, а напряжение база-эмиттер составляет 669 мВ.
Моделируем схему в частотной области. Результаты приведены на рисунке 4.
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/АЧХ-2N5088F.png)
Коэффициент передачи для малого сигнала в результате равен 340, что гораздо ближе к ожидаемому значению, однако относительная погрешность по отношению к ожидаемому значению составляет 15%.
Верифицируем модель компании Fairchild. Результаты приведены на рисунке 5.
Рис. 5 Результаты верификации модели транзистора компании Fairchild
Из результатов следует, что данная модель более адекватно описывает транзистор 2N5088.
Идентифицируем параметры модели по данным технического паспорта. В результате получаем:
.MODEL 2N5088 NPN (IS=33.0619F BF=2K NF=960.621M VAF=100 IKF=10K ISE=20.2286F NE=1.39945 BR=1.65044 IKR=10M ISC=22.8499F RE=359.95M RC=525.785M CJE=8.23931P VJE=750.641M MJE=464.49M CJC=4.97286P VJC=750.09M MJC=414.564M TF=337.145P XTF=33.6486 VTF=8.80193MEG ITF=368.978M TR=10N)
Результаты верификации полученной модели приведены на рисунке 6.
Рис. 6. Результаты верификации идентифицированной модели
Из них следует, что полученная модель адекватно описывает транзистор 2N5088.
Моделируем схему усилителя в статическом режиме. Напряжение на коллекторе транзистора Q2 равно 9.5 В, а напряжение база-эмиттер составляет 599 мВ.
Результаты моделирования в частотной области приведены на рисунке 7. Коэффициент передачи составляет 380, относительная погрешность по сравнению с ожидаемым результатом равна 5%.
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/08/АЧХ-2N5088.png)
Помехоподавляющий фильтр ЭМС
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/09/Электрическая-схема-фильтра-ЭМС.png)
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/09/Конструкция-дросселя.png)
Рис.2. Конструкция дросселя
Верификация параметров модели дросселя компании Würth Elektronik приведены на рисунке 3.![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/09/Верификация-дросселя-300x125.png)
Рис. 3. Результаты верификации модели дросселя
На рисунке 4 приведены результаты схемотехнического моделирования фильтра без учета и с учетом паразитных параметров ЭКБ. Сравнение частотных характеристик показывает, что без учета паразитных параметров частотная характеристика плавно спадает с увеличением частоты, а влияние паразитных параметров приводит к тому, что начиная с 29 кГц коэффициент передачи начинает возрастать. Таким образом, результаты моделирования позволяют оценить влияние паразитных параметров ЭКБ, которое сказывается даже на сравнительно не высоких частотах.![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/09/Результаты-моделирования-фильтра-1024x746.png)
Кроссовер
Одним из эффективных способов улучшения качества звуковоспроизведения является применение полосовых усилителей мощности звуковых частот с активными разделительными фильтрами (кроссоверами) на входах. Такое построение называется многополосной усилительной системой.
Разработать активные фильтры, исходя из: требуемого подавления внеполосных частот, идеального согласования на частотах раздела, плоской суммарной АЧХ, приемлемых импульсных характеристик – дело сложное. Одно из удачных решений проблемы представлено в статье Рода Эллиотта (https://sound-au.com/project09.htm).
На Рис.1 показана схема кроссовера Linkwitz Riley с 3 полосами. Она даёт отличные результаты с хорошим фазовым согласованием и равномерным импульсным откликом во всей полосе частот.
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/10/Кроссовер.png)
Частотная характеристика показана от 20 Гц до 20 кГц показана на рисунке 2. Хотя полоса пропускания кроссовера намного шире. Вносимые потери равны 0 дБ, поскольку фильтры не вносят усиления или потерь в их полосах пропускания. Частоты среза определяются по уровню -6 дБ каждого фильтра и находятся на частотах 310 Гц и 3,1 кГц.
![](https://ecircuit.ru/wp-content/uploads/2022/10/АЧХ-кроссовера.png)