Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Рис. 3.45

3.2. Измените значение RB в задаче 3.1 до 50 кОм. Оставив все другие значения неизменными, используйте PSpice, чтобы найти IВ, IC, и Vce. Внимательно рассмотрите полученные результаты и объясните, почему значения неверны. Подсказка: Вспомните, что относительно большие значения тока базы могут смещать транзистор в область насыщения.

3.3. Используя модели смещения PSpice при VBE=0,7 В, найдите IВ, IC, и Vce в схеме на рис. 3.46. Работает ли транзистор в активной области?

Рис. 3.46 

3.4. Из модели смещения PSpice с VBE=0,7 В определите IB, IС и Vce в схеме на рис. 3.47. Примечание: Используйте h-параметры, заданные на рис. 3.47, для каждой из следующих задач, где необходим анализ в h-параметрах.

Рис. 3.47

3.5. Используйте модель PSpice, основанную на полном наборе h-параметров, чтобы решить эту задачу. Для схемы на рис. 3.48 найдите AI=I0/Ii, AV=VC/VB, AVs=VC/VS. Подсказка: для низкочастотного анализа при малом сигнале конденсатор может быть заменен коротким замыканием.

Рис. 3.48 

3.6. Используйте ту же модель для PSpice, что и в задаче 3.5. Для схемы, показанной на рис. 3.49, с RE найдите AI, AV и AVs.

Рис. 3.49

3.7. Для каждого из усилителей задач 3.5 и 3.6 найдите входное сопротивление со стороны источника, используя PSpice.

3.8. Пользуясь моделью, основанной на полном наборе h-параметров, найдите AI, AV, и Ri для схемы на рис. 3.50.

Рис. 3.50

3.9. Усилитель с общим истоком на полевом транзисторе показан на рис. 3.51. Каким будет выходное напряжение сток-земля при входном напряжении Vi=4 мВ? Каков коэффициент усиления усилителя по напряжению? Положителен он или отрицателен? Что это означает?

Рис. 3.51

3.10. Когда в задаче 3.9 выходное напряжение усилителя снимается с истока, он является усилителем с общим стоком (CD). При использовании тех же значений каково будет выходное напряжение исток-земля? Каков коэффициент усиления по напряжению усилителя? Является он положительным или отрицательным?

3.11. Усилитель с общим истоком на полевом транзисторе должен использоваться в широком диапазоне частот. Параметры элементов: Rs=1 кОм; Сgs=2 пФ; Cgd=3 пФ; Cds=1,5 пФ; RL=48 кОм; gm=3 мС и rd=100 кОм. Проведите анализ на PSpice и получите график частотной характеристики для усилителя. Найдите частоту снижения из 3 дБ. Каков коэффициент усиления усилителя на средней частоте?

3.12. На рис. 3.52 показан усилитель ОЭ. Он имеет следующие параметры: gm=70 мС; Rce=100 кОм; rbb'=120 Ом; rb'e=1100 Ом; rb'c=2 МОм; Сс=2,5 пФ и Се=80 пФ. Во внешней схеме Rs=1050 Ом; RL=2,4 кОм и Vs=5 мВ. Проведите анализ на PSpice, чтобы определить частотную характеристику.

Определите среднечастотные выходное напряжение и коэффициент усиления по напряжению. Найдите частоту снижения на 3 дБ.

Рис. 3.52

3.13. Проведите анализ усилителя из задачи 3.12 в программе Probe, чтобы определить полное входное сопротивление на частоте f=50 кГц.

3.14. Вместо упрощенной модели в h-параметрах для биполярного транзистора используйте эквивалентную модель на рис. 3.53, для которой rbb'+rb'e=hie и gmvb'e=hfeib. Параметры элементов: hfe=100; hie=1200 Ом и от rbb'=100 Ом. Пользуясь этой моделью, найдите среднечастотный коэффициент усиления (от источника до коллектора) для усилителя, показанного на рис. 3.54. На этом рисунке: R1=20 кОм; R2=10 кОм; Rc=4,8 кОм и Re=800 Ом. Замените С1 и С2 на короткое замыкание.

Рис. 3.53

Рис. 3.54.

4. Многокаскадные усилители, частотные характеристики и цепи обратной связи

Эта глава охватывает ряд тем, касающихся исследования частотных характеристик. Мы рассмотрим, как частота влияет на выходное напряжение на графиках Боде, поговорим о записи различных величин в децибелах и о высокочастотных моделях для биполярных и полевых транзисторов. Будет исследовано также влияние обратной связи в однокаскадных и многокаскадных усилителях.

Фильтры низких частот

В качестве небольшого вступительного обзора рассмотрим RС-фильтр низкой частоты, показанный на рис. 4.1, а. Параметры элементов: R=100 кОм, С=1 нФ и V=1∠0°B. Выходной сигнал V(2) снимается с конденсатора. Входной файл для этой схемы предусматривает построение графика в Probe в диапазоне от 1 Гц до 1 МГц:

High-Frequency Response of Simple Filter

V 1 0 AC 1V

R 1 2 100k

N 2 0 1nF

.AC DEC 2 0 1HZ 1MEG

.PROBE

.END

Рис. 4.1. К анализу низкочастотного RC-фильтра: а) схема и б) векторная диаграмма

Выполним анализ, затем потратим некоторое время на различные аспекты полученных результатов. Сначала получим график V(2) и рассмотрим форму кривой. Уровень выходного сигнала изменяется от 1 В при частоте f=1 Гц почти до 0 В при частоте f=1 МГц. Когда частота низка, значения X велики, что позволяет большей части входного напряжения в 1 В пройти на выход (узел 2). При увеличении частоты реактивное сопротивление X становится меньше и V(2) уменьшается. Каково будет значение каждого напряжения при |VR|=|VC|? Не забудьте, что вы имеете дело с векторами и что эти два напряжения всегда сдвинуты на 90°, как показано на рис. 4.1, б. Когда два напряжения равны по модулю, vc=0,707∠45° В.

Используйте экран программы Probe и курсор, чтобы найти частоту, при которой V(2)=0,707 В. Убедитесь, что она равна f=1,591 кГц. Результат расчета по простейшей формуле fH=1/(2πRC) совпадает с полученным в PSpice.

Получите график VP(2) и убедитесь, что при f=1,591 кГц θ≈-45°. Это было бы точное равенство θ=–45°, при большем числе точек на графике. Измените границы по оси Y так, чтобы она могла показывать значения от -90 до 0° и найдите в середине оси Y отметку -45°. Снова обратите внимание, что f=1,591 кГц и что это соответствует точке перегиба на графике фазового угла. На рис. 4.2 показан график Боде для фазового угла.

Рис. 4.2. График Боде для фазового угла выходного напряжения схемы на рис. 4.1 

Низкочастотная реакция RC-фильтра высоких частот

Цепь высокочастотного RC-фильтра, показанная на рис. 4.3, является дуальной по отношению к фильтру низких частот, рассмотренному в предыдущем примере. Это снова RC-цепочка, но здесь выходной сигнал снимается с резистора R. Параметры элементов: R=100 Ом; С=80 мкФ и V=1,0∠0°. Входной файл для этой схемы:

Low-Frequency Response of Simple Filter

V 1 0 AC 1V

R 2 0 100

N 1 2 80uF

.AC DEC 20 0.01Hz 10kHz

.PROBE

.END

Рис. 4.3. Высокочастотный RC-фильтр

Выполните анализ; затем получите график V(2). Находясь в режиме курсора, найдите частоту, при которой выходное напряжение уменьшается на 3 дБ. Убедитесь, что при V(2)=0,707 В, f=19,89 Гц. На рис. 4.4 показана кривая, из которой можно найти ответ. Обратите внимание, что она не является графиком Боде, поскольку масштаб по оси Y не логарифмический.

Рис. 4.4. Амплитудно-частотная характеристика для схемы на рис. 4.3 

Удалите график V(2) и получите график VP(2). При использовании диапазона фазы от 0 до 90°, найдите отметку 45°. Вы увидите, что при θ=45° частота f=19,89 Гц. Получите вместо графика VP(2) график I(R). Убедитесь, что при f=19,89 Гц I=7,07Z∠45° мА. Эти значения при желании легко проверить ручным расчетом схемы на переменном токе.

Усилитель с общим эмиттером и шунтирующим конденсатором