Pomiary charakterystyk

Program LTspice udostępnia kilka narzędzi pomiarowych. W tym artykule poznamy metodę przypominającą pomiary oscyloskopowe, a więc chyba najbardziej naturalne dla praktyków. Parametry charakterystyk będziemy określać za pomocą kursorów. Zmierzymy najbardziej interesujące nas częstotliwości graniczne (3-decybelowe): dolną i górną. Pierwszą czynnością, jaką należy wykonać jest oczywiście uruchomienie kursorów. Jak zwykle metod jest kilka, a my wybieramy jedną z nich. Ustawiamy kursor na etykiecie widocznej u góry obszaru zawierającego interesujący nas wykres (rys. 19a), naciskamy prawy przycisk myszki i w polu „Attached Cursor” wybieramy opcję 1st and 2nd (rys. 19b).

Rys. 19. Obsługa kursorów a) wejście do obsługi kursorów, b) uaktywnienie kursorów, c) okno parametrów

Wybór akceptujemy przyciskiem OK. Początkowo na ekranie widoczne są dwa nakładające się na siebie kursory ekranowe. Naprowadzamy więc kursor myszki na przykład na linię pionową kursora, naciskamy lewy przycisk myszki i przytrzymując go przesuwamy kursor 1. w lewo tak, aby znalazł się mniej więcej w najwyższym punkcie charakterystyki. Podobnie robimy z kursorem 2., z tym że ten powinien być umieszczony w punkcie odpowiadającym 3-decybelowej różnicy poziomów w stosunku do kursora 1. Parametry kursorów ekranowych są wyświetlane w nałożonym na wykres oknie (rys. 19c). Niestety pole obliczeń względnych (Ratio) nie jest modyfikowane w trakcie ruchu kursora, ustawienie go w odpowiedniej pozycji musi być więc wykonane metodą kolejnych przybliżeń. Należy liczyć się z tym, że nie zawsze będzie możliwe bardzo precyzyjne trafienie w punkt. W naszym przykładzie odczytujemy, że dolna częstotliwość graniczna jest równa ok. 28,7 Hz (rys. 20a), górna natomiast 26,2 kHz (rys. 20b). W obu przypadkach to trochę więcej w odniesieniu do założeń projektu. Miało być 20 Hz i 20 kHz. Sprawdźmy zatem, jakie będą wyniki pomiarów układu rzeczywistego.

a)b)

Rys. 20. Pomiary częstotliwości i poziomów z użyciem kursorów, a) dolna częstotliwość graniczna, b) górna częstotliwość graniczna

Pomiary układu rzeczywistego

Układ rzeczywisty mamy już zmontowany. W poprzednim odcinku mierzyliśmy stałoprądowy punkt pracy tranzystora zastosowanego we wzmacniaczu. Tym razem konieczne będzie doprowadzenie sygnału z generatora i sprawdzenie zmian napięcia wyjściowego w funkcji częstotliwości wejściowej. Tak jak poprzednio do pomiaru zostanie wykorzystany przyrząd Analog Discovery 2. W jego zasobach znajduje się wirtualne narzędzie do zdejmowania charakterystyk częstotliwościowych – Network Analyzer. W wyniku pomiarów na ekranie są wyświetlone wykresy przedstawiające częstotliwościowe charakterystyki: amplitudową i fazową. Dla naszego układu wyglądają one jak na rys. 21.

Rys. 21. Zmierzone charakterystyki częstotliwościowe układu rzeczywistego

Tym razem różnice między symulacją a pomiarami rzeczywistymi są nieco większe. Okazało się, że dolna i górna częstotliwość 3-decybelowa jest równa odpowiednio 21 Hz i 48 kHz, przy czym, jak na ironię, bliższa założeniom projektowym była symulacja. Jeszcze bardziej jest to widoczne na przykładzie wzmocnienia. Symulacja jest niemal w 100 procentach zgodna z obliczeniami. Wzmocnienie projektowanego wzmacniacza obliczone na podstawie przyjętych do realizacji wartości wszystkich elementów było równe 72,2 V/V (37,17 dB). Symulacja wykazała wzmocnienie równe 37,2 dB, natomiast parametr ten zmierzony w układzie rzeczywistym miał wartość 33,99 dB. To dość znaczna różnica, ale przecież byliśmy na nią przygotowani. Na przykład współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora przyjętego do budowy wzmacniacza osiąga według katalogu wartości od 80 do 300, a wiemy, że ma on wpływ na wartości elementów małosygnałowego modelu zastępczego tranzystora. Ostatecznie nie może więc dziwić nawet dość znaczna różnica wzmocnienia napięciowego układu rzeczywistego w odniesieniu do modelu teoretycznego.

W następnym odcinku cyklu sprawdzimy, jak będzie wyglądało porównanie obliczeń, symulacji i pomiarów układów budowanych w oparciu o wzmacniacze operacyjne. Użyjemy oczywiście układów firmy Analog Devices.