Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Рис. 2.58

2.14. Трехфазная несимметричная нагрузка, соединенная в звезду, подключена к симметричному трехфазному источнику питания с частотой 60 Гц: VAB=208∠0°, VBC=208∠-120° В и VCA=208∠120° В, полные сопротивления фазы ZA0=8∠30° Ом, ZB0=4∠-50° Ом, и ZCO=6∠20° Ом. Найдите три линейных тока и ток нейтрали. Подсказка: Из заданных полных сопротивлений определите значения X и R; затем преобразуйте каждое реактивное сопротивление X в L или С в зависимости от знака реактивного сопротивления. Убедитесь, что для фазы A: R=6,928 Ом и L=10,61 мГн; для фазы B: R=2,571 Ом, С=865,7 мкФ, а для фазы С: В=5,638 Ом и L=5,433 мГн. 

3. Транзисторные схемы

SPICE имеет встроенные модели для биполярных и полевых транзисторов. Эти модели сложнее, чем модели, используемые в традиционных курсах электроники. Обычно студенты изучают схемы смещения и схемы усиления отдельно. Такое построение материала позволяет дать студенту более полное понимание методики расчета цепей постоянного тока и анализа на переменном токе для биполярных и полевых транзисторов. Поэтому сначала лучше не использовать встроенные модели при анализе транзисторных схем. Вместо этого мы будем применять упрощенную модель для прямосмещенного транзистора на постоянном токе.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT) — первая тема, изучаемая в этой главе. На рис. 3.1 показана типичная схема смещения транзистора. Транзисторы типа npn кремниевые (Si) имеют коэффициент усиления в схеме с общим эмиттером (ОЭ) hFE=80 и напряжение база-эмиттер VBE=0,7 В (типовые значения для активной области). Никакая иная информации о транзисторе при анализе не используется. Параметры элементов схемы: R1=40 кОм; R2=5 кОм; RC=1 кОм, RE=100 Ом и VCC=12 В.

Рис. 3.1. Типовая схема смещения транзисторов

Модели, предназначенные для расчета смещения

Чтобы использовать анализ на PSpice, мы предлагаем вам разработать подходящую модель для BJT. Она позволит вам находить статические значения напряжений и токов в схеме смещения. На рис. 3.2 показана такая модель наряду с другими компонентами, необходимыми для анализа. Она содержит источник тока, управляемый током (ИТУТ или CDCS), F с коэффициентом передачи hFE и независимый источник напряжения VA, моделирующий напряжение на активной области VBE.

Рис. 3.2. Модель смещения для биполярного npn-транзистора

Входной файл для этой схемы имеет вид:

Transistor-Biasing Circuit

VCC 4 0 12V

VA 1 2 0.7V

F 3 2 VA 8

R1 4 1 40k

R2 1 0 5k

RC 4 3 1k

RE 2 0 100

.OP

.OPT nopage

.END

Выполните анализ на PSpice; затем убедитесь, что V(3)=7,961 В и V(2)=0,4089 В, давая VCE=V3-V2=7,552 В. Нарисуйте на схеме стрелки, указывающие условные направления токов, затем вычислите ток коллектора:

Он должен быть равен 4,039 мА. А чему равен ток базы? Вы должны получить по току источника напряжения IВ=50,49 мкА. Вычислите IВ, используя значение hFE и сравните полученное значение с этим ответом. Вычислите ток эмиттера: IE= V2/RE. Он должен быть равен 4,089 мА, IЕ=IB+IС. 

Если вас интересует получение токов непосредственно из результатов PSpice-анализа, вы можете использовать, как и ранее, команду печати с предварительной командой .DC, как показано в следующем входном файле: 

Transistor -Biasing Circuit with Current Shown in Output File

VCC 4 0 12V

VA 1 2 0.7V

F 3 2 VA 80

R1 4 1 40k

R2 1 0 5k

RC 4 3 1k

RE 2 0 100

.DC VCC 12V 12V 12V

.OP

.OPT nopage

.PRINT DC I(RC) I(RE) V(3,2)

.END

При этом должно получиться I(RC) = 4,039 мА, I(RE) = 4,089 мА и V(3,2) = = 7,552 В, как и в предварительных вычислениях. Обратите внимание: вычислить токи при первом анализе было достаточно легко. Не слишком больших дополнительных усилий требует получение тока и при анализе на PSpice, однако у вас есть выбор.

Условия насыщения

Необходимо предварительное замечание перед исследованием условий смещения, приводящих к насыщению транзистора. Из теоретического курса, посвященного изучению транзисторов, вы должны вспомнить, что значения hFE в активной области и в области насыщения неодинаковы. Это означает, что если происходит насыщение, предсказанное значение IC, вычисленное с использованием hFE, для активной области будет слишком велико. Вы должны иметь в виду, что если рассчитанное значение VCE падает ниже нескольких десятых вольта, значит достигнуто условие насыщения. Несколько задач в конце главы касаются вопросов смещения транзистора, приводящих к работе в активной области или в области насыщения.

Мы представили модель смещения для кремниевого npn-транзистора. Эта модель может использоваться с различными конфигурациями смещения и многокаскадными усилителями. А можете ли вы самостоятельно изменить модель так, чтобы она стала пригодной для анализа:

а) кремниевых pnp-транзисторов;

б) германиевых pnp-транзисторов?

Расчет смещения для германиевого транзистора

В качестве другого примера на рис. 3.3 показана схема смещения для германиевого pnp-транзистора с hFE=60 и VBE=-0,2 В. Значения параметров элементов схемы: RF=50 кОм; RE=50 Ом; RC=1 кОм и VCC=-12 В. Заменив транзистор моделью PSpice, мы получим схему на рис. 3.4. Сравните изменения в ИТУТ по отношению к предыдущему примеру. Так как это pnp-транзистор, изменилось направление стрелки внутри источника. Теперь решите, какую информацию вы хотели бы получить из PSpicе-анализа. Входной файл может быть, например, таким:

Transistor -Biasing Circuit for pnp Ge

VCC 4 0 12

VA 1 2 0.2

F 1 3 VA 60

RF 2 3 50k

RE 1 0 50

RC 3 4 1k

.DC VCC 12V 12V 12V

.OP

.OPT nopage

.PRINT DC I(RC) I(RE) I(RF)

.END

Рис. 3.3. Схема смещения для германиевого pnp-транзистора

Рис. 3.4. Модель смещения для германиевого pnp-транзистора

Проведите анализ; затем нарисуйте стрелки, показывающие условные направления токов для pnp-транзистора. Убедитесь, что IE=6,311 мА, а IВ=103,5 мкА. Почему некоторые из показанных токов резистора положительны, а другие отрицательны? Это необходимо согласовывать с порядком следования узлов в командах, вводящих R. Например, команда

RE 1 0 50

дает отрицательный ток I(RE). Это происходит потому, что ток в RE фактически течет от узла 0 к узлу 1. Внимательно следите за соответствием направления стрелок на схеме и порядком следования узлов в командах, вводящих резисторы во входном файле:

Transistor-Biasing Circuit for pnp Ge

VCC 0 4 12

VA 1 2 0.2

F 1 3 VA 60

RF 2 3 50k

RE 1 0 50

RC 3 4 1k

.DC VCC 12 12 12

.PRINT DC I(RC) I(RE) I(RF)

.OP

.OPT nopage

.END

Обратите внимание, что ток в RC на самом деле, скорее представляет собой ток эмиттера, чем ток коллектора. Вы понимаете почему? Ток коллектора показывается в выходном файле PSpice как ток источника тока, управляемого током, равный 6,208 мА. Сложите базовый ток с током коллектора и сравните сумму с током эмиттера.

Малосигнальная модель с h-параметрами для биполярных транзисторов

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.