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.

---

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

Рис. 3.21. Модель усилителя OK с резистором в цепи коллектора для анализа на PSpice

Обращение к формулам утомительно и не слишком способствует пониманию работы схемы. Рассмотрите входной файл, затем сравните результаты выходного файла с полученными для усилителя без RC.

Common-Collector Circuit with Collector Resistor

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 4 5 4 1

P 5 4 V0 -51

RS 1 2 1k

RI 2 3 1.1k

RC 4 0 1k

RO 5 4 40k

RL 5 0 10k .OP

.OPT nopage

.TF V(5) VS

.END

Выполните анализ и сравните результаты с теми, что получены для простого усилителя ОК. Вы увидите, что коэффициент усиления по напряжению почти идентичен в обоих случаях и что входное и выходное сопротивления изменяются также немного. Мы установили, что введение RC в схему почти не влияет на ее работу.

Усилители с высоким входным сопротивлением

Если вам необходим усилитель с высоким входным сопротивлением, можно применить схему Дарлингтона (рис. 3.22). Эта схема состоит из двух транзисторов с объединенными коллекторами, размещаемых часто в одном корпусе. Можно считать, что в цепь эмиттера первого каскада включен бесконечно большой внешний резистор Re1=∞. Использование модели с h-параметрами для каскадов ОК приводит к модели, показанной на рис. 3.23, которой соответствует входной файл:

Darlington-Pair (High-Input-Resistance) Amplifier

VS 1 0 1mV

V01 3 3A 0

V02 5 5A 0

E1 3A 0 4 0 1

Е2 5А 0 6 0 1

F1 4 0 V01 -51

F2 6 0 V02 -51

RS 1 2 1k

RI1 2 3 1.1k

RO1 4 0 40k

RI2 4 5 1.1k

RO2 6 0 40k

RL 6 0 4k

.OP

.OPT nopage

.IF V(6) VS

.END

Рис. 3.22. Применение схемы Дарлингтона для получения высокого входного сопротивления

Рис. 3.23. Модель с h-параметрами для схемы Дарлингтона

Выполните анализ и убедитесь, что коэффициент усиления по напряжению V(6)/VS=0,9929; R'i=1,682 МОм и R'0=22,24 Ом. Из вычислений следует, что R'i=1,681 МОм относительно базы первого транзистора Q1 и что R0=22,36 Ом (без учета RL). Также найдите параметр AI=IL/Ib=417,5, который намного выше, чем для однокаскадного усилителя ОК. В этом анализе мы считали, что h-параметры для обоих каскадов одни и те же. В действительности, токи смещения первого каскада меньше, чем у второго. На рис. 3.24 показан выходной файл.

**** 06/22/99 14:59:01 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

Darlington-Pair (High-Input Resistance) Amplifier

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS 1 0 1mV

V01 3 3A 0

V02 5 5A 0

E1 3A 0 4 0 1

Е2 5А 0 6 0 1

F1 4 0 V01 -51

F2 6 0 V02 -51

RS 1 2 1k

RI1 2 3 1.1k

RO1 4 0 40k

RI2 4 5 1.1k

RO2 6 0 40k

RL 6 0 4k

.OP

.OPT nopage

.TF V(6) VS

.END

NODE VOLTAGE   NODE VOLTAGE   NODE  VOLTAGE   NODE  VOLTAGE

( 1) .0010     ( 2) 999.4E-06 ( 3)  998.8E-06 ( 4)  998.8E-06

( 5) 992.9E-06 ( 6) 992.9E-06 ( 3A) 998.8E-06 ( 5A) 992.9E-06

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS  -5.946E-10

V01  5.946E-10

V02  5.354E-09

TOTAL POWER DISSIPATION 5.95E-13 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME     E1        E2

V-SOURCE 9.988E-04 9.929E-04

I-SOURCE 5.946E-10 5.354E-09

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME      F1         F2

I-SOURCE -3.032E-08 -2.730Е-07

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(6)/VS = 9.929E-01

INPUT RESISTANCE AT VS = 1.682E+06

OUTPUT RESISTANCE AT V(6) = 2.224E+01

Рис. 3.24. Выходной файл при анализе схемы Дарлингтона

Двухкаскадные усилители

При использовании PSpice расчет двухкаскадных усилителей очень прост, и результат получается быстрее, чем при расчете с использованием формул, который утомителен и требует сосредоточенности, чтобы не допустить ошибки. Понимая основные принципы анализа усилителя, вы можете без колебаний использовать PSpice для анализа многокаскадных схем. В качестве иллюстрации рассмотрим двухкаскадный усилитель, содержащий каскады с ОЭ и ОК, показанный на схеме рис. 3.25.

Рис. 3.25. Двухкаскадный усилитель с каскадами ОЭ и ОК 

Входной сигнал подается на базу первого транзистора. Выходной сигнал первого каскада подается с коллектора непосредственно на базу транзистора второго каскада, выходной сигнал которого снимается с эмиттерного резистора. На рис. 3.26 показаны h-параметры, которые несколько отличаются от приведенных в предшествующих примерах. Входной файл имеет следующий вид:

Two-Stage Amplifier; СЕ and СС Stages

VS 1 0 1mV

V01 3 3A 0

V02 5 5А 0

E1 3A 0 4 0 6Е-4

F1 4 V01 50

Е2 5А 0 6 0 1

F2 6 0 V02 -51

RS 1 2 1k

RI1 2 3 2k

RO1 4 0 40k

RC1 4 0 5k

RI2 4 5 2k

RO2 6 0 40k

RE 2 6 0 5k

.OP nopage

.ОРТ

.TF V(6) VS

.END

Рис. 3.26. Двухкаскадный усилитель с каскадами ОЭ и ОК

После выполнения анализа убедитесь, что полный коэффициент усиления по напряжению V(6)/VS=-75,31; AI=IL/Ib1=-43,2 и Ri=1,869 кОм (со стороны базы Q1), и R0=130 Ом. На рис. 3.27 показан выходной файл.

**** 09/15/05 17:02:35 ******** Evaluation PSpice (Nov 1999) *********

Two-Stage Amplifier;СЕ and CC Stages

VS 1 0 1mV

V01 3 3A 0

V02 5 5A 0

E1 3A 0 4 0 6E-4

F1 4 0 V01 50

E2 5A 0 6 0 1

F2 6 0 V02 -51

RS 1 2 1k

RI1 2 3 2k

RO1 4 0 40k

RC1 4 0 5k

RI2 4 5 2k

RO2 6 0 40k

RE2 6 0 5k

.OP

.OPT nopage

.TF V(6) VS

.END

NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE   NODE   VOLTAGE   NODE   VOLTAGE

( 1)  .0010  ( 2)  651.5E-06 ( 3)  -45.58E-06 ( 4)  -.0760

( 5) -.0753  ( 6) -.0753     ( 3A) -45.58E-06 ( 5A) -.0753

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS  -3.485E-07

V01  3.485E-07

V02 -3.322E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 3.49E-10 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E1         E2

V-SOURCE -4.558E-05 -7.531E-02

I-SOURCE  3.485E-07 -3.322E-07

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME     F1        F2

I-SOURCE 1.743E-05 1.694E-05

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(6)/VS = -7.531E+01

INPUT RESISTANCE AT VS = 2.869E+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(6) = 1.267E+02

Рис. 3.27. Результаты анализа схемы на рис. 3.26 на PSpice

Упрощенная модель с h -параметрами

Предыдущие примеры были основаны на полной модели в h-параметрах для транзистора, которая обычно используется для анализа при малом низкочастотном сигнале. Для анализа ряда транзисторных схем можно использовать также упрощенную модель в z-параметрах. В этой модели используются только параметры hfe и hie, другие h-параметры опущены. При использовании упрощенной модели на PSpice результаты получаются менее точными. Ошибка часто достигает 10% и более.

Тем не менее приведем анализ с упрощенной моделью для усилителя ОЭ, чтобы показать, что этот инструмент также доступен. Не забудьте, что значения hfe и hie используются для всех трех конфигураций схем с ОЭ, ОБ и ОК.

Анализ усилителя с общим эмиттером, использующий упрощенную модель с h-параметрами

На рис. 3.28 показана упрощенная модель для использования в PSpice, на рис. 3.29 — схема ОЭ, использующая эту модель. Входной файл для анализа приведен далее: 

Simplified h-Parameter Analysis

VS 1 0 1mV

VO 3 0 0V

F 4 0 VO 50

RS 1 2 1k

RI 2 3 1.1K

RL 4 0 10K

.OP 

.OPT nopage

.TF V(4) VS

.END

Рис. 3.28. Упрощенная модель в z-параметрах

Рис. 3.29. Схема усилителя ОЭ, использующая упрощенную модель в z-параметрах

Вы можете легко предсказать результаты этого анализа, воспользовавшись ручным расчетом. Сравните ваши предсказания с ответами, полученными на PSpice.

Транзисторные усилители на полевых транзисторах