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.

---

Чтобы найти сопротивление эквивалентного генератора (по теореме Тевенина), закоротим источник напряжения Vcc, при этом резисторы R1 и R2 окажутся включенными параллельно. Сопротивление равно

RTh = R1∥R2 = 40∥5 = 4,444 кОм.

Применяя второй закон Кирхгофа к контуру, содержащему RTh и RE, получим  

VTh = RThIB + VBE + RE(hFE + 1);

1,333В = (4,444 кОм)IB + 0,8В + 100 Ом (80+1).

Решая последнее уравнение относительно IВ, получим

IВ = 42,5мкА.

Поскольку IC = hFEIВ, коллекторный ток равен 3,4 мА. Эмиттерный ток равен сумме коллекторного и базового токов и составляет 3,44 мА. Воспользуемся полученными значениями токов, чтобы рассчитать потенциалы узлов 3, 4 и, наконец, узла 1.

Напряжение на коллекторе равно:

V3 = Vcc + RcIc = 12 – (1 кОм)(3,4 мА) = 8,6В.

Напряжение на эмиттере:

V4 = REIE = (100 Ом)(3,4 мА) = 0,344В.

Напряжение на базе:

V1 = VBE + V4 = 0,8 + 0,344 = 1,144В.

Хотя решение было несложным, оно все же заняло некоторое время. Если изменить параметры цепи, решение должно быть получено снова. С помощью PSpice получать повторные решения намного проще.

BJT Biasing Circuit

VCC 2 0 12V

R1 2 1 40k

R2 1 0 5k

RC 2 3 1k

RE 4 0 100

Q1 3 1 4 QN

.MODEL QN NPN(BF=80)

.dc VCC 12V 12V 12V

.OP

.OPT nopage

.PRINT dc I(R1) I(R2) I(RC) I(RE) .END

 Выбранное для транзистора имя должно начинаться с буквы Q. Узлы 3, 1 и 4 — это узлы коллектора, базы и эмиттера, соответственно. Команда .MODEL содержит выбранное нами имя модели (QN — имя, выбранное для встроенной модели биполярного npn-транзистора). Запись BF=80 задает статический коэффициент усиления транзистора по постоянному току b равным 80. Результат анализа на PSpice приведен на рис. 0.11. Значения токов и напряжений соответствуют ранее вычисленным.

**** 06/13/99 14:30:18 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

BJT Biasing Circuit

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VCC 2 0 12V

R1 2 1 40k

R2 1 0 5k

RC 2 3 1k

RE 4 0 100

Q1 3 1 4 QN

.MODEL QN NPN(BP=80)

.dc VCC 12V 12V 12V .OP

.OPT nopage

.PRINT dc I(R1) I(R2) I(RC) I(RE)

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   QN

   NPN

IS 100.000000E-18

BF 80

NF 1

BR 1

NR 1

CN 2.42

 D .87

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

VCC       I(R1)     I(R2)     I(RC)     I(RE)

1.200E+01 2.713E-04 2.293E-04 3.366E-03 3.408E-03

**** SHALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 1.1464  ( 2) 12.0000 ( 3) 8.6345  ( 4) .3408

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC  -3.637E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 4.36E-02 WATTS

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

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME     Q1

MODEL    QN

IB       4.21E-05

IС       3.37E-03

VBE      8.06E-01

VBC     -7.49E+00

VCE      8.29E+00

BETADC   8.00E+01

GM       1.30E-01

RPI      6.15E+02

RX       0.00E+00

RO       1.00E+12

CBE      0.00E+00

CBC      0.00E+00

CJS      0.00E+00

BETAAC   8.00E+01

CBX/CBX2 0.00E+00

FT/FT2   2.07E+18

Рис. 0.11. Выходной файл для схемы рис. 0.10

В главе 3 эта схема исследована более детально для использования биполярного транзистора в усилителе с общим эмиттером. Среди прочих параметров будут найдены коэффициенты усиления по току и напряжению, а также входное и выходное сопротивления каскада.

1. Анализ цепей на постоянном токе

Цепи постоянного тока важны не только сами по себе, но и потому, что многие приемы, применяемые при их анализе, используются и при анализе цепей переменного тока. В действительности анализ большинства электронных цепей и приборов может быть проведен одними и теми же методами.

Вводный пример

Наиболее важным свойством последовательной цепи из трех резисторов, подсоединенных к источнику постоянного напряжения (рис. 1.1), является то, что через все ее элементы течет один и тот же ток.

Рис. 1.1. Последовательная цепь с тремя резисторами

Другое важное ее свойство заключается в том, что приложенное напряжение (50 В) делится между резисторами прямо пропорционально их сопротивлению. Например, падение напряжения на резисторе в 150 Ом втрое больше падения напряжения на резисторе сопротивлением 50 Ом. Применяя концепцию деления напряжения, легко найти падение напряжения на каждом элементе, даже не зная тока в цепи. Так, напряжение на R3 равно:

а падение напряжения на R2:

Ток также просто находится с помощью любого из следующих уравнений:

Использование Spice для исследования схем

Вход в PSpice начинается с команд File, New, Text File. Анализ схемы можно провести с помощью представленного ниже входного файла:

Spice Analysis of Series Circuit

Vs 1 0 50V

R1 1 2 100 

R2 2 3 50

R3 3 0 150

.OP

.END

Напомним, что после того как набрана последняя команда (.END), Enter лучше не нажимать. После ввода всех строк файла используйте набор команд File, Save и введите имя файла, например Probe1.cir. Как было отмечено ранее, лучше всего хранить все входные файлы в папке SPICE, используя правильный путь к папке, который будет выглядеть, например, c:/SPICE. Окно Save as type должно показывать «Circuit Files (*.cir)».

Закройте файл, используя команды File, Close и снова откройте его с помощью команд File, Open. Теперь Вы готовы к проведению моделирования с помощью команд Simulation, Run prob1. Перед тем как это сделать, вы можете использовать команду View и проверить «Output Window» и «Simulation Status Window». После завершения моделирования экран должен выглядеть так, как показано на рис 1.2. Отметим, что на дисплей должно быть выведено в нижнем левом окне окончательное состояние и сообщение об окончании моделирования: «Simulation complete».

Рис. 1.2. Экран PSpice после завершения моделирования 

Вы можете увидеть результаты моделирования с помощью команд View, Output File. При этом экран покажет не только результаты моделирования, но и отметит некорректные команды во входном файле при их наличии. Мы рекомендуем вам не распечатывать выходной файл в той форме, в какой он представлен в PSpice, поскольку он содержит лишние пустые строки. Вместо этого, используя команды File и Close, закройте выходной файл, сверните окно PSpice и воспользуйтесь такими редакторами, как Microsoft Word или WordPad. Если, пользуясь этими редакторами, вы устраните пустые строки и ненужные разрывы страниц, возможно, результат можно будет распечатать на одной странице.

Просмотр выходного файла

Наиболее важные части выходного файла содержат информацию о напряжениях различных узлов:

Node Voltage Node Voltage Node Voltage

(1)  50.0000 (2)  33.3330 (3)  25.0000

Потенциал узла 1 — это напряжение V10, напряжение источника питания. Потенциал узла 2 — напряжение V20, суммарное падение напряжения на R2 и R3. Напряжение узла 3 — напряжение V30 является падением напряжения на резисторе R3.

Как мы рассчитали ранее, напряжение VR3 (равное V30) составляет 25 В, следовательно, анализ на PSpice оказался верным. Как можно теперь определить напряжение на R2? Оно равно V2–V3, и его можно вычислить как V20–V30.

V2 – V3 = 33,333 – 25,000 = 8,333 В.

Анализ на PSpice учитывает также напряжение и ток источника питания; напряжение на источнике питания V задано в исходных данных, ток через него, согласно выходному файлу, равен -1.667Е-01. Ток имеет правильное числовое значение, но почему его знак отрицателен? SPICE показывает ток, который течет от плюса к минусу внутри источника питания, а поскольку реально ток внутри источника питания течет от минуса к плюсу, то знак тока отрицателен. Проще говоря, когда ток отрицателен, он течет от плюса к минусу во внешней цепи источника питания.