Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей
Рис. 16.1. Идеальный ОУ в Capture
Подготовьте моделирование на PSpice, выбрав анализ параметров смещения в новой конфигурации моделирования с именем idealops. Проверьте поле (.ОР) с детальной информацией о параметрах смещения и поле (.TF) для получения коэффициента передачи в режиме малого сигнала от входного источника V_s на выход (переменная V(3)). Проведите моделирование, проверьте ошибки в выходном файле, затем распечатайте часть выходного файла, показанную на рис. 16.2. Результаты должны быть идентичны полученным в главе 5: V(1)=1,0000 В, V(2)=1,0000 В, V(3)=9,9995 В, через Vs протекает пренебрежимо малый ток в -5,000Е-14 А. Вспомним, что отрицательное значение тока означает, что положительный ток проходит в направлении от положительного полюса источника. Отношение V(3)/V_Vs=1,000Е+01 означает, что напряжение на узле 3 равно 10 В, однако здесь отношение округлено, более точным является приведенное ранее значение.
**** 10/05/99 15:57:25 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************
** circuit file for profile: idealops
*Libraries:
* Local Libraries :
* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:
.lib nom.lib
*Analysis directives:
.OP
.TF V([3]) V_Vs
.PROBE
*Netlist File:
.INC "idealop-SCHEMATIC1.net"
*Alias File:
**** INCLUDING idealop-SCHEMATIC1.net ****
* source IDEALOP
E_E1 3 0 1 2 200E3
R_R2 3 2 9k
R_R1 2 0 1k
R_Ri 1 2 1G
V_Vs 1 0 1V
**** RESUMING idealop-SCHEMATIC1-idealops.sim.cir ****
.INC "idealop-SCHEMATIC1.als"
**** INCLUDING idealop-SCHEMATIC1.als
**** .ALIASES
E_E1 E1(3=3 4=0 1=1 2=2 )
R=R2 R2(1=3 2=2 )
R_R1 R1(1=2 2=0 )
R_Ri Ri(1=1 2=2 )
V_Vs Vs(+-1 -=0 )
_ _(1=1)
_ _(2=2)
_ _(3=3)
_ _(4=4)
.ENDALIASES
**** RESUMING idealop-SCHEMATIC1-idealops.sim.cir ****
.END
**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С
NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE
( 1) 1.0000 ( 2) 1.0000 ( 3) 9.9995
VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT
V_Vs -5.000E-14
TOTAL POWER DISSIPATION 5.00E-14 WATTS
**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES
NAME E_E1
V-SOURCE 1.000E+01
I-SOURCE -1.000Е-03
**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS
V(3)/V_Vs = 1.000E+01
INPUT RESISTANCE AT V_Vs = 2.000E+13
OUTPUT RESISTANCE AT V(3) = 0.000E+00
Рис. 16.2. Выходной файл для идеального ОУ
Необходимо дополнить рис. 16.1, отметив на нем направления токов и согласовав знаки так, чтобы выполнялся закон Кирхгофа. Например, поскольку V2,0=1 В, ток через R1 должен быть равен 1 мА и направлен по стрелке на рис. 16.1. Поскольку V3,2=V(3)–V(2)=9,9995 В–1,0000 В=8,9995 В, ток через R2=1 мА (округленное значение) и проходит в указанном на рис. 16.1 направлении. Отметим также, что V1,2=0 В (округленное значение), поскольку R1=1 ГОм. Как и ожидалось, входное сопротивление очень велико, а выходное сопротивление почти равно нулю.
Операционные усилители с дифференциальным входом
Используем модель, приведенную на рис. 5.6, для другого примера, в котором исследуется идеальный ОУ. Назовем этот проект idealdif и используем следующие элементы: Va=3 В, Vb=10 В, R1=5 кОм, Ri=1 ГОм, R2=10 кОм, R3=5 кОм, R4=10 кОм, коэффициент усиления Е1 равен 200 000. Схема с пронумерованными узлами показана на рис. 16.3. Для моделирования используйте имя Idealdf и выполните анализ параметров смещения. Включите команды .ОР и .TF с входным источником Vs и выходной переменной V(3).
Рис. 16.3. Модель усилителя с дифференциальным входом
Вспомним, что в этом примере выходное напряжение предполагается равным 2(Vb-Va). Результаты анализа, показанные на рис. 16.4, подтверждают это. Используя значения напряжений, полученные на различных узлах, вычислите ток в каждом резисторе. В качестве упражнения покажите на вашем рисунке напряжение на каждом узле и величины и направления всех токов.
**** 09/03/99 09:37:26 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************
** circuit file for profile: Idealdf
*Libraries:
* Local Libraries :
* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:
.lib nom.lib
*Analysis directives:
.OP
.PROBE
*Netlist File:
.INC "idealdif-SCHEMATIС1.net"
*Alias File:
**** INCLUDING idealdif-SCHEMATIC1.net ****
* source IDEALDIF
V_Va 1 0 3V
R_R1 1 2 5k R_Ri 2 3 1G
R_R3 4 3 5k
V_Vb 4 0 10V
R_R2 2 5 10k
E_E1 5 0 2 3 200E3
R_R4 3 0 10k
**** RESUMING idealdif-schematic1-idealdif.sim.cir
.INC "idealdif-SCHEMATIC1.als"
**** INCLUDING idealdif-SCHEMATIC1.als
**** ALIASES
V_Va Va(+=1 -=0 )
R_R1 R1(1=1 2=2 )
R_Ri Ri(1=2 2=3 )
R_R3 R3(1=4 2=3 )
V_Vb Vb(+=4 -=0 )
R_R2 R2(1=2 2=5 )
E_E1 E1(3=5 4=0 1=2 2=3 )
R_R4 R4(1=3 2=0 )
_ _(3=3)
_ _(5=5)
_ _(2=2)
_ _(4=4)
.ENDALIASES
**** RESUMING idealdif-schematic1-idealdf.sim.cir ****
.end
** circuit file for profile: Idealdf
**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С
NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE
( 1) 3.0000 ( 2) 6.6667 ( 3) 6.6667 ( 4) 10.0000
( 5) 14.0000
VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT
V_Va 7.333E-04
V_Vb -6.667E-04
TOTAL POWER DISSIPATION 4.47E-03 WATTS
**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES
NAME E_E1
V-SOURCE 1.400E+01
I-SOURCE -7.333Е-04
Рис. 16.4. Выходной файл усилителя с дифференциальным входом
Амплитудно-частотная характеристика операционных усилителей
Модель ОУ на рис. 5.8 достаточно проста, чтобы использовать ее в Capture, но она хороша при изучении ОУ, поскольку при схемотехническом анализе позволяет лучше понять процессы в ОУ. Используем схему на рис. 5.9 в качестве первого примера.
Создайте схему с именем opampsc, используя компоненты и значения, приведенные на рис. 5.9: источник типа VAC для Vs=1 мВ, EG с коэффициентом усиления 1Е5, Е с коэффициентом усиления 1, С=15,92 мкФ, R1=10 кОм, Rin=1 МОм, Ri1=1 кОм, R2=240 кОм и R0=50 Ом.
Создайте и сохраните схему, показанную на рис. 16.5, затем используйте PSpice с новой конфигурацией и именем Opamp. Проведите анализ с вариацией частоты от 100 Гц до 1 МГц, используя шаг в 40 точек на декаду. Выполните моделирование и получите график
20·lg(V(5)/V(2)).
Рис. 16.5. Модель ОУ для частоты fc=10 Гц
Полученный результат (рис. 16.6) тождественен графику, показанному на рис. 5.12. Выходной файл, идентифицирующий компоненты и узлы, показан на рис. 16.7. Если вы хотите проверить другие аспекты анализа из главы 5, вы можете, например, удалить резистор обратной связи R2, заменив его резистором RL=22 кОм и действовать далее по методике, описанной в главе 5.
Рис. 16.6. Частотная характеристика для ОУ с fc = 10 Гц
**** 11/26/99 21:51:37 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************
** circuit file for profile: Opamp
*Libraries:
* Local Libraries :
* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:
.lib "nom.lib"
*Analysis directives:
.AC DEC 40 100Hz 1MegHz
.PROBE
*Netlist File:
.INC "opampsc-SCHEMATIC1.net" *Alias File:
**** INCLUDING opampsc-SCHEMATIC1.net ****
* source OPAMPSC
R_R2 1 5 240k
R_Ri1 3 4 1k
R_R1 0 1 10k
C_C 4 0 15.92uF
E_E 6 0 4 0 1
E_EG 3 0 1 2 1E5
V_Vs 2 0 DC OV AC 1mV
R_Rin 1 2 1Meg
R_R0 6 5 50
**** RESUMING opampsc-schematic1-opamp.sim.cir ****
.INC "opampsc-SCHEMATIC1.als"
**** INCLUDING opampsc-SCHEMATIC1.als
**** .ALIASES
R_R2 R2(1=1 2=5 )
R=Ri1 Ri1(1=3 2=4 )
R=R1 R1(1=0 2=1 )
C_C C(1=4 2=0 )
E_E E(3=6 4=0 1=4 2=0 )
E_EG EG(3=3 4=0 1=1 2=2 )
V_Vs Vs(+=2 -=0 )
R_Rin Rin(1=1 2=2 )
R_R0 R0(1=6 2=5 )
_ _(1=1)
_ _(2=2)
_ _(3=3)
_ _(4=4)
_ _(5=5)
.ENDALIASES
**** RESUMING opampsc-schematic1-opamp.sim.cir ****
.END
Рис. 16.7. Выходной файл для ОУ с f_c = 10 Гц
Активные фильтры
Модель ОУ, представленная выше, может использоваться для любой из схем, проанализированных в главе 5. В качестве второго примера обратимся к рис. 5.24, на котором показан низкочастотный фильтр Баттерворта. Анализ проводится для идеального ОУ, содержащего компонент типа Е с коэффициентом усиления А=200 000 и внутренним сопротивлением Rin=1 МОм. Используйте значения компонентов, приведенные на рис. 5.24. Проект с именем butrwrth и соответствующая схема показаны на рис. 16.8. Обратите внимание, что коэффициент усиления для Е1 составляет -200 000. Это произошло потому, что полюсы управления следуют в порядке, обратном показанному на рис. 5.24.
