Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей
Итак, мы рассмотрели частотные и переходные характеристики колебательного контура, сходные с аналогичными характеристиками усилителя с обратной связью. Внимательно изучив результаты, вы должны получить ясное представление о роли Q, k, R, L и С в исследуемых процессах.
Усилитель с общим эмиттером с параллельной обратной связью по напряжению
В качестве примера, относящегося уже не к колебательному контуру, а к усилителю, на рис. 4.18 показана упрощенная гибридная π-модель для усилителя ОЭ с параллельной обратной связью по напряжению.
Рис. 4.18. Упрощенная гибридная pi??!!-модель для усилителя ОЭ с параллельной обратной связью по напряжению
Так как нас интересует реакция на высоких частотах, используем анализ на переменном токе в диапазоне частот от 1 кГц до 10 МГц. Входной файл:
СЕ Amplifier with Voltage-Shunt Feedback
V 1 0 AC 1mV
G 4 0 3 0 50mS
RS 1 2 10k
RBB 2 3 100
RBE 3 0 1k
RF 2 4 40k
RC 4 0 4k
CE 3 0 100pF
CC 3 4 3pF
.AC DEC 40 1kHz 10MEGHz
.PROBE
.END
Выполните анализ; затем убедитесь, используя режим курсора, что V(4)=3,199 мВ соответствует среднечастотному значению. Затем удалите этот график и получите вместо него график
20·lg(V(4)/3,2мВ).
Используйте курсор, чтобы найти отметку, соответствующую снижению на 3 дБ при f=1,37 МГц.
Чтобы показать влияние Rf на процессы в схеме, удалите во входном файле команду, вводящую Rf и снова выполните анализ. Убедитесь, что при удалении Rf среднечастотное значение V(4)=18,02 мВ и что отметка 3 дБ соответствует частоте f=246 кГц. Как и ожидалось из теоретического анализа обратной связи, включение в схему Rf стабилизирует ее режим, приводя к более низкому коэффициенту усиления по напряжению и расширению полосы частот.
Параллельная обратная связь по току в двухкаскадном усилителе с общим эмиттером
Для дальнейшей иллюстрации влияния обратной связи на диапазон частот на рис. 4.19 показана модель двухкаскадной схемы ОЭ с параллельной обратной связью по току. Мы снова выбрали упрощенную гибридную π-модель, включив при этом резистор Rf=1,2 кОм между эмиттером Q2 и базой Q1.
Рис. 4.19. Модель двухкаскадной схемы ОЭ с параллельной обратной связью по току
Используйте для анализа следующий входной файл:
Current-Shunt Feedback Pair
I 0 1 AC 1mA
G1 3 0 2 0 50mS
G2 6 5 4 5 40mS
RS 1 0 1.2k
RBB 1 2 100
RBE 2 0 1k
RC1 3 0 3k
RBB2 3 4 100
RBE2 4 5 1k
RE 5 0 50
RC2 6 0 500
RF 5 1 1.2k
CE 2 0 100pF
CC 2 3 3pF
CE2 4 5 100pF
CC2 4 6 3pF
.AC DEC 40 10kHz 100MEGHz
.PROBE
.END
Проверьте в Probe, что среднечастотное значение тока I(RC2)=22,82 мА (что на 27,16 дБ выше Is) и максимум тока 26,35 мА появляется при частоте f=6,68 МГц. Затем используйте выражение
20·lg(I(RC2)/22,82мА),
чтобы получить график выходного тока в децибелах. Чтобы яснее увидеть пик тока, установите диапазон по оси Х в пределах от 10 кГц до 20МГц и диапазон по оси Y от -5 до 5. Используйте курсор, чтобы проверить, что отметка в 3 дБ соответствует f=11,72 МГц. График должен быть похож на приведенный ниже (рис. 4.20).
Рис. 4.20. Характеристика Боде для схемы на рис. 4.19
Выполните анализ при удаленном из схемы Rf, чтобы показать, что в отсутствие обратной связи среднечастотное значение тока I(RC2)=508,9 мА.
Амплитудно-частотные характеристики для трехкаскадного усилителя с общим эмиттером
Рассмотрим теперь трехкаскадный усилитель с общим эмиттером. Анализировать эту схему без использования компьютера слишком трудно. Здесь также приходит на помощь PSpice, позволяя провести глубокий анализ схемы при различных параметрах. После этого мы введем в схему резистор обратной связи, включив его между коллектором последнего каскада и базой первого. В заключение мы рассмотрим, какие коррективы должны быть внесены, чтобы убрать большой максимум в характеристике усилителя с обратной связью. Модель усилителя представлена на рис. 4.21. Мы снова используем упрощенную гибридную π-модель для каждого транзистора. Для простоты резистор нагрузки каждого каскада выбран равным 2 кОм. Фактически резистор нагрузки каждого из первых двух каскадов представляет параллельное соединение коллекторного и смещающего резисторов. И напряжение источника V=0,1 мВ при Rs=50 Ом.
Рис. 4.21. Модель трехкаскадного усилителя ОЭ
Входной файл:
Three-Stage СЕ Amplifier Frequency Response
V 1 0 AC 1mV
G1 4 0 3 50mS
G2 6 0 5 50mS
G3 8 0 7 50mS
RS 1 2 50
RBB1 2 3 100
RBE1 3 0 1k
RL1 4 0 2e
RBB2 4 5 100
RBE2 5 0 1k
RL2 6 0 2K
RBB3 6 7 100
RE3 7 0 1k
RL3 8 0 2k
CE1 3 0 100pF
NN1 3 4 3pF
CE2 5 0 100pF
CC2 5 6 3pF
CE3 7 0 100pF
CC3 7 8 3pF
.AC DEC 2 0 10kHz 1MEGHz
.PROBE
.END
Проведите анализ, показав, что среднечастотное значение V(8)=9,046 В. Затем получите график
20·lg(V(8)/9,05V)
и выясните, что отметка в 3 дБ соответствует частоте f=420 кГц. Коэффициент усиления, вероятно, значительно больше необходимого, и частотная характеристика немного не умещается в диапазоне в отличие от характеристики для схемы с обратной связью. Сравните ваши результаты с кривой на рис. 4.22.
Рис. 4.22 Характеристика Боде для схемы на рис. 4.21
Влияние нагрузки на частотную характеристику
Вторая часть анализа будет выполняться с несколько измененной схемой. Замените источник напряжения источником тока по теореме Нортона и установите сопротивление нагрузки RL3=50 Ом. После модификации входной файл приобретает вид:
I 2 0 AC 2uA
RS 2 0 50
RL3 8 0 50
.AC DEC 2 0 10kHz 10MEGHz
Обратите внимание, что, как показано на рис. 4.23, узел 1 был удален и, соответственно, была изменена команда RS. Проведите анализ и убедитесь, что среднечастотное значение I(RL3)=4,52 мА. Затем используйте уравнение
20·lg I((RL3)/4,53мА),
чтобы получить график в децибелах. Убедитесь, что отметка в 3 дБ соответствует частоте f=776 кГц. Это показывает, что уменьшение значения RL расширяет полосу частот.
Рис. 4.23. Модификация схемы трехкаскадного усилителя
Трехкаскадный усилитель с параллельной обратной связью по напряжению
Теперь рассмотрим более значительное изменение. Включим резистор обратной связи Rf=5 кОм между узлами 8 и 2 (то есть между коллектором последнего и базой первого каскадов). Это приведет к созданию параллельной обратной связи по напряжению, как в предыдущих примерах. Изменим входной файл, добавив команду для введения Rf.
RF 8 2 5k
Теперь выполните анализ для f=20 МГц, убедившись, что среднечастотное значение I(RL3)=191 мкА. С учетом этого график Боде следует строить по уравнению
20·lg I(RL3)/191 мкА).
Скорректируйте диапазон значений по оси Y, чтобы иметь возможность работать от -20 до 20 дБ. Убедитесь, что максимум тока достигается при 17,89 дБ и соответствует частоте fp=7,94 МГц. Покажите также, что отметка -3 дБ достигается при Y=11,18 МГц. Этот график показан на рис. 4.24.
Рис. 4.24. График Боде для схемы на рис. 4.23
Внезапный резкий взлет выходной характеристики, конечно, нежелателен. Избежать его можно, подключив подходящий конденсатор параллельно резистору обратной связи Rf. Конденсатор добавляет еще один нуль в выражение для коэффициента усиления. Очевидно, что этот нуль соответствует частоте fp, что достигается при Cf=1/2πRffp. При fp=8 МГц получим Cf=4 пФ. Вставьте во входной файл команду
CF 8 2 4pF
и снова запустите анализ. График в Probe должен показать плоскую кривую, которая при частоте f=7,9 МГц формирует локальный максимум со значением 0,652 дБ, а при частоте f=11,18 МГц — отметку -3 дБ. Этот график показан на рис. 4.25.
