Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Усилитель с общим эмиттером и шунтирующим конденсатором

Обычно в усилителе с общим эмиттером (ОЭ) используют шунтирующий конденсатор, подобный Се на рис. 4.5, включенный параллельно Re, что позволяет увеличить коэффициент усиления по напряжению. Проблема состоит в том, чтобы выбрать достаточно большое значение для Се так, чтобы при самой низкой используемой частоте снижение коэффициента усиления не превышало 3 дБ (и, следовательно, сдвиг фазы из-за подключения Ze был не больше, чем 45°).

Рис. 4.5. Усилитель с общим эмиттером и шунтирующим конденсатором

Анализ для переменного тока проводится на модели, показанной в рис. 4.6. Значения h-параметров, используемые здесь, такие же, как и в примерах главы 3, относящихся к анализу усилителей ОЭ. Значения параметров элементов: Rs=50 Ом; R1=50 кОм; R2=8 кОм; Re=1 кОм; Rc=2 кОм; Cb=50 пФ; Се=100 мкФ и V=1 мВ. Анализ проводится для частот от 0,01 Гц до 10 кГц со следующим входным файлом:

Common-Emitter Amplifier with Emitter-Bypass Capacitor

V 1 0 AC 1m

V0 4 4A 0

E 4A 5 6 5 2.5E-4

F a 5 V0 50

R5 1 2 50

R1 3 0 50k

R2 3 0 8k

RI 3 4 1.1k

RE 5 0 1K

RO 6 5 40k

RC 6 0 2k

СВ 2 3 50uF

СЕ 5 0 100uF

.AC DEC 2 0 0.01Hz 10kHz

.PROBE

.END

Рис. 4.6. Модель для усилителя с общим эмиттером и шунтирующим конденсатором

Выполните анализ и в окне Probe получите график выходного напряжения V(6). Он должен быть похож на кривую на рис. 4.3. Используйте режим курсора, чтобы определить среднечастотное выходное напряжение. Убедитесь, что при f=5 кГц выходное напряжение V(6)=83,99 мВ.

Теперь выразим значения напряжения по оси Y в децибелах. Удалите выведенный график и замените его графиком зависимости

20·lg(V(6)/84мВ).

Вы вдруг обнаружите, что график выглядит странно. Информация, которая не была видна на линейном графике, при логарифмическом масштабе проявилась. Обратимся к рис. 4.7, на котором приведен этот график. В какой области частот размещены две изогнутые части, и почему они появляются? Для ответа необходимы дальнейшие исследования.

Рис. 4.7. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (график Боде) для схемы на рис. 4.6

Установите по оси Y диапазон от -20 до 0, а по оси Х — от 1 Гц до 10 кГц. Используйте курсор, чтобы найти значение -3 дБ. Проверьте, что оно соответствует частоте f=74 Гц. Эта частота называется частотой полюса, но поскольку схема имеет и другой конденсатор (Cb), появляется и второй полюс при более низкой частоте.

Чтобы сконцентрировать исследование только на влиянии Се, измените ваш входной файл, исключив из него Сb. Это легко сделать, заменив команду, вводящую CB на 

RB 2 3 0.001

Внесите это изменение и снова выполните анализ. В Probe, как и прежде, получите график

20·lg(V(6)/84мВ).

Убедитесь, что вблизи отметки -3 дБ частота f=69,8 Гц. Таким образом, присутствие Сb почти не изменяет расположение первого полюса. Имеется также нуль в этой схеме, при частоте, соответствующей возрастанию сигнала от нижнего уровня до 3 дБ.

С помощью курсора определите ослабление при f=1 Гц. Оно должно составлять 31,47 дБ. Убедитесь, что прибавив к этому значению 3 дБ, получим значение -28,47 дБ, соответствующее частоте f=2,12 Гц. Таким образом, нуль достигается при частоте приблизительно 2,1 Гц.

Если вас интересует, что случится, когда не будет полюса, определяемого конденсатором Сe, просто установите значение сопротивления Re в 0,001 Ом и повторно запустите анализ, восстановив Сb. В результате вы получите одиночный полюс при f=3,26 Гц.

Двухкаскадный усилитель на высоких частотах

Упрощенная гибридная π-модель двухкаскадного усилителя с общим эмиттером показана на рис. 4.8. Значения параметров элементов: V=1 мВ; Rs=50 Ом; RL1= RL2=2 кОм; rbb'=100 Ом; rb'e=1 кОм; gm=50 мС; Се=100 пФ и Сс=3 пФ. Входной файл для этого случая:

Two-Stage СЕ Amplifier at High Frequencies

V 1 0 AC 1mV

G1 4 0 3 0 50mS

G2 6 0 5 0 50mS

RS 1 2 50

RBB1 2 3 100

RBE1 3 0 1k

RL1 4 0 2k

RBB2 4 5 100

RBE2 5 0 1k

RL2 6 0 2k

NA1 3 0 100pF

CC1 3 4 3pF

CE2 5 0 100pF

CC2 5 6 3pF

.AC DEC 20 100Hz 1MEG

.PROBE

.END

Рис. 4.8. Модель для анализа двухкаскадного усилителя на высоких частотах

Выполните анализ и в Probe получите график V(6). С помощью курсора проверьте, что среднечастотное значение V(6)=2,805 В. Вместо этого графика получите график

20·lg(V(6)/2,806В).

Используйте режим курсора, чтобы показать, что отметка -3 дБ соответствует частоте f=542,8 кГц. Вы обратите внимание, что график не имеет точной линейной области, необходимой, чтобы найти отметку -3 дБ по методике Боде. Это объясняется тем, что усилитель имеет более одного полюса. Имеется полюс для каждого конденсатора, то есть всего четыре полюса. В цепях такого типа они обычно расположены близко друг от друга. Когда один полюс доминирует, он будет близок к отметке -3 дБ. С практической точки зрения более важно найти частоту, соответствующую 3 дБ, чем положение всех полюсов. График Боде для этой схемы приведен на рис. 4.9. Получите, кроме него, график VP(6) и покажите в завершение анализа, что при f=541,3 кГц угол θ=-48°.

Рис. 4.9. График Боде для схемы на рис. 4.8 

Двухкаскадный усилитель с общим эмиттером c последовательной связью по напряжению

Анализ схемы на рис. 4.10, в которой используется стандартная обратная связь, вызывает некоторые затруднения. Необходимость применения полного набора h-параметров при анализе приводит к сложному набору расчетных формул. И в этом случае анализ с помощью PSpice значительно проще. При изучении малосигнальной схемы примем, что емкости всех конденсаторов были выбраны настолько большими, что они представляют короткое замыкание для выбранного диапазона частот. Это дает модель схемы, показанную на рис. 4.11.

Рис. 4.10. Двухкаскадный усилитель ОЭ с последовательной обратной связью по напряжению

Рис. 4.11. Малосигнальная низкочастотная модель для усилителя, представленного на рис. 4.10

Найдем коэффициент усиления по напряжению, Ri и R0. Разметьте узлы и затем создайте входной файл. Сравните ваш файл с приведенным далее:

Small-signal Model Voltage-series Feedback, CE Pair

V 1 0 1mV

V01 3 3А 0

V02 6 6A 0

E1 3A 4 5 4 2.5E-4

Е2 6А 0 7 0 2.5А-4

F1 5 4 V01 50

F2 7 0 V02 50

RS 1 2 1k

R1 2 0 150k

R2 2 0 47k

RI1 2 3 1.1k

RE1 4 0 100

RO1 5 4 40k

RC1 5 0 10k

R3 5 0 47k

R4 5 0 33k

RI2 5 6 1.1k

R02 7 0 40k

RC2 7 0 4.7k

RF 7 4 4.7k

.TF V(7) V

.OP

.OPT nopage

.END

Выполните анализ и распечатайте выходной файл, убрав лишние строки, чтобы результаты поместились на одной странице. Сравните ваши результаты с рис. 4.12. Анализ показывает, что полный коэффициент усиления по напряжению V(7)/V=43,58, R'0=148,6 Ом. Убедитесь, что в отсутствие нагрузки R0=153,5 Ом. Убедитесь, что с учетом результата в выходном файле R'I=27,29 кОм входное сопротивление относительно базы первого транзистора Ri=99,01 кОм. 

**** 09/16/05 11:02:16 ******** Evaluation PSpice (Nov 1999) *********

Small-signal Model Voltage-series Feedback, CE Pair

V 1 0 1mV

V01 3 3А 0

V02 6 6A 0

E1 3A 4 5 4 2.5E-4

E2 6A 0 7 0 2.5E-4

F1 5 4 V01 50

F2 7 0 V02 50

RS 1 2 1k

R1 2 0 150k

R2 2 0 47k

RI1 2 3 1.1k

RE1 4 0 100

RO1 5 4 40k

RC1 5 0 10k

R3 5 0 47k

R4 5 0 33k

RI2 5 6 1.1k

RO2 7 0 40k

RC2 7 0 4.7k

RF 7 4 4.7k

.TF V (7) V

.OP

.OPT nopage

.END