Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

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

Транзисторные усилители на полевых транзисторах

Усилитель на полевом транзисторе (FET) зачастую достаточно прост и не требует компьютерного анализа. Однако в тех случаях, когда в схеме имеются дополнительные резисторы (Rd или Rs), расчет усложняется. Наш первый пример относится к усилителю с общим истоком на FET с выходным сигналом, снимаемым с резистора Rd, включенного в цепь стока. В цепь истока включено дополнительное сопротивление — Rs. На рис. 3.30 показана схема усилителя, на рис. 3.31 — модель. На основе сведений о полевых транзисторах, полученных в теоретическом курсе, предскажите, какими будут коэффициент усиления по напряжению и ток нагрузки.

Рис. 3.30. Схема с общим стоком с Rs

Рис. 3.31. Схема с общим стоком, содержащая Rs и модель на PSpice

Часто в моделях имеется «висящий» вход (управляющий электрод не подключен), но такие схемы не могут анализироваться на PSpice. Выход состоит в том, чтобы подключить высокоомный резистор между управляющим электродом и стоком. В нашем примере RGD=10 МОм; gm=2 мС; rd=40 кОм; RL=2 кОм; RS=500 Ом, входное напряжение составляет 1 мВ. Входной файл принимает вид:

Common-Source FET with RS

VI 1 0 1mV

G 2 3 1 3 2mS

RD 2 3 40K

RL 2 0 2K

RS 3 0 500

RG 1 2 10 MEG

.OP

.OPT nopage

.TF V (2) VI

.END

После выполнения анализа убедитесь, что V(2)/VI=-1,939 и R'0=1,95 кОм. С помощью вычислений покажите, что R'0=79,6 кОм и IL=-950 нА.

Усилители с общим стоком на полевых транзисторах с внешним резистором стока

На рис. 3.30 приведена схема усилителя с общим стоком, в которой выходной сигнал снимается с резистора RS. Предположим, что Rd все еще включен в схему. Модель для PSpice, показанная в рис. 3.32, отражается следующим входным файлом:

Common-Drain FET with Drain Resistor

VI 1 0 1mV

G 3 2 1 2 2mS

RD 2 3 40KБ

RD1 3 0 1k

RS 2 0 2KБ

RG 1 3 10MEG

.OP

.OPT nopage

.TF V(2) VI

.END

Рис. 3.32. Схема усилителя на полевом транзисторе с общим стоком и резистором в цепи стока

Попробуйте с помощью теоретического анализа предсказать величину коэффициента усиления, затем выполните анализ на PSpice и убедитесь, что V(2)/VI=0,7882 и R'0=403,9 Ом. Вычислите R0=506 Ом и IL=394 nA. 

Частотная характеристика усилителя на полевых транзисторах

При использовании усилителя на полевом транзисторе в широком диапазоне частот необходимо учитывать внутренние емкости транзисторов. На рис. 3.33 приведена модель усилителя с общим истоком (ОИ), включающая емкости Cgd, Cgs, и Cds. Обычно они малы. В нашем примере для них выбраны следующие значения: Cgs=3 пФ; Cds=1 пФ; Cgd=2,8 пФ. Другие исходные значения равны: gm=1,6 мС; rd=44 кОм; Rs=1 кОм и RL=100 кГц. Для анализа на PSpice выберем частотный диапазон от 100 Гц до 100 кГц. Емкости будут влиять на процессы только на высоких частотах. Входной файл имеет следующий вид:

Common-Source Amplifier; High-Frequency Model

VI 1 0 AC 1mV

G 3 0 2 0 1.6mS

RD 3 0 44k

RL 3 0 100k

RS 1 2 1k

CGS 2 0 3pF

CGD 2 3 2.8pF

CDS 3 0 1pF

.AC DEC 2 0 100 10MEG

.PROBE

.END

Рис. 3.33. Высокочастотная модель усилителя ОИ 

Выполните анализ и получите распечатку результатов, проведите частотный анализ в Probe, использовав логарифмическую шкалу частот по оси X и выведя V(3) на оси Y. Можете ли вы установить, при какой частоте выходное напряжение существенно снижается? Поскольку это не график Боде, эту частоту трудно определить. Удалите этот график и получите новый, логарифмический, график, соответствующий уравнению 

20·lg(V(3)/49мВ).

Теперь мы получили график Боде в стандартной форме. В формуле значение 49 мВ представляет собой коэффициент усиления на средних частотах, показанный на первом графике. Мы использовали это значение, чтобы нормализовать график. Вертикальная ось теперь имеет начальную отметку в верхней части шкалы и диапазон от -5 до -30. Измените шкалу по оси X, чтобы показать частотный диапазон от 100 Гц до 5 МГц. Используйте курсор, чтобы убедиться, что ослабление в 3 дБ достигается при частоте f=619 кГц. Получите распечатку и проведите касательные к обеим линейным частям кривой. Координата точки, где эти линии пересекутся, будет соответствовать значению 3 дБ. График приведен на рис. 3.34.

Рис. 3.34. Выходной файл при анализе схемы на рис. 3.33

Модель биполярного транзистора для высоких частот

Для анализа схем ОЭ мы часто используем гибридную π-модель. На рис. 3.35 показана эта модель с внешними компонентами Vs, Rs, и RL. В эту модель введен дополнительный узел В', чтобы отразить поведение транзистора на высоких частотах. Элементы, используемые в этой модели: резисторы rce, rbb', rb'e и rb'c и конденсаторы Сс и Се. Коэффициент усиления представляется источником тока, управляемым напряжением (ИТУН), gmVb'e. На рис. 3.35 показаны значения, используемые в этом примере. Они соответствуют следующему входному файлу:

High-Frequency Model of Bipolar-Junction Transistor

VS 1 0 AC 1mV

G 4 0 3 0 50mS

RS 1 2 50

RBB 2 3 100

RBE 3 0 1k

RBC 3 4 4 MEG

RCE 4 0 80k

RL 4 0 2k

CE 3 0 100pF

CC 3 4 3pF

.AC DEC 50 100k 10MEG

.PROBE

.END

Рис. 3.35. Гибридная π-модель биполярного транзистора 

Выполните анализ и определите выходное напряжение на средних частотах V(4). Убедитесь, что оно приблизительно равно 85 мВ. Затем получите график

20·lg(V(4)/84,5мВ).

График показан на рис. 3.36. Он позволит вам найти точку, соответствующую 3 дБ. Убедитесь, что при этом частота равна f=2,8 МГц.

Рис. 3.36. Выходной файл для рис. 3.35

Трудно получить уравнения, необходимые для правильного решения задач такого типа, и решить их, поскольку схема имеет четыре независимых узла и содержит сложные элементы. В данном случае применение такого мощного инструмента, как PSpice, совершенно оправдано. Если нет необходимости в большой точности расчетов, то вместо этого часто используются более простые модели.

Эмиттерный повторитель при работе на высоких частотах

Рассмотрим теперь другую разновидность высокочастотного анализа. Эта схема включает полное сопротивление нагрузки ZL, состоящее из RL и CL. Усилитель имеет низкое выходное сопротивление и используется как драйвер для емкостной нагрузки. На рис. 3.37 показана схема с гибридной π-моделью. Отметим, что стрелка тока внутри источника G по-прежнему направлена к эмиттерному узлу. Входной файл имеет вид:

Emitter Follower High-Frequency Model

VS 1 0 AC 1mV

G 0 4 3 4 50mS

RS 1 2 50

RBB 2 3 100

RBE 3 4 1k

RBC 3 0 4MEG

RL 4 0 2k

CL 4 0 3nF

CC 3 0 3pF

CE 3 4 100pF

.AC DEC 50 100k 10MEG

.PROBE

.END

Рис. 3.37. Гибридная π-модель эмиттерного повторителя с емкостной нагрузкой

Выполните анализ, затем получите график для V(4). Обратите внимание, что коэффициент усиления немного меньше единицы, как и ожидается для эмиттерного повторителя. Чтобы получить график Боде, используйте функцию

20·lg(V(4)/0.99мВ).

Затем используйте курсор, чтобы проверить, что значение 3 дБ достигается при f=2,7 МГц. Добавьте второй график, который является графиком фазового угла напряжения V(4). Сделайте это, просто получив график VP(4). Убедитесь, что при частоте, соответствующей 3 дБ, значение фазового угла приблизительно равно -57°. Обратите внимание, что при 100 кГц — самой низкой частоте, отображенной на графике, уже имеется некоторый фазовый угол из-за емкостного характера нагрузки. На рис. 3.38 показаны фазовый угол и графики Боде для этой схемы.