Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Операционный усилитель с дифференциальным входом

Если входной сигнал подается между инвертирующим и неинвертирующим входами, на выходе ОУ получается усиленная разность входных напряжений. Чтобы упростить анализ, примем, что на рис. 5.5 Ri=R3=5 кОм и R2=R4=10 кОм. Модель PSpice для идеального ОУ с внешними элементами приведена на рис. 5.6. Входной файл имеет вид:

Op Amp Giving Voltage Difference Output

VA 1 0 3V

VB 4 0 10V

E 5 0 3 2 200E3

RI 2 3 1G

R1 1 2 5k

R2 5 2 10k

R3 4 3 5k

R4 3 0 10k

.OP

.OPT nopage

.TF V(5) VB

.END

Рис. 5.5. Усилитель с дифференциальным входом на базе идеального ОУ

Рис. 5.6. Модель усилителя с дифференциальным входом на базе идеального ОУ

Анализ показывает, что выходное напряжение V(5)=14 В. Используя метод узловых потенциалов для анализа идеального ОУ, убедитесь, что

согласуется с нашими результатами. Вычисления, проведенные вручную, помогут лучше понять работу схемы. Начните с определения напряжения на неинвертирующем входе ОУ. Его легко определить, если вы вспомните, что входы ОУ не потребляют тока. Напряжение vb подается на делитель напряжения и на его выходе получается напряжение v+=6,667 В, это означает, что также составляет 6,667 В (фактически PSpice дает 6,666 В). При использовании этого напряжения вы можете легко найти токи через R1 и R2. Выходной файл показан на рис. 5.7.

**** 07/02/99 16:11:55 ******** Evaluation PSpice (Nov 1998) *********

Op Amp Giving Voltage Difference Output

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VA 1 0 3V

VB 4 0 10V

E 5 0 3 2 200E3

RI 2 3 1G

R1 1 2 5k

R2 5 2 10k

R3 4 3 5k

R4 3 0 10k

.OP

.OPT nopage .TF V(5) VB .END

**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 3.0000  ( 2) 6.6666  ( 3) 6.6667  ( 4) 10.0000

( 5) 14.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VA   7.333E-04

VB  -6.667E-04

TOTAL POWER DISSIPATION 4.47E-03 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E

V-SOURCE1 1.400E+01

I-SOURCE -7.333E-04

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(5)/VB = 2.000E+00

INPUT RESISTANCE AT VB = 1.500E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(5) = 0.000E+00

Рис. 5.7. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 5.6

Не забывайте, что PSpice не должен использоваться просто для получения численного результата. Надеемся, что после решения у вас возникнет много вопросов, анализ которых поможет вам больше узнать о работе исследуемых устройств.

Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя

При получении частотных характеристик ОУ следует использовать модель, учитывающую изменение его параметров при увеличении частоты. Для ОУ с типовыми характеристиками мы предлагаем модель, представленную на рис. 5.8. Исследуем модель, которая включает Rin=1 Мом; R0=50 Ом; Ri1=1 кОм; С=15,92 мкФ и EG с коэффициентом усиления по напряжению A0=100000. Последний параметр представляет собой низкочастотный коэффициент усиления или коэффициент усиления по постоянному току при разомкнутой обратной связи. При использовании этих значений, получим выходное напряжение на частоте fc=10 Гц, при которой выходное напряжение снижается на 3 дБ.

Рис. 5.8. Модель ОУ при частоте 10 Гц

Чтобы проверить расчет, нам необходимо получить коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи. Это означает, что резистор обратной связи R2 должен быть удален из схемы, но так как узел 5 должен иметь два элемента, связанных с ним, включим между узлом 5 и «землей» типовой резистор нагрузки RL=22 кОм (см. рис. 5.9):

Op Amp Model with 3-Frequency at 10 Hz for Open-Loop Gain

VS 2 0 AC 1mV

EG 3 0 2 1 1E5

E 6 0 4 0 1

RI1 3 4 1k

RO 6 5 50

RI 0 1 10k

RL 5 0 22k

RIN 1 2 1MEG

N 40 15.92uF

.AC DEC 4 0 1 1MEG

.PROBE

.END

Рис. 5.9. Использование модели на рис. 5.8 для получения АЧХ усилителя с обратной связью 

Выполните моделирование и получите в Probe график частотной характеристики выходного напряжения V(5), показанный на рис. 5.10. Как и было предсказано, выходное напряжение падает от v0=100 В при f=1 Гц до v0=70 В при f=10 Гц, частоте, при которой коэффициент усиления падает на 3 дБ. Она представляется символом fc. Выходное напряжение около 100 В соответствует коэффициенту усиления при разомкнутой обратной связи A0=100000.

Рис. 5.10. АЧХ усилителя без обратной связи

Рис. 5.11. Характеристика Боде для схемы на рис. 5.9 

Для анализа другой особенности модели ОУ, удалите график V(5) и постройте график зависимости

20·lg(V(5)/V(2)).

Из этого графика (рис. 5.11) ясно видно, что спад частотной характеристики составляет 20 дБ/дек. Возвратитесь входному файлу и добавьте следующую строку для введения в схему резистора R2:

R2 5 1 240k

При этом получается практическая схема с выходным напряжением, ограниченным приемлемым значением. В Probe получается график v0 со среднечастотным значением, близким к 25 мВ. Получите график Боде для отношения выходного напряжения к входному, как вы уже делали для схемы без обратной связи. Результаты показаны на рис. 5.12.

Рис. 5.12. График Боде для усилителя с обратной связью

Убедитесь, что коэффициент усиления на средних частотах равен Аmid=27,96 дБ и снижается на 3 дБ при f=39,3 кГц. Чтобы проверить правильность этих значений, вспомните, что коэффициент усиления равен единице при частоте ft=A0·fc. В модели задано типичное значение частоты ft=1 МГц. При этом также принимается, что fс=10 Гц, что дает A0=1Е5. Значение fc установлено при Ri1=1 кОм и С=15,92 мкФ.

Обратите внимание, что ширина полосы частот при замкнутой обратной связи CLBW=ftβ, а

В нашем примере β=10/250=0,04 и ftβ=40 кГц. Это приближенное значение находится в хорошем согласии с нашей моделью, которая дала f=39,33 кГц для частоты, при которой происходит снижение на 3 дБ. В качестве дальнейшего исследования модели измените значение резистора обратной связи на R2=15 кОм, и снова проведите анализ. Убедитесь, что значение Аmid=7,959 дБ и f3дБ=393,6 кГц. А какое значение для f3дБ даст использование приближенной формулы и нового значения β?

Использование подсхем при моделировании операционных усилителей

Модель, которую мы использовали для ОУ в предыдущем примере, содержит достаточно много элементов, поэтому целесообразно оформить ее в виде подсхемы (subcircuit). При этом мы одновременно познакомимся с этим инструментом PSpice. Модель показана на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Подсхема ОУ с обозначением узлов

Отметим, что узлы и элементы маркированы с использованием символов нижнего регистра. Это условие не обязательно, так как PSpice не учитывает регистра. То есть верхний и нижний регистры могут взаимозаменяться. Однако чтобы проще было идентифицировать подсхему и ее элементы, мы выбрали для меток узлов нижний регистр. Мы назначили номера и символы таким образом, чтобы не путать внутренние узлы подсхемы с внешними. Подсхема задается как независимая часть входного файла, но не является законченным входным файлом сама по себе. Команды описания подсхемы будут следующими: 

.subckt opamp m р v0

Eg а 0 р m 1e5

е c 0 b 0 1

rin m р 1meg

ri1 a b 1k

с b 0 15.92uf

ro1 с v0 5 0

.ends 

Описание любой подсхемы начинается с команды .subckt. Первым элементом списка является имя подсхемы, которое в данном случае записано как opamp. Оно сопровождается набором узлов, которые связывают подсхему с остальной частью входного файла. Вы можете думать о них как об узлах, доступных для внешней части схемы. В данном примере — это узлы т, р и v0. Опорный узел всегда обозначается как 0, и его не обязательно включать в перечень узлов.