Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE    VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 0.0000  ( 3)    .8722   ( 4) 12.0000

( 5) 3.2056  ( 6) .2089   ( VOUT) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME  CURRENT

V_Vs  0.000E+00

V_VCC -1.214E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.46E-02 WATTS

Рис. 17.17. Часть выходного файла для анализа шума, показывающая перечень элементов, псевдонимы и параметры смещения

** circuit file for profile: Selfbs1

NOISE ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQUENCY = 1.000E+01 HZ

**** TRANSISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      Q_Q1

RB    5.570E-17

RC    1.250E-24

RE    0.000E+00

IBSN  1.900E-15

IС    1.505E-16

IBFN  0.000E+00

TOTAL 2.107E-15

**** RESISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      R_Rin     R_RE      R_RC      R_R2      R_R1      R_Rs

TOTAL 3.865E-17 1.176E-15 3.817E-17 1.650Е-15 1.361E-16 2.413E-16

**** TOTAL OUTPUT NOISE VOLTAGE = 5.387E-15 SQ V/HZ

                                = 7.339E-08 V/RT HZ

TRANSFER FUNCTION VALUE:

V(VOUT)/V_Vs = 1.706E+01

EQUIVALENT INPUT NOISE AT V Vs = 4.301E-09 V/RT HZ

FREQUENCY = 1.000E+06 HZ

**** TRANSISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      Q_Q1

RB    3.773E-15

RC    6.86CE-22

RE    0.000E+00

IBSN  3.552Е-16

IС    5.682E-15

IBFN  0.000E+00

TOTAL 9.810E-15

**** RESISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      R_Rin     R_RE      R_RC      R_R2      R_R1      R_Rs

TOTAL 3.342Е-17 1.932E-22 3.342E-17 2.767E-16 2.283E-17 1.826E-14

**** TOTAL OUTPUT NOISE VOLTAGE = 2.844E-14 SQ V/HZ

                                = 1.686E-07 V/RT HZ

TRANSFER FUNCTION VALUE:

V(VOUT)/V_Vs = 1.484E+02

EQUIVALENT INPUT NOISE AT V_Vs = 1.136E-09 V/RT HZ

Рис. 17.18. Часть выходного файла анализа шума, показывающая результаты анализа шума

Трудно оценить результаты шумового анализа на простой схеме. Если не имеется многокаскадных или других схем, которые будут использоваться для сравнения, полученные для шумовых напряжений значения будут сомнительны. Обратите внимание, что спектральные плотности шума как транзистора, так и резистора, приведены для каждой выбранной частоты. Листинг содержит также общее напряжение шума на выходе, обозначенное как передаточная функция Vout/Vs. В знаменателе показан упомянутый ранее входной шум эквивалентного источника.

В качестве упражнения проведите анализ снова, задав интервал «10» при анализе шума, затем загрузите выходной файл selfbsI.out з программу текстового редактора. Распечатайте только сведенные в таблицу результаты для f=10 кГц, и сравните ваши результаты с показанными на рис. 17.19. При типичней рабочей частоте сравните шумовые уровни напряжения транзистора и резисторов с показанными для f=10 Гц и f=1 МГц на рис. 17.18. Также обратите внимание, что отношение Vout/Vs=151,4 не отличается от результата, полученного в Probe.

** circuit file for profile: Selfbs1

*Analysis directives:

.AC DEC 20 10Hz 100MegHz

.NOISE V([VOUT]) V_Vs 20

.PROBE

*Netlist File:

.INC "selfbs-SCHEMATIC1.net"

**** NOISE ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQUENCY = 1.000E+04 HZ **** TRANSISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      Q_Q1

RB    3.926E-15

RC    4.921E-23

RE    0.000E+00

IBSN  3.701E-16

IC    5.912E-15

IBFN  0.000E+00

TOTAL 1.021E-14

**** RESISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      R_Rin     R_RE      R_RC      R_R2      R_R1      R_Rs

TOTAL 3.483E-17 2.010E-18 3.483E-17 2.880E-16 2.376E-17 1.900E-14

**** TOTAL OUTPUT NOISE VOLTAGE = 2.959E-14 SQ V/HZ

                                = 1.720E-07 V/RT HZ

TRANSFER FUNCTION VALUE:

V(VOUT)/V_Vs = 1.514E+02

EQUIVALENT INPUT NOISE AT V_Vs = 1.136E-09 V/RT HZ

Рис. 17.19. Выходной файл, использующий интервал «10» при анализе шума

Гармонический состав выходного напряжения

Продолжая изучение усилителя в проекте selfbs, сравним входное синусоидальное напряжение с синусоидальным выходным напряжением, чтобы увидеть, ограничивается ли выходное напряжение или проявляется какое-либо другое искажение его формы. Чтобы выполнять анализ, заменим источник входного напряжения типа VAC на источник типа VSIN. Зададим нулевое напряжение смещения, амплитуду в 10 мВ и частоту в 5 кГц. Подготовим моделирование на PSpice с именем Selfbs2 и выполним анализ переходных процессов на временном интервале в 0,2 мс с максимальным размером шага в 0,2 мкс. Нажмите кнопку Output File Options и выберите поле Fourier analysis. Установите основную частоту в 5 кГц и число гармоник, равное 5. Выходная переменная — V(Vout).

Выполните моделирование и получите в Probe графики V(Vout) и V(Vs:+). После соответствующей маркировки кривых сравните результаты с представленными на рис. 17.20. На первый взгляд, выходное напряжение кажется точной копией входного, перевернутой на 180°. Используйте курсор, чтобы найти первый отрицательный минимум и первый положительный максимум выходного напряжения. Они равны -1,61 В и 1,372 В соответственно и отличаются из-за того, что мы рассматриваем первый период переходного процесса.

Рис. 17.20. Сравнение временных диаграмм входного и выходного напряжений

В лаборатории осциллограф не отобразил бы переходные процессы, и мы увидели бы искажение в чистом виде. Это искажение характеризуется гармоническим составом и хорошо отражено в выходном файле, часть которого показана на рис. 17.21. Первая (основная) гармоника имеет частоту f=1 кГц с амплитудой 1,491 В. Сравнивая эту величину с амплитудами остальных гармоник от второй до пятой, мы видим, что влияние более высоких гармоник невелико. Если мы просто сложим величины перечисленных гармоник, то получим результат 1,61 В. В прежнем анализе, использующем источник типа VAC в качестве входного, мы нашли, что Vout=1,51 В. Значение 1,61 В, очевидно, неверно для выходного напряжения, так как мы пренебрегли фазовыми углами отдельных гармоник. Обратите внимание, что общее гармоническое искажение меньше чем 7,7%.

**** 09/05/99 13:29:29 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profiles Selfbs2

* Local Libraries :

.LIB ".selfbs.lib"

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini files

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.TRAN 0.02ms 0.2ms 0 0.2us

.FOUR 5kHz 5 V([VOUT])

.PROBE

*Netlist Files

.INC "selfbs-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING selfbs-SCHEMATIC1.net ****

* source SELFBS

R_Rin VOUT 0 9.4k

R_RE 6 0 220

R_RC 4 5 9.4k

R_R2 3 0 3.3k

R_R1 4 3 40k

R_Rs 1 2 50

Q_Q1 5 3 6 Q2N3904

C_C2 6 0 15uF

C_C3 5 VOUT 15uF

С_Cb 2 3 15uF

V_CC 4 0 12V

V_Vs 1 0

+SIN 0 10mV 5kHz 0 0 0

.INC "selfbs-SCHEMATIC1.als"

.ENDALIASES

**** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE    VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 0.0000  ( 3)    .8722   ( 4) 12.0000

( 5) 3.2056  ( 6) .2089   ( VOUT) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME   CURRENT

V_VCC -1.214E-03

V_Vs   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 1.46E-02 WATTS

**** FOURIER ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(VOUT)

DC COMPONENT = -8.776912E-03

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE     NORMALIZED

NO       (HZ)      COMPONENT COMPONENT  (DEG)     PHASE (DEG)

1        5.000E+03 1.491E+00 1.000E+00 -1.760Е-02 0.000E+00

2        1.000E+04 1.146E-01 7.688E-02  9.978E+01 2.757E+02

3        1.500E+04 4.701E-03 3.1541-03  1.098E+01 1.9491+02

4        2.000E+04 2.146E-04 1.440E-04 -1.622E+00 1.743E+02

5        2.500E+04 1.567E-04 1.051E-04 -8.367E+00 1.676E+02

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 7.694897E+00 PERCENT

Рис. 17.21. Выходной файл, показывающий гармонический состав от первой до пятой гармоники

Использование изменяемого параметра

Начните новый проект vpar и введите компоненты для схемы, показанной на рис. 17.22. Значения параметров следующие: V=20 В, R1=300 Ом, R2=300 Ом, R3=10 кОм, RL=2,5 кОм. Значение для RL показано на рисунке не так, как оно показывается при вариации на постоянном токе (dc sweep). Закончив схему, щелкните дважды на условном обозначении RL, затем измените тип компонента на {Rvar}. Фигурные скобки используются, чтобы отразить, что значение непостоянно (имя Rvar может быть и другим по вашему выбору).

Рис. 17.22. Схема для проведения вариации по параметрам

Из специальной библиотеки выбирают компонент param и вставляют его в схему в удобном месте. Двойной щелчок на символе (PARAMETERS:) выводит на экран окно Property Editor. Выберите кнопку New… В поле Property Name введите имя Rvar, затем нажмите OK. При возврате в окно Property Editor вы увидите теперь столбец с заголовком Rvar. Введите значение 2,5k и обратите внимание, что в столбце Value записано значение «PARAM», как показано на рис. 17.23. Сохраните схему и подготовьте анализ PSpice с именем Vpars. Выберите DC Sweep, нажав на маркер Linear sweep, задайте начальное значение частоты в 50 Гц и конечное в 5000 Гц с шагом в 1 Гц. Выполните моделирование и получите в Probe график произведения V(RL:1)·(RL), который является графиком мощности, выделяемой на RL (рис. 17.24). Рассчитайте по формулам стандартного схемотехнического анализа максимальную мощность, которая могла бы выделяться при переменном значении RL. Сравните ваши результаты со значением на табло курсора Рmax=159,421 мВт (рис. 17.24). В выходном файле обратите внимание на директиву для параметра Rvar: