Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей
Элементы в подсхеме задаются обычным способом. Так как подсхема не является законченным входным файлом, она может содержать «висящие» узлы. Команды ввода элементов выровнены для упрощения их идентификации, но это не обязательно. Команда .ends отмечает конец описания подсхемы.
Теперь мы готовы рассмотреть новую версию анализа ОУ с использованием подсхемы. Законченная схема показана на рис. 5.9 и повторена на рис. 5.14. После приобретения некоторого опыта вы, возможно, захотите рисовать подсхему в виде прямоугольника или треугольника. Как видно из рисунка, узлы m, р и v0 имеют новые обозначения. Они получили метки 1, 2 и 3 соответственно. Чтобы использовать подсхему, основной входной файл должен содержать команду ввода подсхемы:
X 1 2 3 opam
Рис. 5.14. Модель, показывающая подсхему в составе общей схемы для вызова
Здесь X обозначает обращение к подсхеме. Узлы 1, 2 и 3 приводятся в порядке, соответствующем узлам m, p и v0 в подсхеме. Это позволяет подсхеме получать обозначение узла, передаваемое от основного схемного файла. Инструкция также содержит имя подсхемы opamp. Теперь рассмотрим весь входной файл:
Op Amp Analysis Using Subcircuit
VS 2 0 AC 1mV
R1 1 0 10k
R2 3 1 240k
X 1 2 3 opamp
.AC DEC 40 100 1MEG
.PROBE
.subckt opamp m p v0
eg a 0 p m 1e5
e с 0 b 0 1
rin m p 1meg
ri1 a b 1k
с b 0 15.92uf
ro1 с v0 50
.ends
.END
Выполните анализ и убедитесь, что он дает тот же результат, что и предыдущий анализ, в котором подсхема не использовалась.
Дифференцирующие схемы на базе операционного усилителя
Дифференцирующая схема, построенная на базе идеального ОУ, показана на рис. 5.15, а. Поскольку инвертирующий вход заземлен, vc=v. Легко показать, что при R=0,5 Ом
Таким образом, когда входное напряжение имеет форму треугольника, выходное напряжение должно быть прямоугольным (рис. 5.15, б). Используйте приведенный ниже входной файл, чтобы проверить этот вывод:
Differentiator Circuit v 1 0 PWL (0, 0 1s ,1V 2s,0)
С 1 2 2
R 2 3 0.5
X 2 0 3 iop
.subckt iop m р v0
ri m p 1meg
e v0 0 p m 2e5
.ends
.TRAN 0.05s 2s
.PROBE
.END
(a)
(b)
Рис. 5.15. Схема дифференциатора на базе ОУ
Выполните анализ и убедитесь, что выходное напряжение имеет прямоугольную форму с чередующейся полярностью и значениями напряжения от -1,0 В до +1 В. Эта инверсия происходит также и в ОУ. Постройте на одном графике временные зависимости для v(3) и v(1). Сравните ваши результаты с рис. 5.16. Обратите внимание, что команда входного файла для введения С не должна быть задана как
С 1 2 2F
Рис. 5.16. График входного и выходного напряжений в схеме на рис. 5.15
В этом случае символ F будет восприниматься программой не как фарада, а как префикс и команда будет задавать значение 2 fF (фемтофарады). Если вы хотите, чтобы в записи всегда отражались единицы измерения, то вы можете использовать альтернативную форму записи:
С 1 2 2E6UF
Интегрирующие схемы ha базе операционных усилителей
Устройства, дуальные дифференцирующим схемам, называются интегрирующими схемами. На рис. 5.17, а резистор R и конденсатор С поменялись местами относительно рис. 5.15, а. Новая схема и есть интегратор (инвертирующий). Чтобы проверить его свойства, используйте входное напряжение (форма которого показана на рис. 5.17, б) и входной файл:
Integrator Circuit
v 1 0 PWL (0 0 0.01ms, -1V 1s, -1V 1000.01ms, 0V 2s,0V 2000.01ms, 1V
+ 3s, 1V)
R 1 2 0.5
С 2 3 2
X 2 0 3 iop
.subckt iop m p vo
ri m p 1meg
evo0pm2e5
.ends
.tran 0.05s 3s
.probe
.end
(a)
(b)
Рис. 5.17. Схема интегратора на базе ОУ
Обратите внимание, что «+» на строке 3 файла схемы указывает на продолжение команды, обычно длинной, которую необходимо перенести на следующую строку для удобства чтения.
Выполните анализ и получите график v(1) вместе с графиком v(3). Убедитесь, что выходное напряжение начинается в момент фронта входного сигнала, линейно изменяется до максимального напряжения в 1 В, затем линейно спадает, достигая нуля между 2-й и 3-й с. Сравните ваши результаты с рис. 5.18.
Рис. 5.18. График входного и выходного напряжений в схеме на рис. 5.17
В качестве дополнительного упражнения, используйте входное напряжение такой же формы, как в задаче, посвященной дифференциатору, и найдите вид выходного напряжения. Проверьте, что этот график имеет форму параболы с установившимся значением -1 В, приведенную на рис. 5.19.
Рис. 5.19. График входного и выходного напряжений в схеме на рис. 5.17 при треугольной форме входного воздействия
Отклик на единичную функцию
Единичная ступенчатая функция показана на рис. 5.20, б. По определению она остается нулевой до t=0, а начиная с этого момента становится равной 1 В. Параметры элементов для схемы, показанной на рис. 5.20, a: R=2 Ом, R1=1 Ом и С=0,125 Ф. Анализ схемы показывает, что
v0(t) = (3 – 2e-4t)u(t).
(а)
(b)
Рис. 5.20. Исследование реакции схемы с одним накопителем на ступенчатое воздействие: а) схема; б) временная зависимость входного воздействия
Перед началом анализа на PSpice полезно нарисовать график этой временной зависимости, чтобы представлять себе форму искомого напряжения. Входной файл:
Response to Unit Step Function
vs i 0 PWL (0,0 1us ,1V 5s, 1V)
С 2 3 0.125
R 2 3 2
R1 2 0 1
X 2 1 3 iop
.subckt iop m p v0
ri m p 1meg
e v0 0 p m 2e5
.ends
.TRAN 0.05s 3s
.PROBE
.END
После запуска анализа в программе Probe используем курсор, чтобы убедиться, что при t=0,5 с, V0=2,73 В. Это соответствует значению, вычисленному из приведенного выше уравнения. Результаты анализа приведены на рис. 5.21.
Рис. 5.21. Результат анализа схемы на рис. 5.20, а
Цепи c двумя однотипными операционными усилителями
Когда в схеме имеется несколько однотипных устройств, намного проще работать, представив их в виде подсхем. Предположим, что мы собираемся сравнить частотные характеристики для двух ОУ, схемы которых мы предварительно рассмотрели (в разделе «Амплитудно-частотные характеристики операционного усилителя»). Вспомним, что схемы были подобны за исключением того, что в первом случае R2=240 Ом, а во втором случае R2=15 Ом. Их частотные характеристики удобнее сравнивать на общем графике.
Чтобы добиться этого, схему просто расширяют так, чтобы оба случая были исследованы одновременно. Мы определим ОУ подсхемой и используем рис. 5.22, чтобы обеспечить простую идентификацию узлов. Усилители Ор1 и Ор2 показаны просто в виде треугольников, поскольку вы уже знакомы с их моделью, нет необходимости повторять внутренние подробности. Теперь легко получить входной файл:
Double Op Amp Circuit for Gain-Bandwidth Analysis
VS1 2 0 AC 1raV
R1 1 0 10k
R2 3 1 240k
X1 1 2 3 opamp
VS2 5 0 AC 1mV
R3 4 0 10k
R4 6 4 15k
X2 4 5 6 OPAMP
.AC DEC 40 100 10MEG
.PROBE
.subckt opamp m p vo
eg a 0 p m 1e5
e с 0 b 0 1
rin m p 1meg
ri1 a b 1k
с b 0 15.92uf
ro1 с vo 50
.ends
.END
Рис. 5.22. Схема с двумя ОУ
Подсхема описывается так же, как и прежде. После создания подсхемы вы можете просто скопировать ее в любой входной файл, где она необходима. В данном случае она вызывается дважды — сначала командой X1, а затем командой X2. Список узлов, используемых в каждом случае, такой же, как на рис. 5.22.
Выполните анализ и затем получите графики
20·lg(V(3)/V(2)),
и
20·lg(V(6)/V(5)).
Используйте режим курсора, чтобы найти отметку 3 дБ для первого графика. Обратите внимание, что при включении режима курсора автоматически выбирается первый график. Убедитесь, что Аmid=27,96 дБ и f3дБ=39,4 кГц.
