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.

---

На рис. 3.13 показан выходной файл PSpice для этого примера. Лишние строки были удалены из файла до распечатки.

*** 06/22/99 14:10:18 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998)

Common-Base Circuit Analysis with h Parameters

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS 1 0 1mV

VO 3 3A 0

E 2A 0 4 0 2.9E-4

F 4 0 VO -0.98

RS 1 2 1k

RI 2 3 21.6

RO 4 0 2.04MEG

RL 4 0 10k

.OP

.OPT nopage

.TF V(4)

VS .END

NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE   NODE VOLTAGE   NODE VOLTAGE

( 1)  .0010   ( 2) 23.85E-06 ( 3) 2.761E-06 ( 4) .0095

( 3A) 2.761E-06

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS  -9.762E-07

V0   9.762E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 9.76E-10 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME

V-SOURCE 2.761E-06

I-SOURCE 9.762E-07

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME      F

I-SOURCE -9.566E-07

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4/VS) = 9.520Е-10

INPUT RESISTANCE AT VS = 1.024E+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 9.924E+03

Рис. 3.13. Выходной файл при исследовании схемы на рис. 3.12

Итак, мы рассмотрели три базовые конфигурации транзисторных усилителей с общим эмиттером: ОЭ, ОК и ОБ. Для каждой из них получена модель, пригодная для анализа на PSpice. Мы использовали h-параметры, типичные для каждой конфигурации. Для анализа конкретных типов транзисторов необходимо иногда использовать другие значения параметров, которые можно найти в справочных данных на транзисторы.

Анализ схем для других конфигураций

Когда транзисторные схемы не упрощаются до базовых моделей (рис. 3.7, 3.10 и 3.12), необходимо соблюдать осторожность при размещении элементов между узлами, например, для резистора, включенного между коллектором и базой в схеме с ОК (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Схема усилителя с ОЭ с резистором обратной связи

Анализ цепей с использованием теоремы Миллера

Как показывает теория электронных схем, включение шунтирующих резисторов является простым средством для изменения коэффициента усиления. Резистор часто заменяется двумя другими резисторами при использовании теоремы Миллера. Если вы знакомы с теоремой Миллера, используйте ее, чтобы решить эту задачу вручную, что полезно перед проведением дальнейшего анализа. При использовании PSpice нет необходимости применять теорему Миллера. При наличии шунтирующего резистора в схеме h-параметры модели аналогичны показанным на рис. 3.15. Анализ на PSpice почти идентичен стандартному анализу схемы ОЭ.

Рис. 3.15. Модель усилителя ОЭ в h-параметрах с резистором связи

Входной файл становится следующим: 

Common-Emitter Circuit with Bridging Resistor

VS 1 0 1mV

VO 3 3A 0

E 3A 0 4 0 2.5Е-4

F 4 0 VO 50

RS 1 2 10k

RI 2 3 1.1k

RO 4 0 40k

RL 4 0 10k

RI 2 4 200k .OP

.OPT nopage

.TF V(4) VS

.END

Выполните анализ и получите выходной файл для сравнения с предыдущими результатами анализа схемы ОЭ. Проверьте значения параметров: AV=V(4)/VS=-12,7 (коэффициент передачи напряжения от источника к нагрузке); IL=-1,27 мкА и Ib=-33,02 нА, что приводит к коэффициенту усиления по току AI=IL/Ib=-38,46. Из полного входного сопротивления R'i=10,34 кОм вычислим входное сопротивление со стороны базы, а из полного выходного сопротивления R'0=2,834 кОм вычислим выходное сопротивление без учета RL. Они должны составлять Ri=340 Ом и R0=3,95 кОм. Если вы решили эту задачу с использованием теоремы Миллера, то сможете оценить, насколько проще получение того же результата при использовании PSpice. Чтобы не допустить ошибок при решении методом Миллера, необходимо быть очень внимательным.

Сравните результаты этого анализа с результатами для базового усилителя ОЭ (без шунтирующего резистора). Обратите внимание, что включение резистора вызывает увеличение входного и выходного сопротивлений. На рис. 3.16 приведен выходной файл.

Common-Emitter Circuit with Bridging Resistor **** CIRCUIT DESCRIPTION

VS 1 0 1mV

VO 3 2A 0

E 3A 0 4 0 2.5Е-4

F 4 0 V0 50

RS 1 2 10k

RI 2 3 1.1k

RO 4 0 40k

RL 4 0 10k

R1 2 4 200k

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) VS

.END

NODE VOLTAGE 1(1) .0010 ( ( 3A1-3.175E-06

L VOLTAGE 2) 33.15E-06

NODE VOLTAGE ( 3) -3.175E-06

NODE VOLTAGE ( 4) -.0127

VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT

VS

VO

-9.669E-( 3.302E-(

TOTAL POWER DISSIPATION 9.67E-11 WATTS

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

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E

V-SOURCE -3.175E-06

I-SOURCE  3.302E-08

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME I-SOURCE 1.651E-06

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/VS = -1.270E+01

INPUT RESISTANCE AT VS = 1.034E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 2.534E+03

Рис. 3.16. Результаты анализа схемы на рис. 3.15

Дуальная теорема Миллера

Схемы другой конфигурации часто анализируются с использованием дуальной теоремы Миллера. На рис. 3.17 эмиттерный резистор Rе заменен двумя другими резисторами (один последовательно с базой, другой последовательно с коллектором). Если вы знакомы с этой методикой, используйте ее для решения этого примера, чтобы оценить ее преимущества. Затем сравните результаты с полученными при использовании PSpice.

Рис. 3.17. Усилитель ОЭ с резистором эмиттера

При анализе на PSpice вы не должны заменять Re. Схема, использующая модель в h-параметрах, показана на рис. 3.18. Входной файл имеет следующий вид:

Common-Emitter Amplifier with Emitter Resistor

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 4 5 4 2.5E-4

F 5 4 V0 50

RS 1 2 1k

RI 2 3 1.1k

RO 5 4 4 0k

RL 5 0 10k

RE 4 0 330

.OP

.OPT nopage

.TF V(5) VS

.END

Рис. 3.18. Модель усилителя ОЭ с резистором в цепи эмиттера для анализа на PSpice

Выполните анализ, получите распечатку выходного файла и убедитесь, что полный коэффициент усиления по напряжению: AV=V(5)/VS=-25,74; R'i=15,44 кОм и R'0=9,752 кОм. Вычислите и проверьте также параметры: AV (со стороны базы)=27,5; AI=IL/Ib=39,7; Ri=14,44 кОм (со стороны базы) и R0=393 кОм (без учета RL).

При этом анализе особый интерес представляет влияние Re на Ri и R0: Ri находится путем умножения на коэффициент (1+hfe)Re. Коэффициент усиления по напряжению обычно приблизительно соответствует выражению RL/RE. Выясните, насколько точно это для данного примера. На рис. 3.19 показан выходной файл.

Common-Emitter Amplifier with Emitter Resistor

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 4 5 4 2.5E-4

F 5 4 V0 50

RS 1 2 1k

RI 2 3 1.1k

RO 5 4 40k

RL5 0 10k

RE 4 0 330

.OP

.OPT nopage

. TF V(5) VS

.END

NODE VOLTAGE NODE  VOLTAGE   NODE VOLTAGE   NODE VOLTAGE

( 1) 0.010   ( 2)  935.2E-06 ( 3) 864.0E-06 ( 4) 670.6E-06

( 5) -.0257  ( 3A) 864.0E-06

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS   -6.477E-08

V0    6.477E-08

TOTAL POWER DISSIPATION 6.48E-11 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E

V-SOURCE -6.651E-06

I-SOURCE  6.477E-08

CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME

I-SOURCE 3.239E-06

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(5)/VS = -2.574E+01

INPUT RESISTANCE AT VS = 1.544E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(5) = 3.752Е+03

Рис. 3.19. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 3.18

Схема с общим коллектором, включающая коллекторный резистор

Другая схема, представляющая интерес, является разновидностью обычной схемы с ОК. Она содержит внешний коллекторный резистор, добавленный для защиты транзистора от короткого замыкания резистора в цепи эмиттера. Этот вариант схемы приведен на рис. 3.20, а модель PSpice показана на рис. 3.21. Если вы хотите анализировать эту схему вручную, присутствие RC представляет проблему, которая могла бы потребовать применения дуальной теоремы Миллера.

Рис. 3.20. Схема усилителя ОК с резистором в цепи коллектора