Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Рис. 8.11. Генератор на базе моста Вина 

Выберем f0=25 кГц, С1=С2=1 нФ и Rg=10 кОм. При этом R=R1=R2=6366 Ом. В этой схеме необходимо обеспечить условие поддержания колебаний |Aβ|=1. Анализ также показывает, что при резонансе β= 1/3II, и необходим коэффициент усиления, равный 3. Так как коэффициент усиления неинвертирующего ОУ равен

то для сопротивления обратной связи получим Rf=20 кОм.

Перерисуем теперь схему (рис. 8.11), чтобы показать параметры компонентов, разрыв для включения схемы измерения и соответствующую разметку узлов (рис. 8.12). Подсхема для генератора становится при этом частью входного файла. Весь входной файл:

Wien-Bridge Oscillator with Test Circuit

.subckt wien I i

x 2 4 1 iop

vi 1 0 0V

rg 1 2 10k

rf 2 1 20k

r1 3 4 6366

r2 4 0 6366

c1 i 3 1nF

c2 4 0 1nF

.ends

.subckt iop m p vo

rin m p 1E6

e vo 0 p m 2E5

.ends

X Tvi Tvo wien V Tvo Tvi AC 1

Evi Vi 0 0 Tvi 1

R1 Vi 0 1E6

Evo Vo 0 Tvo 0 1

R2 Vo 0 1E6

.AC DEC 40 1kHz 1MegHz

.PROBE

.END

Рис. 8.12. Генератор на базе моста Вина с разомкнутой обратной связью

Проведите анализ и получите график

20·(V(Vi)/V(Vo)).

Убедитесь, что при f=25,12 кГц, коэффициент усиления достигает максимума. Он соответствует коэффициенту усиления, равному единице, так как график задан в децибелах. Затем выберем Plot и получим график сдвига фазы в цепи обратной связи:

VP(Vi) – VP(Vo),

который сообщит нам, производит ли фазосмещающая схема сдвиг фазы, необходимый для установления колебаний. Убедитесь, что при f=25,3 кГц сдвиг фазы равен -180°. Эти графики приведены на рис. 8.13.

Рис. 8.13. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики для схемы на рис. 8.12

Другой пример исследования генератора на базе моста Вина

Предположим теперь, что мы задали параметры элементов в схеме генератора на базе моста Вина, но не знаем частоту колебаний. Нам необходимо определить, возникнут ли колебания, и какова будет их частота. Мы рассматриваем схему той же структуры, что и в предыдущем примере, параметры элементов приведены на рис. 8.14. Входной файл:

Another Wien-Bridge Example

.subckt wien i i

vi 1a 0 0V

x 1 i 2 iop

r1 1 2 20k

r2 1 1a 20k

r3 1 0 1.5915k

r4 3 i 1.5915k

c1 2 3 0.01uF

c2 i 0 0.01uF

.ends

.subckt iop m p vo

rin m p 1E6

e vo 0 p m 2Е5

.ends

X TVi TVo wien

V TVo TVi AC 1

EVi Vi 0 0 TVi 1

R1 Vi 0 1E6

EVo Vo 0 TVo 0 1

R2 Vo 0 1E6

.AC DEC 2 0 100Hz 0.1MegHz

.PROBE

.END

Рис. 8.14. Другая схема генератора на базе моста Вина с разомкнутой цепью обратной связи

Проведите анализ, как и в предыдущем примере, получите график

20·lg(V(Vi)/V(Vo)).

Используйте режим курсора, чтобы показать, что этот график достигает максимума при f=10 кГц. Чтобы проверить, что при этой частоте установятся колебания, получите график

VP(Vi) – VP(Vo),

и покажите, что сдвиг фазы при частоте 10 кГц равен -180°. Эти графики показаны на рис. 8.15.

Рис. 8.15. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики для схемы на рис. 8.14

Генератор Колпитца

Чтобы описать генератор Колпитца или генератор Хартли, зачастую используется одна и та же схема (рис. 8.16), где Z1, Z2 и Z3 представляют собой полные сопротивления. Условие установления колебаний при этом задается уравнением

Z1 + Z2 + Z3 = 0.

Рис. 8.16. Базовая схема для резонансных генераторов

В качестве полных сопротивлений обычно принимаются чисто реактивные сопротивления Х1 и Х2 одного типа и реактивное сопротивление Х3 противоположного типа. В генераторе Колпитца сопротивления Х1 и Х2 емкостного характера, а Х3 — индуктивного. Установим значения емкостей С1=С2=0,005 мкФ и значение индуктивности L=5 мГн.

Частота колебаний может быть найдена из уравнения

которое дает f0=33.38 кГц. Схема для этого случая показана ранее на рис. 8.4. Параметры других компонентов: R=1 кОм, R1=10 кОм и R2=20 кОм.

Схема, имеющая разрыв для включения измерительной цепи, показана на рис. 8.17. Входной файл при этом приобретает вид:

Colpitts Oscillator

.subckt colpitts i i

x 2 1a 3 iop

vi 1a 0 0V

r1 i 2 10k

r2 2 3 20k

r 3 4 1k

c1 i 0 0.005uF

c2 4 0 0.05uF

L i 4 5mH

.ends

.subckt iop m p vo

rin m p 1E6

e vo 0 p m E5

.ends

X TVi TVo colpitts

V TVo TVi а.с 1

EVi Vi 0 0 TVi 1

R1 Vi 0 1E6

EVo Vo 0 TVo 0 1

R2 Vo 0 1E6

.ac DEC 1000 1kHz 100kHz

.PROBE

.END

Рис. 8.17. Измерительная цепь для генератора Колпитца

Выполните анализ и получите график, подобный показанному на рис. 8.18. Обратите внимание, что имеется точка резонанса при частоте f=33,3 кГц, которая близка к предсказанной частоте колебаний. Получите график фазового сдвига между входным и выходным напряжениями и проверьте, что сдвиг фазы достигает -180° при f=33,4 кГц.

Рис. 8.18. ЛАЧХ для схемы на рис. 8.17

Задачи

8.1. Генератор со сдвигом фазы, показанный на рис. 8.7, должен работать на частоте f=1 кГц. При С=1 мкФ, выберите необходимые значения компонентов и выполните анализ одним из методов, предложенных в тексте. Используя Probe, убедитесь, что схема работает в ожидаемом режиме. Распечатайте графики, полученные в программе Probe. 

8.2. Используйте генератор на базе моста Вина, показанный на рис. 8.11, настроив его на рабочую частоту f=10 кГц. Сделайте необходимые изменения в приведенном в тексте главы входном файле и выполните анализ на PSpice при задании начального заряда С1. Используя Probe, убедитесь, что схема может поддерживать колебания при данной частоте.

8.3. Создайте схему генератора Колпитца, способного работать на частоте f=100 кГц. В качестве модели используйте схему на рис. 8.4. Применив методику разомкнутой цепи обратной связи, покажите, что колебания будут поддерживаться на этой частоте, покажите также сдвиг фазы на этой частоте.

8.4. Для генератора Колпитца из задачи 8.3 замкните контур обратной связи, и используйте необходимый метод возбуждения колебаний, чтобы показать, что колебания происходят при частоте f0=100 кГц. Получите графики синусоидальных колебаний с помощью программы Probe.

8.5. На базе общей конфигурации LС-генератора, приведенной на рис. 8.16, разработайте генератор Хартли, где Х1 и Х2 — катушки индуктивности, а Х3 — конденсатор, с такими параметрами, что f0=50 кГц. Задайте L1=L2=20 мГн, считая, что между катушками индуктивности не имеется магнитной связи. Используйте PSpice/Probe, чтобы проверить правильность решения.

8.6. Схема замещения генератора со сдвигом фаз на полевом транзисторе (FET) показана на рис. 8.19. Для возникновения устойчивых колебаний |А| должен быть не меньше 29, требуя FET с μ≥29. Приняв, что gm=5 мс, rd=500 кОм, С=0,5 пФ, R=1,3 кОм и Rd=10 кОм, используйте метод разомкнутой обратной связи, чтобы определить, произойдут ли колебания, и если да, то на какой частоте.

Рис. 8.19. Схема замещения генератора со сдвигом фаз на полевом транзисторе

9. Приборы в PSpice

В предыдущих главах мы создавали собственные линейные модели для переменных составляющих, входящие в традиционный набор, который обычно используется в классическом анализе. Такой подход дает простые и ясные результаты, поэтому его следует использовать всегда, когда только возможно.

Однако часто возникает необходимость в более сложных моделях, учитывающих характеристики конкретных приборов. Набор таких моделей для приборов различных типов предоставляет пользователю программа PSpice, что делает ее мощным исследовательским инструментом.