Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

• Название: OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей
• Автор: Дж. Кеоун
• Жанр: Программы
• Год: 2008
• ISBN: 978-5-9706-0009-2

Это руководство по работе в программе OrCAD Pspice предназначено для всех, кто знаком с основными разделами электротехники. При постепенном усложнении задач объясняются все необходимые аспекты работы в OrCAD Pspice, что позволяет творчески применять их при дальнейшем анализе электрических и электронных схем и устройств. Рассмотрение материала начинается с анализа цепей постоянного тока, продолжается анализом цепей переменного тока, затем переходит к различным разделам полупроводниковой электроники. Информация изложена таким образом, чтобы каждый, кто изучал или изучает определенный раздел электротехники, мог сразу же использовать OrCAD Pspice на практике. Больше внимания, чем в других книгах по этой теме, уделяется созданию собственных моделей и использованию встроенных моделей схем в OrCAD Pspice.

На прилагаемом к книге DVD вы найдете демонстрационную версию программы OrCAD PSpice Student Edition 9, которой можно пользоваться свободно. Кроме того, на диске размещена версия OrCAD 10.5 Demo Release, с которой можно работать в течение 30 дней после установки на компьютер.

---

Точной моделью для биполярных транзисторов, широко используемой при анализе на малых сигналах, является модель в h-параметрах, показанная на рис. 3.5. Эта модель с соответствующими значениями используется для анализа схем с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) или общей базой (ОБ). Наша задача состоит в том, чтобы разработать версию этой модели, пригодную для использования в PSpice. Эта модель содержит ИТУТ для использования с hf и управляемого напряжением источника напряжения (ИНУН) для использования с hr. В модель на рис. 3.6 введен резистор RI для моделирования hi, E, чтобы определить hr, RO в качестве 1/h0, и F, чтобы определить hf.

Рис. 3.5. Модель в h-параметрах для транзистора

Рис. 3.6. Модель схемы с ОЭ, пригодная для анализа на PSpice

Анализ схем с общим эмиттером, использующий модель с h -параметрами

На рис. 3.7 приведена типовая схема усилителя с общим эмиттером (ОЭ), предназначенная для анализа. Более сложные схемы можно часто привести к этой форме, используя различные теоремы и методы упрощения. Заданы параметры элементов схемы: VS=1 мВ, RS=1 Ом, Ri=1,1 кОм (hie), hr=2,5·10-4 (коэффициент используется в Е), hf=50 (коэффициент используется в F), R0=40 кОм=1/h0, и RL=10 кОм. Источник V0=0 В необходим, чтобы создать независимый источник для команды ввода F.

Рис. 3.7. Модель схемы с общим эмиттером в h-параметрах, включающая источник питания и нагрузку

Хотя нас интересуют свойства схемы на малых сигналах, мы не будем использовать анализ для переменного тока. Причина состоит в том, что пока мы имеем дело с установившимися состояниями для малых сигналов переменного тока и в схеме отсутствуют реактивные элементы, мы можем использовать анализ PSpice на постоянном токе относительно амплитуд или действующих значений токов и напряжений. Программа PSpice не воспринимает разницы! В то же время вы должны понимать, что программа дает результаты для малых сигналов переменного тока и никак не учитывает постоянных напряжений и токов смещения.

Конечно, мы полагаем, что рабочая точка была выбрана правильно и работа происходит в активной области. Входной файл для анализа имеет вид: 

Small Signal Analysis of Transistor Circuit Using h Parameters

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 0 4 0 2.5E-4

F 4 0 V0 50

RS 1 2 1k

R1 2 3 1.1k

R0 4 0 40k

RL 4 0 10k

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) VS

.END

Выполните анализ и распечатайте выходной файл для дальнейшего изучения. Убедитесь, что Ib=0,5 мкА; Iс=20 мкА (вычисляется как (V)4/RL); полный коэффициент усиления по напряжению -200 (вычисляется как V(4)/VS); Ri=2 кОм и R0=8,4 кОм.

Поскольку Ri включает RS, каково входное сопротивление со стороны базы транзистора? Это Ri-Rs=1 кОм. Также, поскольку R0, включает RL, что является выходным сопротивлением со стороны коллектора (не включая RL)? Найдем его, используя проводимости: 1/R0=1,1905×10-4; вычтем из этой величины 1/RL=1×10-4, что даст 1/R'0=0,1905×10-4. Таким образом, R'0=52,5 кОм.

Коэффициент передачи по напряжению от базы на коллектор V(4)/V(2)=–400. Коэффициент усиления по току Ai=IL/IB=-20μkА/0,5μkА=-40. Выходной файл приведен на рис. 3.8.

Small-Signal Analysis of Transistor Circuit Using h Parameters

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 0 4 0 2,5E-4

F 4 0 V0 50

RS 1 2 1k

RI 2 3 1.1k

R0 4 0 40k

RL 4 0 10k

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) VS

.END

SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE   NODE  VOLTAGE   NODE  VOLTAGE

( 1)  .0010   ( 2) 500.0E-06 ( 3) -50.00E-06 ( 4) -.2000

( 3A) -50.00E-06

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS  -5.000E-07

V0   5.000E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 5.00E-10 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E

V-SOURCE -5.000E-05

I-SOURCE  5.000E-07

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME     F

I-SOURCE 2.500E-05

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/ VS = -2.000E+02

INPUT RESISTANCE AT VS = 2.000E+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 8.400E+03

Рис. 3.8. Выходной файл анализа для схемы на рис. 3.7

Подводя итог, заметим, что анализ PSpice избавил вас от ряда вычислений, но без понимания направлений токов и полярностей напряжений ваше решение будет не завершено. Вы должны понимать, что теория h-параметров сочетается здесь с моделью PSpice, которую мы разработали. Необходимо помнить, что определение h-параметров зависит от конфигурации схемы.

Некоторые авторы используют другие модели, не основанные на h-параметрах. Часто они являются более простыми, но менее точными. Однако у вас будет меньше проблем при анализе, чем в рассмотренном и в ряде последующих примеров.

В задаче на рис. 3.14 принят именно такой упрощенный вариант модели, и она служит введением в эту тему. Относительно просто разработать модели для схем ОБ и ОК. 

Анализ схем с общим коллектором, использующий модель с h -параметрами

Другой широко используемой схемой является схема с общим коллектором (ОК), показанная на рис. 3.9. Снова, как и в предыдущем примере, мы рассматриваем базовую схему, к которой с помощью теоремы Тевенина и других методов упрощения схем могут быть сведены более сложные задачи. Входной сигнал подан через RS на базу транзистора, а выходной снимается с эмиттера. На рис. 3.10 показана схема с моделью транзистора в h-параметрах. Схема почти идентична модели на рис. 3.7, но в ней должны использоваться h-параметры для схемы ОК. Это обеспечивается следующим входным файлом:

Common-Collector Circuit Analysis with h Parameters

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 0 4 0 1

F 4 0 V0 -51

RS 1 2 1k

RI 2 3 1.1k

RO 4 0 40k

RL 4 0 10k

.OP

.OPT nopage

.TF V (4) VS

.END

Рис. 3.9. Транзисторный усилитель с общим коллектором

Рис. 3.10. Модель схемы с общим коллектором в h-параметрах, включающая источник питания и нагрузку

Выполните анализ на PSpice и убедитесь, что V(4)/VS=0,9949; IL=0.949Е-8; Ib=2.438Е-9; AI=IL/Ib=40,8; R'0=40,97 Ом (включая RL) и R'i=410 кОм (включая Rs). Определите входное сопротивление со стороны базы и выходное сопротивление без учета RL. Они должны быть следующими: Ri=409,1 кОм и R0=41,14 Ом. Покажите направления токов на схеме и отметьте точки для определения входного и выходного сопротивлений. Обратите внимание, что коэффициент усиления по напряжению почти равен 1 без инвертирования фазы. Коэффициент усиления по току также не показывает инвертирования фазы. 

Анализ схем с общей базой, использующий модель с h -параметрами

В схеме с общей базой, показанной на рис. 3.11, используются те же значения для навесных компонентов, что и в предыдущих примерах. На рис. 3.12 приведена схема с h-параметрами. При использовании типичных h-параметров для схемы ОБ, входной файл примет вид:

Common-Base Circuit Analysis with h Parameters

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 0 4 0 2.9Е-4

F 4 0 V0 -0.98

RS 1 2 1k

RI 2 3 21.6

RO 4 0 2.0 4MEG

RL 4 0 10k

.OP

.OPT nopage .TF V(4) VS

.END

Рис. 3.11. Схема транзисторного усилителя с общей базой 

Рис. 3.12. Модель схемы с общей базой в h-параметрах, включающая источник питания и нагрузку

Выполните анализ и убедитесь, что AI=9,52; IL=0,95 мкА; Ie=0,976 мкА; R'i=1024 Ом и R'0=9,924 Ом. Определите Ri со стороны эмиттера и R0 без учета RL. Они должны быть Ri=24 Ом и R0=1,3 МОм. Покажите, что коэффициент передачи напряжения с эмиттера на коллектор равен AV=406.