«OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей»

Предисловие

Методы анализа цепей широко варьируются в зависимости от сложности задач. Одни схемы требуют решения единственного уравнения, для других требуется решение системы уравнений. Если реакция схемы лежит в широкой полосе частот, анализ проводится как во временной, так и в частотной областях. Чтобы облегчить задачу объемных вычислений, применяются различные инструменты анализа: от тригонометрических таблиц и логарифмических линеек до калькуляторов и компьютеров.

Во многих случаях для решения задач студенту необходимо осознать, на каких базовых законах и принципах должно основываться решение. В некоторых случаях топология цепи задается с помощью описания компонентов, помещенных между различными узлами, и для решения используются компьютерные программы. Существует несколько десятков таких программ для различных областей применения. Если использовать такие языки программирования, как Бейсик, Паскаль или Фортран, можно разработать собственные программы для решения задач различных типов. Более мощные программы, предназначенные для расчета широкого класса электрических цепей при различных условиях, требуют многолетней работы для разработки и модификации.

Что такое Spice?

Такие программные продукты, как Spice, предлагаются преимущественно в качестве программ моделирования интегральных схем. В настоящей книге используется версия Spice, называемая PSpice, коммерческий продукт, разработанный MicroSim Corporation. В 1998 году эта компания влилась в компанию OrCAD, производящую 9 программ. Демонстрационная версия программы, которой комплектуется данная книга, достаточна для выполнения всех упражнений и примеров моделирования, приведенных в ней. Демонстрационная версия полностью функциональна, но работает только с файлами ограниченного объема.

Программа SPICE является одновременно мощной и гибкой. Конечно, это может испугать и озадачить начинающего пользователя, перед которым встает вопрос: «Как использовать этот мощный инструмент наиболее простым способом?»

Вероятно, может показаться глупым решать на PSpice задачи, решение для которых известно заранее, но новички после выполнения такой работы получат уверенность для более успешного дальнейшего продвижения. Поэтому данная книга начинается с анализа цепей постоянного тока, продолжается анализом цепей на переменном токе и только затем переходит к более сложным темам, включая и цепи с полупроводниковыми приборами. 

PSpice широко применяется в промышленности, позволяя исследовать работу схем без создания реальных макетов в лаборатории. При этом достигается существенная экономия материалов и рабочего времени. Если проект требует изменений или улучшений, результаты легко могут быть получены на компьютере при изменении исходных условий. Разработчик просто заменяет компоненты, которые обычно используются в реальных цепях, и после этого снова исследует работу и электрические свойства устройства. Обычно трудно бывает предсказать, сколько таких компонентов должно быть заменено. Когда же этим занимается компьютерная программа, она производит утомительные вычисления с меньшей вероятностью ошибок и намного быстрее, чем человек.

Должен ли каждый студент, практик, разработчик изучить SPICE и применять его? Я уверен, что ответ будет, несомненно, положительным. Это справедливо как для академического, так и для профессионального мира. Ваше образование не будет полным без овладения этим ценным инструментом.

Сможет ли SPICE научить вас осуществлять анализ и разработку электрических схем? Я уверен, что ответ будет, безусловно, отрицательным. Изучение основных законов, управляющих поведением электрических цепей, стало в настоящее время еще важнее, чем прежде. A SPICE и другие компьютерные средства лишь освобождают вас от повторения нудных и длительных вычислений.

В процессе вы, конечно, получите некоторые дополнительные знания, которые могли бы иначе пропустить. Вы можете использовать также программу Probe, которая является частью PSpice и позволяет вам, среди прочего, графически построить реакцию цепи на входное воздействие во временной и частотной областях.

Целью этой книги было желание создать простой и легкий для освоения путеводитель по PSpice для студентов, желающих больше узнать о компьютерных средствах анализа цепей. Материал представлен таким образом, чтобы любой изучающий или изучивший различные теоретические разделы мог бы сразу же применить PSpice на практике.

Важным качеством книги является наличие моделей для таких приборов, как биполярные транзисторы (BJT), полевые транзисторы (FET) и операционные усилители (ОУ). Модели должны быть не сложнее тех, что используются для ручного расчета. Например, если Вас интересуют токи и напряжения смещения для биполярных транзисторов, нет необходимости использовать модели, в которых учитываются параметры транзистора на переменном токе. Надеемся, что читатель сможет создать собственные модели для каждого прибора, особенно для тех случаев, когда достаточно использовать линейные аппроксимации.

Следует отметить, что хотя простое чтение материала и может принести вам пользу, гораздо больше информации вы получите при разборе каждой задачи на компьютере. При этом важно, чтобы вы самостоятельно создали входной файл (схему), исследовали ее с помощью PSpice и получили затем выходной файл и/или использовали программу Probe, чтобы получить наглядный графический результат. Только при фактическом эксперименте на компьютере вы сможете оценить свои возможности и получить удовлетворение, когда решение появится на вашем мониторе или будет распечатано на принтере. 

Schematics и Capture CIS

Программа, которая позволяет разработчику размещать в схеме различные компоненты, создавая их изображения на дисплее, и проводить в дальнейшем анализ на PSpice, называется Schematics. Кампания MicroSim поддерживала Schematics до слияния с OrCAD. Затем она была заменена программой Capture CIS, разработанной OrCAD. Эти две программы не очень похожи. Поэтому если раньше вы использовали для работы Schematics, вам потребуются дополнительные усилия, чтобы начать моделировать схемы с помощью Capture CIS. В этой книге автор решил ввести вас в SPICE в той форме, которая была принята исторически.

Вы начинаете с нарисованной от руки электрической или электронной схемы, в которой нумеруются узлы, обычно в нарастающей последовательности. Точкой заземления является нулевой узел, все остальные узлы вы должны пометить. Затем вам следует идентифицировать элементы схемы один за другим в отдельных строках файла, который называется схемным (или входным) файлом. Эти файлы имеют расширение *cir (от circuit — схема). После того как вся схема идентифицирована, можно проводить анализ (моделирование). Результат сообщит вам (иногда больше, иногда меньше) о поведении схемы при различных условиях.

Если вы выберете для создания схемы программы Schematics или Capture, вся схема будет изображена на дисплее, и вы сможете выбрать опции и тип проводимого анализа. Конечный результат будет таким же, как и при описанном выше непосредственном вводе схемы. Выбор характера ввода — непосредственного или с помощью Schematics или Capture CIS — зависит от вас. Следует отметить, что прямой ввод на PSpice является наиболее простым, в то время как освоение Schematics или Capture CIS достаточно утомительно и сложно.

ЧТО НОВОГО В ЧЕТВЕРТОМ ИЗДАНИИ

Как можно было ожидать, после слияния MicroSim и OrCAD внешний вид и механизм работы PSpice изменился по сравнению с предыдущей версией программы. Материал последней редакции основан на 9 версии программного продукта. Эта или более поздняя версия (если такая имеется) приведена на компакт-диске, приложенном к книге[1].

Предполагается некоторое знакомство пользователя с Windows 95 или 98. Порядок установки программы описан в приложении С, однако вы можете просто вставить компакт-диск в компьютер и следовать указаниям, появляющимся на экране. Появится общее меню OrCAD, но при желании вы можете использовать последовательность команд Start, Run, после чего набирайте d:orcadstart.exe (если драйвер вашего CD-ROM обозначается буквой d).

Главы 1-13 описывают большинство задач, касающихся анализа цепей на постоянном и переменном токе, полупроводниковых приборов и схем, операционных усилителей, четырехполюсников и фильтров. В главах 14-17 изложена методика анализа для тех же цепей с применением программы Schematics. Программа была усовершенствована, с тем чтобы обеспечить более широкую доступность цифровых приборов в библиотеках устройств.

Все задачи были переделаны для использования с Windows 98 и последними версиями PSpice и все графики Probe были пересмотрены применительно к новому виду выходных файлов Probe. Есть небольшие различия в недавно полученных результатах и результатах, полученных в прежних версиях. Одно из различий, заслуживающих внимания, заключается в том, что, в зависимости от типа используемого принтера, различаются графики, полученные в Probe для новой и прежних версий программы. Вообще говоря, графики, полученные на лазерных принтерах, превосходят по качеству графики, полученные на струйных принтерах.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор благодарит за квалифицированные замечания всех рецензентов четвертого издания: Томаса Е. Бревера (Thomas Е. Brewer), Технологический институт Джорджии; Джеймса Н. Даунинга (James N. Downing), колледж связи в Холиоке; Джона Д. Полюса (John D. Polus), университет в Пурдуэ и Руссела Е. Пукетта (Russel E. Puckett), техасский университет А&М.

ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКОВ

Изучение таких дисциплин, как теория цепей, электротехника, радиоэлектроника, в современном университетском образовании немыслимо без исследования процессов в широком спектре схем с использованием современного измерительного оборудования. Немаловажную роль в процессе познания этих дисциплин занимает проблема планирования и проведения экспериментов.

Современные средства вычислительной техники и программное обеспечение позволяют реализовать на персональном компьютере виртуальные лаборатории, в которых максимально близко имитировать реальные лабораторные условия, как с точки зрения элементной базы, так и современных приборов.

На сегодняшний день преподавательскому составу университетов становится очевидным, что без такого инструмента современный учебный процесс просто невозможно реализовать. Недостаток программного и методического обеспечения на российском рынке в определенной степени сдерживает этот процесс у нас в стране.

Представленная книга восполняет этот пробел. Описываемая программа PSPICE наряду с такими программными оболочками, как MATLAB, Electronics Workbench, Multisim, входит в число наиболее востребованных программ, на которых базируется изучение отмеченных ранее курсов.

Книга написана простым и понятным языком, а ее построение соответствует программам курса теории цепей технических университетов.

Это и побудило нас заняться этой работой. Мы уверены, что книга, несомненно, будет полезна широкой студенческой аудитории и преподавательскому составу кафедр теории цепей, электротехники, радиоэлектроники, вычислительной техники, а также многим другим смежным специальностям.

От имени переводчиков

Панфилов Д. И., д.т.н., проф.

Введение

Четвертое издание книги «PSpice и анализ схем» развивает основные принципы анализа схем с использованием версии SPICE, называемой PSpice. Книга не является завершенным руководством по анализу цепей, она должна служить дополнением к учебникам по соответствующим дисциплинам. С этим пособием читатель может принять активное участие в изучении новых идей применения PSpice на персональных компьютерах (ПК), использующих операционные системы Windows 95, 98 или NT.

Примеры, рассмотренные в книге, могут быть промоделированы с помощью 9-й версии программы от компании OrCAD. OrCAD является преемником MicroSim, с которой она слилась в 1998 году. Во время подготовки настоящего (четвертого) издания книги версия PSpice была модифицирована. Обновлен формат экрана и введены некоторые другие изменения, так что пользователю необходимо сначала ознакомиться с отличиями новой версии от прежних.

Фирма OrCAD при создании версий PSpice проводит дружественную по отношению к пользователю политику, предоставляя бесплатный доступ к программному обеспечению. Поэтому издательству Prentice Hall разрешено воспроизвести программное обеспечение и включить его в CD-ROM, которым вы можете пользоваться при чтении этой книги.

При этом пользователь должен знать, что у компании имеется также полная версия программы. Купив ее, заказчик получает такие услуги, как расширенная техническая поддержка, ежегодное обслуживание программ, участие в акциях торговой стратегии и скидки при обучении.

Контакт с OrCAD для дополнительной информации:

9300 S.W.Nimbus Avenue

Beaverton, OR 97008-7137 USA

Тел.: (503) 671-9500 Факс: (503) 761-9501 E-mail: info@orcad.com

Web Site:

Имеются также представительства фирмы в Европе и Японии. Информацию о ценах и порядке заказа в Северной Америке можно получить непосредственно у OrCAD по телефону 1-800-671-9505. Студенты, изучающие программу OrCAD, могут связаться с компанией по электронной почте: tech.support@irvine.orcad.com.

Материал этой книги может быть использован при изучении следующих тем: анализ элементарных цепей на постоянном токе, анализ цепей на переменном токе, включая многофазные схемы, электронные приборы и цепи, более сложные разделы, касающиеся операционных усилителей, частотных характеристик, анализа с помощью рядов Фурье, нелинейных приборов и активных фильтров. При освоении материала книги важно, чтобы вы действительно проводили эксперименты и решали задачи на компьютере. Это даст вам непосредственное ощущение сложности возникающих обычно проблем. Кроме того, вы убедитесь, что для успешного решения задач необходимо понимание основных теоретических принципов и концепций.

Если ваши основные интересы лежат в области цепей переменного и постоянного тока или электроники, то мы советуем начать непосредственно с первых глав книги. Методика использования компьютера в качестве инструмента обучения является наиболее наглядной для простых моделей, рассматриваемых в первых примерах. Когда вы освоитесь с этой методикой, то поймете, что более трудные задачи требуют лишь немного больших усилий.

Примеры из этой книги были смоделированы на ПК, в котором использовался процессор AMD K6, память RAM объемом не менее 64 МБ (мегабайт) и два драйвера жесткого диска. Могут использоваться принтеры HP LaserJet II и HP DeskJet 855С. Конечно, ваш компьютер не должен быть в точности таким же. Многие результаты, которые вы получите, запустив примеры программ, будут полностью совпадать с помещенными в книге, однако графики, полученные с помощью программы Probe, могут несколько отличаться. Но в любом случае отличия будут незначительны.

Предварительные замечания

Программа Spice широко применяется в академическом и промышленном мире, чтобы моделировать работу различных электрических и электронных схем и приборов. Она разработана в Калифорнийском университете и использовалась сначала на универсальном компьютере. Более поздние версии, такие как PSpice, предназначены для работы на ПК, компьютерах Макинтош и рабочих станциях. Эта книга предназначена для читателей, которые используют ПК с Microsoft Windows.

Чтобы применять Spice для анализа цепей, необходимо создать входной (схемный) файл. Он может быть создан с помощью существующих текстовых редакторов, например, в Windows может использоваться редактор Notepad. Файлы, которыми пользуется программа PSpice, имеют расширение *.cir.

Поскольку PSpice поставляется с собственным текстовым редактором, проще всего запустить программу AD PSpice и выбрать позиции меню File, New, Text File, чтобы создать необходимый входной файл. Для поддержания совместимости рекомендуется применять имена файлов, соответствующие стандартному формату 8.3, применявшемуся прежде в DOS и ранних версиях Windows. Например, файл может носить имя firstone.cir.

Автор полагает, что использовать программы Schematic MicroSim и Capture OrCAD, в которых схема собирается на экране из отдельных компонентов, целесообразно после того, как получены основные сведения о PSpice. По этой причине обсуждение Schematic и Capture начинается с главы 14. 

Начальные шаги

Демонстрационная версия программы моделирования OrCAD представлена на компакт-диске, прилагаемом к настоящей книге. Если вы являетесь студентом и работаете на учебной рабочей станции, вы, скорее всего, обнаружите, что программа уже установлена. Если же вы захотите иметь собственную копию программы на своем ПК, то можете выполнить следующие шаги для быстрой установки программы.

Вставьте диск в драйвер CD-ROM и после появления главного меню просто следуйте инструкциям, появляющимся на экране. Если установка не происходит автоматически, используйте команды Start, Run и наберите следующий текст:

d:orcadstart.exe

если d используется на вашем компьютере для обозначения драйвера CD-ROM.

Перед началом работы с PSpice рекомендуется создать новую папку, которая будет содержать все ваши входные файлы. Это позволит вам в будущем быстро находить эти файлы, также как и другие файлы, которые вы создадите в процессе анализа схем[2].

На рабочем столе Windows выберите позиции Start, Run. В строке Open: наберите winfile, затем нажмите кнопку OK. Появится экран File Manager, разделенный на две части — с папками в левой части и файлами — в правой. В верхней части экрана находятся пиктограммы, с помощью которых Вы можете создать новые папки для Ваших входных файлов. На рис. В.1 они показаны на диске Е. В большинстве случаев это будет диск С.

Рис. В.1. Вид окна File Manager при создании папки Spice

Выберите нужную папку, щелкнув на ней мышью, затем используйте поле в правой или левой части экрана, чтобы выбрать корневой каталог или папку, щелкните на ней мышью. Затем из меню (включающем поля File, Disk, Tree, View и другие) выберите File, Create Directory…, затем перед именем введите

Spice

что приведет к созданию главной директории или папки в корневом каталоге. В этой директории будут содержаться все файлы, созданные вами в процессе моделирования. Наличие отдельной папки позволит вам быстро находить эти файлы, не смешивая их с файлами, являющимися частью программного обеспечения OrCAD.

Несколько полезных замечаний

При создании входного файла для схемы, которую вы хотите исследовать, всегда начинайте с полного эскиза схемы. Разметьте узлы, используя для этого маркировку, отличающуюся по цвету от остального текста, например красные или голубые чернила. В схеме всегда должен присутствовать нулевой узел (0), который является опорным узлом. Остальные узлы должны иметь цифровую или буквенную маркировку (проще, обычно работать с числами). Выберите имя входного файла, например dctwo.cir. Расширение *.cir указывает на схемный (или входной) файл. Включите во входной файл команду для каждого компонента схемы. Команды для компонентов могут идти в произвольной последовательности, однако первой командой входного файла должно идти название или описание. Если на первой строке будет описание компонента, оно будет проигнорировано (воспринято как название). Последней должна быть команда .END (набранная в нижнем или верхнем регистре).

Обычно буквы верхнего или нижнего регистра могут быть использованы в равной степени. Например, можно использовать буквы верхнего регистра для цепей постоянного тока, а нижнего — для переменного.

Если вы используете очень малые или очень большие числовые значения, учтите следующие соответствия, принятые в Spice:

Значение   Буквенное обозначение  Экспоненциальная форма  10-15  F  1Е-15  10-12  Р  1Е-12  10-9  N  1Е-9  10-6  U  1Е-6  10-3  М  1Е-3  25,4×10-6  MIL  25,4Е-6  10³  K  1Е3  106  MEG  1Е6  109  G  1Е9  1012  Т  1Е12 

Буквы в символическом представлении могут быть набраны в верхнем или нижнем регистре. Например, для обозначения milli в равной степени можно использовать буквы М или m.

Для описания конденсатора используется строка вида:

С 4 5 25NF

Это означает, что конденсатор подсоединен к узлам 4 и 5 и емкость его составляет 25 нФ (нанофарад). Можно упростить запись, представив единицы в оптимальной форме:

С 4 5 25n

Обратите особое внимание на то, что префикс в символической форме следует непосредственно за числовым значением. Не должно быть пробела между числовым значением и префиксом. Это справедливо и для экспоненциального представления префикса:

С 4 5 25Е-9

Другой пример:

R3 2 3 3 3kiloohms

очевидно, описывает резистор сопротивлением 33 кОм (килоома), включенный между узлами 2 и 3. Правильной является при этом и следующая запись:

R3 2 3 33k

Независимый источник напряжения может быть представлен в форме:

V 1 0 40V

Символ V после значения 40 указывает обычно на источник постоянного напряжения. Другая форма записи:

V 1 0 40

Некоторые читатели прошлых изданий просили о более подробном введении в методику создания входных (схемных) файлов для PSpice на ПК. Прежде чем вы начнете работать с материалами главы 1, можете рассмотреть приведенный конкретный пример или прочитать материал в разделе «Обзор PSpice».

Как это делать

На рис. В.2 приведена схема на постоянном токе, содержащая источник напряжения и четыре резистора. Узлы помечены номерами от 0 до 3. Для моделирования в Spice все узлы должны быть помечены номерами (или буквами). Должен присутствовать также опорный (нулевой) узел, помеченный цифрой 0.

Рис. В.2. Первая схема для исследования на PSpice

Создание входного файла

Откройте программу pspice.exe (рис. В.3) и выберите позиции меню File, New, Text File, как показано на рис. В.4.

Рис. B.3. Пиктограммы на рабочем столе PSpice

Рис. В.4. Создание текстового файла на PSpice

Появится пустое окно с мигающим курсором, позволяющее ввести текст. Наберите следующий текст (позаботьтесь о точности ввода):

First Circuit for Pspice

VS 1 0 24V

R1 1 2 10

R2 2 0 1k

R3 2 3 300

R4 3 0 500

.OPT nopage

.OP

.END 

Важное замечание: не нажимайте ENTER после ввода последней строки (.END)! Если сделать это, то программа решит, что вы хотите приступить к следующему анализу.

Используйте поля меню File, Save, чтобы сохранить входной файл. Программа OrCAD Demo может не содержать поля Save in. Раскройте нужное поле, щелкнув мышью по стрелке в правой части поля и выберите папку SPICE.

Наберите в поле File name имя ex1.cir. При желании вы можете также раскрыть поле Save as type выбрать Circuit Files (*.cir), чтобы не забыть набрать расширение *.cir. Затем щелкните мышью на Save (рис. В.5).

Рис. В.5. Создание и сохранение схемного файла на PSpice

Не закрывая файл, используйте комбинацию клавиш Alt+F+C, затем снова откройте файл с помощью комбинации Alt+F+O. Выберите Simulation, Run ех1, как показано на рис. В.6.

Рис. В.6. Запуск моделирования на PSpice

В нижнем правом поле PSpice должно появится сообщение «100% (completion)».

Просмотр выходного файла

Выберите View, Output File, чтобы увидеть результаты моделирования на экране. Они должны соответствовать рис. В.7.

Рис. В.7. Выходной файл PSpice с результатами моделирования

Чтобы были видны важные элементы выходного файла, на экране были удалены пустые строки. Хотя вы можете теперь распечатать выходной файл, выбрав File, Print, мы не будем пока делать этого.

Обычный анализ цепи показывает, что напряжение V20=23,472 V (В), a V30=14,67 V (В).

Ток I (отрицательный) показан в выходном файле как ток источника питания, равный 52,81 mA (мА). Полная рассеиваемая мощность, равная произведению I и VS, составляет 1,27 W (Вт). 

Рассмотрим содержимое входного файла. Прежде всего, в него включены входные данные компонентов схемы. Для каждого компонента они показаны в отдельной строке, содержащей достаточные для анализа на PSpice данные: тип элемента, пару узлов, к которой он подсоединен, и значение основного параметра (сопротивление, напряжение и другие). Обозначение .ОРТ (сокращение от .OPTIONS) no page предотвращает прерывание моделирования после окончания страницы выходного файла. Команда .ОР вводится обычно, чтобы показать напряжения смещения в транзисторных цепях. Для цепей постоянного тока эта команда может быть опущена. Команда .END обязательна для любого входного файла.

Изменение входного файла

Чтобы извлечь больше информации из анализа на PSpice, изменим входной файл (с расширением *.cir), добавив две следующие строки.

.DC VS 24V 24V 24V

.PRINT DC I(R1) I(R2) I(R3)

и снова запустим процесс моделирования. 

**** 09/08/99 10:48:54 ******* Evaluation PSpice (Nov 1998) *******

First Circuit for PSpice

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS 1 0 24V R1 1 2 10

R2 2 0 1k

R3 2 3 300

R4 3 0 500

.DC VS 24V 24V 24V

.PRINT DC I(R1) I(R2) I(R3)

.OPT nopage

.OP

.END

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

VS        I(R1)     I(R2)     I(R3)

2.400E+01 5.281E-02 2.347E-02 2.934E-02

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 24.0000 ( 2) 23.4720 ( 3) 14.6700

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS   -5.281E-02

TOTAL POWER DISSIPATION 1.27E+00 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

JOB CONCLUDED

TOTAL JOB TIME .10

Рис. B.8. Результаты моделирования при изменении входного файла

Выходной файл на рис. В.8 обогатится новой информацией. Будут показаны значения токов, указанных в строке .PRINT. Проверка с помощью обычного расчета подтверждает полученные результаты IR1=52,81 мА, IR2=23,47 мА, IR3=29,34 мА. Появление двух новых строк во входном файле будет пояснено в главе 1.

Направление тока

Отметим, что порядок следования узлов в записи

R1 1 2 10

означает, что положительным считается ток, протекающий от узла 1 к узлу 2. Если в результате анализа ток будет протекать в обратном направлении, то в выходном файле он будет иметь отрицательное значение. Если запись для резистора будет иметь вид:

R1 2 1 10 

то условным положительным направлением тока будет считаться направление от узла 2 к узлу 1, и ток I(R1) в выходном файле станет отрицательным. Эта закономерность, естественно, относится ко всем резисторам схемы. Толкование направления напряжения на выходе источника напряжения Vs и на резисторах различаются. При записи

VS 1 0 24V

порядок следования 1, 0 означает, что напряжение внутри источника направлено от узла 1 к узлу 0. Поскольку ток в действительности вытекает из узла 1, он составляет -5,281Е-02 (ампера).

Что еще можно прочесть

Большинство задач этой книги могут быть решены с помощью традиционных методик расчета, описанных в других книгах. Можно порекомендовать следующие книги в качестве материала, объясняющего и развивающего содержание отдельных глав этой книги:

Circuit Analysis

Irving L. Kosow, Wiley, 1988

Electronic Devices and Circuits, 5th ed.

Theodore F. Bogart, Jr., Prentice Hall, 2001

Electronic Devices

William D. Stanley, Prentis Hall, 1989

Electronic Devices and Circuit Theorie 7th ed.

Robert L.Boylestad, Prentis Hall, 1999

Обзор PSpice

В этом разделе обсуждаются основные моменты, встречающиеся при работе с программой PSpice. Более подробные объяснения приводятся в следующих главах книги. Если в этом разделе попадутся вопросы, представляющие для вас особый интерес, можете сразу перейти к главам, в которых они рассмотрены более детально.

Анализ цепей постоянного тока

На рис. 0.1 представлена цепь постоянного тока с источником напряжения и тремя резисторами. Нетрудно получить значения различных токов и напряжений в схеме с помощью PSpice. Если вы прочли главу «Начальные шаги» в разделе «Введение», то сможете создать входной файл на PSpice. Откройте программу pspice.exe и выберите позиции меню File, New, Text File. Наберите следующий текст:

Resistive Circuit with Voltage Source

Vs 1 0 dc 12V

R1 1 2 50ohms

R2 2 0 100ohms

R3 2 0 200ohms

.END

Рис. 0.1. Схема на постоянном токе для анализа на PSpice

Как было указано ранее, не следует нажимать Enter после набора последней строки текста.

Теперь сохраните файл, присвоив ему имя preview.cir. Не забывайте сохранять входные файлы в папке Spice. После сохранения файла вы можете закрыть его и снова открыть для моделирования. Просто наберите комбинацию клавиш Alt+F+C, а затем Alt+F+O и выберите Simulation, Run preview. После успешного запуска вы сможете увидеть результаты в выходном файле, выбрав View, Output File. Автор рекомендует не использовать команду File, Print на этом этапе, поскольку в выходном файле содержатся лишние строки, и он будет выведен в альбомном формате.

Анализ проводится в так называемом малосигнальном режиме. Чтобы получить распечатку, закройте выходной файл и используйте такой редактор, как Microsoft Word, или, при его отсутствии, редактор WordPad (который входит комплект Windows), открыв в нем файл preview.out. После некоторой практики вы легко определите, какую лишнюю информацию следует удалить из этого файла. Прежде всего, вам не нужны лишние колонтитулы и пропуски страниц. Когда вы приведете файл к виду, показанному на рис. 0.2, распечатайте его, чтобы иметь возможность возвращаться к нему в дальнейшем и сравнивать с выходными файлами, полученными при последующей работе.

**** 09/13/05 22:01:10 *********** Evaluation PSpice (Nov 1999) **************

Resistive Circuit with Voltage Source

**** CIRCUIT DESCRIPTION

******************************************************************************

Vs 1 0 dc 12V

R1 1 2 50ohms

R2 2 0 100ohms

R3 2 0 200ohms

.END

**** 09/13/05 22:01:10 *********** Evaluation PSpice (Nov 1999) **************

Resistive Circuit with Voltage Source

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

******************************************************************************

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 12.0000 ( 2) 6.8571

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

Vs   -1.029E-01

TOTAL POWER DISSIPATION 1.23E+00 WATTS

 JOB CONCLUDED

 TOTAL JOB TIME .28

Рис. 0.2. Выходной файл для схемы на рис. 0.1 

Три величины представляют интерес в выходном файле: потенциал узла 2; ток источника питания; рассеиваемая мощность. Проверьте каждое из этих значений с помощью расчетов на бумаге.

Возможно, вам понадобится больше информации об исследуемой цепи. Могут быть выведены различные токи, если включить во входной файл две дополнительные строки: установки dc voltage и установки PRINT dc. Колонтитулы легко могут быть удалены, если включить во входной файл опцию (.ОРТ). Скорректированный входной файл примет вид:

Resistive Circuit with Voltage Source

Vs 1 0 dc 12V

R1 1 2 50ohms

R2 2 0 100ohms

R3 2 0 200ohms

.OPT nopage

.ds Vs 12V 12V 12V

.PRINT dc I(R1) I(R2) I(R3)

.END

Поскольку значения и узлы подсоединения Vs, R1, R2, R3 остались теми же, первые четыре строки не менялись. Команда печати в PSpice не может быть выполнена до тех пор, пока не проведен анализ вариаций при изменении входного напряжения (sweep). Поскольку его результаты нам в данном случае не нужны, он проводится при самых примитивных установках: при начальном напряжении 12 В, конечном напряжении 12 В и шаге 12 В, то есть для одной точки.

Запустите программу анализа и получите выходной файл. В нем имеется раздел DC TRANSFER CURVES, в котором приведены токи через каждый резистор. Заметим, однако, что узловые потенциалы в этом разделе отсутствуют. Их можно получить в выходном файле, используя команду ОР. При этом выводится информация о потенциалах узлов и токе источника питания.

Чтобы получить еще больше информации, при анализе во входной файл включается команда .TF. Окончательная версия входного файла имеет вид:

Resistive Circuit with Voltage Source

Vs 1 0 dc 12V

R1 1 2 50ohms

R2 2 0 l00ohms

R3 2 0 200ohms

.OPT nopage

.OP

.PRINT dc I(R1) I(R2) I(R3)

.ds Vs 12V 12V 12V

.TF V(2) Vs

.END

Выходной файл при этом показан на рис. 0.3. Исследование в малосигнальном режиме устанавливается командой .ОР. Команда .TF дает отношение V(2)/Vs потенциала узла 2 к потенциалу источника Vs, а также входное сопротивление относительно Vs и выходное относительно V(2). Проверьте результат с помощью самостоятельного расчета на бумаге. Каково должно быть входное сопротивление? Отметим, что выходное сопротивление рассчитывается при короткозамкнутом источнике питания, при этом три резистора оказываются соединенными параллельно. 

**** 09/13/05 22:09:05 *********** Evaluation PSpice (Nov 1999) **************

Resistive Circuit with Voltage Source

**** CIRCUIT DESCRIPTION

******************************************

Vs 1 0 dc 12V

R1 1 2 50ohms

R2 2 0 100ohms

R3 2 0 200ohms

.OPT nopage

.OP

.PRINT dc I(Rl) I(R2) I(R3)

.dc Vs 12V 12V 12V

.TF V(2) Vs

.END

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

Vs        I(R1)     I(R2)     I(R3)

1.200E+01 1.029E-01 6.857E-02 3.429E-02

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 12.0000 ( 2) 6.8571

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

Vs   -1.029E-01

TOTAL POWER DISSIPATION 1.23E+00 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(2)/Vs = 5.714E-01

INPUT RESISTANCE AT Vs = 1.167E+02

OUTPUT RESISTANCE AT V(2) = 2.857E+01

JOB CONCLUDED

TOTAL JOB TIME .03

Рис. 0.3. Выходной файл для схемы на рис. 0.1, включающий дополнительную информацию

Анализ цепей переменного тока

Пример для цепи переменного тока показывает некоторые свойства установившегося режима цепи при гармоническом воздействии.

На рис. 0.4 показана схема с источником питания 100 В при частоте 100 Гц. Можно считать, что во входном файле приведено действующее или амплитудное значение напряжения, при этом для всех остальных величин будут вычисляться соответствующие значения. В схеме имеются резисторы, катушка индуктивности и конденсатор с параметрами, показанными на рисунке.

Рис. 0.4. Схема на переменном токе для анализа на PSpice

Откройте программу pspice.exe и выберите позиции меню File, New, Text File. Наберите следующий текст:

Series-parallel ас Circuit

Vs 1 0 ас 100V

R1 1 2 10

R2 2 3 10

L 3 0 100mH

С 2 0 10uF

.ас LIN 1 100Hz 100Hz

.PRINT ас I(Rl) IP(R1) V(2) VP(2)

.PRINT ac I(C) IP(C) I(R2) IP(R2)

.OPT nopage

.END

Из рис. 0.5 видно, что обозначения источников переменного постоянного напряжения различны. Индуктивность катушки составляет 100 мГн. Основная единица индуктивности (Гн) используется с префиксом, обозначающим одну тысячную часть. Команда .ac проводит анализ для ряда значений напряжения источника питания. Это линейное изменение (LIN), однако может быть применено изменение и на октаву, и на декаду. Изменения проводятся только для одного значения частоты, при желании результат может не распечатываться. Команда .ОРТ убирает лишние заголовки и разбиение на страницы. В некоторых задачах, приведенных в других книгах, эта команда не применяется, но при желании она всегда может быть включена в текст.

Рис. 0.5. Схема на переменном токе для анализа на PSpice

Результаты анализа на PSpice приведены в выходном файле (рис. 0.6). Малосигнальный анализ в этом случае (на переменном токе) не содержит фактически никакой информации. Эту часть файла лучше всего удалить перед выводом на печать. 

**** 09/13/05 22:30:44 ********** Evaluation PSpice (Nov 1999) **********

Series-parallel ac Circuit

**** CIRCUIT DESCRIPTION

****************************************************

Vs 1 0 ac 100V

R1 1 2 10

R2 2 3 10

L 3 0 100mH

С 2 0 10uF

.ac LIN 1 100Hz 100Hz

.PRINT ас I(R1) IP(R1) V(2) VP(2)

.PRINT ac I(C) IP(C) I(R2) IP(R2)

.OPT nopage

.END

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000 ( 2) 0.0000 ( 3) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

Vs   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 0.00E+00 WATTS

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(R1)     IP(R1)     V(2)      VP(2)

1.000E+02 9.295E-01 -6.988E+01 9.719E+01 5.152E+00

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(C)      IP(C)     I(R2)     IP(R2)

1.000E+02 6.107E-01 9.515E+01 1.528E+00 -7.580E+01

JOB CONCLUDED

TOTAL JOB TIME .01

Рис. 0.6. Выходной файл для схемы на рис. 0.4

Запись I(C) отображает ток в ветви С, IP(C) — фазовый угол этого тока в градусах. I(R2) — амплитуда тока в ветви, содержащей резистор R2 и катушку L, IP(R2) — фазовый угол этого тока.

С помощью калькулятора проверьте равенство суммы этих токов току через резистор R1. В векторной форме она равна

IС + IR2 = (0,0548, 0,600823) + (0,32, -0,873)= 0,9298/-69,87°

Отметим, что строка записи для R1, имеет вид

R1 1 2 10

Узлы заданы в последовательности 1, 2. Это означает, что условное направление тока — от источника. При сложении токов, подходящих к узлу, их направление должно быть учтено и отражено на схеме.

Наибольший интерес представляет анализ, при котором частота сети варьирует между двумя граничными значениями. В нашем примере приблизительное значение частоты резонанса составляет f0=160 Гц. Входной файл изменяется следующим образом:

Series-parallel ас Circuit

Vs 1 0 ас 100V

R1 1 2 10

R2 2 3 10

L 3 0 100mH

С 2 0 10uF

.ас LIN 151 50Hz 200Hz

.probe

.END

Сохраните новую версию входного файла под именем acpre1.cir с помощью команд File, Save As… Нет необходимости закрывать и снова открывать файл, если к предыдущему имени добавлен символ 1. 

Команда ас дает линейную вариацию для 151 значения по частоте в диапазоне от 50 до 200 Гц. Это означает, что вычисления производятся для каждого целого значения частоты в этом диапазоне. Команда .probe помещает результаты моделирования в файл данных программы Probe, которому в данном случае будет присвоено имя acpre1.dat.

Probe

Как было отмечено, нет необходимости закрывать и снова открывать файл acpre1.cir. Просто выберите Simulation, Run acpre1.cir. Когда моделирование закончится, на экране возникнет область, в которой может быть показан график. Это — окно программы Probe, включенной в состав PSpice. Ось X по умолчанию показана в пределах от 100 Гц до 1 кГц. Поскольку нас интересует только часть этой области, изменим границы, выбрав Plot, Axis Settings… В таблице оси X выберем User Defined и введем значения от 50 Hz до 200 Hz, затем выберем Linear Scale и нажмем OK. Чтобы получить график, называемый trace, выберем Trace, Add Trace, а в поле Trace Expressions: наберем

IP(R1)

При этом будет построен график фазы тока через R1 который является током источника. Измените размеры окна, если это необходимо, чтобы разглядеть детали графика.

Вы можете добавить к графику текст, выбрав Plot, Label, Text и набрав

Phase angle of circuit current

Затем нажмите OK и переместите текст в нужное место с помощью мыши. Дополните текст словами:

Relative to input voltage

Поместите эту строку непосредственно под первой. Затем выведите график на печать, выбрав File, Print и осуществив стандартные операции распечатки. Сравните полученный результат с приведенным на рис. 0.7.

Рис. 0.7. Графический выходной файл, полученный в программе Probe

Оставаясь пока в Probe, вызовите курсор, выбрав Trace, Cursor, Display. В нижнем правом углу экрана появится окно Probe Cursor со следующим текстом:

А1 = 50.000, 257.073

А2 = 50.000, 257.073

dif = 0.000, 0.000

А1 — значение начальной частоты (по оси X), IP — угол фазового сдвига. До тех пор пока курсор не сдвинут, значение А2 повторяет значение А1. С помощью мышки сдвиньте курсор в позицию, при которой фазовый сдвиг примерно равен 0, а затем с помощью левой и правой стрелок установите значение точно в 0. На дисплее курсора появятся значения

А1 = 158.355, 0.000

А2 = 50.000, -57.073

dif = 108.355, 57.073

Значение А1 покажет новую частоту 158,335 Гц и фазовый угол 0°. Значение dif (разность) очевидно. Отметим, что значение 0,000 для фазового сдвига представляет собой результат округления, реальное значение не равно нулю в точности. Поэтому если повторить моделирование, вы можете получить несколько иной результат. Вид экрана показан на рис. 0.8.

Рис. 0.8. Определение фазового сдвига с помощью функции Cursor в программе Probe  

Отметим, что окна View, Output и View Simulation Status могут включаться и выключаться. Удалим табло курсора (которое также может включаться и выключаться) и выберем Plot, Add Plot. При этом поверх первого окна появится второе окно для новой кривой. Оно будет пустым до тех пор, пока вы не определите, какой из графиков должен появиться. Отметим, что окно Add Trace представляет список величин, для которых могут быть построены графики. Щелкните мышью в поле I(R1) и этот ток появится на графике. Наберите «,» (запятую) и выберите I(C) — появится график этого тока, снова наберите «,» (запятую) и выберите I(L) для третьей кривой. Щелкните мышкой на OK и в верхнем окне появятся три кривые.

Используйте команды Plot, Axis Setting, чтобы изменить пределы по осям Y.

Выберите маркер User defined, затем введите значения от 0 А до 3.0 А, чтобы изменить значения диапазона, и нажмите OK. Затем разметьте кривые, как показано на рис. 0.9, чтобы пояснить распечатку[3]. Отметим, что амплитуда общего тока меньше амплитуды тока в индуктивной ветви. В то же время она меньше и амплитуды тока в емкостной ветви.

Рис. 0.9. Разметка кривых в выходном файле программы Probe

Анализ транзисторных схем

Следующая предварительная схема представляет собой усилитель на биполярном транзисторе (BJT) с типовой схемой смещения на двух резисторах. Эта схема представлена на рис. 0.10. PSpice допускает использование встроенных моделей для биполярных транзисторов и других приборов. Допустим, что транзистор имеет коэффициент усиления для большого сигнала hFE= 80 и что при типовых условиях смещения VBE=0,8 В.

Рис. 0.10. Цепи смещения для биполярного транзистора

Прежде чем перейти к моделированию на PSpice, определим смещающие токи и напряжения обычными методами. Если в процессе предшествующего обучения вы познакомились с этими методами, вы поймете следующее краткое описание. При открытии транзистора по базовой цепи напряжение эквивалентного генератора VTh (по теореме Тевенина) можно найти, пользуясь выражением для делителя напряжения:

Чтобы найти сопротивление эквивалентного генератора (по теореме Тевенина), закоротим источник напряжения Vcc, при этом резисторы R1 и R2 окажутся включенными параллельно. Сопротивление равно

RTh = R1∥R2 = 40∥5 = 4,444 кОм.

Применяя второй закон Кирхгофа к контуру, содержащему RTh и RE, получим  

VTh = RThIB + VBE + RE(hFE + 1);

1,333В = (4,444 кОм)IB + 0,8В + 100 Ом (80+1).

Решая последнее уравнение относительно IВ, получим

IВ = 42,5мкА.

Поскольку IC = hFEIВ, коллекторный ток равен 3,4 мА. Эмиттерный ток равен сумме коллекторного и базового токов и составляет 3,44 мА. Воспользуемся полученными значениями токов, чтобы рассчитать потенциалы узлов 3, 4 и, наконец, узла 1.

Напряжение на коллекторе равно:

V3 = Vcc + RcIc = 12 – (1 кОм)(3,4 мА) = 8,6В.

Напряжение на эмиттере:

V4 = REIE = (100 Ом)(3,4 мА) = 0,344В.

Напряжение на базе:

V1 = VBE + V4 = 0,8 + 0,344 = 1,144В.

Хотя решение было несложным, оно все же заняло некоторое время. Если изменить параметры цепи, решение должно быть получено снова. С помощью PSpice получать повторные решения намного проще.

BJT Biasing Circuit

VCC 2 0 12V

R1 2 1 40k

R2 1 0 5k

RC 2 3 1k

RE 4 0 100

Q1 3 1 4 QN

.MODEL QN NPN(BF=80)

.dc VCC 12V 12V 12V

.OP

.OPT nopage

.PRINT dc I(R1) I(R2) I(RC) I(RE) .END

 Выбранное для транзистора имя должно начинаться с буквы Q. Узлы 3, 1 и 4 — это узлы коллектора, базы и эмиттера, соответственно. Команда .MODEL содержит выбранное нами имя модели (QN — имя, выбранное для встроенной модели биполярного npn-транзистора). Запись BF=80 задает статический коэффициент усиления транзистора по постоянному току b равным 80. Результат анализа на PSpice приведен на рис. 0.11. Значения токов и напряжений соответствуют ранее вычисленным.

**** 06/13/99 14:30:18 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

BJT Biasing Circuit

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VCC 2 0 12V

R1 2 1 40k

R2 1 0 5k

RC 2 3 1k

RE 4 0 100

Q1 3 1 4 QN

.MODEL QN NPN(BP=80)

.dc VCC 12V 12V 12V .OP

.OPT nopage

.PRINT dc I(R1) I(R2) I(RC) I(RE)

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   QN

   NPN

IS 100.000000E-18

BF 80

NF 1

BR 1

NR 1

CN 2.42

 D .87

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

VCC       I(R1)     I(R2)     I(RC)     I(RE)

1.200E+01 2.713E-04 2.293E-04 3.366E-03 3.408E-03

**** SHALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 1.1464  ( 2) 12.0000 ( 3) 8.6345  ( 4) .3408

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC  -3.637E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 4.36E-02 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME     Q1

MODEL    QN

IB       4.21E-05

IС       3.37E-03

VBE      8.06E-01

VBC     -7.49E+00

VCE      8.29E+00

BETADC   8.00E+01

GM       1.30E-01

RPI      6.15E+02

RX       0.00E+00

RO       1.00E+12

CBE      0.00E+00

CBC      0.00E+00

CJS      0.00E+00

BETAAC   8.00E+01

CBX/CBX2 0.00E+00

FT/FT2   2.07E+18

Рис. 0.11. Выходной файл для схемы рис. 0.10

В главе 3 эта схема исследована более детально для использования биполярного транзистора в усилителе с общим эмиттером. Среди прочих параметров будут найдены коэффициенты усиления по току и напряжению, а также входное и выходное сопротивления каскада.

1. Анализ цепей на постоянном токе

Цепи постоянного тока важны не только сами по себе, но и потому, что многие приемы, применяемые при их анализе, используются и при анализе цепей переменного тока. В действительности анализ большинства электронных цепей и приборов может быть проведен одними и теми же методами.

Вводный пример

Наиболее важным свойством последовательной цепи из трех резисторов, подсоединенных к источнику постоянного напряжения (рис. 1.1), является то, что через все ее элементы течет один и тот же ток.

Рис. 1.1. Последовательная цепь с тремя резисторами

Другое важное ее свойство заключается в том, что приложенное напряжение (50 В) делится между резисторами прямо пропорционально их сопротивлению. Например, падение напряжения на резисторе в 150 Ом втрое больше падения напряжения на резисторе сопротивлением 50 Ом. Применяя концепцию деления напряжения, легко найти падение напряжения на каждом элементе, даже не зная тока в цепи. Так, напряжение на R3 равно:

а падение напряжения на R2:

Ток также просто находится с помощью любого из следующих уравнений:

Использование Spice для исследования схем

Вход в PSpice начинается с команд File, New, Text File. Анализ схемы можно провести с помощью представленного ниже входного файла:

Spice Analysis of Series Circuit

Vs 1 0 50V

R1 1 2 100 

R2 2 3 50

R3 3 0 150

.OP

.END

Напомним, что после того как набрана последняя команда (.END), Enter лучше не нажимать. После ввода всех строк файла используйте набор команд File, Save и введите имя файла, например Probe1.cir. Как было отмечено ранее, лучше всего хранить все входные файлы в папке SPICE, используя правильный путь к папке, который будет выглядеть, например, c:/SPICE. Окно Save as type должно показывать «Circuit Files (*.cir)».

Закройте файл, используя команды File, Close и снова откройте его с помощью команд File, Open. Теперь Вы готовы к проведению моделирования с помощью команд Simulation, Run prob1. Перед тем как это сделать, вы можете использовать команду View и проверить «Output Window» и «Simulation Status Window». После завершения моделирования экран должен выглядеть так, как показано на рис 1.2. Отметим, что на дисплей должно быть выведено в нижнем левом окне окончательное состояние и сообщение об окончании моделирования: «Simulation complete».

Рис. 1.2. Экран PSpice после завершения моделирования 

Вы можете увидеть результаты моделирования с помощью команд View, Output File. При этом экран покажет не только результаты моделирования, но и отметит некорректные команды во входном файле при их наличии. Мы рекомендуем вам не распечатывать выходной файл в той форме, в какой он представлен в PSpice, поскольку он содержит лишние пустые строки. Вместо этого, используя команды File и Close, закройте выходной файл, сверните окно PSpice и воспользуйтесь такими редакторами, как Microsoft Word или WordPad. Если, пользуясь этими редакторами, вы устраните пустые строки и ненужные разрывы страниц, возможно, результат можно будет распечатать на одной странице.

Просмотр выходного файла

Наиболее важные части выходного файла содержат информацию о напряжениях различных узлов:

Node Voltage Node Voltage Node Voltage

(1)  50.0000 (2)  33.3330 (3)  25.0000

Потенциал узла 1 — это напряжение V10, напряжение источника питания. Потенциал узла 2 — напряжение V20, суммарное падение напряжения на R2 и R3. Напряжение узла 3 — напряжение V30 является падением напряжения на резисторе R3.

Как мы рассчитали ранее, напряжение VR3 (равное V30) составляет 25 В, следовательно, анализ на PSpice оказался верным. Как можно теперь определить напряжение на R2? Оно равно V2–V3, и его можно вычислить как V20–V30.

V2 – V3 = 33,333 – 25,000 = 8,333 В.

Анализ на PSpice учитывает также напряжение и ток источника питания; напряжение на источнике питания V задано в исходных данных, ток через него, согласно выходному файлу, равен -1.667Е-01. Ток имеет правильное числовое значение, но почему его знак отрицателен? SPICE показывает ток, который течет от плюса к минусу внутри источника питания, а поскольку реально ток внутри источника питания течет от минуса к плюсу, то знак тока отрицателен. Проще говоря, когда ток отрицателен, он течет от плюса к минусу во внешней цепи источника питания.

Отметим, что полная рассеиваемая мощность также определяется при моделировании на PSpice и составляет 8,33 Вт. Это просто произведение тока I на напряжение V: 50×0,1667=8,33 Вт. Для схемы (рис. 1.1), которая содержит всего одну ветвь, мы получили практически исчерпывающую информацию. Для получения других величин рассмотрим следующую, несколько более сложную, схему. 

Другой пример для анализа

Рассмотрим теперь Т-образную схему с источником постоянного напряжения в 50 В и нагрузочным резистором R4=150 Ом (рис. 1.3). Сопротивление нагрузочного резистора может изменяться в произвольных пределах. Можно представить себе нагрузочный резистор как выходной (то есть подключенный на выход схемы).

Рис. 1.3. Т-образная схема

Как можно найти напряжение и ток на этом резисторе или, согласно обозначениям на рис. 1.3, напряжение V3 и ток I (ток, подходящий от узла 3 к узлу 0)?

Входное сопротивление схемы находится путем сложения R2 и R4 (получим 200 Ом), включения этой цепочки параллельно R3 (200||200=100 Ом) и добавления R1 (сумма будет равна 200 Ом). Таким образом, RBX=200 Ом. Ток источника (входной ток) равен V/RBX=50/200=0,25 А (ток направлен от плюсового полюса источника V).

Падение напряжения на R1 равно IR1=0,25·100=25 В на R3 равно V–VR1=50–25=25 В.

Падение напряжения на R4 определим из выражения для делителя напряжения:

Ток I находится как VR4/R4=18,75/150=0,125 А.

На рис. 1.3 напряжение на R4 обозначим как V3, точнее было бы обозначить это напряжение как V30. Можно выполнить анализ и другими методами, что мы и советуем вам проделать.

После того как у вас будут результаты ручного расчета, рассмотрим, как это делается на PSpice. Создайте файл с именем probe 2.cir со следующими командами:

Spice Analysis of a Tee Circuit

Vs 1 0 50V

R1 1 2 100

R2 2 3 50

R3 2 0 200

R4 3 0 150

.OP

.OPTION NOPAGE

.TF V(3) V

.END

Как обычно, такой файл начинается с заголовка и оканчивается командой .END. В этом файле появилась новая команда: .TF. Она выводит в выходном файле передаточную функцию (transfer function), которая представляет собой отношение выходного напряжения ко входному. В нашем случае выходное напряжение V(3) представляет собой падение напряжения на R4, а входное напряжение есть просто напряжение V источника питания. Вы сами выбираете, какое из напряжений сделать выходным, это может быть напряжение и на каком-либо другом резисторе. Для того чтобы определить передаточную функцию, можно просто взять отношение V(3)/V. В нашем случае оно равно 18,75/50 = 0,375.

Команда .OPTION с опцией NOPAGE предотвращает вывод ненужных заголовков и колонтитулов. В нашем примере применение этой команды не приводит к существенному изменению выходного файла, и в ней нет особой необходимости. Но лучше автоматически включать эту команду во все входные файлы. Она освободит вас от необходимости ручного исключения некоторых лишних строк при редактировании выходного файла.

Запустите моделирование на PSpice с помощью команды RUN и выберите prob2.out. Вспомните, что необходимо избавиться от лишних строк в выходном файле, и распечатайте его копию для дальнейшего изучения. Проверим падение напряжения на R3. Оно обозначено как V(2) в выходном файле. Проверим также падение напряжения на R4, которое обозначено как V(3) на рис. 1.3. Ток источника питания представлен как -2,5Е-1 или -0,25 А. Совпадает это значение с полученным нами при предварительном расчете? Теперь можно посмотреть и дополнительную информацию, полученную с помощью команды .TF. Эта строка всегда содержит имя источника питания. Проверим наши вычисления RBX=200 Ом. То же значение получено и при помощи PSpice.

А чему равно выходное сопротивление? Так как в качестве выходного напряжения в строке .TF введено V(3), то выходное сопротивление представляет собой сопротивление цепи между узлами 3 и 0 при закороченном источнике питания V (именно закороченном, а не просто исключенном). В схеме для вычисления выходного сопротивления резисторы R1 и R3 соединены параллельно, эта цепочка соединена последовательно с R2, а вся полученная комбинация резисторов подсоединена параллельно R4. Проверьте, что сопротивление такого соединения составляет Rвых=65,63 Ом. Во многих случаях желательно сравнить выходное напряжение с входным. Иногда отношение этих напряжений называют коэффициентом усиления по напряжению. В цепях, содержащих один источник питания и пассивные компоненты (например резисторы, как на рис. 1.3), коэффициент усиления не может превышать 1. В нашем случае он составляет 0,375.

Таким образом, мы сравнили результаты расчета и анализа на PSpice простой резистивной цепи. Необходимо отметить, что мы не ставили цели использовать инструмент PSpice для понимания теории цепей. Если вы не знаете, как вычислить общее сопротивление цепи, составленной из резисторов при последовательном и параллельном соединении, то компьютерный анализ вряд ли сможет обучить вас этому. На самом деле, напротив, вы скорее обнаружите, что разобраться в результатах анализа на PSpice легче, имея опыт ручного расчета схем.

Вы, конечно, можете спросить: «А для чего же нам тогда PSpice?» Есть две причины, по которым эта программа может вам пригодиться. Поняв на простых схемах, как работает PSpice, вы сможете применить этот инструмент к значительно более сложным цепям, которые рассчитать вручную далеко не просто. И кроме того, вы сможете разобраться в различных расчетах на PSpice, широко применяемых в настоящее время в профессиональной деятельности.

Запомним, что строка, представляющая источник питания, начинается с V, а строка, представляющая резистор, — с R. Удобно применять обозначения, отражающие структуру исследуемой цепи, например, VS или VIN для источника питания и RS для его внутреннего сопротивления.

Рассмотрим наиболее распространенные методы анализа цепей и применение PSpice для проверки важнейших теорем электротехники.

Основные законы теории цепей

При изучении электрических цепей широко применяется второй закон Кирхгофа, согласно которому алгебраическая сумма напряжений на замкнутом контуре равна 0. Первый закон Кирхгофа относится к токам, подходящим к узлу, и утверждает, что алгебраическая сумма таких токов также равна 0. Анализ схемы на рис. 1.4 может продемонстрировать нам выполнение этих двух законов. Эта цепь содержит три контура и четыре узла (в дополнение к опорному узлу 0). Мы не будем сейчас рассчитывать ее вручную, а сразу применим PSpice. Сделайте это самостоятельно с помощью приведенного далее входного файла, а затем проверьте результат:

Bridge Circuit for Use with Basic Circuit Laws

V 3 0 25V

R1 1 2 100

R2 1 0 75

R3 2 3 50

R4 4 0 50

R5 2 4 150

R6 1 4 200

.OP

.END

Рис. 1.4. Цепь с тремя контурами

Запустите моделирование на PSpice и получите копию распечатки для дальнейших исследований.

Мы рекомендуем оставить пустое пространство на распечатке, чтобы нарисовать эскиз схемы, обозначив на ней все получаемые величины. Покажите расположение всех узлов, которые используются в командах. Вам легче будет различать отдельные узлы, если вы обозначите их разным цветом.

Найдите сумму напряжений в левом контуре, а именно:

V12 + V23 + V30 + V01.

Вспомним, что V12 это (на самом деле V1–V2) и так далее. Проверим значения при соответствующих номерах узлов:

-9,7039 - 8,632 + 25,000 - 6,6641 = 0.

Нулевая сумма подтверждает закон Кирхгофа. Напишите теперь равенства для правого контура в символическом виде и проверьте равенство суммы нулю, подставив необходимые значения

V13 + V34 + V41 = 0.

В соответствии с рис.1.4 V13 может быть найдено как (V1–V3). Вы можете пройти подобным образом весь путь от узла 1 к узлу 2, и затем от узла 2 к узлу 3. Если вы будете измерять напряжение V13 в лаборатории, то вам придется подсоединить красный провод тестера к узлу 1, а черный провод — к узлу 3. Вольтметр должен показать –18,34 В. Проверьте ваши вычисления суммы напряжений:

-18,3359 + 19,9727 - 1,6368 = 0.

Вспомним порядок описания при положительном и отрицательном напряжениях. При этом, если величина V12 положительна (скажем, 6,5 В), то величина V21 должна быть отрицательной (-6,5 В). Важность придания величине определенного знака невозможно переоценить. Например, если все слагаемые в уравнениях для первого или второго законов Кирхгофа будут с одним знаком, эти законы не будут выполняться.

Найдем теперь сумму токов, подходящих к узлу 1. Обозначим их I21, I01 и I41. Покажем ее в символической форме, а затем вычислим значения:

Сумма токов равна 0, что подтверждает первый закон Кирхгофа. Значение тока I01 округлено до пяти значащих цифр. Сумма, конечно, может несколько отличаться от 0 из-за округления. В обозначениях токов чаще применяется один нижний индекс, чем два. При использовании одного индекса мы должны указать направление тока на схеме, в противном случае появляется неоднозначность (!). Это так же важно, как и указание знака при напряжениях.

Что еще можно извлечь из выходного файла

Приведенный входной файл не позволяет нам получить из выходного файла исчерпывающую информацию. Неясно, например, каковы будут токи в отдельных ветвях. Изменим входной файл, включив в него дополнительно следующие команды:

.PRINT DC I(R1) I(R2) I(R3)

.PRINT DC I(R4) I(R5) I(R6)

.DC V 25V 25V 25V

.OPT nopage

Запись .OPT nopage является сокращенной записью команды .OPTion nopage. Сохраните новую версию входного файла и снова запустите моделирование. Результат приведен на рис. 1.5. Команда .PRINT использована, чтобы получить в выходном файле токи через различные резисторы.

**** 07/26/05 15:25:43 *********** Evaluation Pspice (Nov 1999) **************

Bridge Circuit for Use with Basic Circuit Laws

**** CIRCUIT DESCRIPTION

V 3 0 25V

R1 1 2 100

R2 1 0 75

R3 2 3 50

R4 4 0 60

R5 2 4 150

R6 1 4 200

.PRINT DC I(R1) I(R2) I(R3)

.PRINT DC I(R4) I(R5) I(R6)

.DC V 25V 25V 25V

.OPT nopage

.END

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

V         I(R1)      I(R2)     I(R3)

2.500E+01 -9.704E-02 8.885E-02 -1.726E-01

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

V         I(R4)     I(R5)     I(R6)

2.500E+01 8.379E-02 7.560E-02 8.184E-03

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 6.6641  ( 2) 16.3680 ( 3) 25.0000 ( 4) 5.0273

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V    -1.726E-01

TOTAL POWER DISSIPATION 4.32E+00 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

JOB CONCLUDED

TOTAL JOB TIME .07

Рис. 1.5. Выходной файл при моделировании схемы на рис. 1.4

Направления токов

Некоторые токи в распечатке приведены как положительные, другие — как отрицательные. Например, запись I(R1)=-9,704Е-02 означает ток IR1=-97,04 мА. Описание резистора R1 во входном файле имеет вид:

R1 1 2 100

Поскольку PSpice дает для тока I(R1) отрицательный знак, реальное направление тока в схеме — от узла 2 к узлу 1 (условное направление принято обратным). Чтобы опять проверить первый закон Кирхгофа, подсчитаем сумму токов, подходящих к узлу 2. Запишем равенство в символьной форме, затем подставим значения.

С двумя источниками напряжения

На рис. 1.6 показана схема с двумя источниками напряжения. Хотя схема не слишком сложна, для нахождения токов и напряжений в ней требуется немало усилий. Мы предполагаем, что вы не будете применять метод контурных токов или узловых потенциалов, хотя в дальнейшем мы будем использовать и эти методы. Применим другую, во многом интуитивную методику, в которой определяются воздействия от каждого источника питания порознь[4]. Для этого нужно рассчитать цепь а с источником V1 при неактивном (закороченном) источнике V2, а затем цепь b с активным источником V2 при неактивном источнике V1.

Рис. 1.6. Схема с двумя источниками напряжения 

Нарисуйте исходную схему, а также схемы а и b. Найдите напряжения узла 2 в каждой из схем а и b. После этого проверьте полученные результаты, должно получиться V2(a)=6,75 В, V2(b)=5,06 В. Согласно принципу наложения (суперпозиции) действительное напряжение на узле 2 равно сумме этих двух значений, то есть 11,81 В.

Можно найти ток источника V1 из выражения:

Принцип суперпозиции применяется в цепях, содержащих линейные резисторы и более одного источника питания, однако при трех и более источниках вычисления могут оказаться долгими и утомительными.

Вот здесь Spice и оказывается очень полезным, существенно облегчая вашу работу. Входной файл выглядит следующим образом:

Circuit with Two Voltage Circuit

V1 1 0 20V

V2 3 0 12V

R1 1 2 100

R2 2 3 80

R3 2 0 140

.OP

.OPT nopage .TF V(2) V1 .END

Результат на PSpice дает V(2)=11,807 В, в точном соответствии с расчетом методом наложения. Ток источника V1 дает в PSpice значение -8.193Е-2. Минус означает, что ток во внешней цепи идет от положительного полюса источника V1. Что означает приведенное в выходном файле входное сопротивление? Это сопротивление, которое «видит» источник V1 при замкнутом источнике V2. Оно образуется резистором в 80 Ом, подключенным параллельно резистору в 140 Ом, и подключением этой цепочки последовательно с резистором в 100 Ом, что дает входное сопротивление RBX=150,9 Ом.

А можете ли вы объяснить, что такое выходное сопротивление? Вспомним, что согласно команде .TF выходной переменной считается V(2).

Нарисуйте схему выходного сопротивления относительно узлов 2 и 0 при закороченных источниках питания. При этом получится цепочка из резисторов R1, R2, R3, включенных параллельно. Легко проверить, что сопротивление такой цепочки составляет 33,7 Ом, (что соответствует результатам на рис. 1.7).

**** 07/26/05 15:40:49 *********** Evaluation PSpice (Nov 1999) *************

Circuit with Two Voltage Circuit

**** CIRCUIT DESCRIPTION

V1 1 0 20V

V2 3 0 12V

R1 1 2 100

R2 2 3 80

R3 2 0 140

.OP

.OPT nopage

.TF V(2) V1

.END

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 20.0000 ( 2) 11.8070 ( 3) 12.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V1  -8.193E-02

V2  -2.410E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.67E+00 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(2)/V1 = 3.374E-01

INPUT RESISTANCE AT V1 = 1.509E+02

OUTPUT RESISTANCE AT V(2) = 3.374E+01

Рис. 1.7. Выходной файл при моделировании схемы на рис. 1.6 

Теорема Тевенина и ее применения

Что представляет собой теорема Тевенина, и почему она так важна и так широко применяется? Если вы рассчитываете нетривиальные цепи и при этом хотите получить результат при различных нагрузочных сопротивлениях, то идеальным методом расчета и является применение теоремы Тевенина.

Схема на рис. 1.8(a) содержит источник напряжения и несколько резисторов, включая нагрузочный резистор RL. Найдем напряжение на резисторе RL и ток через него. Для этого можно найти эквивалентное сопротивление цепи, затем ток источника, падение напряжения на R1 и так далее вплоть до падения напряжения на RL. Однако если изменить сопротивление RL, всю последовательность вычислений придется повторить. С помощью теоремы Тевенина эта проблема решается проще.

Рис. 1.8. К применению теоремы Тевенина: а — схема; б — источник эквивалентного напряжения и эквивалентное внутреннее сопротивление

Для начала удалим из схемы нагрузочное сопротивление. Этот метод не зависит от нагрузочного сопротивления, и это очень важно. Теперь найдем напряжение V30, проще говоря, напряжение между узлами, к которым было подключено исключенное из схемы сопротивление нагрузки. Можно обозначить его как VTh (Th — первые буквы имени Тевенина). Затем вычислим сопротивление схемы относительно этих же узлов, закоротив источник питания. Его можно обозначить как RTh.

Заменим теперь схему неидеальным источником напряжения, содержащим идеальный источник VTh с внутренним сопротивлением RTh и вернем в полученную схему нагрузочное сопротивление RL. Падение напряжения на этом резисторе и ток через него будут такими же, как в исходной схеме.

Найдем VTh и RTh для схемы рис. 1.8. Удалим RL, затем используем выражение для делителя напряжения, чтобы вычислить V20=50 В. Для определения RTh закоротим источник V. Вычисляя теперь сопротивление относительно узлов 3 и 0, получим RTh=216,67 Ом. Неидеальный источник напряжения состоит из включенных последовательно VTh и RTh, рис. 1.8(б). Для новой схемы гораздо проще получить значения тока и напряжения на нагрузке при любом значении RL. Например, при RL=200 Ом найдем, применяя выражение для делителя напряжения, V30=24 В, а при RL=300 Ом получим V30=29 В.

Spice и теорема Тевенина

Продолжим исследование схемы на рис. 1.8, применяя теперь для проверки полученного нами решения PSpice. Вместо того чтобы удалять сопротивление RL, изменим реальное значение сопротивления RL на очень большое, например в 1 ТОм (1Е12). Входной файл будет иметь вид:

Thevenin Circuit for Spice

V 1 0 75V

R1 1 2 100

R2 2 3 150

R3 2 0 200

RL 3 0 1E12

.OP

.OPT nopage

.TF V(3) V

.END

После запуска PSpice, заметим, что V(2) = 50,0000 В и V(3) = 50,0000 В. Можете вы это объяснить, прежде чем продолжите разбор? Каково же значение VTh?

Команда .TF дает значение выходного сопротивления относительно V(3), равное 216,7 Ом. Это и есть значение RTh. Отметим, что значение RL на несколько порядков превосходит любое другое сопротивление в схеме и практически не нагружает ее (опыт холостого хода). Попробуйте повторить анализ при существенно меньшем значении RL. 

Практические применения теоремы Тевенина

Предыдущий пример был относительно легким для расчета и без применения PSpice. Если мы сталкиваемся с более сложной задачей, например, с показанной на рис. 1.9, PSpice может сэкономить нам массу времени. Создайте самостоятельно входной файл для этой схемы и затем проверьте полученные вами результаты, исследуя приведенный ниже файл:

Thevenin Analysis of Bridged-Tee Circuit

V 1 0 75V

R1 2 1 20

R2 2 3 100

R3 3 0 200

R4 3 4 100

R5 2 4 400

R6 4 0 1E8

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) V

.END

Рис. 1.9. Мостовая Т-образная схема 

Выходной файл показан на рис. 1.10. Напряжение V(4)=57,143 В и представляет собой VTh. Выходное сопротивление относительно V(4) равно RTh=128,6 Ом. Отметим, что как напряжение холостого хода, так и сопротивление цепи относительно выходных полюсов находятся при удаленном нагрузочном сопротивлении или при значении этого сопротивления столь высоком, что остальные сопротивления схемы становятся пренебрежимо малыми. 

**** 07/27/05 09:41:47 *********** Evaluation PSpice (Nov 1999) **************

Thevenin Analysis of Bridged-Tee Circuit

**** CIRCUIT DESCRIPTION

V 1 0 75V

R1 2 1 20

R2 2 3 100

R3 3 0 200

R4 3 4 100

R5 2 4 400

R6 4 0 1E8

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) V

.END

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 75.0000 ( 2) 70.0550 ( 3) 49.4510 ( 4) 53.5710

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V   -2.473E-01

TOTAL POWER DISSIPATION 1.85E+01 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/V = 7.143E-01

INPUT RESISTANCE AT V = 3.033E+02

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 1.286E+02

JOB CONCLUDED

TOTAL JOB TIME .05

Рис. 1.10. Выходной файл при моделировании схемы на рис. 1.9

По результатам анализа нарисуем эквивалентную схему для неидеального источника Тевенина, содержащую последовательно соединенные VTh и RTh. Ручной расчет вы можете провести самостоятельно.

Как вы думаете, просто исключив резистор R6, решите ли вы тем самым задачу? Попытайтесь это сделать и посмотреть, изменится ли результат. Причина, по которой можно удалить R6, состоит в том, что и в этом случае остается путь возврата от узла 4 на землю.

Замена цепей при применении теоремы Тевенина

Схема на рис. 1.11 показывает другие возможности применения теоремы Тевенина. В этой схеме величине RL присваивается ряд различных значений и предлагается вычислить ток и напряжение нагрузки для каждого из них. Мы убедились, что нагрузочное сопротивление может быть удалено из схемы вместо замены его резистором с очень большим сопротивлением.

Рис. 1.11. Схема для замещения по теореме Тевенина 

Это можно еще раз проверить с помощью следующего входного файла:

Bridge-Circuit for Thevenin

V 4 3 40V

R1 1 2 100

R2 2 0 150

R3 1 4 200

R4 4 0 200

R5 2 3 50

.OP

.OPT nopage

.TF V(1) V

.END

Запустите анализ и нарисуйте по его результатам неидеальный источник напряжения Тевенина. Убедитесь, что вы обозначили все необходимые узлы. Результат должен соответствовать рис. 1.12. Выходные узлы обозначены как 1 и 0. Отметим, что напряжение холостого хода на узле 1 отрицательно относительно узла 0. PSpice дает для него значение V(1)=-2,9091 В. Команда .TF позволяет вычислить выходное сопротивление относительно V(1), равное 152,7 Ом, что соответствует значению сопротивления на рис. 1.13. Теперь мы можем изменять значение RL в широких пределах и проводить расчеты для каждого значения вручную.

**** 06/14/99 10:05:31 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **********

Bridge Circuit for Thevenin

**** CIRCUIT DESCRIPTION

V 4 3 40V

R1 1 2 100

R2 2 0 150

R3 1 4 200

R4 4 0 200

R5 2 3 50 .OP

.ОРТ nopage

.TF V(1) V

.END

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE  NODE VOLTAGE  NODE VOLTAGE

( 1) -2.9091 ( 2) -13.0910 ( 3) -22.5450 ( 4) 17.4550

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V   -1.891E-01

TOTAL POWER DISSIPATION 7.56E+00 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(1)/V = -7.273E-2

INPUT RESISTANCE AT V = 2.115E+02

OUTPUT RESISTANCE AT V(1) = 1.527E+02

Рис. 1.12. Выходной файл при моделировании схемы на рис. 1.11

Рис. 1.13. Схема со значениями VTh и RTh для эквивалентного генератора Тевенина

Применение теоремы Тевенина позволило нам заменить сложную схему простым неидеальным генератором напряжения. И поскольку в этой схеме нет сопротивления нагрузки RL, не имеет значения, подключим ли мы его к реальной схеме или к эквивалентному генератору. Однако эти две схемы не вполне эквивалентны.

Вернемся, например, к схеме (рис. 1.8), с которой мы начали рассмотрение, при удаленном сопротивлении нагрузки VTh=50 В и RTh=216,7 Ом.

При RL=200 Ом ток составляет 0,12 А. Поскольку этот ток проходит через последовательную цепочку сопротивлений, мощность, потребляемая от источника VTh, составляет 6 Вт. Поскольку мощность нагрузки равна 2,88 Вт, оставшиеся 3,12 Вт выделяются на внутреннем сопротивлении RTh. Но в исходной схеме, напряжение источника равно 75 В и ток его составляет 0,33 А. Следовательно, от него потребляется мощность 24,8 Вт. Поскольку мощность, выделяемая в нагрузочном резисторе сопротивлением 200 Ом равна 2,88 Вт, оставшаяся часть мощности рассеивается на трех резисторах Т-образной схемы.

Этот пример показывает, что с энергетической точки зрения исходная схема и генератор Тевенина не эквивалентны.

Реальные источники тока или реальные источники напряжения

До сих пор мы работали с источниками питания только одного типа, с источниками напряжения. Однако во многих случаях удобно представлять реальные источники электрической энергии как неидеальные источники тока. 

На рис. 1.14 представлен неидеальный источник напряжения. Его напряжение холостого хода, которое часто называют напряжением идеального источника напряжения, составляет 10 В. В реальных источниках напряжения при увеличении тока нагрузки выходное напряжение падает. Чтобы учесть этот эффект, в схеме замещения последовательно с идеальным источником включается внутреннее сопротивление Ri (в данном случае Ri=5 Ом).

Рис. 1.14. Неидеальный источник напряжения

Схема, кроме того, содержит нагрузочный резистор RL=15 Ом. Рассчитав значения напряжения V20=7,5 В и тока IL=0,5 А, попытаемся найти неидеальный источник тока, которым можно было бы заменить неидеальный источник напряжения так, чтобы ток и напряжение на нагрузке не изменились.

Нетрудно проверить, что, заменив неидеальный источник напряжения идеальным источником тока в 2 А и включенным параллельно ему резистором Ri=5 Ом, мы реализуем такой источник. При этом значения двух эквивалентных генераторов связаны соотношением IS= VS/Ri. 

На рис. 1.15 приведена схема неидеального источника тока. В ней напряжение и ток нагрузочного резистора такие же, как в схеме на рис. 1.14: V20=7,5 В и IL=0,5 А. Мощность, выделяемая в нагрузке, равна V20IL=3,75 Вт. Но эквивалентны ли обе схемы по энергетическим соотношениям? В схеме на рис. 1.14 мощность, потребляемая от VS, составляла 5 Вт, а в схеме на рис. 1.15, мощность, потребляемая от источника тока, равна 15 Вт. Чтобы объяснить это различие подсчитайте мощность, выделяемую в Ri для обоих случаев.

Рис. 1.15. Неидеальный источник тока, обеспечивающий те же условия в нагрузке, что схема на рис. 1.14 

Анализ для цепей с источниками тока с помощью Spice

Решения для цепей, содержащих источники тока, могут быть получены методом узловых потенциалов проще, чем методом контурных токов. Моделирование с помощью Spice основано на методе узловых потенциалов. Вспомните, что каждый узел в Spice должен быть обозначен, а каждый элемент цепи должен быть включен между определенными узлами. Для источников напряжения положительный узел должен быть указан в строке описания первым. Для источников тока первым должен быть указан узел, от которого направлена стрелка внутри обозначения источника. Простейший пример приведен на рис. 1.16. Рассчитаем токи и напряжения в схеме.

Рис. 1.16. Простая цепь с источником тока

Поскольку сопротивление каждой из двух параллельных резистивных ветвей составляет 200 Ом, ток источника в 500 мА делится поровну между ветвями: I1=I2=250 мА. Напряжение на Ri равно V10=RiI1=200·0,250=50 В. Напряжение на выходе V20=RLI2=100·0,250=25 В.

Создадим входной файл и получим решение на PSpice:

Simple Circuit with Current Source

I 0 1 500mA

RI 1 0 200

R1 1 2 100

RL 2 0 100

.OP

.OPT nopage

.TF V(2) I

.END

Отметим, что в качестве обозначения для единицы силы тока с префиксом применяется mA (миллиампер). Иногда вместо этого применяется обозначение М или МА. Будьте осторожны! Символ для мега — это MEG. Ток источника направлен от узла 0 к узлу 1 по стрелке внутри источника. Переходная функция показана для случая, когда выходной величиной является V(2), а входной — ток I. Команда при этом имеет такой же формат, как и в случае определения входного или выходного сопротивления.

Запустите анализ и получите результаты: V(1) = 50 В, V(2) = 25 В. Отметим, что V(2)/I = 50. Эта переходная функция представляет собой отношение выходного напряжения к входному току и имеет размерность сопротивления (Ом). Для данного анализа она не представляет интереса. Входное сопротивление в

100 Ом проверяется просто. Выходное сопротивление составляет 75 Ом и представляет собой сопротивление, которое «видит» нагрузка при неактивном источнике тока. Это означает, что источник тока разомкнут или удален из схемы. Проверьте значение 75 Ом для выходного сопротивления. Выходной файл показан на рис. 1.17

**** 07/27/05 12:15:15 *********** Evaluation PSpice (Nov 1999) **************

Simple Circuit with Current Source

**** CIRCUIT DESCRIPTION

I 0 1 500mA

RI 1 0 200

R1 1 2 100

RL 2 0 100

.OP

.OPT nopage

.TF V (2) I

.END

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 50.0000 ( 2) 25.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

TOTAL POWER DISSIPATION 0.00E+00 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(2)/I = 5.000E+01

INPUT RESISTANCE AT I = 1.000E+02

OUTPUT RESISTANCE AT V(2) = 7.500E+01

Рис. 1.17. Выходной файл при моделировании схемы на рис. 1.16

Рассеиваемая мощность равна 0, что, конечно, неверно. Дело в том, что команда .OР дает рассеиваемую мощность только для источников напряжения. А как же определить общую рассеиваемую мощность в нашем случае? Можно вычислить сумму I²R для всех трех резисторов и проверить, что это и есть суммарная потребляемая мощность, составляющая 25 Вт. Еще проще вычислить произведение тока источника I и напряжения V(1) на его выходе. Проверьте, что и в этом случае расчет дает 25 Вт. 

Теорема Нортона

Теорема Нортона используется, чтобы представлять неидеальные источники в виде идеальных источников тока с шунтирующим резистором, так же как теорема Тевенина представляет их в виде последовательного соединения резистора и идеального источника напряжения. Соотношение между параметрами этих двух моделей задается уравнением:

причем внутренние сопротивления у обеих моделей одинаковы. Ток IN определяется при закороченной нагрузке. 

Для одних цепей принято находить ток короткого замыкания IN, для других— напряжение холостого хода VTh. Когда найдена одна из этих величин, другую можно получить из приведенного выше соотношения.

Применение теоремы Нортона

В схеме на рис. 1.18 ток короткого замыкания можно определить при закорачивании резистора R4. При этом узел 3 исчезает, поскольку потенциал его сравнивается с потенциалом узла 0. Входной файл для этого случая имеет вид:

Norton's Theorem; Find Isc

V 1 0 48V

R1 1 2 20k

R2 2 0 20k

R3 2 0 5k

.DC V 48V 48V 48V

.OP

.OPT nopage

.PRINT DC I(R3) V(1,2)

.END

Рис. 1.18. Т-образная схема для анализа по теореме Нортона 

Запустите анализ и проверьте, что ток короткого замыкания равен току через R3 и что I(R3)=1,6 мА.

Определение тока короткого замыкания

Вернемся снова к схеме на рис. 1.9, в которой резистор RL должен быть закорочен, чтобы получить ток короткого замыкания. Проблема, которая при этом возникает, состоит в том, что мы не можем указать элемент схемы, в котором следует определить ток. В подобных ситуациях можно просто заменить RL резистором с сопротивлением, пренебрежимо малым по сравнению с любым другим сопротивлением схемы. При этом вид входного файла будет:

Norton's Theorem with RL Replaced by Small R

V 1 0 80V

R1 2 1 20

R2 2 3 100

R3 3 0 200

R4 3 4 100

R5 2 4 400

RL 4 0 0.001

.DC V 80V 80V 80V

.OP

.OPT nopage

.PRINT DC I(RL)

.END

Анализ на PSpice дает I(RL)=0,444 А, что и является искомым током короткого замыкания IN. Включим в последний входной файл команду .TF, чтобы попытаться найти выходное сопротивление относительно V(4). Это сопротивление не должно отличаться от сопротивления RL=0,001 Ом, которое мы включили в файл для определения тока короткого замыкания.

Мы должны признать, что определение VTh и RTh с использованием PSpice намного проще, поскольку в выходном файле можно получить оба значения. В примере на рис. 1.9 IN=VTh/RTh=0,444 А.

Цепи с источниками тока и напряжения

Цепи, включающие источники тока и напряжения, могут быть рассчитаны при применении метода наложения. Если цепи не слишком сложны, этот метод дает простое и вполне приемлемое решение. На рис. 1.19 приведена цепь, содержащая источник тока I и источник напряжения V. Применим метод наложения для определения напряжения V10. Проведите расчет самостоятельно, а затем проверьте результат по приведенному ниже решению.

Рис. 1.19. Схема с простыми источниками тока и напряжения 

Напряжение V10(a), которое получается при замыкании источника напряжения, составляет V10(a)=5 В, напряжение V10(b), получающееся от V при размыкании источника тока, равно V10(b)=10 В, и после сложения этих двух значений получим V10=15 В.

Обратимся теперь к анализу схемы на PSpice. Входной файл должен выглядеть следующим образом:

Simple Current and Voltage Sources

I 0 1 1A

V 20 20

R1 1 0 10

R2 1 2 10

.OP

.OPT nopage

.TF V(1) V

.END

Выходной файл дает V(1) = 15 В, что соответствует расчету методом наложения. Команда .TF дает нам возможность найти ток источника напряжения V, равный 0,5 А. Проверьте правильность этого результата. Вспомним, что PSpice дает корректное значение отдаваемой мощности только для источников напряжения, оно просто равно произведению напряжения на ток источника и составляет 10 Вт. Вычислим мощность, рассеиваемую в каждом резисторе: Р1=22,5 Вт, Р2=2,5 Вт, что в сумме дает 25 Вт. Команда .TF дает возможность вычислить входное и выходное сопротивления. Проверьте эти значения, учитывая, что при их расчете источник тока следует разомкнуть.

Итак, если в исследуемой цепи есть источники тока, следует осторожно подходить к расчету рассеиваемой мощности, поскольку выходной файл показывает лишь мощность, потребляемую от источников напряжения. Если в схеме несколько таких источников, то в выходном файле приводится суммарная мощность всех источников напряжения.

Максимальная передача мощности

Для схем, в которых нагрузочное сопротивление может изменяться при функционировании устройства, представляется существенным вопрос: при какой величине нагрузочного сопротивления передаваемая ему мощность будет максимальной? На рис. 1.20 таким нагрузочным сопротивлением является резистор RL. Когда сопротивление RL равно сопротивлению схемы относительно выходных узлов (узлов 3 и 0 в нашей схеме), передаваемая в нагрузку мощность будет максимальной.

Рис. 1.20. Схема для определения максимальной мощности, передаваемой в нагрузку 

Выходное сопротивление цепи — это просто сопротивление Тевенина RTh которое для нашей схемы составляет 30 Ом. Поэтому при RL=30 Ом в нагрузке рассеивается максимальная мощность. Это означает, что при неизменных параметрах цепи любое изменение RL в сторону увеличения или уменьшения приведет к снижению выделяемой в нем мощности. И анализ на SPICE может нам это продемонстрировать. Входной файл для такого анализа имеет вид:

Maximum Power Transfer to R Load

V 1 0 12V

R1 1 2 20

R2 2 0 20

R3 2 3 20

RL 3 0 30

.OP

.OPT nopage

.END

Выходной файл показывает V(3) = 3 В, откуда PL=V(3)²/RL=0,3 Вт. Теперь можно почувствовать реальные преимущества SPICE, в которой не составляет труда сделать RL больше или меньше. Изменив в исходном файле только величину RL и снова проведя анализ, мы быстро увидим новый результат. 

Например, при RL=29 Ом, V(3)=2,9492 В и PL=0,2999 Вт. Попытка проверить результат при нескольких различных значениях RL покажет вам, что мощность всегда меньше 0,3 Вт. Запомните, что максимальная мощность в нагрузочном сопротивлении выделяется тогда, когда оно равно выходному сопротивлению схемы. Это может быть показано при применении теоремы Тевенина для сколь угодно сложных схем.

Из этого примера видно, что компьютерный анализ позволяет яснее представить себе общие принципы, определяющие поведение схем без нудного повторения сложных вычислений.

Зависимые источники в электрических цепях

Зависимые (управляемые) источники могут представлять собой источники тока или напряжения, выходное значение которых зависит от токов или напряжений, возникающих еще где-либо в схеме.

Источник напряжения, управляемый напряжением

Схема на рис. 1.21 содержит независимый источник напряжения V и зависимый источник напряжения Е c меткой 2Va. От чего же зависит этот зависимый источник? Его выходное напряжение является функцией напряжения на резисторе R1, которое обозначается как Va. Множитель 2 означает, что напряжение Е равно удвоенному значению Va. В общем виде множитель обозначается как k.

Рис. 1.21. Источник напряжения, управляемый напряжением

Токи и напряжения в схеме могут быть получены с помощью обычных уравнений. Для левого контура второй закон Кирхгофа дает

V = R1I12 + E = RII12 + 2Va,

где I12 — ток через резистор R1. Поскольку Va=R1I12, выражение можно преобразовать к виду:

V = R1I12 + 2R1I12 = 3R1I12;

10 В = 3·(250 Ом)·I12;

I12 = 13,33 мА;

V12 = Va = R1I12 = (250 Ом)·(13,33 мА) = 3,333 В;

Е = 2Va = 6,667 В.

Поскольку это напряжение приложено к R2, можно найти ток через R2, а также ток через ветвь, содержащую R3 и RL:

Ток через источник Е определяется из первого закона Кирхгофа:

IЕ = 13,33 мА – 66,67 мкА – 6,41 мА = 6,85 мА.

Как такие задачи решаются на PSpice? Входным файлом для схемы на рис. 1.21 будет:

Voltage-Controlled Voltage Sources

V 1 0 10V

Е 2 0 1 2 2

R1 1 2 250

R2 2 0 100k

R3 2 3 40

RL 3 0 1k

.OP

.OPT nopage

.TF V(3) V

.END

Новой командой во входном файле является команда описания зависимого источника напряжения Е. Узлы 2 и 0 являются его положительным и отрицательным полюсами, узлы 1 и 2 являются положительным и отрицательным полюсами напряжения, которое управляет выходным напряжением источника Е. Наконец, последнее число 2 является коэффициентом k. Выходной файл (рис. 1.22) дает значения V(2) = 6,6667 В и V(3) = 6,4103 В, как и было ранее рассчитано. Ток источника напряжения V также равен расчетному значению 13,333 мА. Ток источника питания E равен 6,856 мА и направлен от положительного полюса источника внутри него. 

**** 07/27/05 12:27:16 *********** Evaluation PSpice (Nov 1999) ************

Voltage-Controlled Voltage Sources

**** CIRCUIT DESCRIPTION

V 1 0 10V

E 2 0 1 2 2

R1 1 2 250

R2 2 0 100k

R3 2 3 40

RL 3 0 1k

.OP

.OPT nopage

.TF V(3) V.END

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 10.0000 ( 2) 6.6667  ( 3) 6.4103

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V   -1.333E-02

TOTAL POWER DISSIPATION 1.33E-01 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME     E

V-SOURCE 6.667E+00

I-SOURCE 6.856E-03

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(3)/V = 6.410E-01

INPUT RESISTANCE AT V = 7.500E+02

OUTPUT RESISTANCE AT V(3) = 3.846E+01

Рис. 1.22. Выходной файл для схемы на рис. 1.21

Выходной файл дает значение входного сопротивления в 750 Ом. Это просто отношение V к I12. Для определения выходного сопротивления каждый из источников питания необходимо закоротить. При закорачивании узлов 2 и 0 параллельное соединение R3 и RL дает сопротивление 8,46 Ом.

На рис 1.23 показана модификация схемы, для которой входной файл имеет вид:

Another Voltage-Controlled Voltage Sources

V 1 0 10V

E 2 0 1 2 2

R1 1 2 250

R2 2 0 100k

R3 3 4 40

RL 4 0 1k

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) V

.END

Рис. 1.23. К исследованию схемы с источником напряжения, управляемым напряжением

В этой упрощенной схеме легче рассчитать усилитель напряжения. Ток в левом контуре равен:

Падение напряжения на R2 равно:

V2 = Va = I12R2 =(99,75 мкА)(100 кОм) = 9,975 В;

и

Е = 2Va = (2) (9,75 В) = 19,95 В.

Из выходного файла находим V(2)=9,9751 В, V(3)=19,95 В и V(4)=19,183 В. Ток через источник питания V составляет 99,75 мкА, а ток через источник Е равен -19,18 мА. Знак минус показывает, что ток внутри источника течет от минуса к плюсу.

Источник напряжения, управляемый током

Данный источник напряжения управляется током в какой либо ветви схемы, как показано на рис. 1.24. Зависимый источник имеет значение 0,5I, где I — ток через резистор R1. Ток протекает от узла 1 к узлу 2. Положительный полюс зависимого источника напряжения подключен к узлу 3, что дает в правом контуре направление тока по часовой стрелке. Это необходимо отметить, поскольку направление токов играет важную роль в расчетах.

Рис. 1.24. Схема с источником напряжения, управляемым током

Схему несложно рассчитать. В левом контуре источник в 15 В создает ток I=V/(R1+R2)=15/(10+5)=1 А. Зависимый источник напряжения обозначен как 0,5I. Его ток будет 0,5·1=0,5 В. Таким образом, V30=0,5 В. Как вдруг появилась размерность напряжения? Дело в том, что коэффициент k не безразмерный, он имеет размерность Ом. В общем, для этого источника напряжения, управляемого током (ИНУТ), следует применить запись kI. Коэффициент к выражается в омах, поэтому произведение k и I даст вольты.

Ток в правом контуре находится как IL=0,5/(25+25)=10 мА, а напряжение V40=ILRL=0,25 В.

Используя PSpice, решим эту задачу в качестве подготовки к расчету другой, более сложной схемы. Входной файл содержит командную строку для описания ИНУТ (CDVS — Current-Dependent Voltage Source) и имеет следующий вид:

Circuit with Current-Dependent Voltage Sources

V 1 0 15V

H 3 0 V -0.5

R1 1 2 10

R2 2 0 5

R3 3 4 25

R4 4 0 25

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) V

.END 

Внимательно следите за тем, чтобы командная строка для ИНУТ начиналась с символа Н. На той же строке 3 и 0 означают номера положительного и отрицательного полюсов источника питания. Следующий символ V обозначает независимый источник, через который протекает управляющий ток I. И последней записью этой строки является –0,5. Здесь 0,5 — величина коэффициента k, а знак «минус» требует пояснения. В SPICE ток источника напряжения (например ток через V) положителен, если внутри источника он течет от плюса к минусу. Поскольку управляющий ток течет в обратном направлении, коэффициент k в источнике H отрицателен. Если знак «минус» будет опущен, напряжения V(3) и V(4) будут иметь в выходном файле неверные знаки. 

Если вы уверены, что готовы продолжать, запустите анализ на PSpice и получите выходной файл. Отметим, что V(3)=0,5 В и V(4)=0,25 В. Ток источника V равен I=-1,0 А. Это означает, что ток течет от плюса источника V и на рис. 1.24 он положителен. Таким образом, положительно и V(3).

Вспомним также, что значение, показанное в выходном файле, равно просто VI, а не представляет собой действительную полную мощность. В разделе выходного файла, названном Current-Controlled Voltage Sources, имеется две строки ввода. Первая вводит источник V c напряжением 0,5 В. Это — значение напряжения независимого источника напряжения. Сложнее запись второй строки, которая дает значение тока -10 мА. Можете вы понять, что это означает? Это означает, что ток через ИНУТ равен 10 мА и протекает внутри источника от плюса к минусу, в соответствии с соглашением Spice относительно тока источника, которое мы уже знаем. Входное напряжение относительно V в выходном файле рано 15 Ом, выходное сопротивление относительно V(4) составляет 12,5 кОм.

Источник тока, управляемый током

Другим типом зависимых источников, который часто применяется в электронике, является источник тока, управляемый током (ИТУT) (Current-Controlled Current Source (CCCS) или Current-Dependent Current Source (CDCS)).

На рис. 1.25 показана базовая схема. Значение источника тока равно 3I, где I — ток через резистор R1. Как и в предыдущем примере, ток протекает от узла 1 к узлу 2, по часовой стрелке в левом контуре. Коэффициент 3I обычно задается как kI, где k — множитель для опорного тока, протекающего в одной из ветвей цепи. Нетрудно установить, что при I=2 А в левом контуре ток через F будет равен 3·2=6 А и проходит в направлении, указанном стрелкой внутри F.

Рис. 1.25. Схема с источником тока, управляемым током 

В этом примере мы можем получить для I=20/(1500+2500)=5 мА, как и для тока в левом контуре. Ток в F при этом равен 3·5 мА=15 мА (направлен вниз по стрелке). Этот ток делится поровну между R3 и R4, по 7,5 мА через каждый резистор. Ток идет от узла 1 к узлу 3, обеспечивая узлу 3 отрицательный потенциал. Напряжение V(3)=-500·7,5 мА=–3,75 В.

В качестве прелюдии к исследованию более сложной схемы с зависимым источником, рассмотрим, как выглядит входной файл для схемы на рис. 1.25:

Current-Controlled Current Sources

V 1 0 20V

F 3 0 V -3

R1 1 2 1500

R2 2 0 2500

R3 3 0 500

R4 3 0 500

.OP

.OPT nopage

.TF V(3) V

.END

Ваш выходной файл должен показать что V(2)=12,5 В и V(3)=-3,75 В. Под заголовком Current-Controlled Current Sources расположена строка ввода тока источника F, дающая значение 15 мА. Поскольку он втрое больше тока в левом контуре, это значение правильное. Положительное значение показывает, что ток направлен от узла 3 к узлу 0 внутри F. Необходимо показать соответствующее значение для F в команде входного файла. На строке, описывающей F, заданы два значения для начального и конечного узла (по стрелке внутри F). Следующее значение V относится к источнику напряжения, который обеспечивает управляющий ток I. Этот ток I входит в выражение для выходного тока источника kI. Коэффициент k является множителем при I, он не имеет размерности. В этом примере к имеет значение -3, которое описывает ток через источник V так же, как в различных предыдущих примерах. Внимательно изучите этот простой пример, поскольку здесь часто возникают ошибки. Освоив этот простой пример, вы будете в состоянии моделировать и более сложные схемы.

В выходном файле для RIN дано значение 4 кОм, которое, очевидно, верно. Обычно также интересно и выходное сопротивление ROUT=250 Ом. В самой правой части схемы на рис. 1.25 мы видим два параллельно соединенных сопротивления R3 и R4, которые и образуют выходное сопротивление при неактивном (разомкнутом) источнике тока.

Другие источники тока, управляемые током

Несколько иная ситуация для более сложной схемы с ИТУТ часто возникает при анализе электронных цепей, когда управляющий ток проходит в ветви, не содержащей независимых источников напряжения V. На рис. 1.26, а представлена типовая схема. В ней управляющий ток проходит через резистор R3. Именно этот ток, умноженный на k, определяет ток источника F.

Напомним, что в строке описания источника F присутствует независимый источник напряжения типа V. Как же быть? Просто введите источник напряжения с нулевым значением в ветвь, в которой протекает управляющий ток, как показано на рис. 1.26, б. Обозначьте этот источник как R0, чтобы это напоминало вам о его нулевом значении. Входной файл будет иметь вид:

Another CDCS Example

V 1 0 35V

V0 2А 2 0V

F 3 0 V0 -3

R1 1 2 100

R2 2 0 500

R3 2A 0 500

R4 3 0 500

R5 3 0 500

.OP

.ОРТ nopage

.TF V(3) V

.END

Рис. 1.26. Введение источника нулевого напряжения:

а) другая схема с источником тока, управляемым током

б) схема с введенным источником нулевого напряжения

Рассмотрим строку, описывающую F. Она следует за описанием независимого источника V0, поскольку он находится в ветви, где протекает управляющий ток I. Сравним строки, описывающие F в этом и в предыдущем примерах, чтобы увидеть разницу. Отметим дополнительную строку, описывающую V0. В ней указаны два узла 2А и 2. Заметим, что положительный узел (всегда первый) показывает направление, приведенное на рисунке. Это соответствует соглашениям, использованным в предыдущих примерах, где ток также выходит из положительного узла источника.

Ранее мы не использовали буквы для обозначения узлов, но это успешно можно делать. На самом деле могут быть использованы комбинации из букв и цифр. Узлы могут быть, например, обозначены как a1, b12, 1с и так далее. Итак, в действительности нулевое значение напряжения означает, что оно не влияет на процессы в схеме. Строка, описывающая R3, изменена, чтобы показать наличие нового узла 24. 

Запустите моделирование и проверьте результат. Значения равны: V(2)=25 В, V(3)=-37,5 В, и, как ожидалось, V(2A) также равно 25 В. Нетрудно проверить, что I=50 мА, обеспечивая 3I=150 мА, как показано в выходном файле; это и есть ток через F. Этот ток делится поровну между R4 и R5, давая ток 75 мА в каждом из них. Таким образом, потенциал V(3)=-75 В. Входное и выходное сопротивления уже проверены.

В качестве дополнительного упражнения посмотрите, что произойдет, если изменить две строки входного файла следующим образом:

V0 2А 2 0V

F 3 0 V0 3

Это просто другой способ описания отношения между управляющим током и ИТУТ (CDCS). Попытайтесь установить, что оба способа равноценны, и применяйте тот, который удобен для вас.

Источник тока, управляемый напряжением

Строка описания источника тока, управляемого напряжением в Spice, начинается буквой G. На рис. 1.27 показан пример такой схемы. Эта цепь легко анализируется с помощью ручного расчета. Напряжение n2 получается на выходе делителя напряжения и равно 9 В. Ток через зависимый источник равен, таким образом: 0,02·9=180 мА. Коэффициент к имеет размерность проводимости 1/Ом. Этот ток делится поровну между R3 и R4, обеспечивая ток 90 мА через каждый резистор. Это дает напряжение

V30 = -0,09·200 = -18 В.

Рис. 1.27. Схема с источником тока, управляемым напряжением 

Входной файл для этого случая:

Voltage-Dependent Current Source

V 1 0 12V

G 3 0 2 0 0.02

R1 1 2 200

R2 2 0 900

R3 3 0 200

R4 3 0 200

.OP

.ОРТ nopage

.TF V(3) V

.END

В строке описания источника тока G приведены сначала два узла: 3 и 0. Они соответствуют началу и концу стрелки в обозначении источника. Следующие два узла (2 и 0) соответствуют плюсу и минусу управляющего напряжения n2. 

Запустите моделирование на PSpice и проверьте полученные значения величин: V(2)=9 В, V(3)=-18 В, V(2)=25 В, RIN=1200 Ом и ROUT=100 Ом.

Отношение V(3)/V=-1,5 представляет собой коэффициент усиления схемы. В дальнейшем вы увидите, как эта величина может использоваться для анализа различных транзисторных и интегральных схем.

Другие источники напряжения, управляемые током

Вспомним, что источники напряжения, управляемые токами в какой-либо ветви, называются управляемыми током (ИНУТ) или зависимыми от тока (CCVS или CDVS). На рис. 1.28 приведена типовая схема такого источника, отличная от предшествующей. Управляющим током в этом примере является ток i2, протекающий через резистор R3 (к узлу 0). ИНУТ обозначается символом Н. Значение k в этом случае составляет 400. Рассчитаем ток источника V, получим IS=15/(50 + 250) = 50 мА. Этот ток делится поровну между резисторами R2 и R3, обеспечивая протекание управляющего тока I2=25 мА. Напряжение источника Н составляет при этом 400·25 мА=10 В. Ток в правом контуре схемы равен 10/200=50 мА.

Рис. 1.28. Схема с источником напряжения, управляемым током

Входной файл PSpice имеет вид:

Current-Controlled Voltage Source

V 1 0 15V

V0 2A 2 0V

H 3 0 V0 -400

R1 1 2 50

R2 2 0 500

R3 2A 0 500

R3 3 4 50

R4 4 0 150

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) V

.END

Запустите моделирование на PSpice и убедитесь, что величины V(2)=2,5 В, V(3)=10 В и V(4)=7,5 В. Команда PSpice, вводящая H, дает узлы 3 и 0 в качестве плюса и минуса управляющего напряжения. На рисунке приведен также источник V0 в цепи управляющего тока i2. Полярность этого источника дает направление тока i2, показанное на рис. 1.28. Последнее значение в командной строке, вводящей H, дает –400 для множителя k. Знак минус необходим, как и в предыдущем примере, чтобы обеспечить правильное направление тока через источник.

Отметим, что выходной файл дает для тока через источник -50 мА, что означает протекание тока от положительного полюса V, и -25 мА для управляющего тока, протекающего от положительного полюса V0. Под строкой заголовка Current-Controlled Voltage Source в выходном файле приведено значение 10 В, показанное как источник напряжения V. Значение -50 мА, показанное как источник тока I представляет собой ток источника Н. И снова знак минус означает, что ток внутри H течет от минуса к плюсу.

Итак, мы рассмотрели зависимые источники четырех типов E (VCVS или ИНУН — источник напряжения, управляемый напряжением), F (CCCS или ИТУТ — источник тока, управляемый током), G (VCCS или ИТУН — источник тока, управляемый напряжением) и H (CCVS или ИНУТ — источник напряжения, управляемый током). Зависимые источники играют важную роль при анализе большинства схем с активными приборами, такими как транзисторы. Они дают возможность достаточно просто рассчитывать такие схемы, открывая путь к пониманию работы сложных устройств. При этом основные идеи лучше всего можно понять при исследовании цепей постоянного тока, которое проводится в данной главе.

Полиномиальные зависимые источники

Материал этой главы обычно не включается в общие программы обучения. Если полиномиальные источники не интересуют вас в настоящий момент, вы можете пропустить этот раздел, перейдя сразу к разделу, посвященному методу контурных токов.

Возможности применения для анализа нелинейных зависимых источников лучше всего рассмотреть на конкретном примере, приведенном на рис. 1.29. На нем показан источник напряжения V, питающий два последовательно включенных резистора R1=R2=1 кОм. Источник ИНУН обозначен как Е, но в нашем случае напряжение Е связано с управляющим напряжением не просто постоянным коэффициентом k. Предполагается, что Е связано с напряжением V20 нелинейной зависимостью, задаваемой полиномом

Зависимые источники, управляемые двумя напряжениями

Рассмотрим теперь, как вводятся в командной строке, использующей зависимые источники (POLY), управляемые более чем одним напряжением. В примере, представленном на рис. 1.29, сделаем Е функцией сразу двух напряжений v1 и v2. Для этого в командной строке следует записать POLY(2) 2,0 4,0. Запятые приведены для ясности и могут быть опущены. В оставшейся части строки должны быть приведены коэффициенты. При двух управляющих напряжениях необходимо ввести шесть коэффициентов: k0, k1v1, k2v2, k3v1², k4v1v2 и k5v2². Эта последовательность более сложна и требует некоторого изучения. Коэффициенты k представляют собой множители для каждого возможного напряжения и для их комбинаций. Напряжения перечисляются в порядке возрастания степени, начиная с первого напряжения, обозначенного как v1. В нашем примере v1 является напряжением V20, a v2 представляет собой V40.

Приведем теперь командную строку, вводящую источник, управляемый двумя напряжениями:

Е 3 0 POLY(2) 2,0 4,0 0 2 3

Последние три значения (0 2 3) представляют собой значения коэффициентов k0, k1 и k2. Они устанавливают полином (0+2v1+3v2). Таким образом, напряжение зависимого источника Е представляет собой сумму удвоенного падения напряжения на R2 и утроенного падения напряжения на R4. Отметим снова, что запятые внесены для ясности и их можно опустить. Входной файл имеет вид:

Polynomial Form for Two Inputs

V 1 0 1V

E 3 0 POLY(2) 2,0 4,0 0 2 3

R1 1 2 1k

R2 2 0 1k

R3 3 4 2k

R4 4 0 2k

.DC V -4 4 1

.PRINT DC V(2) V(3) V(4)

.END

Запустим моделирование и убедимся, что Е задается выражением (2V20+3V40). Вы можете использовать такой зависимый источник в схемах, в которых появляются суммы, разности или произведения различных токов и напряжений. Использование зависимых источников типа Е, F, G и Н с обозначением POLY позволяет моделировать источники, получая выходные файлы, подобные приведенному на рис. 1.31.

**** 07/27/05 10:54:26 ******** Evaluation PSpice (Nov 1999) **********

Polynomial Form for Two Inputs

**** CIRCUIT DESCRIPTION

V 1 0 1V

E 3 0 POLY(2) 2,0 4,0 0 2 3

R1 1 2 1k

R2 2 0 1k

R3 3 4 2k

R4 4 0 2k

.DC V -4 4 1

.PRINT DC V(2) V(3) V(4)

.END

**** 07/27/05 10:54:26 ******* Evaluation PSpice (Nov 1999) ***********

Polynomial Form for Two Inputs

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

 V          V(2)       V(3)       V(4)

-4.000E+00 -2.000E+00  8.000E+00  4.000E+00

-3.000E+00 -1.500E+00  6.000E+00  3.000E+00

-2.000E+00 -1.000E+00  4.000E+00  2.000E+00

-1.000E+00 -5.000E-01  2.000E+00  1.000E+00

 0.000E+00  0.000E+00  0.000E+00  0.000E+00

 1.000E+00  5.000E-01 -2.000E+00 -1.000E+00

 2.000E+00  1.000E+00 -4.000E+00 -2.000E+00

 3.000E+00  1.500E+00 -6.000E+00 -3.000E+00

 4.000E+00  2.000E+00 -8.000E+00 -4.000E+00

Рис. 1.31. Вид выходного файла при анализе схемы на рис. 1.29 с двумя управляющими напряжениями

Метод контурных токов и PSpice

Традиционные курсы электротехники обычно излагают метод контурных токов, использующий контуры и контурные токи для вычисления токов в ветвях схемы.

Стандартная форма уравнений для трех контурных токов имеет вид:

R11I1 + R12I2 + R13I3 = V1;

R21I1 + R22I2 + R21I3 = V2;

R31I1 + R32I2 + R31I3 = V3.

где R11 — собственное сопротивление контура 1; R12 — взаимное сопротивление контуров 1 и 2; R13 — взаимное сопротивление контуров 1 и 3, а V1 — контурная ЭДС контура 1; алгебраическая сумма всех ЭДС, действующих в контуре 1 (положительными считаются ЭДС, направление которых совпадает с направлением обхода контура). Аналогично составлены уравнения и для контуров 2 и 3. Ручной расчет системы трех уравнений с тремя неизвестными утомителен и часто приводит к ошибкам в вычислениях. Если же число уравнений больше трех, то вычислительная работа становится очень тяжелой. Для выполнения такой работы применяются многочисленные версии компьютерных программ.

А можно ли решить такую систему уравнений с помощью SPICE? Если рассматривать общий случай, то ответ будет отрицательным. Однако можно использовать некоторые приемы, чтобы выполнить такое моделирование, как в следующем примере (рис. 1.32). Здесь имеется три контура. Вы можете составить систему из трех уравнений в стандартном формате и вычислить затем I1, I2 и I3.

Рис. 1.32. Анализ методом контурных токов на PSpice

Вы можете сделать это и в качестве упражнения перед просмотром следующего входного файла:

Mesh Analysis with PSpice

V1 1 0 50V

V2 4 0 30V

R1 1 2 100

R2 2 0 200

R3 2 3 400

R4 3 0 200

R5 3 4 100

.OP

.OPT nopage

.DC V1 50 50 10

.PRINT DC I(R1) I(R2) I(R3)

.END

Во входной файл включены две интересные команды. Первая из них — это команда .DC. Это команда вариации по напряжению V1, которая была введена при исследовании примера, касающегося теоремы Нортона. Она позволяет изменять напряжение V1. Следующие два значения (50 и 50) задают начальное и конечное значение при вариациях. Поскольку они одинаковы, это практически означает отказ от вариации. Если же вы действительно хотите изменять напряжение с шагом от 10 до 50 В, то команду необходимо заменить следующей:

.DC V1 0 50 10

Однако вариация нас пока не интересует, и мы оставим команду в прежнем виде, вычисляя токи только при одном значении напряжения V1. Определить диапазон вариации мы вынуждены для реализации последующей команды .PRINT, чтобы получить значения тока I(R1) и напряжения V(2,3). Если не включить команду .DC перед командой .PRINT, последняя будет выполнена некорректно. Запустим моделирование и проверим результат. В выходном файле получены значения I(R1)=0,1833 A; I(R3)=25 мА и I(R5)=-83,33 мА. Это и есть три контурных тока, которые мы должны получить, решая три уравнения, составленные по методу контурных токов. На самом деле анализ, применяемый в PSpice, более похож на метод узловых потенциалов, но используя дальнейшие расчеты, можно получить и контурные токи (так же, как и токи в ветвях).

Вариация параметров на постоянном токе

Поскольку в задачах на применение контурных токов мы столкнулись с проблемой вариации параметров на постоянном токе (dc sweep), рассмотрим пример, в котором такая вариация используется нормальным образом, в некотором диапазоне напряжений. Используем знакомую нам Т-образную схему на рис. 1.33.

Рис. 1.33. Т-образная схема, в которой проводится вариация напряжения

Без всякого предварительного анализа рассмотрим входной файл для PSpice:

Spice Sweep Analysis of Tee Circuit

V1 1 0 50V

R1 1 2 100

R2 2 3 50

R3 2 0 200

R4 3 0 150

.OP

.OPT nopage

.TF V(3) V

.DC V1 0 50 10

.PRINT DC V(2,3) I(R3)

.END

Вариация напряжения начинается от нуля вольт и производится до 50 В с шагом в 10 В. В выходном файле строятся две таблицы, в одной из которых показана зависимость V(2,3) от V, а в другой — зависимость I(R3) от V, как и требует команда .PRINT. Запустите моделирование на PSpice и просмотрите результат. Какого размера таблицы необходимо здесь использовать? Если вы хотите определить, какое напряжение соответствует току зависимости I(R3)=50 мА, то таблицы дадут значение напряжения 20 В. Вы, конечно, можете легко рассчитать результат, но если точек будет много, то PSpice может выполнить эту работу за вас.

Применение команды .PROBE

Пакет MicroSim включает также программу Probe, применение которой было проиллюстрировано во введении. Программу можно запустить, выбрав пиктограмму Probe на рабочей панели MicroSim или включив во входной файл команду .PROBE.

Чтобы проиллюстрировать, как правильно работать с этой командой, рассмотрим снова Т-образную схему, несколько изменив входной файл и дав ему имя satc.cir (Sweep Analysis Tee Circuit).

Sweep Analysis of Tee Circuit

V1 1 0 50V

R1 1 2 100

R2 2 3 50

R3 2 0 200

R4 3 0 150

.OP

.OPT nopage

.TF V(3) V

.DC V1 0 50 10

.PROBE

.END

После окончания моделирования вы можете просмотреть выходной файл и выбрать графики, которые вам хотелось бы получить. Для подготовки к построению графиков выберите View, проигнорировав View Output Window и Simulating Status Window.

Из основного меню выберите Trace, Add Trace и вы увидите новый экран с выходными параметрами, такими как напряжения V, V(1), V(2) и V(3), токи I(R1), I(R2) и так далее. Выберите I(R3) и, повторив процесс, выберите I(R1). Вы получите график зависимости этих двух токов от напряжения V в диапазоне от 0 до 50 В.

Желательно получить распечатку результатов, но если вы захотите также нанести на графики поясняющие надписи, используйте команды Plot, Label, Text и наберите необходимый текст в соответствующем поле. Затем нажмите OK. С помощью мыши перетащите появившийся текст в необходимую точку экрана. Вы должны получить вид экрана в соответствии с рис. 1.34.

Рис. 1.34. Зависимости токов IR3 и IR1 от напряжения питания, полученные с помощью функции .Probe

Чтобы ознакомиться с еще одной интересной возможностью, выберите Trace, Cursor, Display, чтобы вызвать окно Probe Cursor. Вы увидите табло:

А1 = 0.000, 0.000

А2 = 0.000, 0.000

dif = 0.000, 0.000

показывающее значения, соответствующие положению курсора в начале координат. Подведите с помощью мыши курсор к точке, соответствующей примерно 15 В на оси X, затем с помощью стрелок ← и → на клавиатуре переместите точку точно в 15 В. На табло должны появиться цифры:

А1 = 15.000, 37.500m

А2 = 0.000, 0.000

dif = 15.000, 37.500m

Координаты А1 представляют собой напряжение V и ток I(R3) в выделенной точке. Затем нажмите Ctrl и стрелку → на клавиатуре, чтобы перейти к другой кривой, и проверьте, что при V=15 В ток I(R1) = 75,0 мА. Вспомним, что вариации проводились для значений V, равных 0, 10, 20, 30, 40 и 50 В. Программа Probe автоматически проводит анализ кривых, чтобы рационально разместить все полученные точки на экране.

Чтобы рассмотреть другой интересный пример использования программы Probe, вернемся к примеру рис. 1.30, где была показана схема с полиномиальным зависимым источником напряжения. Добавьте команду .PROBE во входной файл и снова запустите моделирование. Теперь вместо таблиц результатов в выходном файле используйте Probe, чтобы построить график зависимости V(2), V(3), V(4). Поработайте с кривыми, пока не почувствуете, что свободно пользуетесь функциями Probe. Используйте Trace, Cursor, Display, чтобы проверить численные результаты, сравнив их с полученными при помощи команды .PRINT.

В программе Probe имеется много других возможностей, которые будут продемонстрированы в процессе рассмотрения примеров в тексте.

Метод узловых потенциалов и PSpice

Традиционные курсы электротехники обычно излагают метод узловых потенциалов, используя стандартные уравнения. Эти уравнения гораздо легче записать, если все неидеальные источники напряжения заменить неидеальными источниками тока. Это имеет тот недостаток, что цепь физически изменяется, но за счет этого уменьшается количество узлов и, соответственно, количество уравнений. После нахождения узловых потенциалов вы можете провести обратное преобразование источников, приведя схему снова к исходной. Стандартная форма уравнений для узловых потенциалов:

G11V1 + G12V2 + G13V3 = I1;

G22V2 + G22V2 + G13V3 = I2;

G31V1 + G32V2 + G33V3 = I3,

где G11 — собственная проводимость узла 1; G12 — взаимная проводимость узлов 1 и 2; G13 — взаимная проводимость узлов 1 и 3, а I1 — ток узла 1, алгебраическая сумма всех токов, походящих к узлу 1. В методе узловых потенциалов все собственные проводимости положительны, а все взаимные проводимости отрицательны.

Схема на рис. 1.35 будет использована для анализа по методу узловых потенциалов. В качестве упражнения запишите уравнения по этому методу и решите их с помощью какой-либо компьютерной программы или калькулятора. Записать стандартные уравнения и решить их полезно, но решать их каждый раз неэффективно.

Рис. 1.35. Схема с несколькими источниками тока для анализа методом узловых потенциалов

Решение с помощью PSpice достаточно просто и не содержит ничего нового. Входной файл имеет вид:

Nodal Analysis of Circuit with Several Current Sources

I1 1 0 20mA

I2 0 2 10mA

I3 0 3 15mA

R1 1 0 500

R2 1 2 500

R3 2 0 400

R4 2 3 500

R5 3 0 300

.OP

.ОРТ nopage

.END

Во входном файле достаточно информации, чтобы найти все узловые потенциалы. Запустим моделирование и проверим напряжения V(1)=7,694 В; V(2)=5,3947 В и V(3)=4,8355 В. Значение общей рассеиваемой мощности, приведенное в выходном файле, равно 0, что, очевидно, некорректно. Напомним, что это происходит, поскольку в схеме нет независимых источников напряжения.

Чтобы получить правильное значение, преобразуйте источники тока (рис. 1.35) в источники напряжения и создайте входной файл для получившейся схемы (рис. 1.36).

Рис. 1.36. Преобразование неидеальных источников тока в неидеальные источники напряжения

На этом, последнем, рисунке к узлам 1, 2 и 3 подключены те же самые сопротивления, что и в предыдущей схеме, но появились три дополнительных узла, что привело к соответствующему изменению входного файла:

Nodal Analysis with Current Sources Converted to Voltage Sources

V1 1A 0 10V

V2 2A 0 4V

V3 3А 0 4.5V

R1 1A 1 500

R2 1 2 500

R3 2 2A 400

R4 2 3 500

R5 3 3А 300

.OP

.OPT nopage .END

После получения результатов моделирования убедитесь, что V(1) = 7,694 В, V(2) = 5,3947 В и V(3) = 4,8355 В, как и ранее. Для трех дополнительных узлов напряжения будут равны: V(1A) = 10 В; V(2A) = 4 В и V(3A) = 4,5 В, как указано во входном файле для идеальных источников напряжения. В дополнение к этому вы можете определить три тока источников. Например, ток через V1 равен –4,605 мА. Это означает, что положительный ток 4,605 мА вытекает из положительного полюса источника V1. Проверьте, что остальные токи вычислены правильно. Поскольку все источники являются источниками напряжения, общая мощность вычислена верно и равна 27,1 мВт.

Непланарные цепи

Если схемы непланарны, их нельзя изобразить в двухмерном пространстве без пересечения линий, соединяющих узлы. Такова схема на рис. 1.37, которая содержит источник напряжения и восемь резисторов, то есть всего девять элементов. Из используемых методов расчета метод контурных токов может быть использован только для планарных схем, однако метод узловых потенциалов может быть использован и для непланарных схем. PSpice является инструментом, наиболее часто применяемым для анализа схем с большим числом элементов. Для исследуемой схемы входной файл имеет вид:

Nonplanar Circuit Containing Nine Elements

V 1 0 9V

R1 1 2 1

R2 4 0 7

R3 3 0 5

R4 2 3 6

R5 5 3 4

R6 2 4 2

R7 1 5 8

R8 4 5 3

.DC V 9V 9V 9V

.PRINT DC V(1,2) V(2,3) V(2,4)

.PRINT DC V(4,5) V(5,3) V(1,5)

.OP

.OPT nopage

.END

Рис. 1.37. Непланарная схема

Во входном файле предусмотрено вычисление напряжений на отдельных элементах, которые желательно знать, чтобы определить токи в ветвях. С другой стороны, в команде .PRINT можно заложить распечатку токов через резисторы, например I(R1). Отметим, что без введения команды .ОР узловые потенциалы не могут быть получены. Убедитесь, что V(1,2)=1,367 В; V(2,4)=1,685 В; V(1,5)=3,031 В. Проведите также численную проверку равенства V(1)=V(1,2)+V(2,3)+V(3).

Обзор команд PSpice, применяемых в данной главе

В квадратные скобки […] заключаются необязательные компоненты, в угловые скобки <…> — компоненты, которые необходимо ввести обязательно.

Е[имя] <+узел> <-узел> <[+управляющий узел> <-управляющий узел]> коэффициент усиления>

Например, запись

Е 2 3 1 0 5

обозначает источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН), включенный между узлами 2 и 3 (2 — плюсовой узел), зависящий от напряжения между узлами 1 и 0. Напряжение Е равно 5V10.

F[имя] <+узел> <-узел> <Имя управляющего прибора V> <коэффициент усиления>

Например, запись

F 4 2 VA 50

обозначает источник тока, управляемый током (ИТУТ), включенный между узлами 4 и 2, с током, протекающим внутри источника от узла 4 к узлу 2. Ток зависит от тока через источник VA с коэффициентом усиления 50. Если необходимо, напряжение VA может быть выбрано нулевым.

G[имя] <+узел> <-узел> <+управляющий узел> <-управляющий узел> <коэффициент усиления>

Например, запись

G 5 1 2 0 0.05

обозначает источник тока, управляемый напряжением (ИТУН), включенный между узлами 5 и 1, зависящий от напряжения между узлами 2 и 0. Значение коэффициента усиления gm=0,05 С (коэффициент имеет размерность проводимости 1/Ом)

Н[имя] <+узел > <-узел> <Имя управляющего прибора V> <переходное сопротивление>

Например, запись

Н 6 4 VB 20

обозначает источник напряжения, управляемый током (ИНУТ), включенный между узлами 6 и 4 (6 — плюсовой узел), зависящий от тока, протекающего через источник напряжения VB, напряжение которого может быть выбрано при необходимости нулевым. Значение переходного сопротивления равно 20 Ом.

I[имя] <+узел> <-узел> [DC] <значение>

Например, запись

I 0 1 DC 2А

обозначает независимый источник постоянного тока, направленного внутри источника от узла 0 к узлу 1. Значение тока равно 2 А. 

R[имя] <+узел> <-узел> <значение>

Например, запись

R1 1 2 100

обозначает резистор, включенный между узлами 1 и 2 с сопротивлением 100 Ом. Поскольку резистор двунаправленный, любой его узел можно назвать положительным или отрицательным. Если необходимо найти ток через резистор, обозначение узлов становится немаловажным. В данном примере условное направление тока через резистор принимается от узла 1 к узлу 2. При таком направлении реального тока он считается положительным, при противоположном — отрицательным. В выходном файле значение тока будет иметь соответствующий знак.

V[имя] <+узел> <-узел> [DC] <значение>

Например, запись

V 1 0 50V

обозначает независимый источник напряжения с положительным полюсом у узла 1 и отрицательным — у узла 0. Это — идеальный источник напряжения с напряжением 50 В. Обозначение DC не является обязательным. Обозначение единиц V, следующее за числом, обозначающим выходное напряжение, также необязательно, по умолчанию оно выражается в вольтах. Другие формы команд, вводящих V, приведены в главах 2, 3, 4 и др. Одни из них вводят источники переменного напряжения, другие — источники с заданными временными зависимостями.

Команды, начинающиеся с точки, используемые в данной главе

.DC [LIN] [OCT] [DEC]<переменная вариации> <начало> <конец> <шаг>

Например,

.DC LIN VS 0V, 10V 0.1V

означает, что напряжение источника напряжения VS будет варьировать от 0 до 10 В с шагом 0,1 В. Вариация напряжения линейная.

.END

Эта команда должна стоять в конце входного файла и информировать программу PSpice об отсутствии дальнейших команд в данном файле.

.ОР

Эта команда используется для вывода детальной информации о точках смещения.

.OPTION

Например,

.OPTION nopage

означает выбор опции, при которой отсутствуют колонтитулы страниц и пробелы при печати каждого раздела выходного файла. Другие возможные опции:

АССТ — для вывода информации расчета

LIST — дает информацию об использованных в схеме приборах

NODE — выводит таблицу узлов

NOECHO — подавляет вывод входного файла

NOMOD — подавляет вывод параметров моделей

OPTS — показывает использованные опции

WIDTH — показывает число столбцов вывода 

.PRINT DC <переменные вывода>

Например,

.PRINT DC V(5) I(RL)

показывает, что должны быть выведены напряжение узла 5 V(5) и ток I(RL) через резистор RL.

.PROBE

показывает, что при анализе должна быть использована программа построения графиков Probe. В этой программе могут быть построены все зависимости для токов и напряжений. Границы могут быть заданы для входных напряжений, либо, в случае анализа на переменном токе, для частоты.

При выводе графиков могут быть использованы выражения для выходных переменных. Чаще всего используются простые операторы: +, -, /, * (сложение, вычитание, деление и умножение). Могут быть также использованы функции ABS(x), SGN(x), DB(x), ЕХР(х), LOG(x), LOG10(x), PWR(x), SQRT(x), SIN(x), COS(x), TAN(x), ARCTAN(x), d(x), s(x), AVG(x) и RMS(x).

.TF <переменные вывода> <входной источник>

Например,

.Т F V (5) VS

означает, что будет выведена переходная функция V(5)/VS. Она является переходной функцией для малых сигналов. Применяется также для вывода входных и выходных сопротивлений схемы.

POLY (полиномиальные источники)

Например,

Е1 5 2 3 POLY (1) 3 1 1 2 3

означает, что ИНУН Е1 связан с напряжением между узлами 3 и 1 нелинейной зависимостью, описываемой полиномом. (1) здесь означает, что имеется только одно управляющее напряжение V31. Три следующих значения задают коэффициенты полинома k0, k1 и k2 в формуле

k0 + k1v1+ k2v1².

Если задано больше значений k, то это означает, что полином будет более высокой степени. 

Если строка во входном файле начинается со звездочки (*), то она является строкой комментария, а не исполняемой команды. Комментарий может быть помещен также в конце командной строки после точки с запятой (;). При описании команд PSpice в квадратные скобки […] заключаются необязательные компоненты, в угловые скобки <…> — компоненты, которые необходимо ввести обязательно. Если в конце командной строки помещена звездочка, это означает, что компонент может повторяться.

Задачи 

1.1. Для схемы на рис. 1.38 найдите ток I. Ваш входной файл на PSpice должен включать команды для непосредственного вывода тока. Проверьте результат, найдя ток из выражений V12/R1 и V23/R2.

Рис. 1.38

1.2. Для схемы на рис. 1.39 найдите мощность, потребляемую от каждого источника питания V1 и V2. Ваш входной файл на PSpice должен включать команды для вывода тока через каждый источник. Проверьте результат, найдя мощность, выделяемую во всех резисторах. Мощность для каждого резистора определите из выражений I²R и V²/R.Рис. 1.39

1.3. Для схемы на рис. 1.40 найдите Vab (напряжение Тевенина) и Rab (сопротивление Тевенина). В вашем входном файле должен быть отражен метод, предложенный в данной книге для определения этих значений.

Рис. 1.40

1.4. Для лестничной схемы на рис. 1.41 найдите входное сопротивление RIN (сопротивление со стороны источника питания). Включите во входной файл команды, которые позволяют непосредственно вывести входное сопротивление.

Рис. 1.41

1.5. Для схемы на рис. 1.42 найдите напряжение V12. Оно может быть определено просто как V(1)–V(2). Проверьте результат, включив во входной файл команды для непосредственного определения тока через R2.

Рис. 1.42

1.6. Для схемы на рис. 1.43 найдите ток через резистор в 6 Ом и напряжение v.

Рис. 1.43

1.7. Для схемы на рис. 1.44 найдите напряжение v23 и ток i.

Рис. 1.44

1.8. Для схемы на рис. 1.45 найдите напряжение на резисторе R4.

Рис. 1.45

1.9. Для схемы на рис. 1.46 найдите напряжение nаb.

Рис. 1.46

1.10. Для схемы на рис. 1.47 найдите напряжение vab и сопротивление Rab, соответствующие теореме Тевенина.

Рис. 1.47

1.11. Для схемы на рис. 1.48 найдите эквивалентную схему Тевенина относительно полюсов а и b.

Рис. 1.48

2. Анализ цепей на переменном токе (для установившихся синусоидальных режимов)

Spice показывает напряжения узлов на постоянном токе без всяких специальных команд, поскольку определение напряжений постоянного тока является необходимым для получения рабочих точек в транзисторных схемах и при решении других традиционных задач. Но если вы хотите провести анализ на переменном токе, необходимо специально задать это в условиях моделирования. Вводный пример показывает, как это делается.

Последовательная RL-цепочка на переменном токе

Последовательная цепь на рис. 2.1 содержит источник напряжения в 1 В, включенный последовательно с резистором R и катушкой индуктивности L. Последовательная RL-цепочка может служить, например, схемой замещения для реального дросселя. Компоненты схемы характеризуются значениями R=1,5 Ом; L=5,3 мГн и f=60 Гц. Необходимо найти ток в цепи и полное сопротивление реального дросселя. Входной файл имеет вид:

AC Circuit with R and L in Series (Coil)

V 1 0 AC 1V

R 1 2 1.5

L 2 0 5.3mH

R3 2 0 5k

.AC LIN 1 60Hz 60Hz

.PRINT AC I(R) IR(R) II(R) IP(R)

.END

Рис. 2.1. Последовательная RL-цепь при питании от источника гармонического напряжения

Команда .AC в нашем случае обеспечивает линейную вариацию значений в диапазоне от 60 до 60 Гц, то есть одну точку. Команда .PRINT предусматривает печать значений различных величин в этой точке:

I(R) — амплитуда тока;

IM(R) — также амплитуда тока;

IR(R) — действительная часть тока;

II(R) — мнимая часть тока;

IP(R) — фазовый угол тока.

Если Вы хотите выразить подобным образом падение напряжения V2 на индуктивности, можно записать:

V(2) — амплитуда падения напряжения на индуктивности (между узлами 2 и 0 соответственно);

VM(2) — также амплитуда тока этого напряжения;

VR(2) — действительная часть напряжения;

VI(2) — мнимая часть напряжения;

VP(2) — фазовый угол напряжения.

Запустите моделирование на PSpice. Узловые напряжения в выходном файле показаны как нулевые. Это означает, что они не содержат постоянных составляющих. Токи источников напряжения и мощности также не содержат постоянных составляющих (и они равны 0). Интересующая нас часть результатов моделирования дает FREQ=60 Гц для частоты и I(R)=0,4002 А для амплитуды переменного тока источника питания. Действительная часть комплексного тока равна IR(R)=0,2403 А, мнимая его часть составляет II(R)=–0,3201 А, а фазовый угол равен IP(R)=–53,1°. 

Задачи такого типа на переменном токе хорошо иллюстрируются векторными диаграммами (рис. 2.2). Опорное напряжение направлено под нулевым углом. Вектор тока смещен на вычисленный угол -53,1°. Можно найти также полное сопротивление реальной катушки, представленной RL-цепочкой:

Поскольку напряжение имеет единичное значение, полученная величина идентична обратному значению вектора тока I.

Рис. 2.2. Векторная диаграмма последовательной RL-цепи 

Последовательная RC-цепочка на переменном токе

Заменив в схеме на рис. 2.1 катушку индуктивности конденсатором С, получим следующую схему (рис. 2.3).

Значения компонентов в этой схеме: R=5 Ом; С=100 мкФ и f=318 Гц.

Рис. 2.3. Схема с последовательной RC-цепочкой

Входной файл будет следующим:

AC Circuit with Resistance and Capacitance in Series

V 1 0 AC 1V

R 1 2 5

С 2 0 100uF

.AC LIN 1 318Hz 318Hz

.PRINT AC I(R) IP(R) V(2) VP(2)

.END

В команде .PRINT через V(2) и VP(2) обозначены модуль и фазовый угол напряжения на конденсаторе соответственно. Запустите моделирование на PSpice и постройте векторную диаграмму тока и напряжения. Ваш рисунок должен соответствовать рис. 2.4.

Рис. 2.4. Векторная диаграмма для последовательной RC-цепи

Параллельные ветви на переменном токе

Рассмотрим теперь процессы в параллельной RL-цепи при питании ее от источника переменного тока (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема с параллельной RL-цепью

Параметры компонентов: I=100∠0° мА; R=8,33333 Ом; L=6,36 мГн. Для этой цепи необходимо найти напряжение на параллельных ветвях, ток через каждую ветвь и полную проводимость цепи. Входной файл при этом имеет вид: 

AC Circuit with Parallel branches R and L

I 0 1 AC 100

R 1 0 8.33333

L 1 0 6.36mH

.AC LIN 1 500Hz 500Hz

.PRINT AC V(1) VP(1) V(1) I(R) IP(R) I(L) IP(L)

.END

Модуль и фазовый угол напряжения представлены в выходном файле как V(I) и VP(1), а токи через отдельные ветви находятся как обычно. Запустив моделирование и получив результаты, убедитесь, что V(I)=0,7691 и VP(1)=22,64°. Проводимость RL-цепи равна Y=I/V(I)=(0,100∠0°)/(0,7691∠22,6°)=(0,13∠22,6°) С.

Постройте векторную диаграмму для схемы, показав все токи и напряжение V1. Сверьте ваш результат с рис. 2.6.

Рис. 2.6. Векторная диаграмма для параллельной RL-цепи

В качестве упражнения по анализу цепей преобразуйте токи из синусоидальных в прямоугольные и сложите их. Сравните полученный результат с заданным ранее значением тока источника.

Параллельная RC-цепь

На рис. 2.7 приведена схема с параллельной RC-цепью. Значения элементов этой схемы: I=100∠0° мА; R=8,33 Ом; С=14,14 мкФ и f=500 Гц.

Рис. 2.7. Схема с параллельной RC-цепью

Перед тем как провести моделирование на PSpice, рассчитайте полную проводимость RC-цепи. Она задается выражением Y=G+jB, где G = 1/R и В=2πfC.

Входной файл имеет вид:

AC Circuit with Parallel branches R and С

I 0 1 AC 100

R 1 0 8.33333

N 1 0 14.14mF

.AC LIN 1 500Hz 500Hz

.PRINT AC V(1) VP(1) I(R) IP(R) I(C) IP(C)

.END

Проведите моделирование, затем постройте векторную диаграмму цепи и сравните полученный результат с приведенным на рис. 2.8. Он дает для напряжения значение V=0,7815∠–20,3° В. Проверьте вычисленное ранее значение Y, используя формулу Y= I/V.

Рис. 2.8. Векторная диаграмма для параллельной RC-цепи

Максимальная передача мощности в цепях переменного тока

В цепях постоянного тока максимальная мощность, выделяемая в нагрузке, достигается при RL=RS. В цепях переменного тока передача максимальной мощности достигается в том случае, когда значения полного сопротивления источника и нагрузки являются комплексно-сопряженными величинами. Например, если ZS=(600+j150) Ом, то максимальная мощность в нагрузку передается при ZL=(600–j150) Ом. Чтобы иллюстрировать это для простых последовательных цепей, на рис. 2.9 приведена схема с необходимым соотношением комплексных сопротивлений. При частоте 1 кГц реактивные сопротивления в 150 Ом получаются при индуктивности L=23,873 мГн и емкости С=1,061 мкФ.

Рис. 2.9. Схема для определения максимальной мощности, выделяемой в нагрузке 

Входной файл имеет вид:

Maximum Power Transfer in AC Circuits

V 1 0 AC 12V

RS 1 2 600

L 2 3 23.873mH

RL 3 4 600

N 4 0 1 .06uF

.OPT nopage

.AC LIN 1 1 kHz 1 kHz

.PRINT AC I(RL) IP(RL) V(3) VP(3)

.END

Maximum Power Transfer AC Circuits

I 0 1 AC 100

R 1 0 8.33333

N 1 0 14.14mF

.AC LIN 1 500Hz 500Hz

.PRINT AC V(1) VP(1) I(R) IP(R) I(C) IP(C)

.END

Проведите анализ и убедитесь, что ток в цепи равен 10 мА при угле почти в ноль градусов, а амплитуда напряжения составляет V(3)=6,185 В при угле в 14,04°. Мощность, выделяемую в нагрузке, проще всего найти как Р=|I|²R=60 мВт. Резонанс в цепи наступает на частоте 1 кГц. Дальнейшее обсуждение проблемы резонанса будет продолжено в следующем разделе. В качестве самостоятельного упражнения измените значение RL до 550 Ом и проведите анализ заново. Убедитесь, что значение мощности уменьшилось по сравнению с предыдущим случаем. Повторите то же самое для сопротивления RL=650 Ом. Отметим, что при заданных значениях L и С и при изменении частоты до некоторого другого значения, значение X станет больше или меньше, а ток уменьшится.

Резонанс в последовательных RLC-цепях

Последовательный резонанс достигается в RLC-цепи, когда ее комплексное сопротивление становится чисто резистивным. При этом индуктивное и емкостное сопротивление взаимно компенсируются, ток становится максимальным, а фазовый угол — нулевым (то есть ток и приложенное напряжение находятся в фазе). Резонансная частота легко находится из уравнения:

На рис. 2.10 приведена такая схема. Значения элементов: R=50 Ом; L=20 мГн и С=150 нФ. При этих параметрах резонансная частота f0=2905,81 Гц. Приложенное напряжение выбрано равным 1∠0° В. Можно работать со следующим входным файлом:

Series Resonance with RLC

V 1 0 AC 1V

R 1 2 50 L

2 3 20mH C

3 0 150nF

.AC LIN 4901 100Hz 5kHz

.PROBE

.END

Рис. 2.10. Последовательная резонансная RLC-цепь

Команда .АС предусматривает линейную вариацию частоты от 100 Гц до 5 кГц, содержащую 4901 шаг, один шаг для каждого целочисленного значения частоты в этом диапазоне.

После выполнения PSpice анализа в программе Probe будут построены графики для частот от 100 Гц до 10 кГц. Могут быть получены различные графики для сложных функций параметров схемы. Сделайте следующее:

1. Постройте график зависимости IP(R) для линейного частотного диапазона от 2 до 4 кГц (эта зависимость называется фазочастотной характеристикой — ФЧХ). Для этого выберите Trace, Add Trace…, введите с клавиатуры необходимую переменную IP(R) в поле Trace Expression и нажмите OK. Чтобы получить желательный диапазон по оси X выберите Plot, Axis Settings… и в поле X-axis выберите User Defined с диапазоном от 2 до 4 кГц. Затем выберите Scale Linear и OK. Если при выводе кривой вы получаете ошибку, выберите Trace, Delete All Traces и повторите процесс, чтобы получить необходимую кривую. Ваш график должен пройти через ноль при частоте, близкой к 2,9 кГц. Проверьте это, выбирая режим курсора (он имеет символ, который напоминает пересекающиеся пунктиры и символ проверки), затем, используя мышь или стрелки ← → на клавиатуре, найдите положение «нулевого сдвига фаз», которое должно соответствовать частоте f=2,0058 кГц (см. рис. 2.11);

Рис. 2.11. Фазочастотная характеристика резонансного RLC-контура

2. Получите в программе PROBE график V(1)/I(R) для того же частотного диапазона от 2 до 4 кГц. Для этого сначала выберите Trace, Delete All Traces и затем — Trace, Add Trace, как вы делали прежде. Диапазон по оси Y должен быть от 0 до 300. Используйте Trace, Cursor, Display mode, чтобы найти следующие значения: при f=2 кГц, Z=283,6 Ом; при f=2,9 кГц, Z=50 Ом; и при f=4 кГц, Z=242,6 Ом;

3. Удалите эту кривую, и получите на экране сразу два графика: напряжения V(3) и тока I(R). Используйте операции Plot, Add Plot to Window, чтобы получить вторую кривую. Измените частотный диапазон в пределах от 0 до 5 кГц. В результате максимум для V(3) должен составлять приблизительно 7,3 В, а для I(R) –20 мА. Проверьте эти значения с помощью ручного расчета и сравните с рис. 2.12.

Рис. 2.12. Амплитудно-частотные характеристики тока и напряжения на конденсаторе для RLC-контура

Частотный анализ в последовательно-параллельных цепях переменного тока

На рис. 2.13 приведена еще одна цепь на переменном токе. Значения параметров: V=100∠0° В; R1=10 Ом; R2=10 Ом, L=100 мГн и С=10 мкФ. Предположим, что резонансная частота неизвестна, и ее необходимо предварительно определить.

Рис. 2.13. Последовательно-параллельная схема

Входной файл можно записать в виде:

Series-Parallel AC Circuit

V 1 0 AC 100V

R1 1 2 10

R2 2 3 10

L 3 0 100mH

C 3 0 10uF

.AC LIN 100 50Hz 1000Hz

.PRINT AC I(R1) IP(R1)

.END

При записи команды .АС мы предположили, что резонансная частота лежит в диапазоне от 50 до 1000 Гц. Если ее значение лежит за пределами этого диапазона, можно изменить диапазон частот в команде. Команда .PRINT выводит в выходном файле величины модуля и фазового угла для тока схемы. Поскольку нулевому фазовому углу соответствует коэффициент мощности, равный единице, при анализе нетрудно отыскать соответствующую частоту.

Проведите моделирование на PSpice, и проанализируйте выходной файл. Не поленитесь распечатать файл, так как вам придется изменять диапазон частот. Вы должны подтвердить, что резонанс происходит между значениями f=155 Гц и f=165 Гц. Для этого измените во входном файле, диапазон частот с помощью команды

.AC LIN 101 100 200

Теперь мы рассматриваем все целочисленные значения частот между 100 и 200 Гц. Выполнив анализ, мы увидим, что резонанс происходит между частотами 158 Гц и f= 159 Гц и ток вблизи резонанса равен приблизительно 98 мА.

Этот пример позволяет оценить преимущества моделирования на PSPICE. Происходит ли резонанс при частоте, предсказываемой известной формулой ? Вычислите это значение частоты с помощью калькулятора. Оно должно быть f=159,155 Гц. Это не совпадает с нашим предположением, что f0 находится между 158 и 159 Гц. Является ли различие просто ошибкой округления? Изменим команду во входном файле:

.AC LIN 51 155Hz 160Hz

Она обеспечивает шаг по частоте в 0,1 Гц. Проведите моделирование снова и найдите частоту, при которой изменяется знак фазового угла IP(R1). Результат должен показать, что она лежит в диапазоне 158,3 и 158,4 Гц. Из нашего моделирования следует, что приведенная выше формула резонанса неправильна для исследуемой последовательно-параллельной схемы. Обратите внимание, что минимум тока приходится не на резонансную частоту, а на частоту f=159,2 Гц, при которой фазовый угол тока составляет приблизительно 5,97°.

Интересным упражнением для вас должна стать замена команды .PRINT командой .PROBE в этом анализе. При этом результаты проведенного нами численного анализа будут наглядно представлены на графике. Преимуществом графического представления результатов кроме наглядности является возможность получения частотных зависимостей для многих величин без изменения входного файла.

Влияние изменения сопротивления катушки

На рис. 2.13 одна из параллельных ветвей содержит R=10 Ом и L=100 мГн. Эта цепь может служить моделью реальной катушки с малым сопротивлением. Интересно, как влияет сопротивление катушки на поведение схемы? Изменим входной файл, установив R2=50 Ом, и заметим, что при этом f0=138 Гц. Затем установим R2=80 Ом и увидим, что f0=95 Гц. Предполагали ли вы, что изменение резонансной частоты будет столь велико?

Посмотрите, как легко PSpice позволяет Вам изменять параметры схемы и формировать новый набор исходных условий для вычисления. При этом команда .PRINT обеспечивает высокую точность вычислений, а команда .PROBE неоценима для того, чтобы увидеть графические зависимости для переменных.

Параллельные резонансные цепи

Уравнения для анализа параллельной резонансной цепи значительно сложнее уравнений для последовательного колебательного контура. Можно найти полное описание этих уравнений в учебниках. Однако моделирование на PSpice позволяет легко находить резонансную частоту и полное входное сопротивление такой схемы при резонансе. В этом примере вы можете снова использовать курсор в программе Probe. 

Схема, показанная на рис. 2.14, содержит ветвь с катушкой и ветвь с конденсатором. Значения параметров элементов схемы: RL=10 Ом; L=2,04 мГн; RC=5 Ом и С=0,65 мкФ. Отметим, что включение резистивного датчика тока сопротивлением R=1 Ом последовательно в цепь источника напряжения V превращает его в неидеальный источник с напряжением 1 В. Предварительный анализ показывает, что резонансная частота лежит между 4 и 5 кГц.

Рис. 2.14. Параллельная резонансная цепь

Входной файл приведен ниже:

Parallel Resonant Circuit

V 1 0 AC 1V

RL 1A 2 10

RC 1A 3 5

R 1 1A 1

L 2 0 2.04mH

C 3 0 0.65uF

.AC LIN 1001 4000Hz 5000Hz

.PROBE

.END 

Во входном файле задано изменение частоты от 4 до 5 кГц с шагом в 1 Гц. Выполните анализ, затем, используя возможности Probe, получите график IP(R). Диапазон частот выведенного графика по оси X лежит в пределах от 1 до 10 кГц, предусматривая логарифмическую шкалу. Это означает, что выбранная кривая занимает лишь малую часть экрана. Выберите для шкалы по оси X линейный масштаб и диапазон от 4 до 5 кГц. Как и ожидалось, резонансная частота имеет значение, близкое к 4,3 кГц, что видно из графика на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Фазочастотная характеристика для схемы на рис. 2.14

Использование курсора в программе Probe

Из строки меню выберите Trace, Cursor, Display, и на экране появится поле Probe Cursor. Оно может появиться в правой нижней части, но его при желании можно переместить и в другую область экрана. Поле содержит следующую информацию:

А1 = 4.0000K, -27.025

А2 = 4.0000K, -27.025

dif = 0.000, 0.000

Строка А1 представляет значения X и Y: частоты и величины фазового угла тока IP(R) в левом конце графика. Частота равна 4 кГц, а фазовый угол составляет -27,025, то есть при f=4 кГц вектор тока повернут на -27,02° относительно вектора входного напряжения, фазовый угол которого считается нулевым.

Клавишей стрелки (→) переместите указатель курсора до отметки, где фазовый сдвиг будет нулевым (или почти нулевым). После этого значения на табло Probe Cursor изменятся

А1 = 4.3175K, -17.130m

А2 = 4.0000K, -27.025

dif = 3ъ17.544, 27.010

Полученные вами значения могут несколько отличаться. На самом деле, если вы удалите график и снова получите его, значения могут немного измениться, так как используется подпрограмма итераций, чтобы достигнуть необходимой точки графика. Строка A1 сообщает, что при f=4,3175 кГц фазовый угол тока близок к нулю.

Таким образом, резонансная частота f0=4,3175 кГц, так как при этом входной ток находится в фазе с приложенным напряжением. Сопротивление R в схеме необходимо, чтобы сделать источник входного напряжение реальным источником напряжения.

Интересно определить также полное входное сопротивление (или полную проводимость) схемы при резонансе. Убедитесь еще раз, что сопротивление (или проводимость) при резонансе должны быть полностью активными (не должны содержать реактивной составляющей). Постройте с учетом этого график I(R). Поскольку V=1 В, ток схемы численно равен полной входной проводимости. Объясните, почему это так. Используйте снова режим курсора для этого графика. Перемещайте указатель курсора, пока не найдете предсказанную частоту f0=4,3175 кГц. Каково значение тока I на этой частоте? Убедитесь, что I=4,683 мА при резонансной частоте. Убедитесь также, что Z0=R0=213,5 Ом. Отметьте, что ток при этом не минимален.

Определение полного входного сопротивления в цепях переменного тока

Рассмотрим «черный ящик», содержащий цепь с неизвестным полным сопротивлением, показанный на рис. 2.16. С помощью команды .PRINT вы можете вывести и V(I), и I(R). Однако эта команда не позволяет вывести значение V(I)/I(R). Различные математические операторы в ней не допускаются. Чтобы получить график желаемой переменной, следует использовать функцию Probe, которая может, кроме того, строить функции, использующие следующие операторы:

abs(x) |x| sgn(x) +1 (если x > 0), 0 (если x = 0), -1 (если x<0) sqrt(x) √x exp(x) ex log(x) ln(|x|) log10(x) log(| x|) m(x) модуль x p(x) фазовый угол x r(x) действительная часть x img(x) мнимая часть x g(x) групповая задержка от x pwr(x, y) |х|y sin(x) sin(x) cos(x) cos(x) tan(x) tg(x) atan(x) arctg(x) arctan(x) arctg(x) d(x) дифференциал от x s(x) интеграл от x avg(x) среднее значение от x rms(x) действующее значение от х min(x) минимум действительной части х max(х) максимум действительной части х

Рис. 2.16. Чёрный ящик, содержащий цепь с неизвестным полным сопротивлением

Таким образом, чтобы найти входное полное сопротивление схемы (рис. 2.16), можно включить очень маленький резистор R в качестве датчика тока. Полное входное сопротивление V(1)/I(R) можно найти в Probe, используя выражения r(V(I)/I(R)) для вещественной части Z и img(V(I)/I(R)) для мнимой части. Это дает тот же результат, что и использование r(VM(I)/IM(R)) и img(VM(I)/IM(R)). Получить фазовый угол для Z можно, используя p(V(I)/I(R)). Поясним эту методику примером.

На рис. 2.17 показана схема с резистивным датчиком тока и «неизвестным» полным сопротивлением в «черном ящике». Чтобы найти полное сопротивление, необходимо провести моделирование и использовать Probe.

Рис. 2.17. Схема с резистивным датчиком тока

Во входном файле предусмотрена вариация частоты входного напряжения:

Input Impedance Using a Small Current-Sensing Resistor

V 1 0 AC 1V

R 1 2 0.001; Это резистивный датчик тока (шунт)

RL 2 3 100

RA 1 1А 1

С 3 0 1.9894uF

.AC LIN 501 500Hz 1500Hz

.PROBE 

.END

Проведите моделирование, и получите в Probe графики частотных зависимостей для действительной и мнимой частей Zin. Результаты показаны на рис. 2.18. Используя режим курсора, убедитесь, что при f=1 кГц получаются следующие значения сопротивления: Rin=100 Ом (действительная часть Zin) и Xin=-80 Ом (мнимая часть Zin).

Рис. 2.18. Частотные зависимости для активной и реактивной составляющих Zin 

Полное входное сопротивление в цепях с двумя ветвями

В предыдущей схеме результаты достаточно просто можно было найти и без использования Probe. В более сложной схеме (рис. 2.19) найти полное входное сопротивление вручную достаточно трудно. При использовании же Probe результаты получаются так же просто, как и для предыдущей схемы. Входной файл для этого случая:

Input Impedance of Two-Branch Network

V 1 0 AC 12V

Rs 1 2 50; Это резистивный датчик тока (шунт)

R1 2 3 100

R2 3 5 80

R3 3 4 75

R4 5 6 60

L 4 0 15.92mH

C 6 0 3.183uF

.AC LIN 501 500Hz 1500Hz

.PROBE

.END

Рис. 2.19. Схема с двумя ветвями для расчета полного входного сопротивления 

Используя возможности Probe, найдите полное входное сопротивление (для части схемы справа от узла 2) при частоте f=1 кГц. Убедитесь, что Zin=(178,9+j29,33) Ом. Если вы предпочитаете записывать действительную и мнимую составляющие просто в форме упорядоченной пары, то запись будет иметь вид Zin=(178,9; 29,33) Ом. Сравните полученные вами графики с графиком на рис. 2.20.

Рис. 2.20. Частотные зависимости для активной и реактивной составляющих Zin в схеме на рис. 2.19

Фазосдвигающие цепи

Простая фазосдвигающая цепь, использующая только конденсаторы и резисторы, показана на рис. 2.21. Это мостовая Т-образная схема со следующими параметрами элементов: С1=С2=10 нФ; R1=200 Ом; R2=250 Ом; RL=100 Ом и R=1 Ом (резистивный датчик тока). С помощью PSpice-анализа можно определить фазосдвигающие свойства этой цепи. Определите, при какой частоте фазовый сдвиг тока относительно входного напряжения максимален и какова его величина в этой точке. Подберите эмпирически диапазон частот для такого анализа.

Рис. 2.21. Фазосдвигающая цепь

Входной файл имеет вид:

Phase-Shift Network

V 1 0 AC 12V

R 1 1А 1

R1 1A 3 200

R2 2 0 250

RL 3 0 100

C1 1A 2 10nF

C2 2 3 10nF

.AC LIN 501 5kHz 500kHz

.PROBE 

.END

Проведите анализ на PSpice, затем получите график IP(R), используя линейную шкалу частот в диапазоне от 5 до 500 кГц. Легко установить, что максимальный сдвиг фазы немного меньше 30° и приходится на частоту около 300 кГц. Воспользовавшись режимом курсора, получим более точные значения: максимальный сдвиг фазы 29,67° при f=281,4 кГц.

Не выходя из Probe, получите график IP(RL). Он непосредственно покажет сдвиг фазы в Т-образной схеме. Найдите частоту, при которой схема имеет нулевой сдвиг фазы. Обратите внимание, что это происходит при частоте менее 50 кГц.

С учетом этого измените входной файл, установив диапазон частот от 5 до 50 кГц. Выполните анализ снова и определите частоту для нулевого сдвига фазы с помощью графика IP(RL). Воспользовавшись курсором, убедитесь, что f=29,32 кГц. Ваш график должен быть похож на приведенный на рис. 2.22.

Рис. 2.22. Частотные характеристики фазосдвигающей цепи

Частотные зависимости полных проводимостей

Графическая методика, которая часто используется в схемотехническом анализе на переменном токе, основана на нахождении годографов полных сопротивлений или полных проводимостей. Если элементы включены последовательно, складываются частотные зависимости полных сопротивлений участков цепи и находится общая частотная зависимость. Если элементы включены параллельно, те же операции производятся для проводимостей отдельных ветвей.

Схема на рис. 2.23 содержит две параллельные ветви с параметрами: С=0,318 мкФ; RL=50 Ом и L=3,18 мГн. Во входном файле задан диапазон частот от 5 Гц до 10 кГц:

Locus of Admittances

V 1А 0 AC 1V

R 1 1A 1 

RL 1 2 50

L 2 0 3.18mH

C 1 0 0.318 uF

.AC LIN 201 5Hz 10kHz

.PROBE

.END

Рис. 2.23. Схема для определения фазовых траекторий проводимости

Выполните анализ и выведите график IP(R), чтобы найти резонансную частоту. Воспользовавшись курсором, убедитесь, что f0=4,336 кГц. Теперь измените шкалу по оси X так, чтобы это позволило представить полную проводимость во всем диапазоне. Поскольку V=1 В, Y=I/V=I/1. Таким образом, проводимость Y численно равна току, и вы можете заменять график I графиком Y и наоборот. Вы можете получить также зависимость B(G), где активная составляющая проводимости G откладывается по горизонтальной, а реактивная составляющая B — по вертикальной оси. Координаты точек такого графика представляют собой действительную и мнимую составляющие вектора проводимости, а совокупность точек служит годографом вектора проводимости при изменении частоты.

Прежде чем пытаться изменить масштаб по оси X, удалите кривые, имеющиеся на экране, и выберите Plot, Axis Settings…, опции Auto Range, Linear, затем нажмите кнопку Axis Variable. Для выбора функции введите с клавиатуры «IR(R)» и дважды щелкните OK. Затем получите график II(R). Поскольку I и Y численно равны, можно считать, что по осям отложены действительная G  (ось X) и мнимая В (ось Y) составляющие, а весь график рассматривать как годограф проводимости (Y-plane). График содержит важную информацию, которая видна не сразу. Верхний левый конец кривой соответствует частоте f=10 кГц. При перемещении точки вниз вправо уменьшается частота, при которой могут быть получены соответствующие значения В и G. Переместив курсор в точку, где В=0 (примерно), вы увидите, что при этом G=5 мС. Вследствие этого полное сопротивление цепи при резонансной частоте 4,336 кГц равно 200 Ом.

Распечатайте годограф проводимости. Отметьте ось Х как G (в мС) и ось Y как В (также в мС) для дальнейшего изучения. Ваш график должен быть похож на график, приведенный на рис. 2.24.

Рис. 2.24. Годограф полной проводимости для схемы на рис. 2.23 

Вы знаете, где размещены на этом графике две частоты, но как вы можете идентифицировать другие? Простой метод состоит в том, чтобы изменить во входном файле верхнюю границу частоты в команде вариации частоты. Для начала установите ее равной 6 кГц и снова выполните моделирование. Получив значения карты проводимости, запомните, где начинается график (6 кГц), и отметьте эту точку на предыдущем графике, пользуясь значениями G и В. Сделайте это несколько раз для других значений верхней границы, отмечая каждое новое положение точки значением f на первоначальном графике.

Годограф проводимости для последовательного RLC-контура

Интересная форма годографа проводимости получается для последовательного RLC-контура. Можете вы предсказать, на что она будет похожа? Если масштаб для B и G будет одинаковым, она будет окружностью. Параметры элементов в схеме, приведенной на рис. 2.25: R=50 Ом; L=20 мГн и С=150 нФ. Соответствующий входной файл:

Admittance Locus for Series RLC Circuit

V 1 0 AC 1V

R 1 250

L 2 3 20mH

С 3 0 150nF

.AC LIN 5001 1000Hz 10kHz

.PROBE

.END

Рис. 2.25. Последовательная цепь для определения полной проводимости

Резонансная частота соответствует крайней правой точке и составляет 2906 Гц. В программе Probe необходимо выбрать Plot, Axis Settings…, на табло X Axis — User Defined, ввести значения «0А» в 20 мА, Scale Linear, затем нажать кнопку Axis Variable и для Trace Expression: набрать TR(R) и нажать OK. Выполните анализ и получите график II(R). Кривая начинается с нижней частотной границы в левой части экрана и при повышении частоты точка перемещается по часовой стрелке по овальной траектории. При перемещении с позиции 9 часов в позицию 3 часа проходится диапазон частот от 0 Гц (наш график фактически начинается при f=100 Гц) до резонансной частоты 2906 Гц. Вся нижняя половина круга приходится на диапазон от резонансной частоты до верхнего частотного предела в 10 кГц.

Распечатайте график для дальнейшего изучения. Обратите внимание, что вид графика к окружности можно менять соответствующим выбором границ на осях X и Y, хотя при этом можно потерять некоторую часть круга на экране или распечатанной копии. Этот график показан на рис. 2.26.

Рис. 2.26. Годограф проводимости для последовательного RLC-контура

Теперь удалите график, и выберите в качестве переменной по оси X частоту. Использование курсора для графика I(R) в функции частоты позволяет найти резонансную частоту.

Цепи переменного тока с несколькими источниками

Когда в схеме переменного тока имеется более одного источника питания, вы должны определить относительные фазовые углы источников. Обратите внимание, что в каждой команде, описывающей источник напряжения в примере на рис. 2.27, значение напряжения сопровождается значением фазового угла. Так, V2, амплитуда которого составляет 10 В, а начальный угол -90°, записывается как 10V-90. Ваше задание в этом примере состоит в том, чтобы найти ток через каждый из элементов С, L, и R и напряжение V(2). Входной файл:

AC Network with More Than One Source

V1 1 0 AC 20V 0

V2 0 4 AC 10V -90

V3 3 0 AC 40V 45

R 2 4 3

L 2 3 7.96mH

С 1 2 663uF

.AC LIN 1 60Hz 60Hz

.print ac i(C) iR(C) ii(C) ip(C)

.print ac i(L) iR(L) ii(L) ip(L)

.print ac i(R) iR(R) ii(R) ip(R)

.print ac v(2) vR(2) vi(2) vp(2)

.opt nopage

.end

Рис. 2.27. Схема с тремя источниками переменного напряжения 

Выполните моделирование в PSpice, и рассмотрите результаты, полученные в выходном файле. Каковы направления токов, которые были найдены? Чтобы понять это, вы должны учитывать описание элементов во входном файле. Например, команда, описывающая конденсатор, вводит узлы в последовательности 1, 2. Это означает, что на диаграмме цепи вы должны показать ток в направлении из узла 1 к узлу 2. Если вы этого не сделаете, решение будет неоднозначным. При просмотре команд для R и L, проставьте стрелки с направлением тока для этих элементов, чтобы получить однозначное решение. Рассмотрим выходной файл на рис. 2.28. Обратите внимание, что не интересующие нас в данном случае строки были удалены при редактировании. Это полезная практика при распечатке таких файлов.

**** 08/17/05 18:26:07 ******** Evaluation PSpice (Nov 1999)

AC Network with More Than One Sources

**** CIRCUIT DESCRIPTION

V1 1 0 AC 20V 0

V2 0 4 AC 10V -90

V3 3 0 AC 40V 45

R 2 4 3

L 2 3 7.96mH

C 1 2 663uF

.AC LIN 1 60Hz 60Hz

.print ac i(C) iR(C) ii(C) ip(C)

.print ac i(L) iR(L) ii(L) ip(L)

.print ac i(R) iR(R) ii(R) ip(R)

.print ac v(2) vR(2) vi(2) vp(2)

.opt nopage

.end

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG C

FREQ      I(C)       IR(C)      II(C)      IP(C)

6.000E+01 2.050E+00  8.907E-01 -1.846E+00 -6.424E+01

6.000E+01 8.243E+00 -8.238E+00  2.994E-01  1.779E+02

6.000E+01 9.377E+00  9.129E+00 -2.145E+00 -1.323E+01

6.000E+01 2.762E+01  2.739E+01  3.564E+00  7.414E+00

Рис. 2.28. Выходной файл для схемы на рис. 2.27

Трехфазные сети будут рассматриваться в следующем разделе. Исходные напряжения будут определены таким же способом, как в представленном примере.

Трансформаторы

При использовании трансформаторов в Spice необходимо при вводе этого элемента задать коэффициент самоиндукции каждой из двух обмоток (первичной и вторичной) и коэффициент связи k. На рис. 2.29 показана схема с источником напряжения 20 В частотой 1 кГц. Для трансформатора заданы следующие параметры: R1=20 Ом; L1=25 мГн; R2=20 Ом; L2=25 мГн и взаимная индуктивность М=20 мГн. Найдите токи в первичной и вторичной обмотках, мощность вторичной обмотки и мощность в полном сопротивлении нагрузки.

Рис. 2.29. Схема со взаимной индуктивностью

Коэффициент связи может быть найден из уравнения:

Для примера, это значение будет равно 20/25 или 0,8. Теперь вы готовы создать входной файл:

Circuit with Mutual Inductance

V1 1 0 AC 20V 0

R1 1 2 20

R2 3 4 20

L1 2 0 25mH

L2 3 0 25mH

RL 4 5 40

CL 5 0 5.3uF

K L1 L2 0.8

.AC LIN 1 1kHz 1kHz

.print ас i(R1) iR(R1) ii(R1)

.print ac i(R2) iR(R2) ii(R2)

.opt nopage .end

Выполните анализ и распечатайте копию выходного файла. Убедитесь, что первичный ток равен (0,1767–0,1441), а вторичный ток составляет (0,1979–0,04904) А. Обратите внимание, что эти ответы даны просто как упорядоченные пары для реальных и мнимых компонентов. Результаты не дают желательных мощностей непосредственно, так как команды .PRINT не могут содержать выражений типа I*I*R. Используйте калькулятор, чтобы проверить, что мощность вторичной обмотки равна 2,49 Вт, а мощность полного сопротивления нагрузки — 1,66 Вт.

В некоторых трансформаторных схемах важно обозначить начала обмоток (обычно они обозначаются точками). В этом примере точками обозначены начало первичной обмотки L1, подключенное к узлу 2, и начало вторичной обмотки L2, подключенное к узлу 3. Таким образом, точками отмечены узлы, указанные первыми для каждой индуктивности L.

Реакция в частотной области для цепей настройки частоты

Схемы настройки используются в различных электронных устройствах, которые находят применение в радио и телевидении. Параллельно трансформаторным обмоткам подключаются конденсаторы, чтобы создать резонансные контуры. Вблизи резонансной частоты во вторичный контур передается большая мощность, при удалении от резонансной частоты эта мощность падает. На рис. 2.30 показана типовая схема, питающаяся от источника переменного тока: I=19,6 мА; R1=R2=1 Ом; L1=L2=25 мГн; C1=С2=1,013 мкФ; RL=5 кОм и k=0,05. Резонансная частота LC-цепи составляет f0=1 кГц.

Рис. 2.30. Схема подстройки частоты с индуктивной связью 

Интересно исследовать поведение схемы при частотах, близких к резонансной. Это можно осуществить, используя следующий входной файл:

Frequency Response of Tuned Circuit with Mutual Inductance

I 0 1 AC 19.6mA

R1 1 2 1

R2 3 4 1

L1 2 0 25mH

L2 4 0 25mH

RL 3 0 5k

K L1 L2 0.05

C1 1 0 1.013uF

C2 3 0 1.013uF

.AC LIN 401 800Hz 1200Hz

.PROBE

.END

Будем изменять частоту в диапазоне от 800 до 1200 Гц. Проведите анализ и получите график V(3) в этом диапазоне частот. Используя линейную шкалу по оси X, исследуйте форму напряжения на нагрузке. Обратите внимание, что оно повышается с обеих сторон от резонансной частоты. Распечатайте полученный график для дальнейшего изучения (см. рис. 2.31).

Рис. 2.31. Амплитудно-частотная характеристика подстроечного контура

Величина k, равная 0,05 в этом примере, называется коэффициентом связи. Она определяет используемую полосу частот, в которой мощность передается с небольшим ослаблением. Когда напряжение падает ниже 0,7 от максимального значения, мы выходим за границы пригодной для использования полосы частот. Можете вы определять ширину полосы частот для данной схемы подстройки? Воспользуйтесь курсором, чтобы проверить, что V(3)=74,321 В и f=980 Гц в точке максимума. 70 % от этого значения составляют 52 В; этот уровень достигается при частотах f1=970 Гц, f2=1032 Гц, давая ширину полосы пропускания BW=62 Гц.

Задайте во входном файле новое значение k=0,03. Выполните моделирование снова и обратите внимание, что пик стал выше, а ширина полосы пропускания уменьшилась. В этом случае пик V(3)=82,156 В, самое большое пиковое значение напряжения на нагрузке будет достигнуто при значении k, дающем критическую связь (для этой схемы при k=0,0155). Выполните моделирование, еще раз при этом значении k. Убедитесь, что в максимуме V(3)=99,238 В.

Трехфазные цепи переменного тока

Трехфазные схемы переменного тока могут быть рассчитаны по той же методике, что и однофазные, если нагрузка в каждой фазе одинакова (симметричная нагрузка). Когда нагрузка несимметрична, решение становится более сложным. В этом примере приводится метод решения для случая несимметричной нагрузки (рис. 2.32).

Рис. 2.32. Схема несимметричной трехфазной нагрузки

В этой задаче полные сопротивления ветвей нагрузки, включенной по схеме треугольника, равны: Zab=25∠40° Ом; Zbc=10∠0° Ом и Zca=20∠-60° Ом. Линейные напряжения равны 200 В при частоте 60 Гц. Фазовый угол для Vab равен 0°, и используется прямая последовательность фаз. Это означает, что Vab=200∠0° В, Vbc=200∠-120° В и Vca=200∠120° В.

Начните решение с определения значений L и С. Они легко находятся вручную при известных значениях полных сопротивлений и частоты. Включите в ветви источников питания маленькие сопротивления, хотя в условии задачи они отсутствуют. Если этого не сделать, PSpice даст сообщение об ошибках, указывающее наличие петли напряжений. Сопротивления в линии включены, чтобы позволить вам находить линейные токи. На рис. 2.33 показана скорректированная схема. Входной файл для нее будет иметь вид:

Three Phase Unbalanced Load

VAB 12 2 AC 200V 0

VBC 20 0 AC 200V -120

VCA 10 1 AC 200V 120

RS1 12 1 0.01

RS2 20 2 0.01

RS3 10 0 0.01

RA 1 3 0.01

RB 2 4 0.01

RC 0 5 0.01

RAB 3 34 19.15

LAB 34 4 42.627mH

RBC 4 5 10

RCA 3 35 10

CCA 35 5 153.15uF

AC LIN 1 60Hz 60Hz

.print ac i(RA) iP(RA) iR(RA) ii(RA)

.print ac i(RB) iP(RB) iR(RB) ii(RB)

.print ac i(RC) iP(RC) iR(RC) ii(RC)

.opt nopage

.end

Рис. 2.33. Схема на рис. 2.32, скорректированная для проведения анализа на PSpice 

Выполните анализ на PSpice и проверьте токи, показанные в выходном файле на рис. 2.34. Например, I(RA)=(16,09∠-5,136)=16,89 -17,7° А. Обратите внимание, что величина тока, обозначенная в выходном файле как I(RA), могла бы также быть определена как IM(RA). Покажите направления для каждого из токов на вашей схеме; без этого решение остается неопределенным. В качестве проверки добавьте линейные токи, чтобы видеть, что их сумма равна нулю. Учтите, что в результатах могут быть небольшие ошибки округления. 

Three Phase Unbalanced Load

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VAB 12 2 AC 200V 0

VBC 20 0 AC 200V - -120

VCA 10 1 AC 200V 120

RS1 12 1 0.01

RS2 20 2 0.01

RS3 10 0 0.01

RA 1 3 0.01

RB 2 4 0.01

RC 0 5 0.01

RAB 3 34 19.15

LAB 34 4 42.627mH

RBC 4 5 10

RCA 3 35 10

CCA 35 5 153.15uF

.AC LIN 1 60Hz 60Hz

.print ac i(RA) iP(RA) iR(RA) ii(RA)

.print ac i(RB) iP(RB) iR(RB) ii(RB)

.print ac i(RC) iP(RC) iR(RC) ii(RC)

. opt nopage

.end

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(RA)      IP(RA)    IR(RA)     II(RA)

6.000E+01 1.639E+01 -1.770E+01 1.609E+01 -5.136E+00

FREQ      I(RB)      IP(RB)     IR(RB)     II(RB)

6.000E+01 2.016E+01 -1.430E+02 -1.609E+01 -1.215E+01

FREQ      I(RC)     IP(RC)     IR(RC)    II(RC)

6.000E+01 1.728E+01 9.001E+01 -3.292E-03 1.728E+01

Рис. 2.34. Выходной файл для схемы на рис. 2.33

Исправление коэффициента мощности

Ток, потребляемый асинхронным двигателем, можно снизить, подключив к сети конденсатор. Проведем некоторые предварительные вычисления, рассматривая асинхронный двигатель в 5 лошадиных сил, который потребляет 53 А при 117 В при КПД 78,5 %. Входная мощность двигателя равна:

Полная мощность равна:

S = VI = 117·53 = 6,2 кВ·А. 

По известным значениям Р и S можно найти реактивную мощность Q из треугольника мощностей:

S = P + JQ.

что дает для реактивной мощности

Q = 3,985 кВАР.

Сопротивление двигателя равно:

Реактивное сопротивление двигателя равно:

При частоте f=60 Гц это соответствует индуктивности

После решения задачи вручную может показаться, что здесь не требуется анализ на PSpice. Однако компьютерный анализ будет полезен, чтобы увидеть влияние подключения линейных конденсаторов. Обратимся к рис. 2.35, на котором показаны R и L для двигателя, наряду с двумя резистивными датчиками RA и RB. Их роли станут очевидными, когда мы добавим в схему конденсатор.

Рис. 2.35. Схема для анализа улучшения коэффициента мощности

Необходимо получить входной файл, который покажет общий ток и токи ветвей в зависимости от приложенного напряжения:

Single-Phase Motor, 5 hp

V 1 0 AC 117V

RA 1 2 0.01

RB 2 3 0.01

R 3 0 2.88

L 3 0 9.12mH

.AC LIN 1 60Hz 60Hz

.print ac i(RA) iP(RA) i(RB) iP(RB)

.print ac i(R) iP(R)

.print ac i(L) iP(L)

.opt nopage

.end

Выходной файл покажет следующие значения токов:

I(RA)=5.263Е+01, IP(RA)= -3.962Е+01

I(RB)=5.263E+01, IP(RB)= -3.962E+01

I(R) =4.034E+01, IP(R) = 3.310E-01

Значение линейного тока I(RA) близко к рассчитанному значению 53 А при фазовом угле, близком -40°. Коэффициент мощности pf (power factor) найден как косинус угла между векторами линейного тока и линейного напряжения:

pf = cos(-40°) = 0,76.

Сумма векторов токов ветвей (токи через R и L двигателя) равна линейному току. Теперь просто показать эффект подключения конденсатора между линиями (между узлами 2 и 0). Добавим во входной файл команду

С 2 0 380uF

и изменим одну из команд печати, чтобы включить в выходной файл ток через конденсатор. Теперь выполните анализ снова. Выходной файл покажет следующее:

I(RA) = 4.411Е+01, IP(RA) =-2.299Е+01

I(RB) = 5.296Е+01, IP(RB) = -3.993Е+01

I(C) = 1.676Е+01, IP(C) = 9.001Е+01

I(R) = 4.060E+01, IP(R) = 2.510E-02

I(L) = 3.401E+01, IP(L) = -8.997E+01

Мы видим, что линейный ток I(RA) уменьшился до 44,11 А при отстающем угле ≈23°, ясно показывая эффект повышения коэффициента мощности. Коэффициент мощности теперь равен

pf = cos(-23°) = 0,92.

Конденсатор проводит ток 16,76 А с фазовым углом 90°, вызывая изменение линейного тока. Обратите внимание, что ток через резистор датчика RB равен прежнему значению линейного тока, как и следовало ожидать.

Исправление коэффициента мощности в трехфазных цепях

На рис. 2.36 компонентами, показанными справа, представлен трехфазный двигатель, включенный по схеме треугольника. Компоненты R1, и L1 — это, соответственно, сопротивление и индуктивность двигателя «на фазу». Другие фазы имеют те же значения компонентов.

Рис. 2.36. Трехфазный двигатель, подключенный по схеме треугольника

В каждую из линий трехфазной сети включены резисторы, понижающие линейное напряжение. Во входной файл включены команды, обеспечивающие вывод различных напряжений и токов. Он показан в составе выходного файла на рис. 2.37.

Circuit for Power-Factor correction 

VAB 12 2 AC 240V 0

VBC 20 0 AC 240V - -120

VCA 10 1 AC 240V 120

RS1 12 1 0.01

RS2 20 2 0.01

RS3 10 0 0.01

RA 1 3 0.01

RB 2 4 0.01

RC 0 5 0.01

R1 3 2B 2.5

R2 5 0С 2.5

R3 4 1A 2.5

L1 1A 3 9.28MH

L2 2B 5 9.28MH

L3 0С 4 9.28MH

.AC LIN 1 60HZ 60HZ

.PRINT AC I(RA) IP(RA)

.PRINT AC I(RB) IP(RB)

.PRINT AC I(RC) IP(RC)

.PRINT AC I(R1) IP(R1)

.PRINT AC I(R2) IP(R2)

.PRINT AC I(R3) IP(R3)

.PRINT AC V(1A, 2B) VP(1A,2B)

.PRINT AC V(2B,0C) VP(2B,0C)

.PRINT AC V(0C,1A) VP(0С,1А)

.OPT NOPAGE

.END

FREQ      I(RA)      IP(RA)

6.000E+01 9.615E+01 -8.402E+01

FREQ      I(RB)     IP(RB)

6.000E+01 9.615E+01 1.560E+02

FREQ      I(RC)     IP(RC)

6.000E+01 9.615E+01 3.598E+01

FREQ      I(R1)      IP(R1)

6.000E+01 5.551E+01 -1.140E+02

FREQ      I(R2)     IP(R2)

6.000E+01 5.551E+01 5.981E+00

FREQ      I(R3)     IP(R3)

6.000E+01 5.551E+01 1.260E+02

FREQ      V(1A,2B)   VP(1A,2B)

6.000E+01 3.220E+02 -1.316E+02

FREQ      V(2B,0C)   VP(2B,0C)

6.000E+01 3.220E+02 -1.157E+01

FREQ      V(0C,1A)  VP(0С,1А) 

6.000E+01 3.220E+02 1.084E+02

Рис. 2.37. Выходной файл для анализа схемы на рис. 2.36

Обратите внимание на порядок следования индексов в каждой инструкции. Для каждого пассивного элемента индексы находятся в соответствии с направлениями токов, показанными на рис. 2.36. Векторная диаграмма токов и напряжений показана на рис. 2.38. Угол между напряжением фазы V(1a, 2b) и током фазы I(R1) равен: 3,22+51,23=54,45°. Ток отстает от напряжения на 54,45°. Косинус этого угла — коэффициент мощности

pf = cos(-54,45°) = 0,581.

Рис. 2.38. Векторная диаграмма токов и напряжений в схеме на рис. 2.36

Мы собираемся улучшить коэффициент мощности, включив в схему батарею конденсаторов, как показано на рис. 2.39. Изменим входной файл, чтобы показать присутствие конденсаторов. После выполнения анализа на PSpice результаты должны быть такими, как показано на рис. 2.40.

Рис. 2.39. Схема питания трехфазного двигателя с конденсаторами для исправления коэффициента мощности

Circuit for Power-Factor correction

VAB 12 2 AC 240V 0

VBC 20 0 AC 240V -120

VCA 10 1 AC 240V 120

RS1 12 1 0.01

RS2 20 2 0.01

RS3 10 0 0.01

RA 1 3 0.01

RB 2 4 0.01

RC 0 5 0.01

R1 3 2B 2.5

R2 5 0C 2.5

R3 4 1A 2.5

L1 1a 3 9.28mH

L2 2b 5 9.28mH

L3 0c 4 9.28mH

C1 la 2b 150uF

C2 2b 0c 150uF

C3 0c 1a 150uF

.AC LIN 1 60HZ 60HZ

.PRINT AC I(RA) IP(RA) I(C1) IP(C1)

.PRINT AC I(RB) IP(RB) I(C2) IP(C2)

.PRINT AC I(RC) IP(RC) I(C3) IP(C3)

.PRINT AC I(R1) IP(R1)

.PRINT AC I(R2) IP(R2)

.PRINT AC I(R3) IP(R3)

.PRINT AC V(1A,2B) VP(1A,2B)

.PRINT AC V(2B, 0C) VP(2B,0C)

.PRINT AC V(0C,1A) VP(0С,1A)

.OPT NOPAGE 

.END

FREQ      I(RA)      IP(RA)    I(C1)      IP(C1)

6.000E+01 9.257E+01 -9.335E+01 2.152E+01 -6.090E+01

FREQ      I(RB)     IP(RB)    I(C2)     IP(C2)

6.000E+01 9.257E+01 1.467E+02 2.152E+01 5.910E+01

FREQ      I(RC)     IP(RC)    I(C3)     IP(C3)

6.000E+01 9.257E+01 2.665E+01 2.152E+01 1.791E+02

FREQ      I(R1)      IP(R1)

6.000E+01 4.749E+01 -1.470E+02

FREQ      I(R2)      IP(R2)

6.000E+01 4.749E+01 -2.704E+01

FREQ      I(R3)     IP(R3)

б.000E+01 4.749E+01 9.296E+01

FREQ      V(1A,2B)   VP(1A,2B)

6.000E+01 3.806E+02 -1.509E+02

FREQ      V(2B,0C)   VP(2B,0C)

6.000E+01 3.806E+02 -3.090E+01

FREQ      V(0С,1A)  VP(0С,1A)

6.000E+01 3.806E+02 8.910E+01

Рис. 2.40. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 2.39

Мы видим, что каждый из линейных токов уменьшился после включения в схему конденсаторов с 92,64 до 75,51 А. Уменьшение тока сопровождается улучшением коэффициента мощности. Коэффициент мощности найдем по прежней методике. Напряжение фазы примем равным V(1a, 2b)=230∠2,26° В, ток фазы найдем (косвенно) из тока I(RA)=75,52∠-72,2° А. Так как это линейный ток, соответствующий ток фазы имеет величину

при фазовом угле –42,2°. Этот угол мы получили, прибавив 30° к углу линейного тока. И величина и угловые значения справедливы для симметричной нагрузки. Угол коэффициента мощности равен 2,26°+42,2°=44,46°. Коэффициент мощности:

pf = cos (-44,46°) = 0,581Р = 0,71.

При несимметричных нагрузках применяется другой подход к нахождению тока фазы, при котором складываются ток в одной фазе нагрузки и соответствующий ток в конденсаторе. Таким образом, складывая I(R1) и I(С1), мы получаем:

I(R1) + I(C1) = 53,53∠-52,19° + 13,02∠92,226° = 43,6∠-42,18° A.

в соответствии с предыдущими вычислениями. В отсутствие конденсаторов коэффициент мощности составлял 0,58.

В случае необходимости можно легко выполнить анализ на PSpice с другими значениями емкости для сравнения.

Трехфазный выпрямитель

На рис. 2.41 показан трехфазный выпрямитель, соединенный в звезду. Все фазные напряжения имеют максимальное значение 10 В при частоте 60 Гц. Схема обеспечивает режим без пауз тока в нагрузке. Входной файл:

Three-Phase Rectifier

v1 1 0 sin(0 10V 60Hz 0 0 0)

v2 2 0 sin(0 10V 60Hz 0 0 -120)

v3 3 0 sin(0 10V 60Hz 0 0 120)

DA 1 4 D1

DB 2 4 D1

DC 3 4 D1

RL 4 0 100

.MODEL D1 D

.TRAN 0.1us 33.33ms

.PROBE

.END

Рис. 2.41. Трехфазный выпрямитель

Выполните анализ, воспользовавшись программой Probe, и проверьте результаты, показанные на рис. 2.42. Затем удалите графики напряжений и получите график тока нагрузки I(RL). Убедитесь, что он изменяется между минимальным значением 43,5 мА и максимальным значением 92,3 мА.

Рис. 2.42. Форма напряжений в схеме на рис. 2.41, полученная в программе Probe

Команда .MODEL используется, чтобы описать диод. Диод один из многих приборов, поддерживаемых PSpice. Имя DI определяется нашим выбором, но буква D в начале обозначения требуется всегда и не может быть заменена другой. Команды, вводящие три одинаковых диода, устанавливают, что DA, DB и DC основаны на том же самом типе диода, который мы применяли ранее для DI. Для других примеров обратитесь к приложению В.

Регулировка напряжения в трехфазных системах

Мощная фидерная линия должна быть спроектирована так, чтобы падение напряжения между источником и нагрузкой не превышало предельного значения. Часто разрешается использовать падение напряжения для регулировки напряжения на нагрузке в пределах 5 или менее процентов. Схема на рис. 2.43 используется, чтобы иллюстрировать требования к регулированию напряжения. Мы видим, что в каждую линию включены сопротивление и индуктивность. Будет ли желательное регулирование напряжения достигнуто при R=0,077 Ом и L=0,244 мГн в линии фидера? Воспользуемся моделированием PSpice, чтобы найти напряжение на нагрузке.

Рис. 2.43. Схема для иллюстрации регулирования напряжения

Нагрузка, соединенная в звезду, представляет собой трехфазный двигатель, предназначенный для питания от сети 440 В, 60 Гц. Исходное линейное напряжение составляет 460 В, откуда фазное напряжение:

Входной файл не требует никаких дополнительных пояснений. Он показан на рис. 2.44 вместе с результатами анализа. Процент регулирования напряжения ΔV равен:

Voltage Regulation for Three-Phase Load

VA 1 0 AC 265.58V 0

VB 5 0 AC 265.58V -120

VC 9 1 AC 265.58V 120

R1 1 2 0.077

R2 5 6 0.077

R3 9 10 0.077

L1 2 3 0.244mH

L2 6 7 0.244mH

L3 10 11 0.244mH

RL1 4 0 2.7

RL2 8 0 2.7

RL3 12 0 2.7

LL1 3 4 6.12mH

LL2 7 8 6.12mH

LL3 11 12 6.12mH

.AC LIN 1 60HZ 60HZ

.PRINT AC I(R1) IP(R1) I(R2) IP(R2)

.PRINT AC I(R3) IP(R3)

.PRINT AC V(3) VP(3) V(7) VP(7)

.PRINT AC V(11) VP(11)

.OPT NOPAGE

.END

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(R1)      IP(R1)    I(R2)      IP(R2)

6.000E+01 7.237E+01 -4.083E+01 7.237E+01 -1.608E+02

FREQ      I(R3)     IP(R3)

6.000E+01 7.237E+01 1.917E+01

FREQ      V(3)       VP(3)     V(7)       VP(7)

6.000E+01 2.570E+02 -3.108E-01 2.570E+02 -1.203E+02 

FREQ      V(11)     VP(11)

6.000E+01 2.570E+02 5.969E+01

Рис. 2.44. Выходной файл при моделировании схемы на рис. 2.43

Двухфазные системы

Проведем анализ двухфазной системы, скорее всего, для удовлетворения собственного любопытства, пользуясь тем, что его очень легко реализовать на PSpice. На рис. 2.45 приведена такая схема, где полные сопротивления нагрузки равны Z=(25+j50) Ом для каждой фазы.

Рис. 2.45. Двухфазная схема

Two-Phase System

V1 1 0 AC 120 0

V2 2 0 AC 120 -90

R1 1 3 0.10

R2 2 7 0.10

R3 0 5 0.10

RL1 3 4 25

RL2 7 6 25

L1 4 5 0.133H

L2 6 5 0.133H

.AC LIN 1 60HZ 60HZ

.PRINT AC V(3,5) VP(3,5)

.PRINT AC V(7,5) VP(7,5)

.PRINT AC I(RL1) IP(RL1)

.PRINT AC I(RL2) IP(RL2)

.PRINT AC I(R3) IP(R3)

.OPT NOPAGE

.END

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      V(3,5)    VP(3,5)

6.000E+01 1.200E+02 2.284E-01

FREQ      V(7,5)     VP(7,5)

6.000E+01 1.196E+02 -8.986E+01

FREQ      I(RL1)     IP(RL1)

6.000E+01 2.142E+00 -6.327E+01

FREQ      I(RL2)     IP(RL2)

6.000E+01 2.135E+00 -1.534E+02

FREQ      I(R3)     IP(R3)

6.000E+01 3.022E+00 7.178E+01

Рис. 2.46. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 2.45

При частоте 60 Гц, реактивное сопротивление 50 Ом соответствует индуктивности L=0,133 Гн. Входной файл включен в рис. 2.46, который показывает выходные напряжения и токи. Фазные напряжения на нагрузке имеют почти одинаковые значения (120 В) и сдвинуты приблизительно на 90°. Линейные токи I(RL1) и I(RL2) также имеют почти равные значения (2,15 А) и сдвинуты приблизительно на 90°. Обратите внимание на ток I(RL1), сдвинутый на угол -63,27°, который является также фазовым углом для полного сопротивления нагрузки. Ток нейтрали I(R3) более чем в два раза превышает линейные токи:

Z = R + jXL = 25 + j50 = 55,9∠63,4°Ом.

Нарисуйте векторную диаграмму, показав фазные напряжения на нагрузке и каждый из трех линейных токов.

Интересно посмотреть, что получится, если увеличить сопротивление в каждой линии. Установим для R1, R2 и R3 значения сопротивлений в 10 Ом и выполним моделирование снова. Новый выходной файл показан на рис. 2.47. Обратите внимание, что V(3,5)=111∠19,3° и V(7,5)=89,1∠-82,2°. Напряжения теперь несбалансированы и сдвинуты на 105,5°. Линейные токи также несбалансированы, и снова ток нейтрали больше, чем любой из двух других токов.

Two-Phase System with Large Values of Line Resistance

V1 1 0 AC 120 0

V2 2 0 AC 120 -90

R1 1 3 10

R2 2 7 10

R3 0 5 10

RL1 3 4 25

RL2 7 6 25

L1 4 5 0.133H

L2 6 5 0.133H

.AC LIN 1 60HZ 60HZ

.PRINT AC V(3,5) VP(3,5)

.PRINT AC V(7,5) VP(7,5)

.PRINT AC I(RL1) IP(RL1)

.PRINT AC I(RL2) IP(RL2)

.PRINT AC I(R3) IP(R3)

.OPT NOPAGE

.END

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      V(3,5)    VP(3,5)

6.000E+01 1.110E+02 1.926E+01

FREQ      V(7,5)     VP(7,5)

6.000E+01 8.909E+01 -8.220E+01

FREQ      I(RL1)     IP(RL1)

6.000E+01 1.981E+00 -4.424E+01

FREQ      I(RL2)     IP(RL2)

6.000E+01 1.590E+00 -1.457E+02

FREQ      I(R3)     IP(R3)

6.000E+01 2.280E+00 9.265E+01

Рис. 2.47. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 2.45 при увеличенных сопротивлениях

Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

С[имя] <+узел> <-узел> <значение>

Например, запись

С 4 5 0.5uF

показывает, что конденсатор емкостью 0,5 мкФ включен между узлами 4 и 5. При другой форме ввода в конце строки добавляется запись значения IС для того, чтобы ввести начальное значение напряжения на конденсаторе.

Например, запись

С 4 5 0.5uF IС 5 3V

показывает, что на конденсаторе имеется начальное напряжение в 3 В, причем положительный потенциал на узле 4.

I[имя] <+узел> <-узел> АС <амплитуда> [<фаза>]

Например, запись

IS 1 2 АС 0.35 45

указывает, что источник переменного тока 350 мА включен между узлами 1 и 2 и его начальный фазовый угол равен 45°. Помните, что значения токов и напряжений по умолчанию задаются для постоянного тока. В иных случаях это должно быть специально указано (как в нашем случае записью АС).

K[имя] L [имя] L [имя] <значение коэффициента связи>

Например,

K L1 L2 0.1

указывает, что схема с индуктивной связью, возможно, трансформатор, имеет две связанные катушки индуктивности L1 и L2. Коэффициент связи k=0,1. Другая форма этой команды, которая касается схемы с индуктивной связью на магнитном сердечнике, будет представлена позже.

L[имя] <+узел> <-узел> <значение>

Например, запись

L1 3 0 2 5mH

указывает, что катушка индуктивности 25 мГн включена между узлами 3 и 0. Чтобы показать начальный ток, используйте IС значение в конце строки.

V[имя] <+узел> <-узел> АС <амплитуда> [<фаза>]

Например, запись

V2 4 1 АС 110 120

указывает, что источник переменного напряжения амплитудой 110 В с фазовым углом 120 включен между узлами 4 и 1.

Команды, начинающиеся с точки, используемые в данной главе

.AC [LBS] [ОСТ] [DEC] <точки> <f start> <f end>

Например, запись

.AC DEC 2 0 1kHz 1MEG

указывает, что PSpice будет выполнять моделирование с частотой в качестве переменной. Частотный диапазон — от 1 кГц до 1 МГц — использует 20 точек на декаду. Если выбрана опция LIN (вместо опции DEC), значение числа точек представляет общее количество точек в частотном диапазоне.

.MODEL <название> <тип> [<param> = <значение>] < toI]>]

Эта команда может использоваться для модели любого из элементов, доступных в PSpice: резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов, диодов, транзисторов (биполярных или полевых) и других устройств. Имя элемента для диода должно начинаться с D и может быть DI, D2, DA, и так далее. Тип прибора должен быть выбран из приведенных в разделе .MODEL приложения В: например, RES для резистора, IND для катушки индуктивности и D для диода.

.PRINT <[DC] [AC] [NOISE] [TRAN]> <output variable list>

Например, при использовании команды

.PRINT AC V(2) V(5,4) VP(5,4) I(R1) IP(R1)

в выходном файле, использующем показанные значения для переменного тока, будут выведены следующие величины: V(2) даст величину V2; V(5,4) даст величину V54; I(R1) будет давать величину тока через резистор R1 и IP(R1) даст угол фазы тока через R1. Обратите внимание, что должен быть выбран один (и только один) из пунктов в списке DC, AC, NOISE и TRAN.

.PROBE

Эта команда описывалась в главе 1, но здесь приводится более подробное описание. Когда Вы включаете команду .Probe во входной файл и выполняете моделирование на PSpice, наряду с файлом данных будет создан выходной файл. Выходной файл — это текстовый файл с расширением *.out, а файл данных имеет расширение *.dat. Это не текстовый файл, но он содержит информацию, необходимую программе Probe, чтобы построить желательные графики. Другой файл с расширением *.prb содержит текст, который необходимо направить в программу Probe. Программа Probe начинается автоматически, когда команда .Probe включена в схемный файл. Появившийся экран содержит главное меню со следующими пунктами:

File Edit View Simulation Trace Plot Tools Window Help

Оно сопровождается двумя строками пиктограмм, которые могут использоваться вместо меню для таких функций, как открытие файлов, печать графиков, нахождение максимальных и минимальных значений и других. 

Первое, что необходимо сделать в Probe, это выбрать Trace, Add Trace, затем выбирать переменные из списка Simulation Output Variables в столбце слева. Столбец справа содержит список Functions или Macros. Если вы получили график, который необходимо сохранить, выберите File, Print, чтобы получить, отпечатанную версию экрана. Графики, приведенные в этой книге, были получены таким способом. Любой лазерный принтер, например один из серии HP Laser Jet фирмы HEWLETT-PACKARD, может распечатать график. Менее удовлетворительные результаты могут быть получены с некоторыми струйными принтерами типа HEWLETT-PACKARD DeskJet.

Задачи

2.1. Найти эквивалентное полное сопротивление схемы, показанной на рис. 2.48 со стороны источника. Так как индуктивные и емкостные сопротивления даны в омах, используйте частоту f=5 кГц, чтобы найти значения L и С, необходимые во входном файле. Проверьте ваши результаты, с помощью стандартных методов расчета схемы.

Рис. 2.48

2.2. Схема, показанная на рис. 2.49, имеет низкую добротность. Найдите резонансную частоту с помощью частотных характеристик в диапазоне от 3 до 6 кГц. Проверьте что f0=3,56 кГц. Найдите ток при резонансе и минимальный ток. Какой частоте соответствует минимальный ток?

Рис. 2.49

2.3. Решите задачу 2.2 при значении R2=20 Ом.

2.4. В этой задаче исследуются изменения напряжения на R, L, и С вблизи резонанса. Параметры элементов показаны на рис. 2.50, f0=159,15 Гц. Сформируйте входной файл так, чтобы получить графики VR, VL и VC для частотного диапазона от 10 до 300 Гц. Покажите, что VRmax соответствует частоте f0 в то время как VLmax — ниже f0, a VCmax — выше f0.

Рис. 2.50

2.5. Для схемы, показанной на рис. 2.51, найдите полное сопротивление со стороны источника при f=1 кГц.

Рис. 2.51

2.6. Определите график изменения проводимостей для типичной схемы с двумя параллельными ветвями (рис. 2.52). Она подобна схеме, рассмотренной в примере данной главы. Проведите моделирование с использованием Probe и получите график IP(R), чтобы определить резонансную частоту. Затем получите карту проводимостей и найдите значения G и В при резонансе.

Рис. 2.52

2.7. Для схемы на рис. 2.53 найдите частоту, при которой V2=0,707 В для объяснения амплитудно-частотной характеристики (характеристики Боде) для V2/V1. Определите фазовый сдвиг при этой частоте.

Рис. 2.53 

2.8. Для схемы на рис. 2.54 найдите частоту, при которой выходное напряжение минимально, и значение напряжения при этой частоте (амплитуду и фазу). Найдите полосу частот, в которой выходное напряжение изменяется на 3 дБ или больше.

Рис. 2.54

2.9. На рис. 2.55 приведена схема с двойным резонансом. Она имеет ширину полосы пропускания в 150 кГц. Получите графики для схемы, которые подробно показывают амплитуду и фазу выходного напряжения в интересующей нас области.

Рис. 2.55. 

2.10. Для схемы на рис. 2.56 найти I1, I2 и напряжение V40 при частоте ω=1000 рад/с. Подсказка: так как значения реактивных сопротивлений не могут использоваться в PSpice непосредственно, рассчитайте значения L и С.

Рис. 2.56

2.11. Чтобы проверить ответы, полученные в задаче 2.10, найдите V20, затем используйте напряжение на L, чтобы найти ток i2. Сравните эти значения с результатами, полученными при решении задачи 2.10.

2.12. Для схемы, показанной на рис. 2.57, найдите i и V2. Преобразуйте источники тока в источники напряжения и проверьте ваши результаты с помощью ручного расчета.

Рис. 2.57

2.13. На рис. 2.58 показана схема индикатора последовательности фаз. R1 и R2 — сопротивления идентичных ламп накаливания. Даны значения: частота f=60 Гц, V12=100∠0° В и V23=100∠–120° В. Покажите с помощью анализа на PSpice, что последовательность фаз (которая, очевидно, является прямой ABC) может быть определена по относительной яркости ламп R1 и R2.

Рис. 2.58

2.14. Трехфазная несимметричная нагрузка, соединенная в звезду, подключена к симметричному трехфазному источнику питания с частотой 60 Гц: VAB=208∠0°, VBC=208∠-120° В и VCA=208∠120° В, полные сопротивления фазы ZA0=8∠30° Ом, ZB0=4∠-50° Ом, и ZCO=6∠20° Ом. Найдите три линейных тока и ток нейтрали. Подсказка: Из заданных полных сопротивлений определите значения X и R; затем преобразуйте каждое реактивное сопротивление X в L или С в зависимости от знака реактивного сопротивления. Убедитесь, что для фазы A: R=6,928 Ом и L=10,61 мГн; для фазы B: R=2,571 Ом, С=865,7 мкФ, а для фазы С: В=5,638 Ом и L=5,433 мГн. 

3. Транзисторные схемы

SPICE имеет встроенные модели для биполярных и полевых транзисторов. Эти модели сложнее, чем модели, используемые в традиционных курсах электроники. Обычно студенты изучают схемы смещения и схемы усиления отдельно. Такое построение материала позволяет дать студенту более полное понимание методики расчета цепей постоянного тока и анализа на переменном токе для биполярных и полевых транзисторов. Поэтому сначала лучше не использовать встроенные модели при анализе транзисторных схем. Вместо этого мы будем применять упрощенную модель для прямосмещенного транзистора на постоянном токе.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT) — первая тема, изучаемая в этой главе. На рис. 3.1 показана типичная схема смещения транзистора. Транзисторы типа npn кремниевые (Si) имеют коэффициент усиления в схеме с общим эмиттером (ОЭ) hFE=80 и напряжение база-эмиттер VBE=0,7 В (типовые значения для активной области). Никакая иная информации о транзисторе при анализе не используется. Параметры элементов схемы: R1=40 кОм; R2=5 кОм; RC=1 кОм, RE=100 Ом и VCC=12 В.

Рис. 3.1. Типовая схема смещения транзисторов

Модели, предназначенные для расчета смещения

Чтобы использовать анализ на PSpice, мы предлагаем вам разработать подходящую модель для BJT. Она позволит вам находить статические значения напряжений и токов в схеме смещения. На рис. 3.2 показана такая модель наряду с другими компонентами, необходимыми для анализа. Она содержит источник тока, управляемый током (ИТУТ или CDCS), F с коэффициентом передачи hFE и независимый источник напряжения VA, моделирующий напряжение на активной области VBE.

Рис. 3.2. Модель смещения для биполярного npn-транзистора

Входной файл для этой схемы имеет вид:

Transistor-Biasing Circuit

VCC 4 0 12V

VA 1 2 0.7V

F 3 2 VA 8

R1 4 1 40k

R2 1 0 5k

RC 4 3 1k

RE 2 0 100

.OP

.OPT nopage

.END

Выполните анализ на PSpice; затем убедитесь, что V(3)=7,961 В и V(2)=0,4089 В, давая VCE=V3-V2=7,552 В. Нарисуйте на схеме стрелки, указывающие условные направления токов, затем вычислите ток коллектора:

Он должен быть равен 4,039 мА. А чему равен ток базы? Вы должны получить по току источника напряжения IВ=50,49 мкА. Вычислите IВ, используя значение hFE и сравните полученное значение с этим ответом. Вычислите ток эмиттера: IE= V2/RE. Он должен быть равен 4,089 мА, IЕ=IB+IС. 

Если вас интересует получение токов непосредственно из результатов PSpice-анализа, вы можете использовать, как и ранее, команду печати с предварительной командой .DC, как показано в следующем входном файле: 

Transistor -Biasing Circuit with Current Shown in Output File

VCC 4 0 12V

VA 1 2 0.7V

F 3 2 VA 80

R1 4 1 40k

R2 1 0 5k

RC 4 3 1k

RE 2 0 100

.DC VCC 12V 12V 12V

.OP

.OPT nopage

.PRINT DC I(RC) I(RE) V(3,2)

.END

При этом должно получиться I(RC) = 4,039 мА, I(RE) = 4,089 мА и V(3,2) = = 7,552 В, как и в предварительных вычислениях. Обратите внимание: вычислить токи при первом анализе было достаточно легко. Не слишком больших дополнительных усилий требует получение тока и при анализе на PSpice, однако у вас есть выбор.

Условия насыщения

Необходимо предварительное замечание перед исследованием условий смещения, приводящих к насыщению транзистора. Из теоретического курса, посвященного изучению транзисторов, вы должны вспомнить, что значения hFE в активной области и в области насыщения неодинаковы. Это означает, что если происходит насыщение, предсказанное значение IC, вычисленное с использованием hFE, для активной области будет слишком велико. Вы должны иметь в виду, что если рассчитанное значение VCE падает ниже нескольких десятых вольта, значит достигнуто условие насыщения. Несколько задач в конце главы касаются вопросов смещения транзистора, приводящих к работе в активной области или в области насыщения.

Мы представили модель смещения для кремниевого npn-транзистора. Эта модель может использоваться с различными конфигурациями смещения и многокаскадными усилителями. А можете ли вы самостоятельно изменить модель так, чтобы она стала пригодной для анализа:

а) кремниевых pnp-транзисторов;

б) германиевых pnp-транзисторов?

Расчет смещения для германиевого транзистора

В качестве другого примера на рис. 3.3 показана схема смещения для германиевого pnp-транзистора с hFE=60 и VBE=-0,2 В. Значения параметров элементов схемы: RF=50 кОм; RE=50 Ом; RC=1 кОм и VCC=-12 В. Заменив транзистор моделью PSpice, мы получим схему на рис. 3.4. Сравните изменения в ИТУТ по отношению к предыдущему примеру. Так как это pnp-транзистор, изменилось направление стрелки внутри источника. Теперь решите, какую информацию вы хотели бы получить из PSpicе-анализа. Входной файл может быть, например, таким:

Transistor -Biasing Circuit for pnp Ge

VCC 4 0 12

VA 1 2 0.2

F 1 3 VA 60

RF 2 3 50k

RE 1 0 50

RC 3 4 1k

.DC VCC 12V 12V 12V

.OP

.OPT nopage

.PRINT DC I(RC) I(RE) I(RF)

.END

Рис. 3.3. Схема смещения для германиевого pnp-транзистора

Рис. 3.4. Модель смещения для германиевого pnp-транзистора

Проведите анализ; затем нарисуйте стрелки, показывающие условные направления токов для pnp-транзистора. Убедитесь, что IE=6,311 мА, а IВ=103,5 мкА. Почему некоторые из показанных токов резистора положительны, а другие отрицательны? Это необходимо согласовывать с порядком следования узлов в командах, вводящих R. Например, команда

RE 1 0 50

дает отрицательный ток I(RE). Это происходит потому, что ток в RE фактически течет от узла 0 к узлу 1. Внимательно следите за соответствием направления стрелок на схеме и порядком следования узлов в командах, вводящих резисторы во входном файле:

Transistor-Biasing Circuit for pnp Ge

VCC 0 4 12

VA 1 2 0.2

F 1 3 VA 60

RF 2 3 50k

RE 1 0 50

RC 3 4 1k

.DC VCC 12 12 12

.PRINT DC I(RC) I(RE) I(RF)

.OP

.OPT nopage

.END

Обратите внимание, что ток в RC на самом деле, скорее представляет собой ток эмиттера, чем ток коллектора. Вы понимаете почему? Ток коллектора показывается в выходном файле PSpice как ток источника тока, управляемого током, равный 6,208 мА. Сложите базовый ток с током коллектора и сравните сумму с током эмиттера.

Малосигнальная модель с h-параметрами для биполярных транзисторов

Точной моделью для биполярных транзисторов, широко используемой при анализе на малых сигналах, является модель в h-параметрах, показанная на рис. 3.5. Эта модель с соответствующими значениями используется для анализа схем с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) или общей базой (ОБ). Наша задача состоит в том, чтобы разработать версию этой модели, пригодную для использования в PSpice. Эта модель содержит ИТУТ для использования с hf и управляемого напряжением источника напряжения (ИНУН) для использования с hr. В модель на рис. 3.6 введен резистор RI для моделирования hi, E, чтобы определить hr, RO в качестве 1/h0, и F, чтобы определить hf.

Рис. 3.5. Модель в h-параметрах для транзистора

Рис. 3.6. Модель схемы с ОЭ, пригодная для анализа на PSpice

Анализ схем с общим эмиттером, использующий модель с h-параметрами

На рис. 3.7 приведена типовая схема усилителя с общим эмиттером (ОЭ), предназначенная для анализа. Более сложные схемы можно часто привести к этой форме, используя различные теоремы и методы упрощения. Заданы параметры элементов схемы: VS=1 мВ, RS=1 Ом, Ri=1,1 кОм (hie), hr=2,5·10-4 (коэффициент используется в Е), hf=50 (коэффициент используется в F), R0=40 кОм=1/h0, и RL=10 кОм. Источник V0=0 В необходим, чтобы создать независимый источник для команды ввода F.

Рис. 3.7. Модель схемы с общим эмиттером в h-параметрах, включающая источник питания и нагрузку

Хотя нас интересуют свойства схемы на малых сигналах, мы не будем использовать анализ для переменного тока. Причина состоит в том, что пока мы имеем дело с установившимися состояниями для малых сигналов переменного тока и в схеме отсутствуют реактивные элементы, мы можем использовать анализ PSpice на постоянном токе относительно амплитуд или действующих значений токов и напряжений. Программа PSpice не воспринимает разницы! В то же время вы должны понимать, что программа дает результаты для малых сигналов переменного тока и никак не учитывает постоянных напряжений и токов смещения.

Конечно, мы полагаем, что рабочая точка была выбрана правильно и работа происходит в активной области. Входной файл для анализа имеет вид: 

Small Signal Analysis of Transistor Circuit Using h Parameters

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 0 4 0 2.5E-4

F 4 0 V0 50

RS 1 2 1k

R1 2 3 1.1k

R0 4 0 40k

RL 4 0 10k

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) VS

.END

Выполните анализ и распечатайте выходной файл для дальнейшего изучения. Убедитесь, что Ib=0,5 мкА; Iс=20 мкА (вычисляется как (V)4/RL); полный коэффициент усиления по напряжению -200 (вычисляется как V(4)/VS); Ri=2 кОм и R0=8,4 кОм.

Поскольку Ri включает RS, каково входное сопротивление со стороны базы транзистора? Это Ri-Rs=1 кОм. Также, поскольку R0, включает RL, что является выходным сопротивлением со стороны коллектора (не включая RL)? Найдем его, используя проводимости: 1/R0=1,1905×10-4; вычтем из этой величины 1/RL=1×10-4, что даст 1/R'0=0,1905×10-4. Таким образом, R'0=52,5 кОм.

Коэффициент передачи по напряжению от базы на коллектор V(4)/V(2)=–400. Коэффициент усиления по току Ai=IL/IB=-20μkА/0,5μkА=-40. Выходной файл приведен на рис. 3.8.

Small-Signal Analysis of Transistor Circuit Using h Parameters

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 0 4 0 2,5E-4

F 4 0 V0 50

RS 1 2 1k

RI 2 3 1.1k

R0 4 0 40k

RL 4 0 10k

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) VS

.END

SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE   NODE  VOLTAGE   NODE  VOLTAGE

( 1)  .0010   ( 2) 500.0E-06 ( 3) -50.00E-06 ( 4) -.2000

( 3A) -50.00E-06

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS  -5.000E-07

V0   5.000E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 5.00E-10 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E

V-SOURCE -5.000E-05

I-SOURCE  5.000E-07

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME     F

I-SOURCE 2.500E-05

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/ VS = -2.000E+02

INPUT RESISTANCE AT VS = 2.000E+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 8.400E+03

Рис. 3.8. Выходной файл анализа для схемы на рис. 3.7

Подводя итог, заметим, что анализ PSpice избавил вас от ряда вычислений, но без понимания направлений токов и полярностей напряжений ваше решение будет не завершено. Вы должны понимать, что теория h-параметров сочетается здесь с моделью PSpice, которую мы разработали. Необходимо помнить, что определение h-параметров зависит от конфигурации схемы.

Некоторые авторы используют другие модели, не основанные на h-параметрах. Часто они являются более простыми, но менее точными. Однако у вас будет меньше проблем при анализе, чем в рассмотренном и в ряде последующих примеров.

В задаче на рис. 3.14 принят именно такой упрощенный вариант модели, и она служит введением в эту тему. Относительно просто разработать модели для схем ОБ и ОК. 

Анализ схем с общим коллектором, использующий модель с h-параметрами

Другой широко используемой схемой является схема с общим коллектором (ОК), показанная на рис. 3.9. Снова, как и в предыдущем примере, мы рассматриваем базовую схему, к которой с помощью теоремы Тевенина и других методов упрощения схем могут быть сведены более сложные задачи. Входной сигнал подан через RS на базу транзистора, а выходной снимается с эмиттера. На рис. 3.10 показана схема с моделью транзистора в h-параметрах. Схема почти идентична модели на рис. 3.7, но в ней должны использоваться h-параметры для схемы ОК. Это обеспечивается следующим входным файлом:

Common-Collector Circuit Analysis with h Parameters

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 0 4 0 1

F 4 0 V0 -51

RS 1 2 1k

RI 2 3 1.1k

RO 4 0 40k

RL 4 0 10k

.OP

.OPT nopage

.TF V (4) VS

.END

Рис. 3.9. Транзисторный усилитель с общим коллектором

Рис. 3.10. Модель схемы с общим коллектором в h-параметрах, включающая источник питания и нагрузку

Выполните анализ на PSpice и убедитесь, что V(4)/VS=0,9949; IL=0.949Е-8; Ib=2.438Е-9; AI=IL/Ib=40,8; R'0=40,97 Ом (включая RL) и R'i=410 кОм (включая Rs). Определите входное сопротивление со стороны базы и выходное сопротивление без учета RL. Они должны быть следующими: Ri=409,1 кОм и R0=41,14 Ом. Покажите направления токов на схеме и отметьте точки для определения входного и выходного сопротивлений. Обратите внимание, что коэффициент усиления по напряжению почти равен 1 без инвертирования фазы. Коэффициент усиления по току также не показывает инвертирования фазы. 

Анализ схем с общей базой, использующий модель с h-параметрами

В схеме с общей базой, показанной на рис. 3.11, используются те же значения для навесных компонентов, что и в предыдущих примерах. На рис. 3.12 приведена схема с h-параметрами. При использовании типичных h-параметров для схемы ОБ, входной файл примет вид:

Common-Base Circuit Analysis with h Parameters

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 0 4 0 2.9Е-4

F 4 0 V0 -0.98

RS 1 2 1k

RI 2 3 21.6

RO 4 0 2.0 4MEG

RL 4 0 10k

.OP

.OPT nopage .TF V(4) VS

.END

Рис. 3.11. Схема транзисторного усилителя с общей базой 

Рис. 3.12. Модель схемы с общей базой в h-параметрах, включающая источник питания и нагрузку

Выполните анализ и убедитесь, что AI=9,52; IL=0,95 мкА; Ie=0,976 мкА; R'i=1024 Ом и R'0=9,924 Ом. Определите Ri со стороны эмиттера и R0 без учета RL. Они должны быть Ri=24 Ом и R0=1,3 МОм. Покажите, что коэффициент передачи напряжения с эмиттера на коллектор равен AV=406.

На рис. 3.13 показан выходной файл PSpice для этого примера. Лишние строки были удалены из файла до распечатки.

*** 06/22/99 14:10:18 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998)

Common-Base Circuit Analysis with h Parameters

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS 1 0 1mV

VO 3 3A 0

E 2A 0 4 0 2.9E-4

F 4 0 VO -0.98

RS 1 2 1k

RI 2 3 21.6

RO 4 0 2.04MEG

RL 4 0 10k

.OP

.OPT nopage

.TF V(4)

VS .END

NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE   NODE VOLTAGE   NODE VOLTAGE

( 1)  .0010   ( 2) 23.85E-06 ( 3) 2.761E-06 ( 4) .0095

( 3A) 2.761E-06

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS  -9.762E-07

V0   9.762E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 9.76E-10 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME

V-SOURCE 2.761E-06

I-SOURCE 9.762E-07

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME      F

I-SOURCE -9.566E-07

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4/VS) = 9.520Е-10

INPUT RESISTANCE AT VS = 1.024E+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 9.924E+03

Рис. 3.13. Выходной файл при исследовании схемы на рис. 3.12

Итак, мы рассмотрели три базовые конфигурации транзисторных усилителей с общим эмиттером: ОЭ, ОК и ОБ. Для каждой из них получена модель, пригодная для анализа на PSpice. Мы использовали h-параметры, типичные для каждой конфигурации. Для анализа конкретных типов транзисторов необходимо иногда использовать другие значения параметров, которые можно найти в справочных данных на транзисторы.

Анализ схем для других конфигураций

Когда транзисторные схемы не упрощаются до базовых моделей (рис. 3.7, 3.10 и 3.12), необходимо соблюдать осторожность при размещении элементов между узлами, например, для резистора, включенного между коллектором и базой в схеме с ОК (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Схема усилителя с ОЭ с резистором обратной связи

Анализ цепей с использованием теоремы Миллера

Как показывает теория электронных схем, включение шунтирующих резисторов является простым средством для изменения коэффициента усиления. Резистор часто заменяется двумя другими резисторами при использовании теоремы Миллера. Если вы знакомы с теоремой Миллера, используйте ее, чтобы решить эту задачу вручную, что полезно перед проведением дальнейшего анализа. При использовании PSpice нет необходимости применять теорему Миллера. При наличии шунтирующего резистора в схеме h-параметры модели аналогичны показанным на рис. 3.15. Анализ на PSpice почти идентичен стандартному анализу схемы ОЭ.

Рис. 3.15. Модель усилителя ОЭ в h-параметрах с резистором связи

Входной файл становится следующим: 

Common-Emitter Circuit with Bridging Resistor

VS 1 0 1mV

VO 3 3A 0

E 3A 0 4 0 2.5Е-4

F 4 0 VO 50

RS 1 2 10k

RI 2 3 1.1k

RO 4 0 40k

RL 4 0 10k

RI 2 4 200k .OP

.OPT nopage

.TF V(4) VS

.END

Выполните анализ и получите выходной файл для сравнения с предыдущими результатами анализа схемы ОЭ. Проверьте значения параметров: AV=V(4)/VS=-12,7 (коэффициент передачи напряжения от источника к нагрузке); IL=-1,27 мкА и Ib=-33,02 нА, что приводит к коэффициенту усиления по току AI=IL/Ib=-38,46. Из полного входного сопротивления R'i=10,34 кОм вычислим входное сопротивление со стороны базы, а из полного выходного сопротивления R'0=2,834 кОм вычислим выходное сопротивление без учета RL. Они должны составлять Ri=340 Ом и R0=3,95 кОм. Если вы решили эту задачу с использованием теоремы Миллера, то сможете оценить, насколько проще получение того же результата при использовании PSpice. Чтобы не допустить ошибок при решении методом Миллера, необходимо быть очень внимательным.

Сравните результаты этого анализа с результатами для базового усилителя ОЭ (без шунтирующего резистора). Обратите внимание, что включение резистора вызывает увеличение входного и выходного сопротивлений. На рис. 3.16 приведен выходной файл.

Common-Emitter Circuit with Bridging Resistor **** CIRCUIT DESCRIPTION

VS 1 0 1mV

VO 3 2A 0

E 3A 0 4 0 2.5Е-4

F 4 0 V0 50

RS 1 2 10k

RI 2 3 1.1k

RO 4 0 40k

RL 4 0 10k

R1 2 4 200k

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) VS

.END

NODE VOLTAGE 1(1) .0010 ( ( 3A1-3.175E-06

L VOLTAGE 2) 33.15E-06

NODE VOLTAGE ( 3) -3.175E-06

NODE VOLTAGE ( 4) -.0127

VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT

VS

VO

-9.669E-( 3.302E-(

TOTAL POWER DISSIPATION 9.67E-11 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E

V-SOURCE -3.175E-06

I-SOURCE  3.302E-08

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME I-SOURCE 1.651E-06

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/VS = -1.270E+01

INPUT RESISTANCE AT VS = 1.034E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 2.534E+03

Рис. 3.16. Результаты анализа схемы на рис. 3.15

Дуальная теорема Миллера

Схемы другой конфигурации часто анализируются с использованием дуальной теоремы Миллера. На рис. 3.17 эмиттерный резистор Rе заменен двумя другими резисторами (один последовательно с базой, другой последовательно с коллектором). Если вы знакомы с этой методикой, используйте ее для решения этого примера, чтобы оценить ее преимущества. Затем сравните результаты с полученными при использовании PSpice.

Рис. 3.17. Усилитель ОЭ с резистором эмиттера

При анализе на PSpice вы не должны заменять Re. Схема, использующая модель в h-параметрах, показана на рис. 3.18. Входной файл имеет следующий вид:

Common-Emitter Amplifier with Emitter Resistor

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 4 5 4 2.5E-4

F 5 4 V0 50

RS 1 2 1k

RI 2 3 1.1k

RO 5 4 4 0k

RL 5 0 10k

RE 4 0 330

.OP

.OPT nopage

.TF V(5) VS

.END

Рис. 3.18. Модель усилителя ОЭ с резистором в цепи эмиттера для анализа на PSpice

Выполните анализ, получите распечатку выходного файла и убедитесь, что полный коэффициент усиления по напряжению: AV=V(5)/VS=-25,74; R'i=15,44 кОм и R'0=9,752 кОм. Вычислите и проверьте также параметры: AV (со стороны базы)=27,5; AI=IL/Ib=39,7; Ri=14,44 кОм (со стороны базы) и R0=393 кОм (без учета RL).

При этом анализе особый интерес представляет влияние Re на Ri и R0: Ri находится путем умножения на коэффициент (1+hfe)Re. Коэффициент усиления по напряжению обычно приблизительно соответствует выражению RL/RE. Выясните, насколько точно это для данного примера. На рис. 3.19 показан выходной файл.

Common-Emitter Amplifier with Emitter Resistor

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 4 5 4 2.5E-4

F 5 4 V0 50

RS 1 2 1k

RI 2 3 1.1k

RO 5 4 40k

RL5 0 10k

RE 4 0 330

.OP

.OPT nopage

. TF V(5) VS

.END

NODE VOLTAGE NODE  VOLTAGE   NODE VOLTAGE   NODE VOLTAGE

( 1) 0.010   ( 2)  935.2E-06 ( 3) 864.0E-06 ( 4) 670.6E-06

( 5) -.0257  ( 3A) 864.0E-06

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS   -6.477E-08

V0    6.477E-08

TOTAL POWER DISSIPATION 6.48E-11 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E

V-SOURCE -6.651E-06

I-SOURCE  6.477E-08

CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME

I-SOURCE 3.239E-06

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(5)/VS = -2.574E+01

INPUT RESISTANCE AT VS = 1.544E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(5) = 3.752Е+03

Рис. 3.19. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 3.18

Схема с общим коллектором, включающая коллекторный резистор

Другая схема, представляющая интерес, является разновидностью обычной схемы с ОК. Она содержит внешний коллекторный резистор, добавленный для защиты транзистора от короткого замыкания резистора в цепи эмиттера. Этот вариант схемы приведен на рис. 3.20, а модель PSpice показана на рис. 3.21. Если вы хотите анализировать эту схему вручную, присутствие RC представляет проблему, которая могла бы потребовать применения дуальной теоремы Миллера.

Рис. 3.20. Схема усилителя ОК с резистором в цепи коллектора

Рис. 3.21. Модель усилителя OK с резистором в цепи коллектора для анализа на PSpice

Обращение к формулам утомительно и не слишком способствует пониманию работы схемы. Рассмотрите входной файл, затем сравните результаты выходного файла с полученными для усилителя без RC.

Common-Collector Circuit with Collector Resistor

VS 1 0 1mV

V0 3 3A 0

E 3A 4 5 4 1

P 5 4 V0 -51

RS 1 2 1k

RI 2 3 1.1k

RC 4 0 1k

RO 5 4 40k

RL 5 0 10k .OP

.OPT nopage

.TF V(5) VS

.END

Выполните анализ и сравните результаты с теми, что получены для простого усилителя ОК. Вы увидите, что коэффициент усиления по напряжению почти идентичен в обоих случаях и что входное и выходное сопротивления изменяются также немного. Мы установили, что введение RC в схему почти не влияет на ее работу.

Усилители с высоким входным сопротивлением

Если вам необходим усилитель с высоким входным сопротивлением, можно применить схему Дарлингтона (рис. 3.22). Эта схема состоит из двух транзисторов с объединенными коллекторами, размещаемых часто в одном корпусе. Можно считать, что в цепь эмиттера первого каскада включен бесконечно большой внешний резистор Re1=∞. Использование модели с h-параметрами для каскадов ОК приводит к модели, показанной на рис. 3.23, которой соответствует входной файл:

Darlington-Pair (High-Input-Resistance) Amplifier

VS 1 0 1mV

V01 3 3A 0

V02 5 5A 0

E1 3A 0 4 0 1

Е2 5А 0 6 0 1

F1 4 0 V01 -51

F2 6 0 V02 -51

RS 1 2 1k

RI1 2 3 1.1k

RO1 4 0 40k

RI2 4 5 1.1k

RO2 6 0 40k

RL 6 0 4k

.OP

.OPT nopage

.IF V(6) VS

.END

Рис. 3.22. Применение схемы Дарлингтона для получения высокого входного сопротивления

Рис. 3.23. Модель с h-параметрами для схемы Дарлингтона

Выполните анализ и убедитесь, что коэффициент усиления по напряжению V(6)/VS=0,9929; R'i=1,682 МОм и R'0=22,24 Ом. Из вычислений следует, что R'i=1,681 МОм относительно базы первого транзистора Q1 и что R0=22,36 Ом (без учета RL). Также найдите параметр AI=IL/Ib=417,5, который намного выше, чем для однокаскадного усилителя ОК. В этом анализе мы считали, что h-параметры для обоих каскадов одни и те же. В действительности, токи смещения первого каскада меньше, чем у второго. На рис. 3.24 показан выходной файл.

**** 06/22/99 14:59:01 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

Darlington-Pair (High-Input Resistance) Amplifier

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS 1 0 1mV

V01 3 3A 0

V02 5 5A 0

E1 3A 0 4 0 1

Е2 5А 0 6 0 1

F1 4 0 V01 -51

F2 6 0 V02 -51

RS 1 2 1k

RI1 2 3 1.1k

RO1 4 0 40k

RI2 4 5 1.1k

RO2 6 0 40k

RL 6 0 4k

.OP

.OPT nopage

.TF V(6) VS

.END

NODE VOLTAGE   NODE VOLTAGE   NODE  VOLTAGE   NODE  VOLTAGE

( 1) .0010     ( 2) 999.4E-06 ( 3)  998.8E-06 ( 4)  998.8E-06

( 5) 992.9E-06 ( 6) 992.9E-06 ( 3A) 998.8E-06 ( 5A) 992.9E-06

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS  -5.946E-10

V01  5.946E-10

V02  5.354E-09

TOTAL POWER DISSIPATION 5.95E-13 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME     E1        E2

V-SOURCE 9.988E-04 9.929E-04

I-SOURCE 5.946E-10 5.354E-09

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME      F1         F2

I-SOURCE -3.032E-08 -2.730Е-07

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(6)/VS = 9.929E-01

INPUT RESISTANCE AT VS = 1.682E+06

OUTPUT RESISTANCE AT V(6) = 2.224E+01

Рис. 3.24. Выходной файл при анализе схемы Дарлингтона

Двухкаскадные усилители

При использовании PSpice расчет двухкаскадных усилителей очень прост, и результат получается быстрее, чем при расчете с использованием формул, который утомителен и требует сосредоточенности, чтобы не допустить ошибки. Понимая основные принципы анализа усилителя, вы можете без колебаний использовать PSpice для анализа многокаскадных схем. В качестве иллюстрации рассмотрим двухкаскадный усилитель, содержащий каскады с ОЭ и ОК, показанный на схеме рис. 3.25.

Рис. 3.25. Двухкаскадный усилитель с каскадами ОЭ и ОК 

Входной сигнал подается на базу первого транзистора. Выходной сигнал первого каскада подается с коллектора непосредственно на базу транзистора второго каскада, выходной сигнал которого снимается с эмиттерного резистора. На рис. 3.26 показаны h-параметры, которые несколько отличаются от приведенных в предшествующих примерах. Входной файл имеет следующий вид:

Two-Stage Amplifier; СЕ and СС Stages

VS 1 0 1mV

V01 3 3A 0

V02 5 5А 0

E1 3A 0 4 0 6Е-4

F1 4 V01 50

Е2 5А 0 6 0 1

F2 6 0 V02 -51

RS 1 2 1k

RI1 2 3 2k

RO1 4 0 40k

RC1 4 0 5k

RI2 4 5 2k

RO2 6 0 40k

RE 2 6 0 5k

.OP nopage

.ОРТ

.TF V(6) VS

.END

Рис. 3.26. Двухкаскадный усилитель с каскадами ОЭ и ОК

После выполнения анализа убедитесь, что полный коэффициент усиления по напряжению V(6)/VS=-75,31; AI=IL/Ib1=-43,2 и Ri=1,869 кОм (со стороны базы Q1), и R0=130 Ом. На рис. 3.27 показан выходной файл.

**** 09/15/05 17:02:35 ******** Evaluation PSpice (Nov 1999) *********

Two-Stage Amplifier;СЕ and CC Stages

VS 1 0 1mV

V01 3 3A 0

V02 5 5A 0

E1 3A 0 4 0 6E-4

F1 4 0 V01 50

E2 5A 0 6 0 1

F2 6 0 V02 -51

RS 1 2 1k

RI1 2 3 2k

RO1 4 0 40k

RC1 4 0 5k

RI2 4 5 2k

RO2 6 0 40k

RE2 6 0 5k

.OP

.OPT nopage

.TF V(6) VS

.END

NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE   NODE   VOLTAGE   NODE   VOLTAGE

( 1)  .0010  ( 2)  651.5E-06 ( 3)  -45.58E-06 ( 4)  -.0760

( 5) -.0753  ( 6) -.0753     ( 3A) -45.58E-06 ( 5A) -.0753

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS  -3.485E-07

V01  3.485E-07

V02 -3.322E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 3.49E-10 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E1         E2

V-SOURCE -4.558E-05 -7.531E-02

I-SOURCE  3.485E-07 -3.322E-07

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME     F1        F2

I-SOURCE 1.743E-05 1.694E-05

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(6)/VS = -7.531E+01

INPUT RESISTANCE AT VS = 2.869E+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(6) = 1.267E+02

Рис. 3.27. Результаты анализа схемы на рис. 3.26 на PSpice

Упрощенная модель с h-параметрами

Предыдущие примеры были основаны на полной модели в h-параметрах для транзистора, которая обычно используется для анализа при малом низкочастотном сигнале. Для анализа ряда транзисторных схем можно использовать также упрощенную модель в z-параметрах. В этой модели используются только параметры hfe и hie, другие h-параметры опущены. При использовании упрощенной модели на PSpice результаты получаются менее точными. Ошибка часто достигает 10% и более.

Тем не менее приведем анализ с упрощенной моделью для усилителя ОЭ, чтобы показать, что этот инструмент также доступен. Не забудьте, что значения hfe и hie используются для всех трех конфигураций схем с ОЭ, ОБ и ОК.

Анализ усилителя с общим эмиттером, использующий упрощенную модель с h-параметрами

На рис. 3.28 показана упрощенная модель для использования в PSpice, на рис. 3.29 — схема ОЭ, использующая эту модель. Входной файл для анализа приведен далее: 

Simplified h-Parameter Analysis

VS 1 0 1mV

VO 3 0 0V

F 4 0 VO 50

RS 1 2 1k

RI 2 3 1.1K

RL 4 0 10K

.OP 

.OPT nopage

.TF V(4) VS

.END

Рис. 3.28. Упрощенная модель в z-параметрах

Рис. 3.29. Схема усилителя ОЭ, использующая упрощенную модель в z-параметрах

Вы можете легко предсказать результаты этого анализа, воспользовавшись ручным расчетом. Сравните ваши предсказания с ответами, полученными на PSpice.

Транзисторные усилители на полевых транзисторах

Усилитель на полевом транзисторе (FET) зачастую достаточно прост и не требует компьютерного анализа. Однако в тех случаях, когда в схеме имеются дополнительные резисторы (Rd или Rs), расчет усложняется. Наш первый пример относится к усилителю с общим истоком на FET с выходным сигналом, снимаемым с резистора Rd, включенного в цепь стока. В цепь истока включено дополнительное сопротивление — Rs. На рис. 3.30 показана схема усилителя, на рис. 3.31 — модель. На основе сведений о полевых транзисторах, полученных в теоретическом курсе, предскажите, какими будут коэффициент усиления по напряжению и ток нагрузки.

Рис. 3.30. Схема с общим стоком с Rs

Рис. 3.31. Схема с общим стоком, содержащая Rs и модель на PSpice

Часто в моделях имеется «висящий» вход (управляющий электрод не подключен), но такие схемы не могут анализироваться на PSpice. Выход состоит в том, чтобы подключить высокоомный резистор между управляющим электродом и стоком. В нашем примере RGD=10 МОм; gm=2 мС; rd=40 кОм; RL=2 кОм; RS=500 Ом, входное напряжение составляет 1 мВ. Входной файл принимает вид:

Common-Source FET with RS

VI 1 0 1mV

G 2 3 1 3 2mS

RD 2 3 40K

RL 2 0 2K

RS 3 0 500

RG 1 2 10 MEG

.OP

.OPT nopage

.TF V (2) VI

.END

После выполнения анализа убедитесь, что V(2)/VI=-1,939 и R'0=1,95 кОм. С помощью вычислений покажите, что R'0=79,6 кОм и IL=-950 нА.

Усилители с общим стоком на полевых транзисторах с внешним резистором стока

На рис. 3.30 приведена схема усилителя с общим стоком, в которой выходной сигнал снимается с резистора RS. Предположим, что Rd все еще включен в схему. Модель для PSpice, показанная в рис. 3.32, отражается следующим входным файлом:

Common-Drain FET with Drain Resistor

VI 1 0 1mV

G 3 2 1 2 2mS

RD 2 3 40KБ

RD1 3 0 1k

RS 2 0 2KБ

RG 1 3 10MEG

.OP

.OPT nopage

.TF V(2) VI

.END

Рис. 3.32. Схема усилителя на полевом транзисторе с общим стоком и резистором в цепи стока

Попробуйте с помощью теоретического анализа предсказать величину коэффициента усиления, затем выполните анализ на PSpice и убедитесь, что V(2)/VI=0,7882 и R'0=403,9 Ом. Вычислите R0=506 Ом и IL=394 nA. 

Частотная характеристика усилителя на полевых транзисторах

При использовании усилителя на полевом транзисторе в широком диапазоне частот необходимо учитывать внутренние емкости транзисторов. На рис. 3.33 приведена модель усилителя с общим истоком (ОИ), включающая емкости Cgd, Cgs, и Cds. Обычно они малы. В нашем примере для них выбраны следующие значения: Cgs=3 пФ; Cds=1 пФ; Cgd=2,8 пФ. Другие исходные значения равны: gm=1,6 мС; rd=44 кОм; Rs=1 кОм и RL=100 кГц. Для анализа на PSpice выберем частотный диапазон от 100 Гц до 100 кГц. Емкости будут влиять на процессы только на высоких частотах. Входной файл имеет следующий вид:

Common-Source Amplifier; High-Frequency Model

VI 1 0 AC 1mV

G 3 0 2 0 1.6mS

RD 3 0 44k

RL 3 0 100k

RS 1 2 1k

CGS 2 0 3pF

CGD 2 3 2.8pF

CDS 3 0 1pF

.AC DEC 2 0 100 10MEG

.PROBE

.END

Рис. 3.33. Высокочастотная модель усилителя ОИ 

Выполните анализ и получите распечатку результатов, проведите частотный анализ в Probe, использовав логарифмическую шкалу частот по оси X и выведя V(3) на оси Y. Можете ли вы установить, при какой частоте выходное напряжение существенно снижается? Поскольку это не график Боде, эту частоту трудно определить. Удалите этот график и получите новый, логарифмический, график, соответствующий уравнению 

20·lg(V(3)/49мВ).

Теперь мы получили график Боде в стандартной форме. В формуле значение 49 мВ представляет собой коэффициент усиления на средних частотах, показанный на первом графике. Мы использовали это значение, чтобы нормализовать график. Вертикальная ось теперь имеет начальную отметку в верхней части шкалы и диапазон от -5 до -30. Измените шкалу по оси X, чтобы показать частотный диапазон от 100 Гц до 5 МГц. Используйте курсор, чтобы убедиться, что ослабление в 3 дБ достигается при частоте f=619 кГц. Получите распечатку и проведите касательные к обеим линейным частям кривой. Координата точки, где эти линии пересекутся, будет соответствовать значению 3 дБ. График приведен на рис. 3.34.

Рис. 3.34. Выходной файл при анализе схемы на рис. 3.33

Модель биполярного транзистора для высоких частот

Для анализа схем ОЭ мы часто используем гибридную π-модель. На рис. 3.35 показана эта модель с внешними компонентами Vs, Rs, и RL. В эту модель введен дополнительный узел В', чтобы отразить поведение транзистора на высоких частотах. Элементы, используемые в этой модели: резисторы rce, rbb', rb'e и rb'c и конденсаторы Сс и Се. Коэффициент усиления представляется источником тока, управляемым напряжением (ИТУН), gmVb'e. На рис. 3.35 показаны значения, используемые в этом примере. Они соответствуют следующему входному файлу:

High-Frequency Model of Bipolar-Junction Transistor

VS 1 0 AC 1mV

G 4 0 3 0 50mS

RS 1 2 50

RBB 2 3 100

RBE 3 0 1k

RBC 3 4 4 MEG

RCE 4 0 80k

RL 4 0 2k

CE 3 0 100pF

CC 3 4 3pF

.AC DEC 50 100k 10MEG

.PROBE

.END

Рис. 3.35. Гибридная π-модель биполярного транзистора 

Выполните анализ и определите выходное напряжение на средних частотах V(4). Убедитесь, что оно приблизительно равно 85 мВ. Затем получите график

20·lg(V(4)/84,5мВ).

График показан на рис. 3.36. Он позволит вам найти точку, соответствующую 3 дБ. Убедитесь, что при этом частота равна f=2,8 МГц.

Рис. 3.36. Выходной файл для рис. 3.35

Трудно получить уравнения, необходимые для правильного решения задач такого типа, и решить их, поскольку схема имеет четыре независимых узла и содержит сложные элементы. В данном случае применение такого мощного инструмента, как PSpice, совершенно оправдано. Если нет необходимости в большой точности расчетов, то вместо этого часто используются более простые модели.

Эмиттерный повторитель при работе на высоких частотах

Рассмотрим теперь другую разновидность высокочастотного анализа. Эта схема включает полное сопротивление нагрузки ZL, состоящее из RL и CL. Усилитель имеет низкое выходное сопротивление и используется как драйвер для емкостной нагрузки. На рис. 3.37 показана схема с гибридной π-моделью. Отметим, что стрелка тока внутри источника G по-прежнему направлена к эмиттерному узлу. Входной файл имеет вид:

Emitter Follower High-Frequency Model

VS 1 0 AC 1mV

G 0 4 3 4 50mS

RS 1 2 50

RBB 2 3 100

RBE 3 4 1k

RBC 3 0 4MEG

RL 4 0 2k

CL 4 0 3nF

CC 3 0 3pF

CE 3 4 100pF

.AC DEC 50 100k 10MEG

.PROBE

.END

Рис. 3.37. Гибридная π-модель эмиттерного повторителя с емкостной нагрузкой

Выполните анализ, затем получите график для V(4). Обратите внимание, что коэффициент усиления немного меньше единицы, как и ожидается для эмиттерного повторителя. Чтобы получить график Боде, используйте функцию

20·lg(V(4)/0.99мВ).

Затем используйте курсор, чтобы проверить, что значение 3 дБ достигается при f=2,7 МГц. Добавьте второй график, который является графиком фазового угла напряжения V(4). Сделайте это, просто получив график VP(4). Убедитесь, что при частоте, соответствующей 3 дБ, значение фазового угла приблизительно равно -57°. Обратите внимание, что при 100 кГц — самой низкой частоте, отображенной на графике, уже имеется некоторый фазовый угол из-за емкостного характера нагрузки. На рис. 3.38 показаны фазовый угол и графики Боде для этой схемы.

Рис. 3.38. Выходной файл для схемы на рис. 3.37

Чувствительность по постоянному току

Изменения параметров элементов в таких схемах могут привести к неправильной работе устройства. В некоторых случаях ожидаемые напряжения и токи выходят за пределы приемлемых значений. В других случаях неверно выбранное смещение может привести к искажениям и так далее. При использовании PSpice чувствительность выходного напряжения к изменениям параметров может быть определена введением во входной файл команды .SENS.

Например, в последовательной цепочке, показанной на рис. 3.39, резистор R2 представляет собой сопротивление нагрузки. Напряжение на этом резисторе составляет 1,25 В. Входной файл содержит команду, позволяющую определить чувствительность этого напряжения относительно других элементов схемы:

Sensitivity of Load Voltage in Series Circuit

Vs 1 0 5V

R1 1 2 300

R2 2 0 100

.sens V(2)

.end

Рис. 3.39. Схема для иллюстрации понятия чувствительности 

Выходной файл для этого анализа представлен на рис. 3.40. Чувствительность по постоянному току выходного напряжения V2 показана относительно различных элементов схемы. Первый из них — это резистор R1 со значением 300 Ом. Чувствительность составляет -3,125Е-03 В на единицу. Поскольку элемент представляет собой резистор, единицей измерения является Ом. Чувствительность составляет -3,125Е-03 В/Ом. Чувствительность V2 к изменениям в значении R2 при номинальном сопротивлении в 100 Ом составляет 9,375Е-03 В/Ом. И наконец, чувствительность V2 к изменениям в Vs равна 0,25 В/В. Попробуем понять, что означают эти величины и как найдены их значения. 

**** 09/15/99 11:37:48 *********** Evaluation PSpice, (Nov 1998) **************

Sensitivity of Load Voltage in Series Circuit

Vs 1 0 5V

R1 1 2 300

R2 2 0 100

.sens V(2)

.end

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 5.0000  ( 2) 1.2500

VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT

Vs -1.250E-02

TOTAL POWER DISSIPATION 6.25E-02 WATTS

Sensitivity of Load Voltage in Series Circuit

**** DC SENSITIVITY ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

DC SENSITIVITIES OF OUTPUT V(2)

ELEMENT ELEMENT    ELEMENT      NORMALIZED

NAME    VALUE      SENSITIVITY  SENSITIVITY

                   (VOLTS/UNIT) (VOLTS/PERCENT)

R1      3.000E+02 -3.125E-03    -9.375E-03

R2      1.000E+02  9.375E-03     9.375E-03

Vs      5.000E+00  2.500Е-01     1.250E-02

Рис. 3.40.

Понятие чувствительности было введено Боде в работе «Network Analysis and Feedback Amplifier Design» (Анализ цепей и расчет обратных связей в усилителях). Он заинтересовался тем, как переходная функция T изменяется при изменениях в одном элементе системы. Символ S с верхним и нижним индексом представляет собой чувствительность. Верхний индекс — выходной параметр, нижний — отражает элемент, в котором происходят изменения. В нашей последовательной цепочке используется делитель напряжения, для которого

Предположим сначала, что изменения происходят в R1, в то время как другие элементы остаются неизменными. Например, R1 увеличивается на малую величину ΔR1, производя некоторое изменение ΔV2 в напряжении V2.

В пределе, ΔR1→ΔR1 и ΔV2→ΔV2. Элементная чувствительность для элемента R1 определяется как

В нашем примере

что согласуется с элементной чувствительностью, показанной в выходном файле. Чувствительность V2 относительно R2 определена как

В нашем примере

что также согласуется с элементной чувствительностью, показанной в выходном файле.

 В последнем столбце выходного файла на рис. 3.40 показаны нормированные значения. Они найдены как произведение значения элемента и элементной чувствительности.

Теперь, когда мы видели, как находятся значения чувствительности, определим, что же они означают. Предположим, что происходит инкрементное изменение в значении R1, например увеличение на 1%. Это дает R1=303 Ом и ΔR1=3 Ом. Учитывая, что ΔV2/ΔR1=-0,003125, получим ΔV2=3(-0,003125)=-0,009375, и новое значение V2=1,240625 В.

Теперь предположим, что на 1% увеличилось значение R2. Это дает R2=101 Ом и ΔR2=1 Ом. Учитывая, что ΔV2/ΔR2=0,009375, получим ΔV2=0,009375, и новое значение V2=1,259375 В. 

Но подождите, не можем ли мы найти новое значение V2 в каждом случае по формуле делителя напряжения? Ведь если R1=303 Ом, то

С другой стороны, если R2=101 Ом, то

Внимательное сравнение двух методов для предсказания измененного значения V2 показывает, что они не полностью идентичны. А при изменении, превышающем 1%, расхождение будет еще больше. Очевидно, значения чувствительности не должны использоваться для предсказания фактических значений выходного напряжения. Их роль состоит в том, чтобы показывать, какие из элементов являются более критическими при поддержании стабильности схемы.

При сравнении нормированных чувствительностей для нашей схемы мы рассматриваем большие значения как более критические. Например, самое большое значение показано в последнем столбце на рис. 3.40 для Vs и составляет 0,0125. Таким образом, источник питания Vs является наиболее критическим элементом. Нормированные чувствительности для R и R2 одинаковы по величине. Поэтому они являются в равной степени чувствительными элементами.

Чувствительность по току смещения

На рис. 3.41 представлена наша модель для схемы смещения для биполярного транзистора. В этом примере транзистор имеет VBE=0,7 В и hFE= 80. Выходным напряжением считается напряжение коллектор-эмиттер V(3,2). Это напряжение будет предметом анализа чувствительности. Входной файл для такого анализа:

Sensitivity of Model Transistor-Biasing Circuit

VCC 4 0 12V

VA 1 2 0.7V

F 3 2 VA 80

R1 4 1 40k

R2 1 0 5k

RC 4 3 1k

RE 2 0 100

.OPT nopage

.SENS V(3,2)

.END

Рис. 3.41. Простая модель для исследования чувствительности биполярного транзистора

Проведем анализ и рассмотрим значения для элементной чувствительности в выходном файле, который приведен на рис. 3.42. Убедитесь, что при увеличении VCC на 0,12 В, V(3,2) увеличится на 0,02636 В, а из всех резисторов схемы, наиболее чувствительным в отношении V(3,2) является резистор R1.

**** 09/15/99 11:57:07 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

Sensitivity of Model Transistor Bias Circuit

VCC 4 0 12V

VA 1 2 0.7V

F 3 2 VA 80

R1 4 1 40k

R2 1 0 5k

RC 4 3 1k

RE 2 0 100

.SENS V(3,2) .OPT nopage .END

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 1.1069  ( 2) .4089   ( 3) 7.9610  ( 4) 12.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -4.311E-03

VA   5.049E-05

TOTAL POWER DISSIPATION 5.17Е-02 WATTS ****

DC SENSITIVITY ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

DC SENSITIVITIES OF OUTPUT V(3,2)

ELEMENT ELEMENT    ELEMENT      NORMALIZED

NAME    VALUE      SENSITIVITY  SENSITIVITY

                   (VOLTS/UNIT) (VOLTS/PERCENT)

R1      4.000E+04  2.125E-04    6.499E-02

R2      5.000E+03 -1.385E-03   -6.923E-02

RC      1.000E+03 -4.039E-03   -4.039E-02

RE      1.000E+02  2.463E-02    2.463E-02

VCC     1.200E+01  2.197E-01    2.636E-02

VA      7.000E-01  7.023E+00    4.916E-02

Рис. 3.42. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 3.41

Как упражнение используйте элементные значения чувствительности, чтобы аппроксимировать V(3,2), когда сначала на 1% увеличивается R1 и затем, когда R2 увеличивается на 1%. Не забудьте, что результаты, полученные этим методом, будут приблизительны и применятся только к инкрементным изменениям в элементных значениях.

Библиотека элементов PSpice

Библиотека элементов PSpice содержит тысячи компонентов, которые могут использоваться в аналоговых или цифровых схемах. Для выбора этих элементов вы можете воспользоваться приложением Е. Обратите внимание, что четыре типа биполярных транзисторов доступны в версии PSpice. Для этого примера мы выберем биполярный транзистор Q2N2222 типа npn.

Чтобы получить доступ к содержимому этой библиотеки, вы должны знать путь. На компьютере автора он отражается как:

E:\Program Files\OrCAD Demo\Capture\library\PSpice\evallib

Можно найти этот файл, используя Проводник Windows. При этом вы должны дважды нажать на соответствующий значок (который должен показать Adobe Acrobat Reader). При этом программа PSpice активизируется и отображает библиотеку. Если Вы предпочитаете находить файлы, применяя набор команд Start-Run-winfile, вы сможете увидеть следующий путь:

e:\progra~1\orcadd-l\capture\library\pap:e\eval.lib

(Ваш драйвер жесткого диска расположен, скорее всего, на диске с, а не на е.)

Чувствительность биполярных транзисторов из библиотеки PSpice

Когда при анализе чувствительности используется модель биполярного транзистора из библиотеки PSpice, чувствительность выходной переменной к изменениям в значениях параметров транзистора задана также в исходной информации. Как пример мы используем схему, показанную на рис. 3.43, где в качестве Q1 выбран транзистор типа Q2N2222 из библиотеки PSpice. Мы хотим получить чувствительность V(3,4), напряжения коллектор-эмиттер. Входной файл приведен на рис. 3.44.

Рис. 3.43. Встроенная модель для анализа чувствительности

Выходной файл, показанный на рис. 3.44, дает чувствительность по постоянному току для V(3,4) по отношению не только к внешним компонентам, но также и к параметрам транзистора. Для Q1 при анализе чувствительности приняты следующие обозначения: RB — сопротивление базы (внутреннее), RC — омическое сопротивление коллектора, RE — омическое сопротивление эмиттера и так далее. Особый интерес представляет чувствительность относительно прямого коэффициента усиления по постоянному току BF.

**** 09/16/05 07:08:47 ******** Evaluation PSpice (Nov 1999) **********

Sensitivity of BJT Biasing Circuit

VCC 2 0 12V

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 7.7k

PE 4 0 220

Q1 3 1 4 Q2N2222

.SENS V(3,4)

.LIB EVAL.LIB

.END

Unable to find index file EVAL.ind for library file EVAL.LIB

Making new index file EVAL.ind for library file EVAL.LIB

Index has 344 entries from 1 file(s).

**** BJT MODEL PARAMETERS

Q2N2222

NPN

IS 14.340000E-15

BF 255.9

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) .8926   ( 2) 12.0000 ( 3) 3.4815  ( 4) .2450

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -1.384E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.66E-02 WATTS

**** DC SENSITIVITY ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

DC SENSITIVITIES OF OUTPUT V(3,4)

ELEMENT ELEMENT    ELEMENT      NORMALIZED

NAME    VALUE      SENSITIVITY  SENSITIVITY

                   (VOLTS/UNIT) (VOLTS/PERCENT)

R1      4.000E+04  6.263E-04    2.505E-01

R2      3.300E+03 -7.395E-03   -2.440E-01

RC      7.700E+03 -1.086E-03   -8.363E-02

RE      2.200E+02  3.186E-02    7.009E-02

VCC     1.200E+01 -1.274E+00   -1.529E-01

Q1

RB      1.000E+01  2.127E-04    2.127E-05

RC      1.000E+00  2.020E-05    2.020E-07

RE      0.000E+00  0.000E+00    0.000E+00

BF      2.559E+02 -1.586E-03   -4.059E-03

ISE     1.434E-14  2.022E+13    2.899E-03

BR      6.092E+00  3.790E-11    2.309E-12

ISC     0.000E+00  0.000E+00    0.000E+00

IS      1.434E-14 -6.888E+13   -9.878E-03

NE      1.307E+00 -4.250E+00   -5.555E-02

NC      2.000E+00  0.000E+00    0.000E+00

IKF     2.847E-01 -1.831E-02   -5.213E-05

IKR     0.000E+00  0.000E+00    0.000E+00

VAF     7.403E+01  6.382E-04    4.725E-04

VAR     0.000E+00  0.000E+00    0.000E+00

Рис. 3.44. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 3.43

Обратите внимание, что выходной файл содержит запись:

Unable to find index file EVAL.ind for library file EVAL.LIB Making new index file EVAL.ind for library file EVAL.LIB Index has 344 entries from 1 file(s).

Что в переводе означает:

«Невозможно найти индексный файл EVAL.IND для библиотечного файла EVAL.LIB Создайте новый индексный файл EVAL.IND для библиотечного файла EVAL.LIB Индекс имеет 344 входа из 1 файла (ов)».

Этот индексный файл будет автоматически создан, если вы сначала вызовете библиотеку Evaluation Library. Она будет содержать информацию, необходимую для выполнения анализа.

Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

Е [имя] <+узел> <-узел> <+управляющий узел> <-управляющий узел>

Например, запись

Е 6 5 2 1 13

указывает, что ИНУН включен между узлами 6 и 5. Он зависит от напряжения между узлами 2 и 1 и имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 18. Эта команда (наряду с командами F и G) была приведена в главе 1; описание ее повторено здесь, так как ИНУН одновременно основной элемент при моделировании усилителей и некоторые из примеров и задач в этой главе требуют его использования.

Подобно другим зависимым источникам, он может быть представлен в форме POLY, когда зависимость задается полиномом. Обратите внимание, что коэффициентом усиления в данном случае является безразмерный коэффициент трансформации.

F [имя] <+узла> <-узел > <+управляющий узел> <-управляющий узел>

Например,

F А 3 VA 80

указывает, что ИТУТ включен между узлами 4 и 3. Стрелка, указывающая направление тока, направлена к узлу 3. Ток через зависимый источник в 80 раз больше, чем ток через VA. Источник напряжения VA может быть реальным источником или фиктивный источником с напряжением 0 В. Фиктивный источник часто необходим, чтобы замкнуть путь для тока управления.

Использования команды F требует, например, модель транзистора в h-параметрах. Коэффициент усиления hfe является безразмерным. Другие транзисторные модели, использующие коэффициент усиления β, также требуют команды F.

G [имя] <+узла> <-узел> <+управляющий узел> <-управляющий узел>

Например, запись

G 8 7 5 3 20mS

указывает, что ИТУН включен между узлами 8 и 7. Стрелка тока направлена к узлу 7. Ток через зависимый источник является функцией напряжения между узлами 5 и 3 с крутизной 20 мС. Это означает, например, что если v53=10 мВ, то i87=(10 мВ)·(20 мС)=200 мкА.

Команды, начинающиеся с точки, используемые в данной главе

.TF <выходная переменная> <входной источник>

Например, запись

.TF V(4) VS

даст коэффициент усиления малого сигнала V4/VS, если команда используется с моделью в h-параметрах, как в этой главе. Это возможно, когда мы используем напряжения переменного тока в схемах, где пассивные компоненты являются чисто резистивными. В PSpice анализ может проводиться для переменного или постоянного тока.

.LIB <имя файла>

Например, запись

.LIB EVAL.LIB

указывает, что модели, используемые во входном файле, будут разыскиваться в библиотеке EVAL.LIB. В примере, посвященном определению чувствительности схемы смещения для биполярного транзистора Q1, использовалась модель для Q2N2222. Эта модель была найдена в библиотеке EVAL.LIB, которая поставляется с рабочей версией PSpice.

.SENS <переменная вывода>

Например,

.SENS V(2)

указывает, что будет вычислена чувствительность по постоянному току s для выходного напряжения V(2) относительно различных элементов схемы.

Задачи 

3.1. Схема смещения для кремниевого транзистора с hFE=100 показана на рис. 3.45. При VBE=0,7 В найдите токи IВ и IC и напряжение смещения Vce. Ваши результаты должны показать IВ=21,5 мкА; IC=2,15 мА и Vce=3,55. Работает ли транзистор в активной области?

Рис. 3.45

3.2. Измените значение RB в задаче 3.1 до 50 кОм. Оставив все другие значения неизменными, используйте PSpice, чтобы найти IВ, IC, и Vce. Внимательно рассмотрите полученные результаты и объясните, почему значения неверны. Подсказка: Вспомните, что относительно большие значения тока базы могут смещать транзистор в область насыщения.

3.3. Используя модели смещения PSpice при VBE=0,7 В, найдите IВ, IC, и Vce в схеме на рис. 3.46. Работает ли транзистор в активной области?

Рис. 3.46 

3.4. Из модели смещения PSpice с VBE=0,7 В определите IB, IС и Vce в схеме на рис. 3.47. Примечание: Используйте h-параметры, заданные на рис. 3.47, для каждой из следующих задач, где необходим анализ в h-параметрах.

Рис. 3.47

3.5. Используйте модель PSpice, основанную на полном наборе h-параметров, чтобы решить эту задачу. Для схемы на рис. 3.48 найдите AI=I0/Ii, AV=VC/VB, AVs=VC/VS. Подсказка: для низкочастотного анализа при малом сигнале конденсатор может быть заменен коротким замыканием.

Рис. 3.48 

3.6. Используйте ту же модель для PSpice, что и в задаче 3.5. Для схемы, показанной на рис. 3.49, с RE найдите AI, AV и AVs.

Рис. 3.49

3.7. Для каждого из усилителей задач 3.5 и 3.6 найдите входное сопротивление со стороны источника, используя PSpice.

3.8. Пользуясь моделью, основанной на полном наборе h-параметров, найдите AI, AV, и Ri для схемы на рис. 3.50.

Рис. 3.50

3.9. Усилитель с общим истоком на полевом транзисторе показан на рис. 3.51. Каким будет выходное напряжение сток-земля при входном напряжении Vi=4 мВ? Каков коэффициент усиления усилителя по напряжению? Положителен он или отрицателен? Что это означает?

Рис. 3.51

3.10. Когда в задаче 3.9 выходное напряжение усилителя снимается с истока, он является усилителем с общим стоком (CD). При использовании тех же значений каково будет выходное напряжение исток-земля? Каков коэффициент усиления по напряжению усилителя? Является он положительным или отрицательным?

3.11. Усилитель с общим истоком на полевом транзисторе должен использоваться в широком диапазоне частот. Параметры элементов: Rs=1 кОм; Сgs=2 пФ; Cgd=3 пФ; Cds=1,5 пФ; RL=48 кОм; gm=3 мС и rd=100 кОм. Проведите анализ на PSpice и получите график частотной характеристики для усилителя. Найдите частоту снижения из 3 дБ. Каков коэффициент усиления усилителя на средней частоте?

3.12. На рис. 3.52 показан усилитель ОЭ. Он имеет следующие параметры: gm=70 мС; Rce=100 кОм; rbb'=120 Ом; rb'e=1100 Ом; rb'c=2 МОм; Сс=2,5 пФ и Се=80 пФ. Во внешней схеме Rs=1050 Ом; RL=2,4 кОм и Vs=5 мВ. Проведите анализ на PSpice, чтобы определить частотную характеристику.

Определите среднечастотные выходное напряжение и коэффициент усиления по напряжению. Найдите частоту снижения на 3 дБ.

Рис. 3.52

3.13. Проведите анализ усилителя из задачи 3.12 в программе Probe, чтобы определить полное входное сопротивление на частоте f=50 кГц.

3.14. Вместо упрощенной модели в h-параметрах для биполярного транзистора используйте эквивалентную модель на рис. 3.53, для которой rbb'+rb'e=hie и gmvb'e=hfeib. Параметры элементов: hfe=100; hie=1200 Ом и от rbb'=100 Ом. Пользуясь этой моделью, найдите среднечастотный коэффициент усиления (от источника до коллектора) для усилителя, показанного на рис. 3.54. На этом рисунке: R1=20 кОм; R2=10 кОм; Rc=4,8 кОм и Re=800 Ом. Замените С1 и С2 на короткое замыкание.

Рис. 3.53

Рис. 3.54.

4. Многокаскадные усилители, частотные характеристики и цепи обратной связи

Эта глава охватывает ряд тем, касающихся исследования частотных характеристик. Мы рассмотрим, как частота влияет на выходное напряжение на графиках Боде, поговорим о записи различных величин в децибелах и о высокочастотных моделях для биполярных и полевых транзисторов. Будет исследовано также влияние обратной связи в однокаскадных и многокаскадных усилителях.

Фильтры низких частот

В качестве небольшого вступительного обзора рассмотрим RС-фильтр низкой частоты, показанный на рис. 4.1, а. Параметры элементов: R=100 кОм, С=1 нФ и V=1∠0°B. Выходной сигнал V(2) снимается с конденсатора. Входной файл для этой схемы предусматривает построение графика в Probe в диапазоне от 1 Гц до 1 МГц:

High-Frequency Response of Simple Filter

V 1 0 AC 1V

R 1 2 100k

N 2 0 1nF

.AC DEC 2 0 1HZ 1MEG

.PROBE

.END

Рис. 4.1. К анализу низкочастотного RC-фильтра: а) схема и б) векторная диаграмма

Выполним анализ, затем потратим некоторое время на различные аспекты полученных результатов. Сначала получим график V(2) и рассмотрим форму кривой. Уровень выходного сигнала изменяется от 1 В при частоте f=1 Гц почти до 0 В при частоте f=1 МГц. Когда частота низка, значения X велики, что позволяет большей части входного напряжения в 1 В пройти на выход (узел 2). При увеличении частоты реактивное сопротивление X становится меньше и V(2) уменьшается. Каково будет значение каждого напряжения при |VR|=|VC|? Не забудьте, что вы имеете дело с векторами и что эти два напряжения всегда сдвинуты на 90°, как показано на рис. 4.1, б. Когда два напряжения равны по модулю, vc=0,707∠45° В.

Используйте экран программы Probe и курсор, чтобы найти частоту, при которой V(2)=0,707 В. Убедитесь, что она равна f=1,591 кГц. Результат расчета по простейшей формуле fH=1/(2πRC) совпадает с полученным в PSpice.

Получите график VP(2) и убедитесь, что при f=1,591 кГц θ≈-45°. Это было бы точное равенство θ=–45°, при большем числе точек на графике. Измените границы по оси Y так, чтобы она могла показывать значения от -90 до 0° и найдите в середине оси Y отметку -45°. Снова обратите внимание, что f=1,591 кГц и что это соответствует точке перегиба на графике фазового угла. На рис. 4.2 показан график Боде для фазового угла.

Рис. 4.2. График Боде для фазового угла выходного напряжения схемы на рис. 4.1 

Низкочастотная реакция RC-фильтра высоких частот

Цепь высокочастотного RC-фильтра, показанная на рис. 4.3, является дуальной по отношению к фильтру низких частот, рассмотренному в предыдущем примере. Это снова RC-цепочка, но здесь выходной сигнал снимается с резистора R. Параметры элементов: R=100 Ом; С=80 мкФ и V=1,0∠0°. Входной файл для этой схемы:

Low-Frequency Response of Simple Filter

V 1 0 AC 1V

R 2 0 100

N 1 2 80uF

.AC DEC 20 0.01Hz 10kHz

.PROBE

.END

Рис. 4.3. Высокочастотный RC-фильтр

Выполните анализ; затем получите график V(2). Находясь в режиме курсора, найдите частоту, при которой выходное напряжение уменьшается на 3 дБ. Убедитесь, что при V(2)=0,707 В, f=19,89 Гц. На рис. 4.4 показана кривая, из которой можно найти ответ. Обратите внимание, что она не является графиком Боде, поскольку масштаб по оси Y не логарифмический.

Рис. 4.4. Амплитудно-частотная характеристика для схемы на рис. 4.3 

Удалите график V(2) и получите график VP(2). При использовании диапазона фазы от 0 до 90°, найдите отметку 45°. Вы увидите, что при θ=45° частота f=19,89 Гц. Получите вместо графика VP(2) график I(R). Убедитесь, что при f=19,89 Гц I=7,07Z∠45° мА. Эти значения при желании легко проверить ручным расчетом схемы на переменном токе.

Усилитель с общим эмиттером и шунтирующим конденсатором

Обычно в усилителе с общим эмиттером (ОЭ) используют шунтирующий конденсатор, подобный Се на рис. 4.5, включенный параллельно Re, что позволяет увеличить коэффициент усиления по напряжению. Проблема состоит в том, чтобы выбрать достаточно большое значение для Се так, чтобы при самой низкой используемой частоте снижение коэффициента усиления не превышало 3 дБ (и, следовательно, сдвиг фазы из-за подключения Ze был не больше, чем 45°).

Рис. 4.5. Усилитель с общим эмиттером и шунтирующим конденсатором

Анализ для переменного тока проводится на модели, показанной в рис. 4.6. Значения h-параметров, используемые здесь, такие же, как и в примерах главы 3, относящихся к анализу усилителей ОЭ. Значения параметров элементов: Rs=50 Ом; R1=50 кОм; R2=8 кОм; Re=1 кОм; Rc=2 кОм; Cb=50 пФ; Се=100 мкФ и V=1 мВ. Анализ проводится для частот от 0,01 Гц до 10 кГц со следующим входным файлом:

Common-Emitter Amplifier with Emitter-Bypass Capacitor

V 1 0 AC 1m

V0 4 4A 0

E 4A 5 6 5 2.5E-4

F a 5 V0 50

R5 1 2 50

R1 3 0 50k

R2 3 0 8k

RI 3 4 1.1k

RE 5 0 1K

RO 6 5 40k

RC 6 0 2k

СВ 2 3 50uF

СЕ 5 0 100uF

.AC DEC 2 0 0.01Hz 10kHz

.PROBE

.END

Рис. 4.6. Модель для усилителя с общим эмиттером и шунтирующим конденсатором

Выполните анализ и в окне Probe получите график выходного напряжения V(6). Он должен быть похож на кривую на рис. 4.3. Используйте режим курсора, чтобы определить среднечастотное выходное напряжение. Убедитесь, что при f=5 кГц выходное напряжение V(6)=83,99 мВ.

Теперь выразим значения напряжения по оси Y в децибелах. Удалите выведенный график и замените его графиком зависимости

20·lg(V(6)/84мВ).

Вы вдруг обнаружите, что график выглядит странно. Информация, которая не была видна на линейном графике, при логарифмическом масштабе проявилась. Обратимся к рис. 4.7, на котором приведен этот график. В какой области частот размещены две изогнутые части, и почему они появляются? Для ответа необходимы дальнейшие исследования.

Рис. 4.7. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (график Боде) для схемы на рис. 4.6

Установите по оси Y диапазон от -20 до 0, а по оси Х — от 1 Гц до 10 кГц. Используйте курсор, чтобы найти значение -3 дБ. Проверьте, что оно соответствует частоте f=74 Гц. Эта частота называется частотой полюса, но поскольку схема имеет и другой конденсатор (Cb), появляется и второй полюс при более низкой частоте.

Чтобы сконцентрировать исследование только на влиянии Се, измените ваш входной файл, исключив из него Сb. Это легко сделать, заменив команду, вводящую CB на 

RB 2 3 0.001

Внесите это изменение и снова выполните анализ. В Probe, как и прежде, получите график

20·lg(V(6)/84мВ).

Убедитесь, что вблизи отметки -3 дБ частота f=69,8 Гц. Таким образом, присутствие Сb почти не изменяет расположение первого полюса. Имеется также нуль в этой схеме, при частоте, соответствующей возрастанию сигнала от нижнего уровня до 3 дБ.

С помощью курсора определите ослабление при f=1 Гц. Оно должно составлять 31,47 дБ. Убедитесь, что прибавив к этому значению 3 дБ, получим значение -28,47 дБ, соответствующее частоте f=2,12 Гц. Таким образом, нуль достигается при частоте приблизительно 2,1 Гц.

Если вас интересует, что случится, когда не будет полюса, определяемого конденсатором Сe, просто установите значение сопротивления Re в 0,001 Ом и повторно запустите анализ, восстановив Сb. В результате вы получите одиночный полюс при f=3,26 Гц.

Двухкаскадный усилитель на высоких частотах

Упрощенная гибридная π-модель двухкаскадного усилителя с общим эмиттером показана на рис. 4.8. Значения параметров элементов: V=1 мВ; Rs=50 Ом; RL1= RL2=2 кОм; rbb'=100 Ом; rb'e=1 кОм; gm=50 мС; Се=100 пФ и Сс=3 пФ. Входной файл для этого случая:

Two-Stage СЕ Amplifier at High Frequencies

V 1 0 AC 1mV

G1 4 0 3 0 50mS

G2 6 0 5 0 50mS

RS 1 2 50

RBB1 2 3 100

RBE1 3 0 1k

RL1 4 0 2k

RBB2 4 5 100

RBE2 5 0 1k

RL2 6 0 2k

NA1 3 0 100pF

CC1 3 4 3pF

CE2 5 0 100pF

CC2 5 6 3pF

.AC DEC 20 100Hz 1MEG

.PROBE

.END

Рис. 4.8. Модель для анализа двухкаскадного усилителя на высоких частотах

Выполните анализ и в Probe получите график V(6). С помощью курсора проверьте, что среднечастотное значение V(6)=2,805 В. Вместо этого графика получите график

20·lg(V(6)/2,806В).

Используйте режим курсора, чтобы показать, что отметка -3 дБ соответствует частоте f=542,8 кГц. Вы обратите внимание, что график не имеет точной линейной области, необходимой, чтобы найти отметку -3 дБ по методике Боде. Это объясняется тем, что усилитель имеет более одного полюса. Имеется полюс для каждого конденсатора, то есть всего четыре полюса. В цепях такого типа они обычно расположены близко друг от друга. Когда один полюс доминирует, он будет близок к отметке -3 дБ. С практической точки зрения более важно найти частоту, соответствующую 3 дБ, чем положение всех полюсов. График Боде для этой схемы приведен на рис. 4.9. Получите, кроме него, график VP(6) и покажите в завершение анализа, что при f=541,3 кГц угол θ=-48°.

Рис. 4.9. График Боде для схемы на рис. 4.8 

Двухкаскадный усилитель с общим эмиттером c последовательной связью по напряжению

Анализ схемы на рис. 4.10, в которой используется стандартная обратная связь, вызывает некоторые затруднения. Необходимость применения полного набора h-параметров при анализе приводит к сложному набору расчетных формул. И в этом случае анализ с помощью PSpice значительно проще. При изучении малосигнальной схемы примем, что емкости всех конденсаторов были выбраны настолько большими, что они представляют короткое замыкание для выбранного диапазона частот. Это дает модель схемы, показанную на рис. 4.11.

Рис. 4.10. Двухкаскадный усилитель ОЭ с последовательной обратной связью по напряжению

Рис. 4.11. Малосигнальная низкочастотная модель для усилителя, представленного на рис. 4.10

Найдем коэффициент усиления по напряжению, Ri и R0. Разметьте узлы и затем создайте входной файл. Сравните ваш файл с приведенным далее:

Small-signal Model Voltage-series Feedback, CE Pair

V 1 0 1mV

V01 3 3А 0

V02 6 6A 0

E1 3A 4 5 4 2.5E-4

Е2 6А 0 7 0 2.5А-4

F1 5 4 V01 50

F2 7 0 V02 50

RS 1 2 1k

R1 2 0 150k

R2 2 0 47k

RI1 2 3 1.1k

RE1 4 0 100

RO1 5 4 40k

RC1 5 0 10k

R3 5 0 47k

R4 5 0 33k

RI2 5 6 1.1k

R02 7 0 40k

RC2 7 0 4.7k

RF 7 4 4.7k

.TF V(7) V

.OP

.OPT nopage

.END

Выполните анализ и распечатайте выходной файл, убрав лишние строки, чтобы результаты поместились на одной странице. Сравните ваши результаты с рис. 4.12. Анализ показывает, что полный коэффициент усиления по напряжению V(7)/V=43,58, R'0=148,6 Ом. Убедитесь, что в отсутствие нагрузки R0=153,5 Ом. Убедитесь, что с учетом результата в выходном файле R'I=27,29 кОм входное сопротивление относительно базы первого транзистора Ri=99,01 кОм. 

**** 09/16/05 11:02:16 ******** Evaluation PSpice (Nov 1999) *********

Small-signal Model Voltage-series Feedback, CE Pair

V 1 0 1mV

V01 3 3А 0

V02 6 6A 0

E1 3A 4 5 4 2.5E-4

E2 6A 0 7 0 2.5E-4

F1 5 4 V01 50

F2 7 0 V02 50

RS 1 2 1k

R1 2 0 150k

R2 2 0 47k

RI1 2 3 1.1k

RE1 4 0 100

RO1 5 4 40k

RC1 5 0 10k

R3 5 0 47k

R4 5 0 33k

RI2 5 6 1.1k

RO2 7 0 40k

RC2 7 0 4.7k

RF 7 4 4.7k

.TF V (7) V

.OP

.OPT nopage

.END

NODE  VOLTAGE   NODE VOLTAGE   NODE VOLTAGE   NODE  VOLTAGE

( 1)  .0010     ( 2) 963.4E-06 ( 3) 952.7E-06 ( 4)  953.0E-06

( 5) -416.6E-06 ( 6) 10.89E-06 ( 7) .0436     ( 3А) 952.7E-06

( 6A) 10.89E-06

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V   -3.664E-08

V01  9.719E-09

V02 -3.886E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 3.66E-11 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E1         E2

V-SOURCE -3.424E-07  1.089E-05

I-SOURCE  9.719E-09 -3.886E-07

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME     F1         F2

I-SOURCE 4.860E-07 -1.943E-05

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(7)/V = 4.358E+01

INPUT RESISTANCE AT V = 2.729E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(7) = 1.486E+02

Рис. 4.12. Результаты анализа модели на рис. 4.11

Как будут различаться результаты анализа для схемы с обратной связью и результаты для схемы без обратной связи, когда резистор Rf удален? Просто выполните анализ снова, исключив команду, вводящую RF. В результате вы получите V(7)/V=1223, R0=42,9 кОм и Ri=6,06 кОм (см. рис. 4.13).

**** 09/16/05 11:23:10 ******* Evaluation PSpice (Nov 1999) **********

Small-signal Model Voltage-series Feedback, CE Pair

**** CIRCUIT DESCRIPTION

V 1 0 1mV

V01 3 3А 0

V02 6 6A 0

E1 3А 4 5 4 2.5E-4

E2 6A 0 7 0 2.5E-4

F1 5 4 V01 50

F2 7 0 V02 50

RS 1 2 1k

R1 2 0 150k

R2 2 0 47k

RI1 2 3 1.1k

RE1 4 0 100

RO1 5 4 40k

RC1 5 0 10k

R3 5 0 47k

R4 5 0 33k

RI2 5 6 1.1k

R02 7 0 40k

RC2 7 0 4.7k

;RF 7 4 4.7k

.TF V(7) V

.OP

.OPT nopage .END

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

NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE   NODE VOLTAGE   NODE  VOLTAGE

( 1)  .0010   ( 2) 838.3E-06 ( 3) 686.3E-06 ( 4)  688.0E-06

( 5) -.0061   ( 6) 305.9E-06 ( 7) 1.2235    ( 3А) 686.3E-06

( 6A) 305.9E-06

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V   -1.617E-07

V01  1.382E-07

V02 -5.818E-06

TOTAL POWER DISSIPATION 1.62E-10 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E1         E2

V-SOURCE -1.695E-06  3.059E-04

I-SOURCE  1.382E-07 -5.818E-06

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME     F1         F2

I-SOURCE 6.911E-06 -2.909E-04

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(7)/V = 1.223E+03

INPUT RESISTANCE AT V = 6.186E+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(7) = 4.236E+03

Рис. 4.13. Результаты анализа для схемы на рис. 4.11 без обратной связи 

Колебательный контур как модель двухполюсного усилителя с обратными связями

Продолжая тему, связанную с анализом частотных характеристик на PSpice, рассмотрим простую схему на рис. 4.14. Схема, состоящая из сопротивления, катушки индуктивности и конденсатора может использоваться для иллюстрации важных свойств двухполюсного усилителя с обратной связью. Хотя схема физически не содержит активных устройств, связанных с усилителями, она, тем не менее, имеет ту же самую частоту, фазу и переходную характеристику, что и усилитель. На примере этой схемы проще понять многие свойства его частотных и переходных характеристик.

Рис. 4.14. Двухполюсная модель замещения для усилителя с обратной связью

Начнем анализ, используя элементы со следующими параметрами: V=1 В; Rs=1 Ом; L=20 мГн; R=333,33 Ом и С=0,5 мкФ. Если не учитывать затухание, резонансная частота этой схемы определяется из выражения:

Угловая частота

ω0 = 2πf0 = 10 град/с.

Другие величины, представляющие интерес: добротность Q=R/(ω0L) и k=½Q (коэффициент затухания). В дальнейшем мы будем исследовать влияние k, изменяя R, однако сначала проведем анализ при R=333,33 Ом и k=0,3. Интересно рассмотреть частотную характеристику этой двухполюсной схемы, имея в виду, что она ведет себя так же, как усилитель с обратной связью. Входной файл:

Two-Pole Circuit Model for Amplifier with Feedback

V 1 0 AC 1

RS 1 2 1

L 2 3 20mH

R 3 0 333.33

N 3 0 0.5uF

.AC DEC 50 100 10kHz

.PROBE

.END

Проведите анализ и получите график V(3) в диапазоне от 100 Гц до 5 кГц. График показывает, что в некотором диапазоне частот выходное напряжение V(3) превышает входное напряжение 1 В. Из переходной функции можно найти, что пик приходится на угловую частоту   и напряжение в этой точке (пиковое значение) равно:

Вычислите эти значения по формулам; затем, используя режим курсора в Probe, проверьте их. График, подобный приведенному на рис. 4.15, должен показать следующие координаты пика напряжения: f=1,445 кГц и Vp=1,73 В.

Рис. 4.15. Амплитудно-частотная характеристика схемы на рис. 4.14

В следующей части анализа используем ступенчатое входное напряжения, чтобы оценить степень колебательности, или перерегулирования, при заданном значении k. Для того чтобы задать ступеньку напряжения, изменим команду, вводящую V, чтобы применить импульсный источник PWL. Значения в круглых скобках — это пары значений времени и напряжения. Таким образом, запись (0,0) в начале команды свидетельствует, что в нулевой момент времени, напряжение равно нулю. Следующая запись (0,01ms, 1) означает, что через 0,01 мс, напряжение становится равным 1 В. Нарастание в этом временном интервале происходит линейно. Напряжение остается равным 1 В до момента t=2 мс. Команда .TRAN использует два значения, первое из которых задает интервал печати (для получения и распечатки графика) и может игнорироваться при работе Probe. Второе значение представляет конечное время (1,5 мс). Таким образом, входной файл имеет вид: 

Transient Response of Two-Pole Circuit Model for Amplifier with Feedback

V 1 0 PWL (0, 0 0.01ms, 1 2ms, 1)

RS 1 2 1

R 3 0 333.33

L 2 3 20mHN 3 0 0.5UF

.TRAN 0.0 5ms 1.5ms

.PROBE

.END

Выполните анализ и получите график V(3) в Probe. Поскольку мы вызвали анализ переходного процесса (transient analysis), по оси X откладывается время. Верхняя граница шкалы времени равна 1,5 мс. График напряжения отражает перерегулирование при затухающем колебательном процессе в колебательном контуре. Имеется несколько важных моментов времени, которые вы можете найти, используя режим курсора.

На рис. 4.16 приведены характерные моменты времени и соответствующие им значения напряжения. Время t0,1 — момент, когда реакция достигает 0,1 от установившегося значения, время t0,5 — момент, когда реакция достигает 0,5 от установившегося значения (время задержки) и т.д. При использовании курсора, убедитесь, что t0,1=52 мкс, t0,5=424 мкс и t0,9=186 мкс. При этом время нарастания составляет (t0,9–t0,1)=134 мкс. Убедитесь также, что напряжение достигает пикового значения 1,368 В в момент t=326 мкс. На рис. 4.17 показана переходная характеристика.

Рис. 4.16. Реакция двухполюсной цепи на ступенчатый импульс

Рис. 4.17. Реакция двухполюсной цепи на ступенчатый импульс, полученная в Probe

Таким образом, программы PSpice и Probe позволили нам получить информацию, затратив гораздо меньше времени, чем при ручном расчете. В последнем случае без чрезмерных усилий мы смогли бы найти лишь несколько критических точек графика. 

В равной степени важно, что теперь мы можем быстро изменить значение и снова выполнить анализ. Возвратитесь к входному файлу для частотной характеристики и задайте новое значение сопротивления R=141,41 Ом. При этом будет выполняться условие 2k²>1, соответствующее отсутствию максимума в частотной характеристике. При R=141,41 Ом коэффициент k=0,707. Выполните частотный анализ для этого значения R, и убедитесь, что график не достигает максимума, а снижение начинается при более низких частотах. При желании вы можете продолжить анализ для других значений k. Не забудьте, что при больших значениях R (меньших значениях k) в частотной характеристике появится максимум. Проведите анализ для значений k=0,4 и k=0,6.

Анализ переходных процессов для каждого значения к также должен быть исследован. Мы провели анализ переходных процессов при k=0,3. Покажите, что при k=0,707, хотя и не имеется максимума в частотной характеристике, все еще наблюдается некоторое перерегулирование и колебательность в переходной характеристике при подаче ступеньки напряжения. Согласно теории, при k=1, когда будет достигнуто критическое затухание, перерегулирование исчезнет. Это будет также означать, что частотная характеристика пройдет ниже (то же самое ослабление будет достигаться при более низких частотах). Выполните анализ при k=1 и убедитесь, что t0,1=59 мкс, t0,9=173 мкс и t0,9=403 мкс. Покажите также, что для 3 дБ (для V=0,707 В) частота составляет f=1,016 кГц.

Итак, мы рассмотрели частотные и переходные характеристики колебательного контура, сходные с аналогичными характеристиками усилителя с обратной связью. Внимательно изучив результаты, вы должны получить ясное представление о роли Q, k, R, L и С в исследуемых процессах. 

Усилитель с общим эмиттером с параллельной обратной связью по напряжению

В качестве примера, относящегося уже не к колебательному контуру, а к усилителю, на рис. 4.18 показана упрощенная гибридная π-модель для усилителя ОЭ с параллельной обратной связью по напряжению.

Рис. 4.18. Упрощенная гибридная pi??!!-модель для усилителя ОЭ с параллельной обратной связью по напряжению

Так как нас интересует реакция на высоких частотах, используем анализ на переменном токе в диапазоне частот от 1 кГц до 10 МГц. Входной файл:

СЕ Amplifier with Voltage-Shunt Feedback

V 1 0 AC 1mV

G 4 0 3 0 50mS

RS 1 2 10k

RBB 2 3 100

RBE 3 0 1k

RF 2 4 40k

RC 4 0 4k

CE 3 0 100pF

CC 3 4 3pF

.AC DEC 40 1kHz 10MEGHz

.PROBE

.END

Выполните анализ; затем убедитесь, используя режим курсора, что V(4)=3,199 мВ соответствует среднечастотному значению. Затем удалите этот график и получите вместо него график

20·lg(V(4)/3,2мВ).

Используйте курсор, чтобы найти отметку, соответствующую снижению на 3 дБ при f=1,37 МГц.

Чтобы показать влияние Rf на процессы в схеме, удалите во входном файле команду, вводящую Rf и  снова выполните анализ. Убедитесь, что при удалении Rf среднечастотное значение V(4)=18,02 мВ и что отметка 3 дБ соответствует частоте f=246 кГц. Как и ожидалось из теоретического анализа обратной связи, включение в схему Rf стабилизирует ее режим, приводя к более низкому коэффициенту усиления по напряжению и расширению полосы частот.

Параллельная обратная связь по току в двухкаскадном усилителе с общим эмиттером

Для дальнейшей иллюстрации влияния обратной связи на диапазон частот на рис. 4.19 показана модель двухкаскадной схемы ОЭ с параллельной обратной связью по току. Мы снова выбрали упрощенную гибридную π-модель, включив при этом резистор Rf=1,2 кОм между эмиттером Q2 и базой Q1.

Рис. 4.19. Модель двухкаскадной схемы ОЭ с параллельной обратной связью по току 

Используйте для анализа следующий входной файл:

Current-Shunt Feedback Pair

I 0 1 AC 1mA

G1 3 0 2 0 50mS

G2 6 5 4 5 40mS

RS 1 0 1.2k

RBB 1 2 100

RBE 2 0 1k

RC1 3 0 3k

RBB2 3 4 100

RBE2 4 5 1k

RE 5 0 50

RC2 6 0 500

RF 5 1 1.2k

CE 2 0 100pF

CC 2 3 3pF

CE2 4 5 100pF

CC2 4 6 3pF

.AC DEC 40 10kHz 100MEGHz

.PROBE

.END

Проверьте в Probe, что среднечастотное значение тока I(RC2)=22,82 мА (что на 27,16 дБ выше Is) и максимум тока 26,35 мА появляется при частоте f=6,68 МГц. Затем используйте выражение

20·lg(I(RC2)/22,82мА), 

чтобы получить график выходного тока в децибелах. Чтобы яснее увидеть пик тока, установите диапазон по оси Х в пределах от 10 кГц до 20МГц и диапазон по оси Y от -5 до 5. Используйте курсор, чтобы проверить, что отметка в 3 дБ соответствует f=11,72 МГц. График должен быть похож на приведенный ниже (рис. 4.20).

Рис. 4.20. Характеристика Боде для схемы на рис. 4.19

Выполните анализ при удаленном из схемы Rf, чтобы показать, что в отсутствие обратной связи среднечастотное значение тока I(RC2)=508,9 мА.

Амплитудно-частотные характеристики для трехкаскадного усилителя с общим эмиттером

Рассмотрим теперь трехкаскадный усилитель с общим эмиттером. Анализировать эту схему без использования компьютера слишком трудно. Здесь также приходит на помощь PSpice, позволяя провести глубокий анализ схемы при различных параметрах. После этого мы введем в схему резистор обратной связи, включив его между коллектором последнего каскада и базой первого. В заключение мы рассмотрим, какие коррективы должны быть внесены, чтобы убрать большой максимум в характеристике усилителя с обратной связью. Модель усилителя представлена на рис. 4.21. Мы снова используем упрощенную гибридную π-модель для каждого транзистора. Для простоты резистор нагрузки каждого каскада выбран равным 2 кОм. Фактически резистор нагрузки каждого из первых двух каскадов представляет параллельное соединение коллекторного и смещающего резисторов. И напряжение источника V=0,1 мВ при Rs=50 Ом.

Рис. 4.21. Модель трехкаскадного усилителя ОЭ

Входной файл:

Three-Stage СЕ Amplifier Frequency Response

V 1 0 AC 1mV

G1 4 0 3 50mS

G2 6 0 5 50mS

G3 8 0 7 50mS

RS 1 2 50

RBB1 2 3 100

RBE1 3 0 1k

RL1 4 0 2e

RBB2 4 5 100

RBE2 5 0 1k

RL2 6 0 2K

RBB3 6 7 100

RE3 7 0 1k

RL3 8 0 2k

CE1 3 0 100pF

NN1 3 4 3pF

CE2 5 0 100pF

CC2 5 6 3pF

CE3 7 0 100pF

CC3 7 8 3pF

.AC DEC 2 0 10kHz 1MEGHz

.PROBE

.END

Проведите анализ, показав, что среднечастотное значение V(8)=9,046 В. Затем получите график

20·lg(V(8)/9,05V)

и выясните, что отметка в 3 дБ соответствует частоте f=420 кГц. Коэффициент усиления, вероятно, значительно больше необходимого, и частотная характеристика немного не умещается в диапазоне в отличие от характеристики для схемы с обратной связью. Сравните ваши результаты с кривой на рис. 4.22.

Рис. 4.22 Характеристика Боде для схемы на рис. 4.21

Влияние нагрузки на частотную характеристику

Вторая часть анализа будет выполняться с несколько измененной схемой. Замените источник напряжения источником тока по теореме Нортона и установите сопротивление нагрузки RL3=50 Ом. После модификации входной файл приобретает вид:

I 2 0 AC 2uA

RS 2 0 50

RL3 8 0 50

.AC DEC 2 0 10kHz 10MEGHz

Обратите внимание, что, как показано на рис. 4.23, узел 1 был удален и, соответственно, была изменена команда RS. Проведите анализ и убедитесь, что среднечастотное значение I(RL3)=4,52 мА. Затем используйте уравнение

20·lg I((RL3)/4,53мА),

чтобы получить график в децибелах. Убедитесь, что отметка в 3 дБ соответствует частоте f=776 кГц. Это показывает, что уменьшение значения RL расширяет полосу частот.

Рис. 4.23. Модификация схемы трехкаскадного усилителя

Трехкаскадный усилитель с параллельной обратной связью по напряжению

Теперь рассмотрим более значительное изменение. Включим резистор обратной связи Rf=5 кОм между узлами 8 и 2 (то есть между коллектором последнего и базой первого каскадов). Это приведет к созданию параллельной обратной связи по напряжению, как в предыдущих примерах. Изменим входной файл, добавив команду для введения Rf.

RF 8 2 5k

Теперь выполните анализ для f=20 МГц, убедившись, что среднечастотное значение I(RL3)=191 мкА. С учетом этого график Боде следует строить по уравнению

20·lg I(RL3)/191 мкА). 

Скорректируйте диапазон значений по оси Y, чтобы иметь возможность работать от -20 до 20 дБ. Убедитесь, что максимум тока достигается при 17,89 дБ и соответствует частоте fp=7,94 МГц. Покажите также, что отметка -3 дБ достигается при Y=11,18 МГц. Этот график показан на рис. 4.24.

Рис. 4.24. График Боде для схемы на рис. 4.23 

Внезапный резкий взлет выходной характеристики, конечно, нежелателен. Избежать его можно, подключив подходящий конденсатор параллельно резистору обратной связи Rf. Конденсатор добавляет еще один нуль в выражение для коэффициента усиления. Очевидно, что этот нуль соответствует частоте fp, что достигается при Cf=1/2πRffp. При fp=8 МГц получим Cf=4 пФ. Вставьте во входной файл команду

CF 8 2 4pF

и снова запустите анализ. График в Probe должен показать плоскую кривую, которая при частоте f=7,9 МГц формирует локальный максимум со значением 0,652 дБ, а при частоте f=11,18 МГц — отметку -3 дБ. Этот график показан на рис. 4.25.

Рис. 4.25. График Боде для схемы на рис. 4.23 с конденсатором, подключенным параллельно Rf

Потратьте еще некоторое время на внимательное изучение полученных результатов. Важно понять, что без компьютера трудно было бы провести подобные исследования.

Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

V [имя] <+узел> <-узел> [параметры анализа переходного процесса]

Например, запись

V 1 0 PWL (0us 0V 1us 1V 1s 1V)

означает, что источник напряжения включен между узлами 1 и 0, форма выходного напряжения описывается кусочно-линейной функцией (piecewise linear — PWL). В момент t=0, напряжение также нулевое; затем в момент t=1 мкс V=1 В и в момент t=1 с V= 1 В. Между соседними точками временная диаграмма представляет собой отрезки прямой. 

Различные виды задания формы выходного сигнала источников

В PSpice доступны не только независимые источники постоянного или синусоидального тока и напряжения. При исследовании переходных процессов могут быть заданы различные формы выходного сигнала, описываемые в спецификациях источников независимого напряжения или тока. Опишем подробно доступные источники, приводя простые примеры для каждого из них.

Экспоненциальные источники

Выходное напряжение таких источников описывается в следующей форме:

exp(<v1> <v2> <td1> <t1> <td2> <t2>),  

где v1 — начальное значение напряжения;

v2 — максимальное значение напряжения;

td1 — время нарастания;

t1 — постоянная времени нарастания τ1;

td2 — время спада;

t2 — постоянная времени спада τ2.

Рассмотрим в качестве примера следующий входной файл:

The Exponential Source

V 1 0 exp(2V 12V 2s 1s 7s 1s)

R 1 0 1

.tran 0.1s 12s

.probe

.end 

На рис. 4.26 показано выходное напряжение v(t), полученное в программе Probe. График показывает V=2 В в качестве начального значения; затем в момент t=2 с напряжение начинает экспоненциально нарастать до 12 В при времени нарастания τ1=1 с. В момент t=7 с, напряжение начинает спадать по экспоненте к начальному напряжению с постоянной времени спада τ2=1 с. Отметим, что td1 и td2 определены относительно начального момента t= 0.

Рис 4.26. Форма напряжения для экспоненциального источника (ехр)

Импульсные источники

Форма выходного напряжения описывается в виде:

pulse(<v1> <v2> <td> <tr> <tf> <pw> <per>),

где v1 — начальное напряжение;

v2 — напряжение в импульсе;

td — время задержки;

tr — время нарастания;

tf — время спада;

pw — ширина импульса;

per — период следования импульсов.

Рассмотрим, например, следующий входной файл:

The Pulse Source

V 1 0 pulse (0 5V .5ms 0.1ms 0.1ms 0.8ms 2ms)

R 1 0 1

.tran 0.02ms 4ms

.probe

.end

На рис. 4.27 показано выходное напряжение v(t), полученное в программе Probe. График показывает V=0 В до момента 0,5 мс (задержка времени); затем напряжение повышается до 5 В за время нарастания 0,1 мс. Ширина импульса составляет 0,8 мс, время спада 0,1 мс. Через время периода 2 мс импульс повторяется. Обратите внимание на наклон на фронте и срезе импульса, который наблюдается из-за конечного времени спада и нарастания в 0,1 мс.

Рис. 4.27. Форма напряжения для импульсного источника (pulse)

Источники с широтно-импульсной модуляцией

Форма выходного напряжения для источников с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) описывается в виде:

PWL(<t1><v1> <tv2> <v1> … <tn> <vn>),

где t1 — время, связанное с напряжением v1, t2 — время, связанное с напряжением v2 и т. д. Движение от одного уровня напряжения до другого, происходит по линейному закону, мы как бы соединяем точки отрезками прямых. Рассмотрим в качестве примера следующий входной файл:

The Piecewise-Linear Source

V 1 G PWLfOs 0V 0.2s 3V 0.4s 5V 0.6s -5V 0.8s -3V 1s 0V)

R 1 0 1

.tran 0.01s 1s

.probe

.end 

На рис. 4.28 показано выходное напряжение v(t), полученное в программе Probe. Обратите внимание, что в команде PWL сначала задаются моменты времени, которые затем сопровождаются соответствующими им напряжениями. Моменты времени задаются с нарастающими значениями; напряжения могут иметь положительные или отрицательные значения.

Рис. 4.28. Форма напряжения для источника с кусочно-линейным напряжением (PWL)

Источники с частотной модуляцией

Форма выходного напряжения описывается в виде:

SFFM(<vo><va> <fc> <m> <fs>),

где vo — напряжение смещения;

va — амплитуда напряжения;

fс — несущая частота;

m — коэффициент модуляции;

fs — частота сигнала.

Рассмотрим, например, такой файл введения:

Single-Frequency FM Source

V 1 0 sffmf(0V 5V 10kHz 3 1kHz)

R 1 0 1

.trail 0.005ms 1ms

.probe

.end

На рис. 4.29 показано выходное напряжение v(1), полученное в программе Probe. Поскольку несущая частота fc=10 кГц, на оси X отложено время, соответствующее 10 периодам несущей частоты (1 мс). Несущая частота модулируется по закону, определяемому частотой сигнала и коэффициентом модуляции. Обратите внимание на увеличение периода в центре графика. Когда используется малое значение т, смещение несущей частоты менее заметно. При большем m смещение становится больше.

Рис. 4.29. Форма напряжения для источника с частотной модуляцией (SFFM)

Надпись «FM source» на оси Y создана путем выбора последовательности команд Plot, Axis Settings и набора с клавиатуры на появившемся табло Y-axis в поле Axis Title этой надписи. В качестве упражнения выполните анализ для источника с модулируемой частотой (SFFM) при m=6 и сравните результаты с приведенными на рис. 4.29.

Синусоидальные источники

Форма выходного напряжения описывается в виде:

sin(<vo><va> <f> <td> <df> <phase>),

где vo — напряжение смещения;

va — амплитуда напряжения;

f — частота;

td — запаздывание;

df — коэффициент затухания;

phase — фаза синусоидального напряжения.

Поясним эту запись на примере:

The Sine-Wave Source V 1 0 sin(0.3V 1V 500Hz 0 500 0) R 1 0 1

.tran 0.06ms 6ms .probe .end

Результат приведен на рис. 4.30. Временная зависимость для v(t) получена на интервале в 6 мс и представляет собой три периода затухающей синусоиды. Затухание происходит по экспоненциальному закону

е-at,

где а — коэффициент затухания, который в нашем примере равен 500. Обратите внимание, что при t=2 мс выражение приобретает вид

е-1.

Очевидно, при меньших значениях а меньше будет и затухание, а при а=0 мы получим незатухающее колебание.

Рис. 4.30. Форма напряжения для источника с синусоидальным затухающим напряжением (sin) 

Подводя итог, отметим, что выходной сигнал независимых источников напряжения или тока может быть задан различными способами. Такие способы описания применяются для расчетов переходных процессов, требующих использования команды .tran во входном файле.

Задачи 

4.1. В качестве модификации фильтра нижних частот (показанного на рис. 4.1) на рис. 4.31 приведена схема с двумя резисторами и двумя конденсаторами. При использовании PSpice анализа получите график, показывающий частотные зависимости амплитуды и фазы выходного напряжения. Идентифицируйте частоту, соответствующую амплитуде в 3 дБ.

Рис. 4.31

4.2. Проведите анализ усилителя ОЭ, приведенного на рис. 4.5, пользуясь упрощенной моделью в h-параметрах. Сравните результаты с полученными при использовании полной модели в h-параметрах.

Рис. 4.32 

4.3. Воспользуйтесь упрощенной моделью в h-параметрах при hie=1,1 кОм и hfe=80 для каждого из двух каскадов усилителя, показанного на рис. 4.32. 

Обратите внимание, что первый каскад представлен усилителем ОЭ, а второй — усилителем с общим коллектором ОК. Параметры элементов: Rs=100 Ом; Rc=4 Ом; Re=2 кОм; Vs=2 мВ. Найдите выходное напряжение на средних частотах.

4.4. Каскадный усилитель часто используется для высокочастотных устройств. Для схемы на рис. 4.33, примите, что оба полевых транзистора имеют gm=5 мС; rd=50 кОм; Cgs=5 пФ; Cgd=4 пФ; Cds=0,5 пФ; С1=C2=С3=С4=50 мкФ; R1=470 кОм; R2=100 кОм; R3=180 кОм; Rs=800 Ом и Rd=4 кОм. Найдите коэффициент усиления на средних частотах и большее из значений частоты, соответствующей 3 дБ, проведя анализ на PSpice.

Рис. 4.33

4.5. Используйте высокочастотную модель полевого транзистора при Cgs=5 пФ; Cgd=3 пФ; Cds=0,4 пФ; gm=6 мС и rd=500 кОм. Исходный повторитель показан на рис. 4.34. При использовании Vs=1 мВ, получите график частоты, показывающий верхнюю отметку снижения на 3 дБ при: a) Rs=2 кОм и б) Rs=10 кОм.

Рис. 4.34. 

4.6. Используйте гибридную π-модель для усилителя с обратной связью на полевом транзисторе, показанного на рис. 4.35. Параметры элементов: gm= 50 мС; rbb'=100 Ом; rb'e=1 кОм; Сс=4 пФ; Се=80 пФ и rсе=80 кОм. При Rs=500 кОм; Vs=1 мВ и RL=4 кОм, получите амплитудно-частотную характеристику при: a) Re=300 Ом и б) Re=500 Ом.

Рис. 4.35 

4.7. На рис. 4.36 приведен пример усилителя с параллельной обратной связью по напряжению. Используйте упрощенную модель в h-параметрах при chfe= 100 и hie=1,1 кОм. При Rs=500 Ом; Re=4 кОм и Vs=1 мВ найдите коэффициент усиления по напряжению на средней частоте, входное и выходное сопротивления для случаев: a) Rf=27 кОм и б) Rf=40 кОм.

Рис. 4.36. 

4.8. Для расширения частотного диапазона на входе усилителя ОЭ включена шунтирующая катушка, сглаживающая характеристику на высоких частотах (рис. 4.37, а). Модель, использующая теорему Миллера, показана на рис. 4.37, б. Параметры элементов: RL=500 Ом; R1=100 Ом; RL=1,1 кОм; L=5 мГн; gw=0,2 мС; rb=100 Ом; Сс=5пФ и Сe=100 пФ. Убедитесь, что емкость Сi=605 пФ. Создайте входной файл для PSpice, чтобы определить частотную характеристику схемы. Найдите среднечастотный коэффициент усиления. Сравните верхнюю частоту, соответствующую 3 дБ, для случаев со сглаживающей катушкой и без нее.

а

б

Рис. 4.37.

4.9. Соединительные проводники в схеме обладают паразитной индуктивностью, которая влияет на частотную характеристику усилителя. На рис. 4.38 показана упрощенная модель усилителя, включающая последовательную индуктивность L=0,5 мГн, учитывающую этот эффект. Проведите анализ на PSpice, чтобы определить частотную характеристику схемы. Задав v=1 мВ, найдите v0 для частотного диапазона от 100 Гц до 10 МГц. Для сравнения примите, что L пренебрежимо мала, и выполните анализ снова.

Рис. 4.38.

5. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ), или op amp, представляет собой интегральную схему, широко используемую в электронике. Реальная схема усилителя сложна и нет необходимости отражать все ее свойства в нашей модели. Мы начнем с модели идеального ОУ, содержащей лишь наиболее существенные компоненты.

Идеальный операционный усилитель

Идеальный ОУ будет смоделирован для PSpice как усилитель с высоким входным сопротивлением, нулевым выходным сопротивлением и высоким коэффициентом усиления по напряжению. Типичные значения этих параметров показаны на рис. 5.1, где Ri=1 ГОм; А=200000 и v0=A(v2–v1). Обратите внимание, что напряжение v1 относится к инвертирующему входу, a v2 — к неинвертирующему. Эта модель будет служить для анализа на постоянном токе и при низкой частоте. При необходимости мы будем изменять модель, учитывая другие свойства ОУ.

Рис. 5.1. Идеальный операционный усилитель

Хотя в применении PSpice для анализа простых схем на ОУ нет необходимости, желательно посмотреть, какую информацию дает программа даже в этих ситуациях. Имеются также некоторые ограничения, которые заслуживают нашего внимания. 

На рис. 5.2, а показана схема включения ОУ с использованием отрицательной обратной связи по напряжению. Резистор обратной связи R2 включен между выходом и инвертирующим входом, при этом неинвертирующий вход заземлен. На рис. 5.2, б приведен вариант такой схемы для PSpice.

(а)

(b)

Рис. 5.2. Усилитель с отрицательной обратной связью по напряжению на базе идеального ОУ: а) схема усилителя; б) модель усилителя для PSpice

Входной файл для анализа схемы:

Ideal Operational Amplifier

VS 1 0 1V

E 3 0 0 2 200ЕЗ

R1 2 0 1G

R1 1 2 1k

R2 3 2 10k

.OP

.OPT nopage

.TF V(3) VS

.END

Проведите анализ и рассмотрите результаты, полученные в выходном файле. Убедитесь, что V(3)/VS=-9,999. Коэффициент усиления очень близок к -10 и может быть приближенно аппроксимирован выражением v0/vs=–R2/R1. Используя метод узловых потенциалов, запишите уравнения, необходимые, чтобы получить значение v0/vs. Убедитесь, что результаты зависят от значения А и что аппроксимация верна только тогда, когда А приближается к бесконечному значению.

В результате анализа должно получиться значение входного сопротивления Rin=1 кОм. Можете вы это объяснить? Не забудьте, что мы можем считать оба входа ОУ заземленными, и при этом входное сопротивление оказывается равным R1.

Неинвертирующий идеальный операционный усилитель

На рис. 5.3 показана другая простая схема на ОУ. В ней напряжение vs подключено к неинвертирующему (+) входу. На рис. 5.4 показана модель и приведены параметры элементов.

Рис. 5.3. Неинвертирующий усилитель на базе идеального ОУ 

Рис. 5.4. Модель неинвертирующего усилителя на базе идеального ОУ

Входной файл для этого случая:

Ideal Operational Amplifier, Noninverting

VS 1 0 1V

E 3 0 1 2 200E3

RI 1 2 1G

R1 2 0 1k

R2 3 2 9k

.OP

.OPT nopage

.TF V(3) VS

.END

Убедитесь, что V(3)/VS=10 в соответствии с формулой v0/vs=-R2/R1 и Rin=2,0Е13. Почему настолько велико входное сопротивление? Так как идеальный ОУ почти не потребляет тока, источник сигнала vs работает практически в режиме холостого хода.

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.

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.

Исследуйте теперь второй график. Нажмите Ctrl и → (стрелку вправо), чтобы перевести курсор на второй график. Затем двигайтесь по второму графику, пока не достигнете нужной точки. Обратите внимание, что второй график показывает Аmid=7,96 дБ, что на 20 дБ меньше, чем у первого. Искомая частота будет соответствовать коэффициенту усиления 4,96 дБ (7,96–3,00). Убедитесь, что это дает f3дБ=394 кГц. Эти результаты соответствуют полученным в предыдущих примерах. Сравните полученный вами двойной график с рис. 5.23.

Рис. 5.23. Результат анализа схемы с двумя ОУ

Активные фильтры

Для получения более крутых границ полосы пропускания, чем у простых однополюсных фильтров, содержащих, например, только один конденсатор, могут применяться высокочастотные, низкочастотные и полосовые активные фильтры. Классическим примером таких устройств являются фильтры Баттерворта. 

ОУ часто используются при разработке активных фильтров, поскольку получить усилители с высокими добротностями на базе ОУ достаточно просто. Мы не будем касаться теории фильтров в нашем обсуждении. Если вы изучаете активные фильтры впервые, обратитесь к другим источникам, чтобы лучше оценить элегантность и простоту этих схем.

Низкочастотный фильтр Баттерворта второго порядка

Воспользуемся таблицами нормированных многочленов Баттерворта, чтобы найти коэффициенты для фильтра второго порядка:

s² + 1,414s + 1.

Фильтр второго порядка показан на рис. 5.24. Для вводного примера найдем элементы R1, R2, R и С для фильтра Баттерворта с частотой среза fc=5 кГц. Как обычно, в качестве частоты среза принимается частота, при которой характеристика снижается на 3 дБ. Согласно теории, низкочастотный коэффициент усиления задается выражением: 

Avo = 3 – 2k,

где k представляет собой коэффициент затухания, определенный как половина коэффициента при s² из таблицы полиномов Баттерворта (см. Hillburn and Johnson. Manual of Active Filter Designs, McGraw-Hill, 1973). Для этого примера k=0,707 и

Av0 = 3 - 1,414 = 1,586.

Рис. 5.24. Низкочастотный фильтр Баттерворта второго порядка 

Допустим, что R1=10 кОм. Из выражения

получаем R2=5,86 кОм. Если положить R=1 кОм, из выражения fc=1/(2πRC) найдем С=31,83 нФ. Чтобы проверить теорию Баттерворта, используем идеальную модель ОУ в качестве подсхемы, как показано на рис. 5.25. Для этого создайте следующий входной файл:

Second-Order Butterworth Filter

V1 1 0 AC 1mV

R3 1 2 1k

R4 2 3 1k

R1 4 0 10k

R2 5 4 5.86k

C1 2 5 31.83nF

C2 3 0 31.83nF

X 4 3 5 iop

.AC DEC 40 1 100kHz

.PROBE

.subckt iop m p vo

e vo 0 p m 2e5

rin m p 1meg

.ends

.END

Рис. 5.25. Подсхема для идеального ОУ

Проведите анализ и получите график V(5)V(1). Выясните, что Аv0=1,586, что соответствует нашему расчету. Затем удалите этот график и получите график зависимости

20·lg(V(5)/(V(1)·1,587В)).

Убедитесь, что fc=5 кГц. Этот фильтр второго порядка должен иметь вдвое большую крутизну спада, чем фильтр первого порядка. Вспомним, что фильтр первого порядка имеет скорость спада 20 дБ/дек. Убедитесь, что при f=10 кГц Av=12,31 дБ, а при f=100 кГц Av=52,05 дБ, что составляет приблизительно 40 дБ/дек. Этот график показан на рис. 5.26.

Рис. 5.26. График Боде для низкочастотного фильтра Баттерворта второго порядка

Низкочастотный фильтр Баттерворта четвертого порядка

В качестве другого примера рассмотрим фильтр Баттерворта четвертого порядка, предназначенный для работы на частоте fc=1 кГц. Из таблицы полиномов находим коэффициенты:

(s² + 0,765s + 1)·(s² + 1,848s + 1).

Коэффициент затухания k равен половине коэффициента при s в каждом квадратном уравнении, давая k1=0,383 и k2=0,924:

Av1 = 3 – 2k1 = 3 – 0,765 = 2,235 и Av2 = 3 – 2k2 = 1,152.

Для первого каскада примем R1=10 кОм и с помощью уравнения

найдем R2=12,35 кОм. Приняв для второго каскада R1=10 кОм, получим R2=1,52 кОм. При fc=1 кГц, если положить R=1 кОм, С=0,16 мкФ. Схема показана на рис. 5.27. Поскольку каждый элемент должен иметь уникальное обозначение, вычисленные здесь значения R и С относятся к соответствующим резисторам и конденсаторам каждого из каскадов. Входной файл при этом:

Fourth-Order Butterworth Filter

V1 1 0 AC 1mV

R3 1 2 1k

R4 2 3 1k

R1 4 0 10k

R2 5 4 12.35k

R7 5 6 1k

R8 6 7 1k

R5 8 0 10k

R6 9 8 1.52k

C1 2 5 0.16uF

C2 3 0 0.16uF

C3 6 9 0.16uF

C4 7 0 0.16uF

.AC DEC 40 1 10kHz

.PROBE

.subckt iop m p vo

E vc N

i p m 2e5

rin m p 1meg

.ends

X1 4 3 5 iop

X2 8 7 9 iop

.END

Рис. 5.27. Полосовой фильтр Баттерворта четвертого порядка

Выполните анализ и затем получите совместный график для V(5)/V(1), (V)9/V(5), и V(9)/V(1). Они представляют собой коэффициенты усиления первого и второго каскадов и полный коэффициент усиления соответственно. Так как они выражены не в децибелах, вы легко сможете проверить, что Av1=2,235, Av2=1,152, а общий коэффициент усиления Av=Av1·Av2=2,575. Вы можете найти эти значения, используя режим курсора при низких частотах. Нажимайте Ctrl и →, чтобы выбрать нужный график. Сравните полученные вами графики с представленными на рис. 5.28.

Рис. 5.28. АЧХ фильтра Баттерворта четвертого порядка

Получите распечатку результатов анализа, включая все три графика для дальнейшего изучения. Обратите внимание на интересный пик на графике Av1. Он компенсируется провалом на графике Аv2, поэтому график полного коэффициента усиления становится плоским почти на всей полосе пропускания, круто падая при частоте, близкой к 1 кГц.

Крутизну легче определить из графика в децибелах. Используйте характеристику 20·lg(V(9)/V(1)) и так далее, заменив три графика логарифмическими характеристиками. Убедитесь, что для полной схемы, fc=1 кГц. Также пронаблюдайте скорость спада для каждого из трех графиков. Вы сможете показать, что для каждого из двух каскадов, крутизна спада составляет приблизительно 10 дБ/дек по сравнению с приблизительно с 20 дБ/дек для общей характеристики. Разве не вызывает восхищения простота восприятия основных идей при передаче их графическим способом. Вы должны также оценить, сколько времени и усилий сэкономлено при использовании такого мощного вычислительного инструмента, как PSpice. Сравните кривые представленные на рис. 5.29, с полученными графиками.

Рис. 5.29. Логарифмические АЧХ (ЛАЧХ) фильтра Баттерворта четвертого порядка

Мы можем показать одно дополнительное свойство фильтра Баттерворта, слегка модифицировав предыдущий входной файл. Сравните фильтры второго и четвертого порядков. Будут необходимы некоторые вычисления, поскольку мы не имеем данных для двухкаскадного фильтра при f=1 кГц.

Низкочастотный коэффициент усиления будет таким же, как вычисленный ранее для фильтра второго порядка, а именно: Av=1,586. Положив R1=10 кОм, получим R2=5,86 кОм.

При R=1 кОм найдем, что С=0,159 мкФ. Дополнение к схеме на рис. 5.27, позволяющее включить в схему фильтр второго порядка, показано на рис. 5.30. Отметим, что это дополнение имеет номера узлов большие, чем приведенные на рис. 5.27. Этот фильтр имеет собственный вход и физически не связан с четырехкаскадным фильтром. Если дополнить входной файл соответствующей информацией, он примет вид:

Fourth-Order Butterworth Filter Compared with Second-Order

VI 1 0 AC 1mv

R3 1 2 1k

R4 2 3 1k

R1 4 0 10k

R2 5 4 12.35k

R7 5 6 1k

R8 6 7 1k

R5 8 0 10k

R6 9 8 1.52k

C1 2 5 0.16uF

C2 3 0 0.16uF

C3 6 9 0.16uF

C4 7 0 0.16uF

VII 10 1 AC imV

R9 13 0 10k

R10 14 13 5.36k

R11 10 11 1k

R12 11 12 1k

C5 11 14 0.159uF

C6 12 0 0.159uF

X1 4 3 5 iop

X2 8 7 9 iop

X3 13 12 14 iop

.AC DEC 40 1 10kHz

.PROBE

.subckt iop m p vc

VC 0pm 2e5

ein m p 1meg

.ends

.END

Рис. 5.30. Дополнение к схеме на рис. 5.27, позволяющее включить в схему фильтр второго порядка

Выполните анализ и получите графики в децибелах V(9)/V(1) для фильтра четвертого порядка и V(14)/V(10) для фильтра второго порядка. Вы должны получить Av=4,006 дБ (второй порядок) и Av=8,214 дБ (четвертый порядок). Мы хотим показать их при сравнимой базе, поэтому построим графики

20·lg(V(14)/V(10)),

и

20·lg(V(9)/V(1)) – 4,208.

Значение 4,208 представляет смещение второго графика относительно первого, нормализующего второй график относительно первого. Эти графики (рис. 5.31) с накладывающимися в низкочастотном диапазоне траекториями ясно показывают, что оба фильтра Баттерворта имеют одинаковую частоту fc=1 кГц. Это относится к фильтрам Баттерворта всех порядков.

Рис. 5.31. Логарифмических АЧХ для фильтров Баттерворта второго и четвертого порядков

Активный резонансный полосовой фильтр

В простой резонансной схеме резонансные свойства RLC-цепи используются для создания крутого спада характеристики на границах полосы пропускания. На рис. 5.32 показан входной колебательный контур, содержащий Vs, R, L и C. Выберем параметры элементов, обеспечивающие необходимую ширину полосы частот В и добротность Q.

Рис. 5.32. Активный резонансный полосовой фильтр с добротностью Q = 2

Центральная частота принимается равной частоте резонанса LС-контура:

Добротность Q определяется по формуле Q=ω0L/R. В таком фильтре В=f0/Q=R/2πL. Например, выберем добротность Q=2, f0=11 кГц и R=10 кОм. При этом L=0,289 Гн и С=0,724 нФ. В завершение выберем R1=10 кОм, чтобы обеспечить необходимое значение Av этого неинвертирующего усилителя. Входной файл:

Active Resonant Band-Pass Filter

vs1 о AC 1mv

R 3 0 10k

R1 4 0 10k

R2 5 4 10k

L 1 2 0.289H

С 2 3 0.724nF

X 4 3 5 iop

.AC DEC 40 1kHz 100kHz

.PROBE

.subckt iop m p vo

e vo 0 p m 2e5

rin m p 1meg

.ends

.END

Проведите анализ и получите график отношения выходного напряжения к входному (V(5)/V(1)) в логарифмическом масштабе. Проверьте центральную частоту и ширину полосы частот. Значения частот спада на 3 дБ составляют f=8,6 кГц и f=14,1 кГц, что обеспечивает полосу пропускания В=5,5 кГц. При этом центральная частота оказывается равной приблизительно 11,2 кГц.  

Получим также график VP(5), чтобы наблюдать, как фазовый угол изменяется вблизи резонансной частоты. Он равен нулю при f=11 кГц. Интересно сравнить две схемы этого типа, которые имеют различные значения добротности. Мы получили результаты при добротности Q=2, а теперь исследуем другую схему при Q=5. На рис. 5.33 показана соответствующая схема. Ширина полосы частот В=2,2 кГц, и сохраняя значение R=10 кОм, получим L=0,723 Гн и С=0,289 нФ.

Рис. 5.33. Схема дополнения, позволяющая исследовать полосовой фильтр с добротностью Q = 5

Узлы пронумерованы таким образом, чтобы схемой можно было дополнить первоначальный входной файл. Это позволит нам получить АЧХ для обеих схем на одном графике. Добавьте следующие команды к предыдущему входному файлу:

VS1 6 0 AC 1mV

R11 8 0 10k

R3 9 0 10k

R4 10 9 10k

L1 6 7 0.723Н

C1 7 8 0.289nF

X1 9 8 10 iop

Выполните анализ и получите в одном окне графики

20·lg(V(5)/V(1)),

и

20·lg(V(10)/V(6)).

Посмотрите влияние добротности на форму графиков при Q=5 и Q=2. С помощью курсора проверьте ширину полосы частот при Q=5. Она должна быть почти точно В=2,2 кГц. Эти кривые показаны на рис. 5.34.

Рис. 5.34. Графики Боде для сравнения АЧХ при добротностях Q = 2 и Q = 5 

Получите другой график, используя VP(5) для одной кривой и VP(10) для другой. Это покажет сравнение сдвигов фазы для двух случаев. Сравните результат с полученным на рис. 5.35.

Рис. 5.35. Графики Боде для сравнения фазочастотных характеристик при добротностях Q = 2 и Q = 5

Активный RC полосовой фильтр

Использование катушки индуктивности в полосовом фильтре не всегда желательно, тем более что в некоторых случаях значение индуктивности очень велико. На рис. 5.36 представлена схема, в которой для обеспечения заданной полосы пропускания используются только конденсаторы и резисторы.

Рис. 5.36. Активный полосовой RC-фильтр

Для определения параметров элементов можно использовать следующие формулы:

Для примера мы выберем A0=50, f0=160 Гц и В=16 Гц. Для удобства примем С1=С2=0,1 мкФ. Выражение для добротности Q=f0/B. Теперь найдите R1, R2 и R3. Сравните ваши ответы с приведенными в последующих результатах анализа на PSpice. Обратите внимание, что значения сопротивления были немного округлены. Входной файл:

Active RC Band-Pass Filter

VS1 6 0 an 1mv

R1 1 2 2k

R2 2 0 667

R3 4 3 200k

C1 2 4 0.1uF

C2 2 3 0.1uF

X 3 0 4 iop

.AC DEC 100 1 1Mz

.PROBE

.subckt iop m p vo

e vo 0 p m 2e5

rin m p 1meg

.ends

Проведите анализ и получите график V(4)/V(1), показывающий А0=50 при f0=158 Гц. Удалите этот график и постройте новый в логарифмическом масштабе, чтобы найти полосу пропускания. Убедитесь, что f1=151 Гц и f2=167 Гц, что дает B=16 Гц. На рис. 5.37 показан результат с курсором в одной из точек, соответствующих снижению на 3 дБ.

Рис. 5.37. Характеристика Боде для схемы на рис. 5.36

Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

Х[name] [<node>]* <sname>

Например, запись

XI 9 8 10 iop

указывает, что подсхема подключена в узлах 9, 8 и 10 к основной схеме. Имя подсхемы — iop. Входной файл содержит описание подсхемы. Он мог бы иметь, например, такой вид:

.subckt iop 1 2 3

…

…

.ends 

где запись iop идентифицирует подсхему, в которой узлы подсхемы 1, 2 и 3 подключаются к внешним узлам 8, 9 и 10 соответственно команде X. Строка .ends показывает конец описания подсхемы. 

Использование подсхем наиболее удобно, когда во входном файле необходимо использовать устройство, модель или группу элементов более одного раза. Например, все команды X1, Х2 и Х3 могли бы обращаться к одному и тому же устройству: iop.

Задачи

5.1. Идеальный инвертирующий ОУ, показанный на рис. 5.2, имеет следующие параметры элементов: R1=2 кОм; R2=15 кОм; А=100000 и Ri=1 Мом. Проведите PSpice анализ, чтобы определить коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивления. Значение 1 МОм для встречается на практике. Какие различия в результатах вы получите, если выполнить анализ на PSpice для Ri=1 ГОм?

5.2. Рассчитайте идеальный неинвертирующий ОУ, показанный на рис. 5.3, таким образом, чтобы иметь коэффициент усиления по напряжению, равный 20. Выберите значения для R1 и R2, и выполните PSpice анализ, чтобы проверить ваш расчет. 

5.3. Идеальный ОУ, показанный на рис. 5.5, должен использоваться при значениях входных сигналов va=3 В и vb=10 В. При R1=5 кОм, R2=10 кОм, R3=10 кОм и R4=5 кОм, найдите выходное напряжение, используя PSpice. Сравните результаты с теми, что получили в примере из текста при R1=R3 и R2=R4. Определите роль R3 и в определении коэффициента усиления по напряжению.

5.4. Для модели ОУ, приведенной на рис. 5.8, ft=1 МГц и fc=10 Гц. Пересмотрите модель, чтобы учесть ft=2 МГц и fc=10 Гц. Используйте R1=10 кОм и R2=240 кОм. Найдите коэффициент усиления на средних частотах и верхнее значение частоты для снижения на 3 дБ. Сравните ваши результаты с приведенными в текстовом примере.

5.5. На рис. 5.15 произведение RC составляет 1 с. Покажите, что использование чаще применяемых на практике значений С=50 мкФ и R=20 кОм в том же входном файле должно привести к тем же результатам, что и в текстовом примере. Затем при использовании С=50 мкФ и R=10 кОм выполните анализ снова. Объясните различие между этим и предыдущим результатами.

5.6. Используя схему на рис. 5.17 при С=50 мкФ и R=20 кОм, выполните на PSpice анализ с тем же входным сигналом, что и на рисунке. Сравните полученные результаты с рис. 5.18. Затем при использовании С=50 мкФ и R=10 кОм выполните анализ снова. Объясните различие между этим и предыдущим результатами.

5.7. На рис. 5.38 показан ОУ первого порядка, у которого

vs = 4 – 4u(t) В,

где u(t) представляет собой единичную ступенчатую функцию. Анализ показывает, что

vc(t) = 10e-4t В и

v0(t) = -vc(t) В.

Рис. 5.38.

Для t≥0 выполните PSpice анализ, чтобы проверить предсказанные результаты.

5.8. На рис. 5.39 приведена схема с ОУ, для которой

vs(t) = 3 - 3u(t) В.

Рис. 5.39

Найдите v0(0), iс(0), i0(0) и получите график v0(t), используя PSpice.

5.9. Рассчитайте фильтр низкой частоты первого порядка, показанный на рис. 5.40, с частотой среза f0=5 кГц. Используйте R=R1=1 кОм и рассчитайте С. Найдите коэффициент усиления на средних частотах и используйте программу Probe для проверки расчета.

Рис. 5.40.

6. Переходные процессы и анализ во временной области

Анализ переходных процессов является еще одной из полезных возможностей PSpice. Математический расчет переходных процессов может оказаться довольно утомительным и долгим. Он предусматривает сложные преобразования дифференциально-разностных уравнений при определенных граничных и начальных условиях. PSpice позволяет нам получить полную информацию за короткое время и лучше понять процессы, воспользовавшись широким набором временных зависимостей токов и напряжений.

Замыкание ключа в RL-цепях

В каждой схеме при попытке изменения ее энергетического состояния происходит хотя бы кратковременный переходной процесс. В качестве примера на рис. 6.1 показана схема с источником напряжения в 1 В, ключом (в начальный момент он закрыт), резистором R и катушкой индуктивности L. Посмотрим, что же произойдет сразу после замыкания ключа. Из курса теоретической электротехники известно, что ток достигнет установившегося значения V|R не сразу, нарастая по экспоненте. Постоянная времени нарастания τ=L|R представляет собой время, требуемое для достижения током 63,2% установившегося значения. Через 5τ! ток почти достигнет установившегося значения, отличаясь от него не более чем на 1%.

Рис. 6.1. Замыкание ключа в RL-цепи

В PSpice, мы исследуем этот переходной процесс, воспользовавшись источником с кусочно-линейным выходным напряжением PWL (piecewise linear). 

Он будет задан командой, описывающей приложенное напряжение, следующим образом:

V 1 0 PWL (0,0 10us,1V 10ms, 1V)

Команда показывает, что напряжение приложено между узлами 1 и 0 и его форма задана отрезками прямых (PWL). Параметры в круглых скобках представляют собой пару значений: момент времени — напряжение. В данном примере в момент t=0 V=0; затем при t=10 мкс V=1 В; при 10 мс V=1 В. Изменение напряжения между двумя соседними моментами времени осуществляется по отрезку прямой. Посмотрите, как выглядит временная функция напряжения. Теперь можно записать входной файл:

Switch Closing in RL Circuit

V 1 0 PWL (0,01us,1V 10ms, 1V)

R 1 2 100

L 2 0 0.1H

.TRAN 1ms 10ms

.PROBE

.END

Первое значение, показанное в команде .TRAN, является значением шага в распечатке. Выберите его равным приблизительно одной десятой части второго значения, которое указывает длительность анализируемого процесса.

Выполните анализ и получите график I(R). Обратите внимание, что ток, как и ожидалось, нарастает по экспоненте, достигая установившегося значения в 10 мА. Используйте режим курсора, чтобы определить начальную скорость изменения тока Δi|Δt. Для определения отношения приращений вы можете выбрать временной интервал приблизительно в 50 мкс. Убедитесь, что в начале процесса Δi|Δt=10 А/с. Если ток будет увеличиваться с этой скоростью вплоть до установившегося значения 10 мА, то когда он этого значения достигнет?

Как вы знаете, через время, равное постоянной времени τ, ток должен достигнуть 0,632 от установившегося значения. Проверьте по графику, что это значение (6,32 мА) достигается через t=1 мс. Сверьте полученный вами график с рис. 6.2.

Рис. 6.2. График тока для схемы на рис. 6.1

Если вы впервые сталкиваетесь с понятием постоянной времени, получите график при других параметрах, что поможет вам лучше разобраться с этой концепцией. Удалите график тока и получите графики трех напряжений: V(1), (V)2 и V(1,2). Напряжение V(1,2) является более коротким обозначением разности V(1)–V(2). Установив начальную задержку по оси времени в 10 мс вместо 1 мс, мы лучше увидим начальный участок процесса после замыкания ключа. Что представляют собой кривые?

Приложенное напряжение V(1) мгновенно повышается от нуля до 1 В, а напряжение на катушке индуктивности V(2) начинается при значении в 1 В в момент t=0. Можете ли вы с помощью второго закона Кирхгофа (устанавливающего связь напряжений) объяснить почему? Падение напряжения на резисторе V(1, 2) имеет, очевидно, график, подобный графику тока, поскольку vR=Ri. Так как всегда vR+vL=V (V — приложенное напряжение), то графики vR(t) и vL(t) являются зеркальными отображениями. Графики этих зависимостей показаны на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Графики напряжений на элементах схемы на рис. 6.1 

Переходной процесс при ненулевых начальных условиях

В схеме рис. 6.4 до момента t=0 ключ разомкнут. После замыкания ключа начинается переходной процесс с ненулевыми начальными условиями. Чтобы рассчитать переходной процесс на PSpice и в этом случае, необходимо проделать некоторую предварительную работу.

Рис. 6.4. Схема с ненулевыми начальными условиями

Проведем в качестве примера расчет при следующих значениях параметров элементов: R1=15 Ом, R=5 Ом, L=0,5 мГн и V=10 В. До замыкания ключа ток равен

После замыкания ключа ток нарастает по экспоненте, как и в предыдущем примере. При начальном токе в 0,5 А входной файл выглядит следующим образом:

Transient with Nonzero Initial Current

V 1 0 PWL(0, 2.5V 1us, 10V 1ms, 10V)

R 1 2 5

L 2 0 0.5mH IC=0.5A

.TRAN 10us 1ms

.PROBE

.END

Отметим, что команда для L содержит запись IC=0,5 А, с помощью которой задается начальное значение тока в катушке. Однако этого недостаточно для правильного отображения процесса. Обратим внимание, что запись для выходного напряжения дает начальную пару значений для PWL 0; 2,5 В. Что это означает? При токе i=0,5 А напряжение на резисторе R составляет vR=Ri=0,5·5=2,5 В. При замыкании ключа сопротивление R1 исключается из схемы, но поскольку ток в схеме (и напряжение на R) не может мгновенно измениться, то, в соответствии со вторым законом Кирхгофа, мгновенно изменяется напряжение на катушке. Однако PSpice позволяет учесть лишь начальный ток в катушке, а напряжение на ней в начале анализа всегда равно нулю. Чтобы обеспечить ток в 0,5 А, мы должны принять в начальный момент напряжение на источнике равным 2,5 В, что и сделано при описании источника PWL.

Теперь можно провести анализ и получить кривые тока. Убедитесь, что начальное значение тока составляет 0,5 А, а его установившееся значение равно 2 А. С какой постоянной времени ток будет достигать установившегося значения? Общее изменение тока составляет 1,5 А. А за какое время разница достигает величины 0,632·1,5 = 0,948? Прибавив эту величину к начальному значению 0,5 А, вы получите ток i=1,448 А. Проверьте это по графику, воспользовавшись курсором. Сверьте ваш график с показанным на рис. 6.5.

Рис. 6.5. График тока для схемы на рис. 6.4

Подключение источника постоянного напряжения к RC-цепи 

В конденсаторе, показанном на рис. 6.6, при замыкании ключа происходит начальный скачок тока. Входной файл для этого случая:

Switch Closing in RC Circuit

V 0 PWL(0,0 1us,1V 10ms,1V)

R 1 2 10k

С 2 0 0.1uF

.TRAN 1ms 10ms

.PROBE

.END

Рис. 6.6. Замыкание ключа в RC-цепи

Проведите анализ и получите график I(R). Каково значение тока в момент, когда ключ разомкнут? Каково оно будет при t=τ, если ток продолжит падать с начальной скоростью после того, как станет нулевым? Сверьте ваш результат с приведенным на рис. 6.7.

Рис. 6.7. График тока для схемы на рис. 6.6 

Удалите график тока и получите графики приложенного напряжения V(1) и напряжений на конденсаторе V(2) и на резисторе V(1, 2). Обратите внимание на экспоненциальный рост напряжения на конденсаторе и экспоненциальный спад напряжения на резисторе. Такой характер изменения напряжений подтверждается кривыми на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Напряжения на элементах схемы на рис. 6.6

Цепи с двумя накопителями энергии

Схемы с двумя различными накопителями энергии содержат катушку индуктивности L и конденсатор С вместе с одним или несколькими резисторами R. Когда схема содержит последовательно включенные R, L и С, различают переходные процессы трех типов. При слабом затухании процесс называется колебательным, при избыточном затухании — апериодическим, а при критическом затухании — критическим случаем. Начнем с первого случая.

Апериодический переходной процесс в RLC-цепях

На рис. 6.9 показана схема с источником напряжения в 12 В. Ключ замыкается при t=0, после чего начинается переходной процесс. Значения параметров: С=1,56 мкФ, L=10 мГн и R=200 Ом. Изменение значения R при дальнейшем изложении приведет нас к двум другим типам переходных процессов, но для R=200 Ом получается случай апериодического процесса при избыточном затухании. За время 1 мс ток увеличивается до максимума и затем спадает по экспоненте.

Рис. 6.9. Схема с двумя накопителями энергии при избыточном затухании

Математический анализ этой схемы показывает, что ток представляет собой сумму двух показательных функций, что и должно быть видно на графике. Входной файл:

Double-Energy Circuit, Overdamped

V 1 0 PWL(0,0 1us,12V 10ms,12V)

R 1 2 200

L 2 3 10mH

N 3 0 1.56uF

.TRAN 10us 1ms

.PROBE

.END

Проведите анализ, затем получите график I(R). Убедитесь, что максимум тока i=47,4 мА достигается при t=125 мкс. График для случая с большим затуханием показан на рис. 6.10.

Рис. 6.10. График тока для схемы на рис. 6.9

Интересно также посмотреть, как изменяются напряжения на компонентах схемы. Удалите график тока и вы получите графики V(1), V(3), V(2,3) и V(1,2). Соответствующие узлы обозначены на схеме на рис. 6.9. Убедитесь, что напряжение на резисторе достигает максимума vR=9,46 В в момент t=125 мкс, а напряжение на катушке индуктивности в момент замыкания ключа круто нарастает — почти до vL=11,8 В, затем спадает до нуля и достигает минимума vL=-1,201 В при t=226 мкс. Эти графики показаны на рис. 6.11.

Рис. 6.11. Временные диаграммы напряжений на элементах схемы на рис. 6.9 

Критический переходной процесс в RLC-цепях

Обратимся снова к схеме на рис. 6.9. Анализ показывает, что при критическом затухании

Если оставить значения L и С прежними, то условие критического режима соблюдается при R=160 Ом. Чтобы увидеть результаты, просто измените значение R во входном файле и выполните анализ снова.

Убедитесь, что ток достигает максимального значения i=55,36 мА при i=125 мкс. Удалите график тока и получите графики различных напряжений, как в предыдущем анализе. Эти кривые будут иметь тот же вид, что и при апериодическом процессе (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Графики напряжений в схеме (рис. 6.9) при критическом затухании

Колебательный процесс в RLC-цепях при слабом затухании

Чтобы исследовать процесс при слабом затухании, уменьшим сопротивление до значения меньшего, чем критическое (160 Ом). Проведем анализ при R=60 Ом. Изменим значение R во входном файле и рассмотрим график тока I(R). Убедитесь, что ток достигает максимума i=92,7 мА при t=111 мкс и становится сначала отрицательным, а затем снова положительным. Такой колебательный характер процесса типичен для случая слабого затухания. На рис. 6.13 показан график тока при колебательном процессе. Вы можете попробовать проанализировать процесс при меньших значениях сопротивления и выяснить влияние сопротивления на переходной процесс. Вы установите, что при меньших значениях R период колебаний увеличивается.

Рис. 6.13. График тока в схеме (рис. 6.9) при малом затухании

Удалите теперь график тока и получите графики напряжений V(1), V(3), V(2,3) и V(1,2). Эти графики показаны на рис. 6.14. Интересно отметить, что максимум напряжения на конденсаторе выше приложенного напряжения 12 В и достигается в момент минимума напряжения на катушке индуктивности. Наблюдая процесс при других значениях R, можно увидеть различные варианты взаимодействия составляющих напряжения, при этом, конечно, всегда соблюдается второй закон Кирхгофа.

Рис. 6.14. Графики напряжений для режима с малым затуханием

Отклик на ступенчатое воздействие в усилителях

Определим, насколько похожа форма выходного напряжения на форму входного при подаче ступеньки напряжения на усилитель. Будем рассматривать усилитель как низкочастотный фильтр, схема которого показана на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Подача ступеньки входного напряжения на низкочастотный фильтр

Выходное напряжение изменяется по экспоненте на фронте и срезе импульса. На фронте выходное напряжение изменяется по формуле

vо = V(1 – e–t/RC).

Время нарастания tr показывает, как быстро выходное напряжение может достичь максимума в ответ на ступеньку входного напряжения. Поскольку

время нарастания

Чтобы избежать излишних искажений, мы предлагаем выбирать fH=1/tp, где tp — ширина импульса. Это означает, что tr=0,35tp.

Чтобы показать эти свойства при fH=20 кГц, выберем следующие параметры модели низкочастотного фильтра: R=10 кОм, С=796 пФ. Из уравнений найдем tp=50 мкс и tr=17,5 мкс. Выясните, насколько близки эти значения к полученным при анализе на PSpice. Входной файл:

Pulse Response When fH=1/tp

V 1 0 PWL(0,0 0.5us, 1V 50us, 1V 50.5us,0)

R 1 2 10k

N 2 0 7 9 6pF

.TRAN 0.5us 100us

.PROBE

.END

Выполните анализ и получите в Probe графики входного v(1) и выходного v(2) напряжений. Проверьте по графику выходного напряжения, что t0,1=1,1 мкс и t0,9=18,6 мкс. Они представляют собой моменты времени, когда выходное напряжение составляет 0,1 и 0,9 от максимального значения. Разность между ними представляет собой время нарастания, равное tr =17,5 мкс, что соответствует результатам наших предварительных вычислений. Этот график приведен на рис. 6.16.

Рис. 6.16. Входное и выходное напряжения для схемы на рис. 6.15

Что будет, если мы вдвое увеличим емкость по сравнению с рекомендуемым максимальным значением? Выполните анализ с новым значением С=1,592 нФ. Убедитесь, что выходное напряжение не достигает значения 1 В и к тому же более искажено.

Сигнал передается гораздо лучше, когда емкость меньше рекомендуемого значения. Выполните анализ при С=398 пФ. Вы увидите, что в этом случае выходное напряжение намного правильнее воспроизводит прямоугольное входное напряжение. 

Отклик на низкочастотное воздействие в усилителях

При низкой частоте и, соответственно, большой длительности входных импульсов усилитель замещается высокочастотным фильтром (рис. 6.17), чтобы моделировать низкочастотный отклик усилителя. Уравнение для выходного напряжения:

vo = Ve-t|RC.

Рис. 6.17. Схема для исследования низкочастотного отклика

Когда постоянная времени τ=RC слишком мала, выходное напряжение имеет нежелательный спад. Поскольку значение R определяется входным сопротивлением усилительного каскада и не может изменяться, значение С должно быть выбрано достаточно большим, чтобы избежать чрезмерного наклона. Выберем, например, R=1,59 Ом и С=10 мкФ и используем в качестве входного прямоугольное напряжение с частотой в 50 Гц. Входной файл для такого анализа: 

Tilt of Square Wave for Low-Frequency Response

V 1 0 PWL(0,0 1us, 1V 10ms, 1V 10.001ms,-12V 20ms,-1V

+20.001ms,1V 30ms,1V)

N 1 2 10uF

R 2 0 1.59k

.TRAN 0,15ms 30ms

.PROBE

.END

Выполните анализ, затем получите графики v(1) и v(2). Найдите наклон выходного напряжения, сравнивая значения на фронте и на срезе импульса. Проверьте, что эти значения соответственно равны 1 и 0,533 В, создавая спад в 46,7%. Зачастую желательно, чтобы спад не превышал 10%. Очевидно, для этого необходимо увеличить значение емкости. Установите значение С=50 мкФ и выполните анализ снова. Проверьте, что спад не меньше чем 12%. Этот график показан на рис. 6.18.

Рис. 6.18. Входное и выходное напряжении при исследовании низкочастотного отклика 

В лаборатории реакция наблюдалась бы с помощью осциллографа, подключенного на выход усилителя при подаче на его вход прямоугольного напряжения соответствующей частоты.

Цепи заряда конденсаторов

Схема на рис. 6.19 содержит конденсатор в одной ветви и катушку индуктивности в другой. Источник напряжения подключается, чтобы зарядить конденсатор, затем он закорачивается.

Рис. 6.19. Схема с индуктивной и емкостной ветвями

Прежде чем выполнять анализ на PSpice, необходимо определить начальные напряжения и токи, при которых он будет проводиться. В команде описания для vs указано, что приложенное напряжение постоянно и равно 6 В при t<0. В схеме замещения для постоянных составляющих конденсатор представляет собой разрыв, а катушка индуктивности — короткое замыкание. Ток от источника в 6 В равен 6 В/3 Ом=2 А, а напряжение узла 1 равно 4 В и представляет собой напряжение на конденсаторе при t=0. Ток в 2 А проходит через R1, R2, и L. При t=0 приложенное напряжение vs= 0 В, и схема приобретает вид, показанный на рис. 6.20. Эта схема и анализируется на PSpice. Входной файл при этом

Initial Conditions Example

R1 0 1 1

R2 1 2 2

C 1 0 250mF IC = 4V

L 2 1 21 IC=2A

.TRAN 0.01ms 4s UIC

.PROBE

.END

Рис. 6.20. Схема замещения для момента t = 0

Входной файл содержит в команде ввода конденсатора С значение IС=4 В, которое задает начальное напряжение на конденсаторе; в команде ввода L имеется запись IС=2 А, которая задает начальный ток через L. Отметим, что для конденсатора может быть задано только начальное напряжение, а для катушки индуктивности —только начальный ток. В команду .TRAN добавлена запись UIC, которая означает, что анализ переходных процессов должен начинаться при определенных начальных значениях.

Выполните анализ и получите графики напряжения на конденсаторе и на катушке индуктивности. Убедитесь, что при t=0,5 с, vc(0,5 с)=–0,860 В и vL(0,5 с)=-3,49 В. Графики показаны на рис. 6.21.

Рис. 6.21. Графики напряжений на конденсаторе и катушке в схеме на рис. 6.20

В качестве дополнительного упражнения получите графики токов конденсатора и катушки индуктивности. Убедитесь, что iC(0)=–6 А. Поскольку R1=1 Ом и R2=2 Ом, мы должны принять начальный ток через R1 вдвое большим тока через R2. Зададим начальный ток 4 А через R1 и ток 2 А через R2. Нарисуйте схему и покажите направления токов в различных ветвях. После получения графиков тока убедитесь, что при t=0,5 с tc(0,5с)=–0,457 и iL(0,5с)=1,316 А. Обратите внимание, что если на одном графике представлены две кривые, вы можете задать движение курсора по одной из них, выбрав Cursor и затем нажав мышью на маркер выбранной кривой. Например, можно нажать на значок перед v(2) под осью X, чтобы выбрать вторую кривую. 

Прежде, чем выйти из программы Probe, получите графики токов через оба резистора. Убедитесь, что при t=0 iR1(0)=–4 А и iR2(0)=2 А. Учтите направления токов на рис. 6.20, чтобы определить их знаки (положительные и отрицательные). Графики напряжений на элементах схемы на рис. 6.20 приведены на рис. 6.21. 

LС-цепи при размыкании ключа

Другая схема, в которой источник напряжения исключается из цепи при t=0, показана на рис. 6.22. Перед проведением анализа на PSpice найдем начальные условия. Имеется напряжение постоянного тока Vs=6 В, приложенное к схеме при t<0. При этом условии схемой замещения является параллельное соединение R1 и R2. При делении тока между ветвями получаются значения токов iR1=3 А и iR2=2 А. Последний ток проходит также через катушку L. Ток через R2 создает на этом сопротивлении напряжение:

V(1,2) = R2IR2 = 3 Ом · 2 А = 6 В.

Рис. 6.22. Цепь с ключом, размыкающимся при t = 0

Это начальное напряжение на конденсаторе. Обратите внимание на полярность этого напряжения и направление начального тока катушки индуктивности. Схема замещения с учетом начальных условий, получающаяся после замыкания ключа, показана на рис. 6.23. Входной файл при этом приобретает вид:

Switch-Opening Circuit with L, С

R11 0 2

R2 1 2 3

N 1 2 4000mF IC=6V

L 2 0 SH IC=2A

.TRAN 0.01ms 16s UIC

.PROBE

.END

Рис. 6.23. Схема замещения после размыкания ключа

Проведите анализ и убедитесь, что при t=0, при разомкнутом переключателе vc(0) = 6 В и iL(В) = 2 А в соответствии с начальными условиями, зафиксированными во входном файле. Получив график v(2), проверьте также, что vL(0)=-10B и iL(0)=0.

Как можно определить vL(0) после размыкания ключа с помощью простого схемотехнического анализа? Так как ток через катушку индуктивности в момент переключения неизменен, ток через R1 мгновенно становится равным 2 А (направлен вверх, к узлу 1), хотя до размыкания ключа он равен 3 А и направлен от узла 1 (вниз). Ток в 2 А создает падение напряжения 4 В с полярностью, показанной в рис. 6.23. Применение второго закона Кирхгофа к контуру, содержащему R1, С и L, дает vL(0)=-10 В, подтверждая результаты, полученные на PSpice. На рис. 6.24 показано напряжение v(1, 2), которое и является напряжением на конденсаторе vc.

Рис. 6.24. График напряжения на R2 в схеме на рис. 6.23

Прежде чем выйти из программы Probe, убедитесь, что токи и напряжения в момент t=2 с имеют следующие значения:

vc(2 с) = 5,2778 В;

vL(2 с) = –3,94 В;

ic(2 с) = –2,428 А;

iL(2 с) = –0,675 А.

Токи показаны на рис. 6.25.

Рис. 6.25. Графики токов в ветвях схемы на рис. 6.23

Цепи с источником тока

На рис. 6.26 показана схема с источником тока, обеспечивающим установившееся значение в ЗА при t<0. В момент t=0 ток становится равным 0. Прежде чем приступить к анализу на PSpice, определим начальные условия для L и С. До момента t=0 ток через R=3 А, в то время как ток через другую ветвь равен нулю, так как конденсатор С является разрывом для постоянного тока. Таким образом iL(0)=0. Падение напряжения на R равно 2×3 = 6 В, с полярностью, показанной на рис. 6.27. Поскольку при постоянном токе напряжение на L равно нулю, напряжение vc(0)=6 В. Приведенной информации достаточно, чтобы выполнить анализ на PSpice. Входной файл:

Initial Conditions from Current Source

R 1 0 2

L 1 2 3H

N 2 0 4000mF IC=6V

.TRAN 0.001ms 24s UIC

.PROBE

.END

Рис. 6.26. Схема с источником тока

Рис. 6.27. Схема замещения для момента t = 0

Выполните анализ и получите графики напряжений на резисторе и конденсаторе. Проверьте начальные условия для обоих напряжений. В качестве упражнения убедитесь, что для момента t1=4 с напряжения vc(t1)=4,2095 В и vR(t1)=4,5476 В. Можете ли вы сказать, каково будет напряжение vL(t1), не получая график напряжения vL?

Используйте второй закон Кирхгофа, чтобы найти это значение. Напряжения на резисторе и конденсаторе показаны на рис. 6.28. Теперь получите график iC(t). Заметьте, что этот ток растет от нулевого начального значения до значения тока в катушке. Убедитесь, что iC(4 с)=–2,2738 А. Этот ток протекает через каждый элемент против часовой стрелки. Убедитесь также, что максимальный (по модулю) ток imax=-2,313 достигается при t=3,48 с.

Рис. 6.28. Напряжения на элементах схемы на рис. 6.27 

Мостовые схемы с ненулевым начальным током

В схеме на рис. 6.29 ключ размыкается при t=0. Схема замещения до размыкания показана на рис. 6.30. В ней катушка индуктивности заменена коротким замыканием, при этом напряжения на R1 и R3 равны 6 В, что приводит к прохождению тока в 2 А через R1 и тока в 3 А через R3. Поскольку в ветви конденсатора ток отсутствует, ток в катушке индуктивности также должен быть равен 3 А. Так как напряжение V(1,3) равно нулю, то и vc равно нулю. Эта информация позволяет нам задать начальные условия для анализа на PSpice, приводя к следующему входному файлу:

Switch Opening in Bridge Circuit

R1 0 1 3

R2 1 2 1

R3 3 0 2

L 1 3 3H IС = 3A

N 2 3 2000mF

.TRAN 0.001ms 16s UIC

.PROBE

.END

Рис. 6.29. Схема с размыканием ключа в момент t = 0

Рис. 6.30. Схема замещения для момента размыкания ключа (t < 0) 

Проведите анализ и проверьте следующее: iC(0)=–2,5 A, iL(0)=3 А, iR3(0)=0,5 A, v12(0)=–2,5 В, v23(0)=0 и v13(0)=–2,5 В (здесь v12(0) означает v(1, 2) при t=0). Графики токов показаны на рис. 6.31, а графики напряжений — на рис. 6.32.

Рис. 6.31. Графики токов в схеме на рис. 6.29

Рис. 6.32. Графики напряжений в схеме на рис. 6.29 

В качестве упражнения определите iC при t=0, воспользовавшись вторым законом Кирхгофа для контура, содержащего R1, R2, R3 и С. 

Звенящий контур

Определим реакцию на прямоугольное входное напряжение цепи, представленной на рис. 6.33. Входное напряжение резко изменяется от 0 до 1 В, затем в момент t=2 мс уменьшается на 2 В, достигая значения -1 В, затем в момент времени t=4 мс снова резко изменяется до 1 В. Задача состоит в том. чтобы определить, насколько точно напряжение на RL воспроизводит входное прямоугольное напряжение. Входной файл:

Ringing Circuit

Vs 1 0 PWL(0s, 0V 0.01ms, 1V 2ms, 1V 2.01ms, -1V 4ms, -1V 4.01ms, 1V)

Rs 1 2 1

L 2 3 10mН

RL 3 0 333.3

N 3 0 0.1uF

.TRAM 0.0 5ms 6ms

.PROBE

.END

Рис. 6.33. Звенящий контур

График V(3), полученный в Probe, показан на рис. 6.34. Вы можете получить также график VS, чтобы увидеть разницу в этих двух графиках. Прежде чем выйти из Probe, удалите графики напряжений и получите графики для каждою из токов. Если вам интересно, получите также I(C). Графики токов должны дать вам лучшее понимание процессов в схеме. Проведите анализ снова, уменьшив на порядок емкость С, и сравните результаты.

Рис. 6.34. Графики выходного напряжения в звенящем контуре

Задачи 

6.1. Параметры элементов схемы, показанной на рис. 6.35: V=10 B, R1=R=1 кОм и от С=200 мкФ. Получите график vc(t) на интервале от момента размыкания ключа до момента достижения напряжением на конденсаторе нулевого значения. Проведите необходимый анализ на PSpice и получите в Probe график vc.

Рис. 6.35

6.2. Параметры элементов для схемы на рис. 6.36: V=10 В, R1=R=100 Ом и L=2 Гн. Получите график vL(t) на интервала от момента размыкания ключа до момента снижения напряжения на катушке индуктивности до нуля. Проведите анализ на PSpice и получите в Probe график vL.

Рис. 6.36

6.3. Параметры элементов для схемы с двумя различными накопителями энергии, показанной на рис. 6.37: V=20 В, R=100 Ом, L=20 мГн и С=2 мкФ. Получите временную зависимость тока после размыкания ключа. Поскольку значение R в этой схеме соответствует слабому затуханию, график должен содержать, по крайней море, один полный период колебаний.

Рис. 6.37 

6.4. а) Увеличьте значение R в задаче 6.3, чтобы создать критическое затухание, и получите графики токов и составляющих напряжений. Найдите максимальные положительные и отрицательные значения токов.

б) Задав значение R=250 Ом, повторите предыдущее задание а). Найдите максимальные положительные и отрицательные значения всех составляющих напряжений.

6.5. На высоких частотах необходимо учитывать емкость на выходе усилителя напряжения. На рис. 6.38 выходная емкость составляет С=1 нФ и R=10 кОм. При амплитуде приложенного напряжения в 1 В и tp=100 мкс выходное напряжение должно быть достаточно близкой копией входного импульса.

а) Используйте метод, описанный в разделе «Отклик на единичное воздействие в усилителях», чтобы определить характер выходного напряжения. Используйте Probe, чтобы выяснить, является ли выходной импульс напряжения на конденсаторе С достаточно близкой копией входного импульса.

б) Если вы хотите получить более точную копию входного напряжения, попробуйте изменить значение tp и выполнить анализ снова. Каковы значения tH для пунктов а) и б) задания?

Рис. 6.38

6.6. При обсуждении низкочастотной реакции усилителя в этой главе мы установили, что обычно желательно, чтобы спад напряжения в конце импульса не превышал 10%. Приближенная формула для определения спада:

где tL=1/(2πRC), а f — частота прямоугольного напряжения. Используйте методику, описанную в тексте, чтобы при воздействии прямоугольного напряжения с частотой 60 Гц найти следующее:

а) относительный спад выходного напряжения при R=1,59 Ом и С=10 мкФ;

б) значение С, которое требуется, чтобы создать относительный спад приблизительно в 10%?

Проверьте ваши ответы с помощью графика, полученного в Probe.

7. Ряды Фурье и гармонические составляющие

Одна из сильных сторон PSpice заключается в способности анализировать системы с нелинейными характеристиками, например, исследовать усилитель мощности при подаче на его вход сигнала с высокой амплитудой. При этом усилитель начинает работать на нелинейной части характеристики, что приводит к искажениям в выходном напряжении. В этой главе мы выясним, насколько велики искажения, проанализировав гармонический состав выходного напряжения усилителя.

Основная и вторая гармоники

Начнем с простой схемы, позволяющей рассмотреть основные концепции, которые мы используем в дальнейшем для более сложных схем. На рис. 7.1 показано входное напряжение VBX.p=1 В, это синусоидальная волна с частотой f=1 кГц и максимальным значением 1 В (действующим значением Vвх=√2). Чтобы обеспечить выходное напряжение, которое является нелинейной функцией входного, в качестве усилителя используется источник напряжения Е, управляемый напряжением (ИНУН). В этом примере зависимость выходного напряжения от входного отображается функцией

f(x) = 1 + х + х².

Рис. 7.1. Схема с нелинейной связью входного и выходного напряжений

Эта функциональная связь отображается в команде Е c помощью полиномиальных коэффициентов. Общий вид полинома:

f(х) = k0 + k1х + k2х².

Чтобы перейти к зависимости нашего примера, используем три последних числа команды ввода Е. Мы хотим провести гармонический анализ, чтобы увидеть, какие из гармоник присутствуют в выходном напряжении, но сначала попробуем определить, чего же мы должны ожидать.

Прежде чем перейти к разложению временных зависимостей в ряд Фурье, необходимо выполнить анализ для переходных процессов (программу transient analysis в PSpice). 

Поэтому необходимо использовать обе команды .TRAN и .FOUR. Обычно выполняется анализ переходных процессов для полного периода основной частоты. В этом примере f=1 кГц; следовательно, Т=1/f=1 мс. Гармонический анализ отражает частотные компоненты вплоть до девятой гармоники. Для большинства целей этого должно быть более чем достаточно. Если показывать более высокие гармоники, они не будут иметь большого значения из-за накопления ошибки округления в результатах.

Чтобы дать более подробное описание входного напряжения VBX, используем форму sin для описания источника. Параметры sin(а, b, с,…) означают: а — постоянная составляющая, b — максимальное значение, с — частота, d — задержка, е — коэффициент затухания и f — фаза.

При включении во входной файл команды .FOUR производится гармонический анализ, дающий разложение в ряд Фурье для результатов анализа переходного процесса. Параметры для этой команды включают частоту основной гармоники и переменные, для которых будет получено разложение. В этом примере такими переменными будут периодические функции входного V(1) и выходного V(2) напряжений. Входной файл:

Fourier Analysis; Decomposition of Polynomial

Vin 1 0 sin(0 1 1000); аргументы для смещения, максимума и частоты

Rin 1 0 1MEG

Е 2 0 poly(1) 1,0 1 1 1; последние 3 значения для k0, k1, k2

Rout 2 0 1MEG

.TRAN 1us 1ms

.FOUR 1000 V(1) V(2)

.PROBE

.END

Проведите анализ, затем получите графики V(1) и (V)2. Убедитесь, что V(1) — точная копия входного напряжения VВХ. Выходное напряжение должно показать компоненту постоянного тока и сложную волну с максимумом в 3 В. Из теоретического изучения рядов Фурье можно заключить, что этот график напоминает периодическую волну, состоящую из основной и второй гармоник. Целесообразно распечатать копию этого графика для будущего изучения. На рис. 7.2 показаны эти графики.

Рис. 7.2. Графики напряжений v1 и v2 для схемы на рис. 7.1

Рассмотрим также выходной файл для этой схемы (рис. 7.3), на котором показаны следующие значения для напряжений узлов: V(1)=0 В и V(2)=1 В. Это означает, что хотя входной сигнал не имеет смещения, выходное напряжение имеет смещение V(2)=1 В. 

На рис. 7.3 в таблице компонентов ряда Фурье для V(1) не все компоненты имеют реальные значения. Так, значение постоянной составляющей теоретически должно быть равно нулю, но анализ дает очень малое значение 3.5Е-10, не равное в точности нулю из-за накопления ошибки округления.

Fourier Analysis; Decomposition of Polynomial

Vin 1 0 sin(0 1 1000); arguments are offset, peak, and frequency

Rin 1 0 1MEG

E 2 0 poly(1) 1,0 1 1 1; last 3 1s are for k0, k1, k2

Rout 2 0 1MEG

.TRAN 1us 1ms

.FOUR 1000 V(1) V(2)

.PROBE

.END

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 1.0000

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(1)

DC COMPONENT = 2.936647E-08

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE      NORMALIZED

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

1        1.000E+03 1.000E+00 1.000E+00  1.115E-06  0.000E+00

2        2.000E+03 1.994E-08 1.994E-08 -9.308E+01 -9.308E+01

3        3.000E+03 7.381E-09 7.381E-09 -9.083E+01 -9.083E+01

4        4.000E+03 4.388E-09 4.388E-09 -8.993E+01 -8.993E+01

5        5.000Е+03 3.134Е-09 3.134Е-09 -9.107Е+01 -9.107Е+01

6        6.000E+03 1.525E-09 1.525E-09 -6.706E+01 -6.706E+01

7        7.000E+03 1.511E-09 1.511E-09 -1.392E+02 -1.392E+02

8        8.000E+03 1.237E-09 1.237E-09 -3.990E+01 -3.990E+01

9        9.000E+03 7.642E-10 7.642E-10  3.320E+01  3.320E+01

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 2.208405E-06 PERCENT

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(2)

DC COMPONENT = 1.500000E+00

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE      NORMALIZED

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

1        1.000E+03 1.000E+00 1.000E+00 -2.888E-07  0.000E+00

2        2.000E+03 5.000E-01 5.000Е-01 -9.000E+01 -9.000E+01

3        3.000E+03 7.971E-08 7.971E-08 -1.546E+02 -1.546E+02

4        4.000E+03 5.126Е-08 5.126Е-08 -1.439E+02 -1.439E+02

5        5.000E+03 3.918E-08 3.918E-08 -1.420E+02 -1.420E+02

6        6.000E+03 3.327E-08 3.327E-08 -1.299E+02 -1.299E+02

7        7.000Е+03 3.606E-08 3.606E-08 -1.268Е+02 -1.268E+02

8        8.000E+03 2.889E-08 2.859E-08 -1.316E+02 -1.316E+02

9        9.000E+03 2.584E-08 2.584E-08 -1.189Е+02 -1.189Е+02

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 4.999939E+01 PERCENT

Рис. 7.3. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 7.1

Первая гармоника представляет собой основную гармонику при f=1 кГц. Показана амплитуда первой гармоники ряда Фурье и ее фаза 2.4Е-7 (тоже почти ноль). Если считать, что этот компонент выражен формулой

bnsin(nx),

то это означает, что b1=1, n=1, где индекс 1 соответствует основной частоте. Другие гармоники могут игнорироваться, так как их амплитуды на много порядков меньше основной гармоники. Именно основная гармоника отражена на графике V(1) в Probe, получена она из данных на рис. 7.3.

Другая таблица компонентов Фурье на рис. 7.3 относится к V(2). При просмотре различных гармоник обратите внимание, что имеется постоянная составляющая в 1,5 В. Почему 1,5 В? Составляющая k0=1 В дает только часть этого значения, остальные же 0,5 В связаны со второй гармоникой. Теория показывает, что при гармоническом искажении по второй гармонике в выходном напряжении кроме собственно второй гармоники с амплитудой b2 появляется и связанная с искажениями по второй гармонике постоянная составляющая со значением b0=b2. Амплитуда основной частоты в разложении равна b1=1 В, амплитуда второй гармоники b2=0,5 В, ее фазовый угол составляет -90°. Более высокие гармоники имеют намного меньшую величину и их можно не учитывать.

В качестве упражнения по гармоническому синтезу вы можете нарисовать отдельные гармоники и сложить их, чтобы предсказать результат, который вы получите в Probe для V(2). Не забудьте учесть постоянную составляющую и соответствующие амплитуды и фазы для основной и второй гармоник. После того как вы нарисуете результирующее колебание, вам, несомненно, будет приятно узнать, что PSpice может сделать эту нудную работу за вас.

Сложение гармоник и разложение на гармонические составляющие

Создадим новый входной файл, соответствующий рис. 7.4, на котором к схеме рис. 7.1 добавлены еще два независимых источника тока. 

Мы использовали два источника только для того, чтобы вы могли получить основную и вторую гармоники на одном графике с выходным напряжением. Дополнительные источники питают подключенный параллельно 1-омный резистор. Такое изменение первоначальной схемы совсем не обязательно, просто оно оказалось удобным при данном наборе параметров. Новый входной файл представляет собой расширение предыдущего файла и выглядит следующим образом:

Fourier Analysis; Decomposition of Polynomial

Vin 1 0 sin(0 1 1000);аргументы - смещение, амплитуда и частота

Rin 1 0 1MEG

Е 2 0 poly(1) 1,0 1 1 1; последние 3 записи for k0, k1, k2

Rout 2 0 1MEG

i1 0 3 sin(1 1 1000)

i2 0 3 sin(0.5 0.5 2000 0 0 -90)

r 3 0 1

.TRAN 1us 1ms

.FOUR 1000 V(1) V(2) V(3)

.PROBE

.END

Рис. 7.4. Схема для анализа сложения гармоник и разложения в ряд Фурье 

Перед выполнением анализа подробно рассмотрим описания для i1 и i2. Для гармонического синтеза используются результаты разложения в ряд Фурье из предыдущей задачи. Убедитесь, что вы понимаете смысл всех параметров; затем выполните анализ в Probe, получив графики I(i1), I(i2) и I(r). Хотя они и представляют собой токи, но численно они равны напряжениям, так как проходят через сопротивление в 1 Ом. На рис. 7.5 представлены результаты. Теперь можно установить, что первый график представляет собой основную гармонику, второй — вторую гармонику, а третий — результат сложения их в резисторе r. Конечно, можно получить график V(3) вместо I(r). При этом ось Y будет размечена в единицах напряжения, а не тока. Убедитесь, что сумма двух первых кривых дает третью кривую в различные моменты времени. Чтобы сделать график более компактным, мы использовали смещение в 1 В для основной гармоники и в 0,5 В — для второй гармоники. Фактически основная гармоника имеет нулевое смещение.

Рис. 7.5. Основная и вторая гармоники и результат их сложения

Искажение по второй гармонике в усилителях

Когда рабочая область усилителя выходит за пределы линейной части характеристики, это приводит к некоторым искажениям. Первое приближение к реальной выходной кривой достигается включением в модель второй гармоники, показывающей, что переходная функция, связывающая ic и ib (ток коллектора и базы), является некоторой параболой. Обычно искажение намного меньше, чем принятое в нашем первом, вводном, примере, который был показан на рис. 7.1. Более точный полином задается формулой

f(x) = 0,1 + x + 0,2x².

Достаточно просто преобразовать первоначальный входной файл, чтобы он отражал эту ситуацию. Команда ввода для зависимого источника Е примет вид:

Е 2 0 poly(1) 1,0 0.1 1 0.2; последние три величины для k0, k1, k2

а весь входной файл будет:

Fourier Analysis; Second-Harmonic Distortion, Power Amplifier

Vin 1 0 sin(0 1 1000)

Rin 1 0 1MEG

E 2 0 poly(1) 1,0 0.1 1 0.2

Rout 2 0 1MEG

.TRAN 1us 1ms

.FOUR 1000 V(1) V(2)

.PROBE

.END 

Проведите анализ и получите в Probe графики V(1) и V(2). Вы увидите, что обе волны выглядят, как настоящие синусоиды. Для более точного сравнения удалите график V(2) и получите вместо него график V(2)–0,1. Это позволит сблизить обе кривые. При сравнении волн не забудьте, что V(1) представляет собой просто синусоидальный сигнал, a V(2) — комбинацию основной и второй гармоник. В этом примере вторая гармоника значительно меньше по амплитуде, чем в предыдущем. Вы можете распечатать результаты исследования, приведенные на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Основная и вторая гармоники и результат их сложения

Выйдя из программы Probe, рассмотрите выходной файл для этого случая. Входное напряжение V(1) точно такое же, как и в предыдущем примере, но V(2), конечно, отличается. Обратите внимание, что постоянная составляющая выходного напряжения равна 0.2 В, а вторая гармоника при f=2 кГц имеет амплитуду 0,1 В и фазовый угол -90°. Другие гармоники намного меньше и ими можно пренебречь. В заключение определите общее гармоническое искажение, которое очень близко к 10%, как и ожидалось. Искажение по второй гармонике определено как b1/b2 где b1 и b2 — коэффициенты при второй и основной гармониках соответственно. Эти данные приведены на рис. 7.7. 

Fourier Analysis; Second-Harmonic Distortion, Power Amplifier

Vin 1 0 sin(0 1 1000)

Rin 1 0 1MEG

E 2 0 poly(1) 1.0 0.1 1 0.2

Rout 2 0 1MEG

.TRAN 1us 1ms

.FOUR 1000 V(1) V(2)

.PROBE

.END

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) .1000

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(1)

DC COMPONENT = 2.936647E-08

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE      NORMALIZED

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

1        1.000E+03 1.000E+00 1.000E+00  1.115E-06  0.000E+00

2        2.000E+03 1.994E-08 1.994Е-08 -9.308E+01 -9.308E+01

3        3.000E+03 7.381E-09 7.381E-09 -9.083E+01 -9.083E+01

4        4.000E+03 4.388E-09 4.388E-09 -8.993E+01 -8.993E+01

5        5.000E+03 3.134E-09 3.134Е-09 -9.107Е+01 -9.107Е+01

6        6.000E+03 1.525E-09 1.525E-09 -6.706E+01 -6.706Е+01

7        7.000E+03 1.511E-09 1.511E-09 -1.392E+02 -1.392E+02

8        8.000E+03 1.237E-09 1.237E-09 -3.990E+01 -3.990E+01

9        9.000E+03 7.642E-10 7.642E-10  3.320E+01  3.320E+01

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 2.208405E-06 PERCENT

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(2)

DC COMPONENT = 2.000000E-01

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE      NORMALIZED

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

1        3.000E+03 1.000E+00 1.000E+00  7.683E-07  0.000E+00

2        2.000E+03 1.000E-01 1.000E-01 -9.000E+01 -9.000E+01

3        3.000E+03 1.756E-08 1.756E-08 -1.336E+02 -1.336E+02

4        4.000E+03 1.430E-08 1.430E-08 -1.348E+02 -1.348E+02

5        5.000E+03 9.547E-09 9.547E-09 -1.365E+02 -1.365E+02

6        6.000E+03 8.100E-09 8.100E-09 -1.232E+02 -1.232E+02

7        7.000E+03 6.463E-09 6.463E-09 -1.342E+02 -1.342E+02

8        8.000E+03 5.743E-09 5.743E-09 -9.544E+01 -9.544E+01

9        9.000E+03 6.931E-09 6.931E-09 -1.092E+02 -1.092E+02

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 9.999880E+00 PERCENT

Рис. 7.7. Результаты анализа искажений по второй гармонике в усилителях 

Интермодуляционные искажения

Используем простую схему (рис. 7.8), чтобы показать, как две синусоидальные волны объединяются в нелинейном устройстве, использующем довольно близкие друг к другу частоты, а именно f1=1 кГц и f2=1,5 кГц. Нелинейное смешивание происходит в зависимом источнике е-типа VCVS (ИНУН). Полином, описывающий связь, содержит больше членов, чем в предыдущем примере:

f(x) = 1 + x + х² + x³.

Рис. 7.8. Схема для демонстрации интермодуляционных искажений

Токи, суммируясь, создают в R=1 Ом напряжение V(1), численно равное току в R. Таким образом, входное напряжение V(1) можно воспринимать как напряжение в нелинейном смесителе. Поскольку синусоидальные волны имеют различные частоты, их сумма представляет собой сложное периодическое колебание с частотой, отличной от частоты исходных составляющих (частотой биений). Входной файл:

Intermodulation Distortion

i1 0 1 sin(0 1 1000)

i2 0 1 sin(0 1 1500)

r 1 0 1

е20 poly(1) 1,0 1 1 1 1

rout 2 0 1MEG

.tran 50us 50ms 50us

.probe

.end 

Проведите моделирование и получите в Probe V(1). Выберите Plot, X-Axis Settings…, User Defined, и установите диапазон от 0 до 10 мс, чтобы достичь установившегося входного напряжения. Этот график показан на рис. 7.9. Чтобы подтвердить, что он является фактически суммой гармонических составляющих с частотами 1 и 1,5 кГц, выберем Trace, Fourier, переходя из временной в частотную область. Изменим теперь границы по оси X, установив частотный диапазон от 4 до 12 кГц. Убедитесь, что параметры осей соответствуют нужным частотам и ожидаемым амплитудам. Фактически при f=1 кГц напряжение равно 0,991 В, а при f=1,5 кГц оно составляет 0,979 В. Не забывайте, что при этом синтезе присутствует некоторая ошибка накопления. На рис. 7.10 показана соответствующая амплитудно-частотная характеристика.

Рис. 7.9. Выходное напряжение при интермодуляционных искажениях 

 Рис. 7.10. Спектральный состав входного напряжения

Выберите затем Trace, End Fourier, чтобы возвратиться во временную область, удалите график V(1) и получите график напряжения на выходе смесителя V(2). Напомним, что смеситель представляет собой ИНУН с полиномиальной связью, заданной функцией f(х). Временная зависимость представляет собой график, подобный графику V(1), но при более внимательном рассмотрении можно обнаружить, что формы напряжений значительно отличаются. Кое-какие подсказки можно получить из гармонического состава этого сложного колебания, так что необходимо будет опять перейти в частотную область, выбрав диапазон по оси X от 0 до 5 кГц. Мы рекомендуем распечатать частотный спектр для дальнейшего изучения. Теоретический анализ компонентов частотной модуляции позволяет предсказывать и проверять результаты анализа на PSpice. Обратите внимание, что имеется постоянная составляющая в 2 В наряду со значительными составляющими в интервале от 0,5 до 4,5 кГц (смотри рис. 7.11 для частотного спектра).

Рис. 7.11. Спектральный состав выходного напряжения 

Сложение гармоник

Простейшим для теоретического анализа является случай гармонического воздействия на цепь, состоящую из линейных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, и, как вы знаете, при этом реакция представляет собой гармоническое колебание с той же частотой входного сигнала. Различные падения напряжения в схеме также представляют собой гармонические колебания с той же частотой, отличающиеся только по амплитуде и фазе. Используем простую схему, чтобы проиллюстрировать некоторые из этих свойств. На рис. 7.12 показаны три источника напряжения, питающие схему, содержащую резисторы R=1 Ом и R1=R2=0,001 Ом. Последние два резистора требуются, чтобы сделать источники напряжения неидеальными. Используя эту схему, мы можем показать сложение синусоидальных волн в Probe. Входной файл:

Addition of Sine Waves of the Same Frequency

V1 1 0 sin (0 1 1kHz)

*Порядок следования параметров в сложном выражении для гармонических

*составляющих: смещение, амплитуда, частота, задержка, затухание, фаза

v2 2 0 sin(0 1 1kHz 0 0 45); фаза=45 градусов

v3 3 0 sin(0 1 1kHz 0 0 90); фаза=90 градусов

r1 1 2 0.001

r2 2 3 0.001

R 3 0 1

.tran 2us 2ms

.probe

.end

Рис. 7.12. Схема для сложения гармонических сигналов одной частоты

Выполните моделирование и в Probe получите графики v(1), v(2), и v=v(1)+v(2). Возникающие в результате графики показывают напряжение v2 с максимумом, отстающим приблизительно на 45° от максимума v1, и суммарное напряжение v1+v2 с максимумом, расположенным между их максимальными значениями. Убедитесь, что максимум v1=1 В достигается в момент 251 мкс (90°), максимум v2=1 В — в момент 131 мкс (47,16°) и максимум v1+v2=1,8381 В — в момент 171 мкс (61,56°). Удалите эти графики и получите временные зависимости для других комбинаций напряжений, например, для v(1), v(3) и v(1)+v(3). Основываясь на вашем умении складывать векторы напряжений, попытайтесь предсказать значение амплитуды для суммы напряжений до того, как получите графики в Probe, показанные на рис. 7.13.

Рис. 7.13. Результат сложения гармонических сигналов одной частоты

Сложение основной и второй гармоник

Во входном файле, соответствующем схеме на рис. 7.12, можно легко варьировать параметры и состав источников питания. Удалим v3 и удвоим частоту напряжения v2, чтобы она стала частотой второй гармоники для v1. Конечно, результирующее колебание сразу станет несинусоидальным. Фактически форма его будет зависеть от соотношения фазовых углов v1 и v2. Пусть в рассматриваемом примере обе гармоники достигают максимума одновременно. Входной файл для такого случая:

Adding Sine Waves; Fundamental and 2nd Harmonic Peaking Together

v1 1 0 sin(0 1 1kHz)

v2 2 0 sin(0 1 2kHz 0 0 -90)

R1 1 2 0.001

R 2 0 1

.tran 1us 1ms

.probe

.end

Проведите моделирование и получите в Probe графики v(1), v(2), и v=v(1)+v(2). Поскольку v1 и v2 достигают максимума одновременно, максимум результирующего колебания равен 2 В, но когда основная гармоника достигает отрицательного максимума, вторая гармоника возвращается к положительному максимуму, и их сумма обращается в нуль. Ясно, что суммарное колебание (v1+v2) несинусоидально. Эти графики приведены на рис. 7.14.

Рис. 7.14. Результат сложения первой и второй гармоник

Амплитудная модуляция

Интересный график колебания, модулируемого по амплитуде, может быть получен в PSpice при использовании функции перемножения гармонических колебаний с существенно различными частотами. На рис. 7.15 показана схема, моделирующая такое устройство. Первым гармоническим источником является v1 с частотой 1 кГц. Второй источник v2 имеет частоту 20 кГц. Перемножение осуществляется в зависимом источнике е, представляющем собой ИНУН (VCVS). Резисторы необходимы, чтобы избежать появления плавающих потенциалов. Входной файл:

Multiplier for Modulated Wave

v1 1 0 sin(0 1 1000)

R1 1 0 10k

v2 2 0 sin(0 1 20000)

R2 2 0 10k

e 3 0 poly (2) 1,0 2,0 0 0 0 0 1

R3 2 0 10k

.tran 1us 1ms

.four 1000 v(1) v(2) v(3)

.probe

.end

Рис. 7.15. Умножитель для модуляции синусоидального колебания

Пять последних записей в команде ввода полиномиального источника: 0 0 0 0 1. Вспомним, что это — значения коэффициентов в членах k0, k1v1, k2v2, k3v12 и k4v1v2. Все значения равны 0 за исключением k4, который равен 1.

Проведите моделирование и получите в Probe графики v(1) и v(3). На общем графике намеренно не построена гармоническая составляющая с частотой 20 кГц, чтобы не усложнять понимание процессов. Результирующее колебание v(3) имеет классический вид амплитудно-модулированного колебания. В этом примере обе входные гармоники v1 и v2 имеют амплитуду 1 В. Графики приведены на рис. 7.16.

Рис. 7.16. Результат исследования амплитудно-модулированных сигналов 

Не выходя из Probe, добавьте график другого входного напряжения v(2) так, чтобы отобразить все напряжения: v(1), v(2) и v(3). Теперь этот график содержит, наряду с двумя другими волнами, и несущую, давая законченное изображение. Получите распечатку для дальнейшего изучения, затем удалите график v(2) и выберите Trace, Fourier. Установите по оси X границы диапазона от 0 до 30 кГц. В частотной области теперь отображаются составляющие с частотами 1,19 и 21 кГц. Последние компоненты представляют собой верхнюю и нижнюю побочные частоты, возникшие при такой модуляции. Определите амплитуду каждой из этих волн. Вспомните тригонометрическое тождество,

(sin a)(sin b) = 0.5[cos(a – b) – cos(a + b)],

которое объясняет амплитуды 0,5 В для частот боковой полосы. Обратитесь к рис. 7.17, на котором изображен частотный спектр. (Маркеры были удалены для получения более ясной картинки.) Проведите анализ с различными относительными амплитудами для напряжения модуляции v1, чтобы видеть, какое влияние это оказывает на глубину модуляции т. Например, когда v1 имеет амплитуду 0,8, что является глубиной модуляции и что напоминает результирующее колебание?

Рис. 7.17. Частотный спектр амплитудно-модулированного колебания

Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

.FOUR<частота>*<выходные переменные>

Например, запись

.FOUR 1kHz V(1) V(2)

показывает, что выполняется разложение в ряд Фурье. Разложение может быть выполнено только после получения временной зависимости для установившегося режима, полученной при анализе переходного процесса. Такая команда должна присутствовать во входном файле: 

.TRAN <шаг><момент окончания>

Задачи

Гармонический анализ дает постоянную составляющую основную гармонику, и все гармоники до девятой включительно. Показаны их амплитуды и фазы с фактическими и относительными значениями. В предшествующем примере были проанализированы V(1) и V(2) и их компоненты. Обычно для осуществления гармонического анализа используют команду .PROBE: однако вместо нее могут использоваться также команды .PRINT или .PLOT.

7.1. На рис. 7.18 полином для Е имеет форму

f(x) = х + х².

Рис. 7.18

При использовании vi,пик=1 В, f=1 кГц и V=1 В сравните v0 с vi. Предскажите приблизительный гармонический состав выходного напряжения; затем выполните анализ на PSpice, который покажет гармонический состав как входного, так и выходного напряжений. В команде .FOUR используйте напряжения V(2, 1) и V(3). Исследуйте выходной файл и определите гармонический состав V(3).

7.2. В задаче 7.1, используйте Trace, Fourier, чтобы получить гармонический состав V(3). Отображая V(2,1) и V(3), установите по оси X границы от 0 до 5 кГц.

7.3. Выполните анализ для задачи 7.1 при

f(x) = 2 + 0,1x².

Предскажите приблизительный гармонический состав выходного напряжения; затем получите графики V(2,1) и V(3), чтобы проверить точность ваших предсказаний.  

7.4. На рис. 7.4 показан полиномиальный источник Е. Он был задан как

f(х) = 1 + х + х².

Замените полином на

f(х) = х + х²,

и выполните синтез и разложение, изменяя i1 и i2 так, чтобы ток I(r) повторял по форме напряжение V(2).

7.5. В разделе «Искажение по второй гармонике в усилителях» настоящей главы замените полином на следующий:

f(х) = 0,05 + х + 0,1х²,

и проведите анализ на PSpice так, как предложено в тексте. Получите график V(1) и (V)2–0,05, чтобы сравнить переменные составляющие входного и выходного напряжений. Предскажите значения постоянной составляющей выходного напряжения, амплитуды и фазы второй гармоники и общего гармонического искажения. Проверьте ваши предсказания, пользуясь результатами Probe и выходного файла.

7.6. В разделе «Интермодуляционные искажения» мы объединили две синусоидальные волны различных частот. Выполните анализ при частотах f1=2 кГц и f2=2,5 кГц, оставив выражение для f(х) без изменения. Измените команду .TRAN соответственно задаче. Выполняйте операции в том же порядке, что и в текстовом примере, чтобы проверить ваши предсказания о гармоническом составе выходного напряжения.

7.7. В разделе «Сложение гармоник» на рис. 7.12 показаны параллельные ветви с тремя источниками напряжения. Сложение гармоник было скорее математическим, чем физическим. Измените схему так, чтобы все источники напряжения были включены последовательно, затем выполните анализ снова. Получили ли вы те же результаты?

7.8. Выполните анализ, чтобы сложить следующие гармонические напряжения одной частоты f=1 кГц:

v1 = 0,5∠0°В, v2=1∠45°В и v23=1,5∠90° В.

При этом:

а) Найдите максимальное значение (v1+v2), а также момент времени и фазовый угол, при котором достигается максимум.

б) Повторите пункт а) для (v1+v3).

При использовании режима курсора и нескольких графиков на одном экране используйте клавишу [Ctrl] и стрелки ← и →, чтобы выбрать, по какому из графиков должен двигаться курсор.

7.9. Чтобы иллюстрировать эффект сложения гармоник с близкими частотами, выполните анализ, как в задаче 7.8, для следующего набора параметров: v1=1∠0° В, f1=1 кГц, v1=1∠0° В, f2=1,2 кГц, v1=1∠0° В и f3=1,4 кГц:

а) Получите графики v1, v2 и (v1+v2). Найдите максимальное значение (v1+v2).

б) Получите графики v1, v3 и (v1+v3). Найдите максимальное значение (v1+v3).

7.10. Решите задачу из раздела, касающегося амплитудной модуляции, положив v1=1 В при 1 кГц, и изменив v1 так, чтобы глубина модуляции равнялась 0,5. Выполните анализ на PSpice, чтобы показать полученные результаты.

8. Устойчивость и автоколебания

Усилители, особенно состоящие из нескольких каскадов, могут быть устойчивы или входить в режим автоколебаний. Частота таких колебаний зависит от комбинации используемых компонентов, включая все паразитные индуктивности и емкости. Возможность возникновения колебаний появляется, когда часть выходного сигнала подается обратно на вход.

Цепи обратной связи

На рис. 8.1 показана блок-схема обычного контура обратной связи. Он включает суммирующее звено, в котором входной сигнал vi складывается с сигналом обратной связи vf. На самом деле это особый суммирующий узел, он инвертирует фазу сигнала обратной связи, что отражается знаком минус на рисунке. Разность напряжений составляет

vd = vi – vf.

Рис. 8.1. Структурная схема усилителя с обратной связью

Напряжение vd подается на усилитель с коэффициентом усиления по напряжению А, который создает выходное напряжение

v0 = Avd = A(vi – vf).

Выходное напряжение возвращается на суммирующее звено через цепь обратной связи, обозначенную как β. Одновременно этим символом обозначается и коэффициент передачи цепи обратной связи β=vf/vo, который определяет, какая часть выходного напряжения возвращается на суммирующее звено.

Предполагается, что более подробно вы можете изучить теорию, относящуюся к этому разделу, по другому учебнику. При этом учтите, что некоторые авторы могут обозначать величины, встречающиеся при изложении, другими символами.

В нашем описании коэффициент усиления в петле обратной связи задается как Аβ, то есть как произведение коэффициента усиления и коэффициента передачи в цепи обратной связи. Если принять во внимание инверсию фаз, то коэффициент усиления цепи обратной связи будет равен -Аβ. Нетрудно показать, что коэффициент усиления при замкнутой цепи обратной связи Af равен

Этот коэффициент характеризует усиление при замкнутой цепи обратной связи, которое является коэффициентом усиления схемы, содержащей цепь обратной связи.

Если пришедший обратно сигнал с учетом инверсии не отличается от входного сигнала, мы можем снять входной сигнал, а сигнал на выходе усилителя будет таким же, как прежде. Это является условием возникновения колебаний, которое названо критерием Баркгаузена. На практике |Аβ| должен быть немного больше единицы. Амплитуда колебаний не будет непрерывно возрастать, как это было бы в идеальной модели, поскольку в практических случаях ее ограничивает нелинейность реальных схемных элементов.

На рис. 8.1 все напряжения могут быть заменены токами, приводя к ситуации, дуальной по отношению к предыдущей. Это означает, что входным сигналом является ток ii, разностью — ток id, выходным сигналом — ток io=Aid, а сигнал обратной связи становится равным vf=βi0, обеспечивая равенство

id =i i – if.

Коэффициент усиления в петле обратной связи по-прежнему равен Аβ или, с учетом инверсии фазы, –Аβ. Коэффициент усиления при замкнутой цепи обратной связи, как и раньше, равен

Генератор на базе моста Вина с начальным запуском

В качестве первого примера исследования генераторов рассмотрим генератор на базе моста Вина (рис. 8.2). Частота колебаний в схеме вычисляется из выражения:

где R=R1=R2 и С=С1=С2. Примем ее равной f0=25 кГц. Если выбрать значение С равным 1 нФ, то R=6366 Ом. Для возникновения непрерывных колебаний отношение Rf|Rg должно быть равно 2. Если выбрать Rf=20 кОм, то Rg=10 кОм. Попробуем использовать PSpice, чтобы показать, что колебания произойдут при необходимой частоте. Входной файл для такого анализа:

Wien-Bridge Oscillator

Е 2 0 4 1 2Е5

Ri 4 1 1Е6

Rg 1 0 10k

R1 3 4 6366

R2 4 0 6366

Rf 2 1 20k

C1 2 3 1nF IC=2V; начальный заряд для обеспечения колебаний

С2 4 0 1nF

.PROBE

.TRAN 0.05us 50us UIC

.END

Рис. 8.2. Схема генератора на базе моста Вина

Конденсатору C1 сообщен начальный заряд (с помощью определенного начального напряжения), чтобы создать условия, требуемые для инициирования колебаний. Если не сделать этого, анализ на PSpice покажет выходное напряжение с устойчивым нулевым значением.

Результаты, полученные в Probe, показаны на рис. 8.3. График показывает выходное напряжение v(2). Обратите внимание, что оно представляет собой гармоническое колебание с частотой f=25 кГц и амплитудой в 6 В.

Рис. 8.3. Выходное напряжение генератора на базе моста Вина

Можно ли ожидать, что и реальный генератор даст амплитуду выходного напряжения в 6 В? Попытайтесь ответить на этот вопрос, выполнив анализ снова при начальном напряжении на конденсаторе IС=1V. Позже в этой главе мы рассмотрим также влияние на работу генератора коэффициента усиления петли обратной связи и фазового сдвига.

LC-генератор с начальным запуском

Генератор подстройки, использующий в цепи обратной связи два конденсатора и одну катушку индуктивности, назван генератором Колпитца. По схожей схеме построен и генератор Хартли, но в нем используются две катушки индуктивности и один конденсатор. Схема Колпитца и параметры ее компонентов показаны на рис. 8.4. Входной файл:

Colpitts Oscillator

Е 3 0 0 2 2Е5

Ri 0 2 1Е6

R1 2 1 10k

R2 2 3 20k

R 3 4 1k

C1 1 0 0.005uF

C2 4 0 0.05uF IC=2V

L 1 4 5mH

.PROBE

.TRAN 0.3us 60us UIC

.END

Рис. 8.4. Генератор Колпитца

Получите в Probe график выходного напряжения v(3), который показан на рис. 8.5. Убедитесь, что амплитуда возникших колебаний нарастает. Так как мы используем идеальный ОУ, в схеме не проявляется нелинейность. В практической схеме проявилось бы некоторое искажение синусоидальности колебания наряду со стабилизацией амплитуды.

Рис. 8.5. Колебания в генераторе Колпитца

Амплитуда реального колебания определялась бы в значительной степени напряжением смещения ОУ. Обратите внимание, что частота определяется как величина, обратная периоду (разности между двумя моментами времени, в которых график напряжения пересекает ось X в одном направлении). 

Измерения с помощью измерительной схемы 

На рис. 8.6 представлена схема для измерения коэффициента усиления и фазового сдвига цепи обратной связи. Схема содержит независимый источник переменного напряжения V=1 В, включенный между узлами TV0 и TVi (выходной и входной узел соответственно). Имеются также два ИНУН: EVi и EV0. Независимый источник напряжения включается в подходящее место разрыва цепи обратной связи генератора. Каждый источник зависимого напряжения нагружен на сопротивление, чтобы узлы Vi и V0 не оказались узлами с плавающим потенциалом. Измерительная методика будет проиллюстрирована в последующих примерах.

Рис. 8.6. Измерительная цепь для усилителей 

Генератор со смещением фазы

Классический RC-генератор со смещением фазы показан на рис. 8.7. Выход ОУ связан с тремя фазосмещающими RC-цепочками. Каждая цепочка производит некоторый фазовый сдвиг, и если общий сдвиг фазы, произведенный в трех цепях, равен 180°, могут происходить колебания. Кроме того, требуется выполнение условия |Aβ|=1. Анализ схемы показывает, что частота колебаний

Рис. 8.7. Генератор со сдвигом фаз

Пусть, например, необходимо получить частоту колебаний f0=100 Гц при С=0,5 мкФ и R=1,3 кОм. Анализ схемы также показывает, что при этом β=1/29; следовательно, чтобы возникли устойчивые колебания, величина |A| должна равняться 29. Практически величина |А| должна быть немного больше 29, чтобы компенсировать небольшие различия в параметрах компонентов и эксплуатационных режимах.

В схемах с инвертирующим ОУ величинам вычисляется из выражения:

Поскольку R1=R, это отношение преобразуется в

и, решая его относительно Rf, мы найдем, что Rf=37,7 кОм. Увеличив это значение на 5%, чтобы учесть ранее упомянутые отклонения, получим Rf=39,58 кОм.

Чтобы определить коэффициент усиления в петле обратной связи, воспользуемся описанной ранее схемой измерения, включив ее в разрыв, отмеченный на рис. 8.7. Таким образом, узел, соответствующий точке разрыва, превратится в два узла. Эти узлы станут узлами с плавающим потенциалом, если не показать их в подсхеме. Поэтому генератор повторно изображен на рис. 8.8, где имеется два узла разрыва: i для входа и o для выхода. Рисунок отражает также обозначения других узлов, необходимых при подготовке входного файла для PSpice. Удобно поместить ОУ в подсхему, как мы уже делали в других примерах. Упрощенная модель ОУ будет иметь такую подсхему:

.subckt iop m р vo; m инвертирующий вход, р неинвертирующий вход

rin m р 1Е6

е vo 0

р m 2Е5

.ends

Рис. 8.8. Генератор со сдвигом фаз с разомкнутой цепью обратной связи 

Следующая часть входного файла вводит схему, показанную на рис. 8.8, показывая точки разрыва, которые позволят вставить измерительную схему. ОУ вызывается из подсхемы командой X. Эта часть входного файла:

.subckt re i о; i и о - точки разрыва схемы

х 2 1 3 iop; команда вызова ОУ

vi 1 0 1V

rf 3 2 39.58k

r1 1 2 1.3k

r2 5 0 1.3k

r3 4 0 1.3k

c1 1 5 0.5uF

c2 5 4 0.5uF

c3 4 3 0.5uF

.ends

Последняя часть входного файла показывает ссылку на подсхему генератора rc и содержит также команды, необходимые, чтобы выполнить измерения в цепи обратной связи. Эта часть содержит команды:

* loop-gain test statements

X TVi TVo re

V TVo TVi AC 1

EVi Vi 0 0 TVi 1

R1 Vi 1 1E6

EVo Vo 0 TVo 0 1

R2 Vo 0 1E6

.AC DEC 20 1Hz 10kHz

.PROBE

.END

Объединив три предшествующих фрагмента, создайте входной файл и проведите анализ. Затем получите график

20·(V(Vi)/V(Vo)).

График показывает разомкнутый коэффициент усиления цепи обратной связи. Не забудьте, что условием поддержания колебаний является |Aβ|=1. На логарифмическом графике значение соответствует не единице, а нулю. Убедитесь, что при f=100 Гц график дает почти нулевое значение (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика для схемы на рис. 8.8

Теперь получите график сдвига фазы

VP(Vi) – VP(Vo),

который дает частотную зависимость разности фаз сигнала обратной связи и выходного сигнала. Убедитесь, что при f=100 Гц график показывает угол 187°. Так как анализ при разомкнутой петле обратной связи не учитывает инверсии фаз на входе, общий сдвиг фазы при замкнутой петле фактически равен 367°. Это близко к желательному углу 360°, который подразумевал бы, что усилитель не отличает входной сигнал от сигнала обратной связи, и, таким образом, колебания устойчивы. На рис. 8.10 показан график фазового сдвига.

Рис. 8.10. Фазочастотная характеристика для схемы на рис. 8.8 

Генератор на базе моста Вина

Другой примера генератора приведен на рис. 8.11, где показан генератор на базе моста Вина. Мост содержит последовательно включенные элементы R1, и С1 и параллельные элементы R2 и С2. Анализ этой схемы показывает, что

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.

Однополупериодные выпрямители

Чтобы познакомить вас с концепцией использования встроенных моделей приборов, рассмотрим показанную на рис. 9.1 схему однополупериодного выпрямителя, состоящего из источника переменного напряжения, диода и резистора. Проблема здесь состоит в выборе модели диода. Мы могли бы моделировать диод как замкнутый ключ для положительных полупериодов входного напряжения и как разомкнутый ключ для отрицательных полупериодов. Если бы мы это сделали, то разделили бы проблему на две части, потому что в зависимости от режима должны были бы использовать два варианта модели. Однако нет никакой необходимости в таком подходе, поскольку PSpice имеет встроенную модель диода. Чтобы использовать ее, мы должны включить в наш входной файл команду .MODEL, которая имеет следующую форму:

MODEL <имя модели> <тип модели>

Рис. 9.1. Однополупериодный выпрямитель, использующий встроенную модель диода

Выберем для нашего примера D1 в качестве имени модели и D в качестве ее типа. Это необходимо, чтобы программа PSpice могла распознать устройство как диод встроенного типа. Проанализировать работу схемы можно с помощью следующего входного файла:

Half-Wave Rectifier Using Built-in Model

v1 1 0 sin(0 12V 1000Hz)

DA 1 2 D1

R 2 0 1k

.MODEL D1 D

.TRAN 0.1ms 1ms

.PROBE

.END

Обратите внимание на форму команды ввода диода:

DA 1 2 D1

Обозначение DA это выбранное нами имя диода. Оно всегда должно начинаться с D. Диод подключен к узлам 1 (анод) и 2 (катод). Запись D1 в конце строки задает имя модели диода.

Команда анализа переходных процессов .TRAN предусматривает вывод полного периода входного синусоидального напряжения и выходного напряжения на резисторе при частоте f=1 кГц.

Проведите анализ и получите в Probe график v(1) и v(2) для полного периода t=1мс. Убедитесь, что входное напряжение является синусоидальным, а выходное выпрямлено, и поэтому отрицательный полупериод отсутствует. На положительном полупериоде выходное напряжение отличается от входного на величину, равную падению напряжения на диоде. Используйте режим курсора, чтобы определить падение напряжения на диоде при максимуме входного напряжения. Убедитесь, что это падение напряжения равно 0,72 В. На рис. 9.2 показаны временные диаграммы входного и выходного напряжений.

Рис. 9.2. Входное и выходное напряжения в схеме на рис. 9.1

Листинг команды .MODEL может включать в себя и другие параметры. Например, кремниевые (Si) и германиевые (Ge) диоды имеют различные прямые падения напряжения и различные токи насыщения. Чтобы настроить модель диода, вы можете задавать до 14 параметров. Полный список этих параметров дан в разделе D — Диод приложения D.

Встроенная модель для диода

Чтобы увидеть характеристику для встроенной модели диода в PSpice, можно провести анализ с вариацией входного напряжения на постоянном токе (dc sweep). Схема показана на рис. 9.3. При этом мы будем получать выходное напряжение «точка за точкой», строя характеристику так же, как снимали бы ее в лаборатории. Входной файл будет выглядеть следующим образом:

Built-in Diode Model for PSpice

V 1 0 10V

R 1 2 100

D1 2 0 DMOD

.DC V -0.5V 10V 0.02V

.MODEL DMOD D

.PROBE

.END

Рис. 9.3. Схема для снятия ВАХ диода

В данном примере мы подключили между узлами 2 и 0 диод D1 с именем модели DMOD, что отражено в первом аргументе команды .MODEL.

При проведении анализа в Probe измените границы оси X так, чтобы можно было представить V(2) в диапазоне до 0,8 В и I(D1) в диапазоне до 50 мА. Это даст вам характеристику встроенного диода (рис. 9.4) без изменения ранее определенных параметров. Чтобы отразить специфику конкретного прибора, вы можете изменять модель диода. Например, высота потенциального барьера EG по умолчанию равна 1.1 эВ. Задав новое значение, равное 0,72 эВ, мы отразим в нашей модели параметр, характерный для германиевого (Ge) диода. Вы можете посмотреть, как изменилась характеристика прибора после изменения любого параметра, и после этого продолжить анализ схемы, пользуясь измененной моделью.

Рис. 9.4. BAX диода 

Фильтрация выходного напряжения в однополупериодных выпрямителях

Сгладить выходное напряжение можно, включив конденсатор параллельно сопротивлению нагрузки, как показано на рис. 9.5. Чтобы не допустить существенного снижения выходного напряжения на интервале, когда диод не проводит, емкость конденсатора должна быть выбрана достаточно большой.

Рис. 9.5. Двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром

Решим эту традиционную задачу при RL=1 кОм и стандартной частоте промышленной или бытовой сети f=60 Гц. Емкость фильтрового конденсатора выберем равной С=25 мкФ. Входной файл:

Half-Wave Rectifier with Capacitor Filter

V 1 0 sin (0 12 60)

DA 1 2 D1

R 2 0 1k

N 2 0 25uF

.MODEL D1 D

.TRAN 0.1ms 33.33ms

.PROBE

.END

Проведите анализ и выберите диапазон времени от 0 до 25 мс. Получите графики v(1) и v(2). Обратите внимание, что выходное напряжение следует за входным так же, как в первом примере, только до момента, когда напряжения достигают максимума. Затем, поскольку конденсатор был заряжен до максимального напряжения, диод перестает проводить. При этом конденсатор разряжается по экспоненте до момента, когда входное напряжение станет достаточным, чтобы снова перевести диод в проводящее состояние. Подробно эти процессы отражены на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Процессы в однополупериодном выпрямителе с идеальным диодом и емкостным фильтром

При расчете этой схемы обычно пренебрегают падением напряжения на диоде. Уравнение для максимального тока через диод при этом равно:

Убедитесь, что при заданных значениях параметров, оно дает Im=113,7 мА.

Ток изменяется согласно уравнению i=Imsin(ωt+θ), где θ определен как

θ = arctan ωCRL,

а угол выключения равен

ωt1 = π – θ = 180° – θ,

где t1 — момент выключения диода.

Использование этих уравнений позволяет получить θ = 83,94° и

ωt1 = 96,06°.

Добавьте еще одну ось Y, получите график I(DA). Из графика на рис. 9.7 видно, что выключение происходит в момент t=4,56 мс при величине угла ωt1=98,5°. Убедитесь, что включение происходит в момент t2=18,27 мс при ωt2=34,8°.

Рис. 9.7. Временные диаграммы напряжений в схеме на на рис. 9.5

Максимальное значение выходного напряжения просто равно максимальному значению входного за вычетом падения напряжения на диоде. Это дает максимальное значение v(2)=11,23 В. Размах пульсаций выходного напряжения Vr=11,3–6,49=4,81 В. На рис 9.7 эти результаты представлены в графической форме.

Теперь нетрудно наблюдать влияние емкости С на размах пульсаций выходного напряжения. Измените емкость до значения С=50 мкФ и выполните анализ снова. Получите графики v(1) и v(2). Убедитесь, что размах пульсаций уменьшается при этом до Vr=2,802 В.

Двухполупериодные выпрямители

Чтобы лучше использовать входное напряжение, применяют двухполупериодный выпрямитель, схема которого приведена на рис. 9.8. Напряжения v1 и v2 снимаются с обмотки трансформатора с заземленной средней точкой. Выходное напряжение v0 подается на R. Входной файл для этой схемы:

Full-Wave Rectifier

v1 1 0 sin(0 12 60Hz)

v2 0 3 sin(0 12 60Hz)

R 2 0 1k

D1 1 2 DA

D2 3 2 DA

.MODEL DA D

.TRAN 0.1ms 2 5ms

.PROBE

.END

Рис. 9.8. Модель двухполупериодного выпрямителя для анализа в PSpice

Проведите анализ и получите в Probe графики для двух входных напряжений v(1), v(3) и для выходного напряжения v(2). Здесь мы видим двухполупериодное выпрямление, когда на протяжении всего периода один из диодов проводит ток. Эти графики показаны на рис. 9.9. Удалите графики напряжений и получите затем график выходного тока I(R). Убедитесь, что ток I(R) достигает на каждом полупериоде максимума (I(R)max=11.28 мА). Согласуется ли это с вашим расчетным значением? График тока нагрузки приведен на рис. 9.10.

Рис. 9.9. Входное и выходное напряжения при двухполупериодном выпрямлении

Рис. 9.10. Ток нагрузки при двухполупериодном выпрямлении

Двухполупериодные выпрямители с фильтрами

Подключите конденсатор емкостью 25 мкФ параллельно сопротивлению нагрузки R, добавив команду 

С 2 0

во входной файл предыдущего примера.

После проведения анализа получите график выходного напряжения v(2) вместе с входными напряжениями v(1) и v(3). Получите графики, отражающие влияние емкости конденсатора на напряжение пульсаций. Воспользовавшись режимом курсора, убедитесь, что v(2)max=11,28 В и v(2)min=8,79 В, что создает размах пульсаций напряжения Vr=2,52 В. Эти графики показаны на рис. 9.11.

Рис. 9.11. Входное и выходное напряжения при двухполупериодном выпрямлении с емкостной фильтрацией

Простейший диодный ограничитель

Ограничитель используется, чтобы передать на выход только часть входного напряжения произвольной формы. Когда диод включается, происходит отсечка: на выход независимо от входного сигнала подается сумма напряжений на источнике и прямосмещенном диоде. На рис. 9.12 показана одна из таких схем. Входной файл для нее:

Diode Clipping Circuit

vi 1 0 sin(0 12V 60Hz)

DA 2 3 D1

R 1 2 1k

VR 3 0 8V

.MODEL D1 D

.TRAN 0.1ms 25ms

.PROBE

.END

Рис. 9.12. Простейшая схема диодного ограничителя 

Проведите анализ и получите график входного напряжения v(1) и выходного напряжения v(2). Можете ли вы предсказать, каким будет уровень ограничения? Почему он не равен в точности 8 В? Эти графики показаны на рис. 9.13.

Рис. 9.13. Входное и выходное напряжения в схеме на рис. 9.12 

Двусторонний ограничитель

Чтобы преобразовать синусоидальное напряжение в прямоугольное, используется двусторонний ограничитель. Для этой цели может служить простое последовательное соединение двух противовключенных стабилитронов (рис. 9.14). Выбраны стабилитроны, с напряжением зенеровского пробоя 2,4 В, используется встроенная модель диода, которая может быть легко преобразована в модель стабилитрона введением параметра BV для напряжения пробоя, как показано в следующем входном файле:

Double-Ended Clipper Using Avalanche Diodes

vi 1 0 sin(0 24V 60Hz)

DA 3 2 D1

DB 3 0 D1

R 1 2 1k

.MODEL D1 D(BV=2,4V)

.TRAN 0.1ms 2 5ms

.PROBE

.END

Рис. 9.14. Двусторонний ограничитель на базе встречновключенных стабилитронов 

Проведите анализ, получите графики входного v(1) и выходного v(2) напряжений. Обратите внимание, что выходное напряжение отсекается с двух сторон из-за действия противовключенных стабилитронов. Почему отсечка происходит таким образом, что выходное напряжение изменяется между значениями ±2,4 В? Проверьте, что выходное напряжение достигает максимума в 3,628 В. Оставьте на графике только кривую v(2), чтобы сделать прямоугольную форму более очевидной. Эти графики приведены на рис. 9.15.

Рис. 9.15. Входное и выходное напряжение в схеме на рис. 9.14

Часто для этой схемы показывают передаточную характеристику (характеристику выход-вход). Вы можете увидеть эту кривую, выведя по оси X напряжение v(1) и получив затем график v(2). Этот график покажет выходное напряжение при полном колебании входного напряжения. Обратите внимание, что эта кривая немного выходит за диапазон графика. Это объясняется тем, что анализ переходных процессов проводится при синусоидальном входном напряжении. Этого можно избежать, используя вариацию по постоянному току (dc sweep). Измените входной файл следующим образом:

Double-Ended Clipper Using Avalanche Diodes

VI 1 0 24V

DA 3 2 D1

DB 3 0 D1

R 1 2 1k

.MODEL D1 D(BV=2.4V)

.DC VI -24 24 0.1

.PROBE

.END

Проведите анализ и получите более качественную характеристику передачи. Входное напряжение VI выводится по оси X. Получите график V(2) на оси Y. Характеристика показана на рис. 9.16.

Рис. 9.16. Передаточная характеристика схемы на рис. 9.14 

Выбор сопротивления нагрузочного резистора для максимальной передаваемой мощности

Мы рассмотрели теорему о максимальной мощности для схем постоянного и переменного тока. В обоих случаях устанавливалась нагрузка и затем проводился анализ. Если мы изменяли значение нагрузки во входном файле, то анализ приходилось выполнять снова. Существует, однако, способ изменения нагрузки в рамках одного анализа. Опишем его.

На схеме (рис. 9.17) показан источник постоянного напряжения в 12 В с внутренним сопротивлением Ri=5 Ом, подключенный к переменному нагрузочному резистору RL. Чтобы реализовать переменный резистор RL, необходимо использовать команду .MODEL для резистора. Она выглядит следующим образом:

.MODEL RL RES

Рис. 9.17. Схема для исследования максимальной мощности при изменении сопротивления нагрузки

где RL — выбранное имя модели и RES — тип вызываемой модели. Использование модели позволяет нам включить RL в качестве варьируемого параметра в команду .DC sweep, показав диапазон значений для сопротивления. Команда при этом выглядит следующим образом:

.DC RES RL(R) 0.1 10 0.1

Здесь RES — имя варьируемой переменной, запись RL(R) использует выбранное нами имя модели, a (R) имя прибора, которым в данном случае является резистор. Весь входной файл:

Maximum Power with Variable Load Resistor

V 1 0 12V

RI 1 2 5

RLOAD 2 0 RL 1

.MODEL RL RES

.DC RES RL (R) 0.1 10 0.1

.PROBE

.END

Обратите внимание на команду RLOAD. Последний заданный в ней параметр — масштабный множитель 1. Это необходимое значение, без которого анализ не будет работать. Целью введения этого параметра в команду является стремление учесть различные множители, например, когда имеется несколько резисторов, использующих одну модель.

Выполните анализ и получите график

I(RI)·V(2),

представляющий собой мощность, выделяемую в резисторе нагрузки. Убедитесь, что максимум приходится на значение R=5 Ом, подставив RLOAD=5 Ом. Используйте курсор, чтобы показать, что Рmax=7,2 Вт. Этот график показан на рис. 9.18.

Рис. 9.18. Зависимость мощности от сопротивления

Встроенная модель биполярного транзистора

В начальных главах мы не использовали при анализе транзисторных схем встроенную модель для плоскостного биполярного транзистора (BJT). Хотя одно из основных преимуществ PSpice заключается в широком диапазоне и многосторонности встроенных моделей, в то же время эти сложные модели могут напугать начинающего пользователя. Например, встроенная модель Q для биполярного транзистора содержит 40 параметров, которые могут быть определены пользователем. Если вы посмотрите раздел «Q — биполярный транзистор» в приложении D, то увидите, насколько всесторонними являются эти параметры.

Многие из них вам, вероятно, совершенно не знакомы и выходят за рамки нашего обсуждения.

Выходные характеристики схемы с общим эмиттером

Чтобы представить модель биполярного транзистора, мы используем схему смещения усилителя с ОЭ, представленную на рис. 9.19. Такую схему вы могли бы использовать, если бы вам пришлось исследовать выходные характеристики биполярного транзистора в лаборатории. Вы получили бы подобную характеристику, поддерживая постоянным входной ток IВ при изменении напряжения VCE. Большинство студентов знакомо с этим экспериментом. Рассмотрим теперь этот эксперимент с точки зрения PSpice. Мы вызываем транзистор Q1 и используем имя модели BJT. При использовании этих обозначений необходимая команда примет вид:

Q1 3 2 0 BJT

Рис. 9.19. Схема для снятия выходных характеристик усилителя ОЭ на биполярном транзисторе

Узлы приводятся в последовательности коллектор, база, эмиттер. Команда ввода модели:

.MODEL BJT NPN

где запись BJT выбрана в соответствии с нашим обозначением Q1, a NPN — тип модели для npn-транзистора. Получится следующий входной файл:

BJT PSpice Model Characteristics

VBB 1 0 1V

RS 1 2 10k

RL 3 4 0.01

Q1 3 2 0 BJT; 3=collector, 2=base, 1=emitter

VCE 4 0 5V

.MODEL BJT NPN

.DC VCE 0 15V 0.1V

.PROBE

.END 

Проведите анализ и получите график -I(RL). Знак минус правилен относительно команды ввода RL, показанной в файле. Используйте режим курсора, чтобы найти ICmax. Вы должны получить ICmax=2,07 мА. Характеристика показана на рис. 9.20. Удалите эту кривую и получите график I(RS), чтобы посмотреть входной ток IB. Проверьте, что его максимальное значение IВ=20,7 мкА. Из двух полученных значений можно вычислить hFE=100, что соответствует параметру BF, приведенному в модели. При необходимости вы можете задавать другие значения для BF в некоторых моделях транзистора (см. список всех параметров транзистора в разделе «Q — биполярный транзистор» приложения D).

Рис. 9.20. Выходная характеристика для схемы на рис. 9.19

Входные характеристики схемы с общим эмиттером 

Входные характеристики могут быть получены из входного файла, который ссылается на встроенную модель следующим образом:

BJT Input Characteristics

IBB 0 1 100uA

Rs 1 0 1000k

RL 2 3 1k

Q1 2 1 0 BJT

VCC 3 0 12V

.MODEL BJT NPN

.DC IBB 0 100uA 1uA

.PROBE

.END

Из рис. 9.21 видно, что для этой модели npn-транзистора значение VBE в активной области составляет около 0,8 В. Поскольку оно приблизительно на 0,1 В выше, чем то же значение в применявшейся нами ранее собственной модели для BJT, стандартная модель даст результаты, которые несколько отличаются от полученных ранее.

Рис. 9.21. Входная характеристика для схемы на рис. 9.19

Другие активные полупроводниковые приборы

Приложения А, В и D содержат распечатки моделей для других активных устройств, включая «В— GaAsFET» и «М — MOSFET». С точки зрения обучения вам полезнее использовать собственные модели для транзисторов и других устройств. Это позволит вам решать, какая из моделей более всего соответствует ситуации. Применение встроенных моделей в более сложных случаях позволит вам устанавливать параметры, которые в простых моделях не могут учитываться.

Дифференциальные усилители

Дифференциальный усилитель используется в качестве первого каскада ОУ. В простейшем случае он напоминает схему на рис. 9.22. Для анализа мы используем встроенную модель для npn-транзистора, применив согласованную пару для Q1 и Q2, выбрав Rs1=Rs2=1 кОм и Rc1=Rc2=2 кОм.

Рис. 9.22. Дифференциальный усилитель (режим с дифференциальными входами)

Коэффициент усиления при дифференциальном входе

Коэффициент усиления при работе в режиме дифференциального входа найдем, установив Vs1=–Vs2=Vs/2. Коэффициент усиления аппроксимируется выражением:

Для анализа выберем Vs=1 мВ, задав Vs1=0,5 мВ и f=1 кГц. Воспользовавшись встроенной моделью, вычислите ожидаемое значение Ad. Чтобы предсказать результаты, примите hfe=100 и hie=2 кОм. Анализ должен дать значение Ad=33,3. Чтобы получить в выходном файле переменные составляющие, используйте команду .PRINT, как показано во входном файле:

Model for Differential Amplifier VS1 1 0 AC 0.5raV; Vs1 = -Vs2 = Vs/2

VS2 0 8 AC 0.5mV; This gives difference-mode operation

RSI 2 1 1k

RS2 7 8 1k

RE 3 9 5k

RC1 4 5 2k

RC2 5 6 2k

VCC 5 0 12V

VEE 0 9 6V

Q1 4 2 3 BJT

Q2 6 7 3 BJT

.AC LIN 1 1000Hz 1000Hz

.MODEL BJT NPN

.OPT nopage

.PRINT ACV(1) V(2) V(3) V(4) V(5) V(6) V(7) V(8)

.TF V(4) VS1

.END

Проведите анализ и получите распечатку выходного файла. Если вы удалите ненужную информацию, вы уменьшите этот файл до одной страницы объемом менее 60 строк. Проверьте, что Ad=V0|Vs1=V(4)/V(1)=33,4. Обратите внимание на порядок следования узлов при описании входных напряжений Vs1 и Vs2 во входном файле. Кроме того, обратите внимание на то, что в выходном файле под заголовком «SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS» приведено отношение для соответствующих напряжений смещения. Нас же в большей степени интересует отношение переменных составляющих, приведенных в нижней части выходного файла на рис. 9.23.

Model for Differential Amplifier

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS1 1 0 AC 0.5mV ; Vs1 = -Vs2 = Vs/2

VS2 0 8 AC 0.5mV ; This gives difference-mode operation

RS1 2 1 1k

RS2 7 8 1k

RE 3 9 5k

RC1 4 5 2k

RC2 5 6 2k

VCC 5 0 12V

VEE 0 9 6V

Q1 4 2 3 BJT

Q2 6 7 3 BJT

.AC LIN 1 1000Hz 100GHz

.MODEL BJT NPN

.OPT nopage

.PRINT AC V(1) V(2) V(3) V(4) V(5) V(6) V(7) V(8)

.TF V(4) VS1

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   BJT

   NPN

IS 100.000000E-18

BF 100

NF 1

BR 1

NR 1

CN 2.42

D  .87

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) -.0052  ( 3) -.7624  ( 4) 10.9630

( 5) 12.0000 ( 6) 10.9630 ( 7) -.0052  ( 8) 0.0000

( 9) -6.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS1 -5.186E-06

VS2  5.186E-06

VCC -1.037E-03

VEE -1.048E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.87E-02 WATTS

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/VS1 = -1.680E+01

INPUT RESISTANCE AT VS1 = 1.191E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 2.000E+03

FREQ      V(1)      V(2)      V(3)      V(4)      V(5)

1.000E+03 5.000E-04 4.165E-04 6.371E-20 1.670E-02 1.000E-30

FREQ      V(6)      V(1)      V(8)

1.000E+03 1.670E-02 4.165E-04 5.000E-04

Рис. 9.23. Выходной файл для режима с дифференциальными входами

Коэффициент усиления при общем входе

При работе в режиме с общим входом (ОВ) необходимо установить Vs1=Vs2= Vs. Коэффициент усиления в этом режиме можно аппроксимировать выражением:

Воспользовавшись известными значениями параметров транзистора, предскажите, каков будет этот коэффициент усиления. Измените входной файл так, чтобы входные напряжения выражались как

VS1 1 0 AC 1mV; Vs1 = Vs2

VS2 8 0 AC 1mV; Это режим работы с общим входом

После этих изменений снова выполните анализ и получите такую же распечатку выходного файла, как и прежде. Убедитесь, что Ас=V(4)/V(1)=0,197. Этот выходной файл показан на рис. 9.24.

Model for Differential Amplifier — Common Mode

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS1 1 0 AC 1mV ; Vs1 = Vs2

VS2 8 0 AC 1mV ; This gives common-mode operation

RS1 2 1 1k

RS2 7 8 1k

RE 3 9 5k

RC1 4 5 2k

RC2 5 6 2k

VCC 5 0 12V

VEE 0 9 6V

Q1 4 2 3 BJT

Q2 6 7 3 BJT

.AC LIN 1 1000Hz 1000Hz

.MODEL BJT NPN

.OPT nopage

.PRINT AC V(1) V(2) V(3) V(4) V(5) V(6) V(7) V(8)

.TF V(4) VS1

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   BJT

   NPN

IS 100.000000E-18

BF 100

NF 1

BR 1

NR 1

CN 2.42

D  .87

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) -.0052  ( 3) -.7624  ( 4) 10.9630

( 5) 12.0000 ( 6) 10.9630 ( 1) -.0052  ( 8) 0.0000

( 9) -6.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS1 -5.186E-06

VS2 -5.186Е-06

VCC -1.037E-03

VEE -1.048E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.87E-02 WATTS

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/VS1 = -1.680E+01

INPUT RESISTANCE AT VS1 = 1.191E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 2.000E+03

Рис. 9.24. Выходной файл для режима с общим входом

Передаточная характеристика дифференциального усилителя

Важным аспектом при работе с дифференциальным усилителем является исследование его передаточной характеристики. Использование встроенной модели для транзистора облегчает эту задачу. Поскольку нас интересует режим малых сигналов при дифференциальном входном напряжении, используем вариацию параметров (dc sweep) для входных напряжений в диапазоне от -0,5 В до 0,5 В. Зафиксируем Vs2 на уровне 1 мВ; а варьировать будем параметр Vs1. При этом входной файл примет вид:

Transfer Characteristics of Differential Amplifier

VS1 1 0 1mV; это входное напряжение варьирует от -0.5 В до 0.5 В

VS2 8 0 1mV ; это напряжение остается фиксированным

RS1 2 1 1k

RS2 7 8 1k

RE 3 9 5k

RC1 4 5 2k

RC2 5 6 2k

VCC 5 0 12V

VEE 0 9 6V

Q1 4 2 3 BJT

Q2 6 7 3 BJT

.MODEL BJT NPN

.OP

.DC VS1 -0.5 0.5 0.01

.PROBE

.END

Выполните анализ и получите в Probe график -I(RC1). Сравните результаты с полученными ранее в этом разделе характеристиками передачи. Обратите внимание, что передаточная характеристика линейна не во всем диапазоне. Можете вы аппроксимировать линейный участок для Vs1 и IRC1? Величины по оси X обычно нормализуются по температурному потенциалу VT и задаются как

Вспомним, что при комнатной температуре VT=26 мВ, и поэтому линейная часть кривой ограничена диапазоном 26 мВ. Характеристика передачи приведена на рис. 9.25.

Рис. 9.25. Нормализованная переходная характеристика схемы на рис. 9.22

Дифференциальный усилитель является хорошим ограничителем, и если входное напряжение при комнатной температуре превышает 100 мВ, усилитель переходит в режим насыщения. Проверьте команды входного файла по вашей распечатке для передаточной кривой. Можете ли вы получить зеркальное отображение этой кривой? Оно может быть получено, если сохранять фиксированным Vs1 при вариации Vs2. 

Логические схемы

Рабочая версия PSpice содержит более сотни логических устройств, доступных в коммерческой версии программного обеспечения. Имеется большинство логических схем серии 7400, триггеры, счетчики и т.п. Полная распечатка логических устройств демонстрационной версии PSpice приведена в приложении Е.

Микросхема ИЛИ-НЕ 7402

Микросхема, содержащая единственную логическую схему ИЛИ-НЕ, показана на рис. 9.26. Напряжения на двух входах А и В показаны как последовательности импульсов различной длительности с амплитудой 1 В. Схема ИЛИ-НЕ вводится с помощью вызова подпрограммы (командой X) в которой узлы 1, 2 и 3 относятся ко входам А и В и выходу Y соответственно. При вызове подпрограммы устройство называется 7402. Окончательный вид входного файла:

Digital Circuit Using NOR gate

VCC 4 0 5V

X 1 2 3 7402

V1 1 0 PWL(Сs 0V 0.1ms 1V 1s 1V 1.0001s 0V

+2s 0V 2.0001s 1V 3s 1V 3.0001s 0V 4s 0V 4.0001s 1V 5s

+1V)

V2 2 С PWL(0s 0V 1.5s 0V 1,50001s 1V 2.5s 1V 2.50001s 0V

+3.5s 0V 3.50001s 1V 3.7s 1V 3.70001s 0V 5s 0V)

R 4 3 100k

.lib eval.lib

.tran 0.01ms 5s

.probe

.end

Рис. 9.26. Схема ИЛИ-НЕ с двумя входами

В приложении Е можно найти описание модели

.subckt 7402 А В Y …

в котором показана вся подпрограмма. Ее не нужно включать во входной файл, достаточно ссылки на библиотеку EVAL.LIB, которая содержит всю необходимую информацию. В Probe получите напряжения v(1) и v(2), отображающие входные сигналы A и B, и напряжение v(3), отображающее выходной сигнал Y. Ваши результаты должны соответствовать приведенным на рис. 9.27, который показывает сигналы в виде трех отдельных графиков. В совокупности они просто представляют собой диаграмму синхронизации для нашей логической схемы.

Рис. 9.27. Входное и выходное напряжения в схеме ИЛИ-НЕ 

В распечатке выходного файла (рис. 9.28) показана только часть общего файла. Распечатка параметров модели была опущена, чтобы сэкономить место. Обратите внимание, что аналого-цифровые команды реализуются в форме вызова подпрограмм, автоматически генерируемых подпрограммой 7402. Они имеются для каждого из трех узлов ИЛИ-НЕ. Команды для источника питания цифровой схемы также генерируются автоматически. Обратите внимание на листинг $G_DPWR=5 V наряду с другими узловыми напряжениями.

Digital Circuit Using NOR gate

VCC 4 0 5 V X 1 2 3 7402

V1 1 0 PWL(0s 0V 0.1ms 1V 1s 1V 1.0001s 0V

+2s 0V 2.0001s 1V 3s 1V 3,0001s 0V 4s 0V 4.0001s 1V 5s 1V)

V2 2 0 PWL (0s 0V 1.5s 0V 1.50001s 1V 2.5s 1V 2.50001s 0V

+3.5s 0V 3,50001s 1V 3.7s 1V 3.70001s 0V 5s 0V)

R 4 3 100k

.opt nopage

.lib eval.lib

.trail 0.01ms 5s

.probe

.end

**** Generated AtoD and DtoA Interfaces ****

* Analog/Digital interface for node 3

* Moving X.U1:OUT1 from analog node 3 to new digital node 3$DtoA

X$3_DtoA1

+ 3$DtoA

+ 3

+ $G DPWR

+ $G_DGND

+ DtoA_STD

+ PARAMS: DRVH= 96.4 DRVL= 104 CAPACITANCE= 0

*

* Analog/Digital interface for node 1

* Moving X.U1:IN1 from analog node 1 to new digital node 1$AtoD

X$1_AtoD1

+ 1

+ 1$AtoD

+ $G_DPWR

+ $G_DGND

+ AtoD_STD

+ PARAMS: CAPACITANCE= 0

* * Analog/Digital interface for node 2

* Moving X.U1:IN2 from analog node 2 to new digital node 2$AtoD

X$2_AtoD1

+ 2

+ 2$AtoD

+ $G_DPWR

+ $G_DGND

+ AtoD_STD

+  PARAMS: CAPACITANCE= 0

* Analog/Digital interface power supply subcircuits X$DIGIFPWR 0 DIGIFPWR

**** Diode MODEL PARAMETERS

**** BJT MODEL PARAMETERS

**** Digital Input MODEL PARAMETERS

**** Digital Output MODEL PARAMETERS

**** Digital Gate MODEL PARAMETERS

**** Digital IO MODEL PARAMETERS

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 0.0000  ( 3) 3.5028  ( 4) 5.0000

($G_DGND)    0.0000 ($G_DPWR)    5.0000

(X$1_AtoD1.1) .0915 (X$1_AtoD1.2) .0457

(X$1_AtoD1.3) .8277 (X$2_AtoD1.1) .0915

(X$2_AtoD1.2) .0457 (X$2_AtoD1.3) .8277

DGTL NODE : STATE DGTL NODE : STATE DGTL NODE : STATE DGTL NODE : STATE

( 2$AtoD) : 0     ( 3$DtoA) : 1     ( 1$AtoD) : 0

Рис. 9.28. Выходной файл при анализе схемы ИЛИ-НЕ

В качестве упражнения измените сигналы синхронизации для двух входов так, чтобы они создали области совпадения, отличные от уже использованных, и выполните моделирование снова. Опираясь на ваши теоретические сведения о работе схемы ИЛИ-НЕ, проверьте результаты.

В заключение замените схему 7402 на логическую схему И 7408 и проведите аналогичный анализ.

Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

D[имя] <+узел> <-узел> <имя модели> [область]

Например, запись

DA 1 2 D1

показывает, что некоторый диод DA включен в схему между узлами 1 (анод) и 2 (катод). Модель для диода должна быть описана в команде .MODEL, которая носит имя D1. В схеме может быть несколько диодов, например DA, DB и DC, использующих одну и ту же модель.

J[имя] <узел стока> <узел затвора> <узел истока> <имя модели> [область]

Например, запись

J 5 4 2 JFET

показывает, что некоторый полевой транзистор (JFET) подключен к узлам 5 (сток), 4 (затвор) и 2 (исток). Модель для полевого транзистора должна быть описана в команде .MODEL с именем JFET. Схема может содержать несколько полевых транзисторов, например J, J1 и J2, использующих одну и ту же модель.

Q[имя] <узел коллектора> <узел базы> <узел эмиттера> [узел подложки] <имя модели> [область]

Например, запись

Q1 3 2 0 BJT

показывает, что некоторый биполярный транзистор Q1 подключен к узлам 3 (коллектор), 2 (база) и 0 (эмиттер). Модель для биполярного транзистора должна быть описана в команде .MODEL, которая носит имя BJT. Схема может содержать несколько транзисторов, например Q1, Q2 и Q3, использующих одну и ту же модель.

R[имя] <+узел> <-узел> <имя модели> [значение]

Например, запись

RLOAD 2 0 RL 1

показывает, что резистор RLOAD включен между узлами 2 и 0. Модель резистора носит имя RL и описывается командой .MODEL. Последняя запись (1 после RL) представляет собой масштабный множитель, равный единице. Значение масштабного множителя может быть и другим. Масштабный множитель 2 показывал бы, что значение, заданное в модели, удваивается. Одной из причин, по которым для описания резисторов используются модели, является возможность применения команды .DC, при которой сопротивление RES выбирается в качестве переменной при вариации параметров. Дополнительную информацию дают команды с точкой.

Новые команды, начинающиеся с точки

.MODEL <имя модели> <тип>

Например, запись

.MODEL D1 D

используется, чтобы определить модель диода. Запись D показывает, что применяется модель прибора из библиотеки PSpice. Библиотека содержит модели следующих типов приборов:

САР (конденсатор);

IND (катушка индуктивности);

RES (резистор);

D (диод);

NPN (биполярный транзистор типа npn);

PNP (биполярный транзистор типа pnp);

NFJ (n-канальный полевой транзистор);

PFJ (р-канальный полевой транзистор);

NMOS (n-канальный MOSFET);

PMOS (р-канальный MOSFET);

GASFET (n-канальный GaAs MOSFET);

ISWITCH (ключ, управляемый током);

VSWITCH (ключ, управляемый напряжением);

CORE (нелинейный трансформатор с магнитным сердечником).

Более полная форма для команды, описывающей модель:

.MODEL <имя модели> <тип> [(<имя параметра> = <значение>)]*

Например, запись

.MODEL D1 D (IS = 1E-12 N=1.2 VJ=0.9 BV=10)

показывает, что один из 14 параметров диода имеет значение, отличающееся от заданного по умолчанию. Звездочка после скобок означает, что заключенные в них пункты могут повторяться. В приложении D приведен список всех библиотечных приборов, различных параметров их моделей и значения параметров, заданные по умолчанию.

Задачи 

9.1. Однополупериодный выпрямитель, показанный на рис. 9.1, имеет следующие параметры: IS=1Е-9 A, VJ=0,8 В, IBV=1Е-6А и EG=0,72 эВ. Выполните анализ, аналогичный описанному в тексте, и сравните результаты с полученными ранее. Какие различия в результатах можно увидеть?

9.2. Диодная схема, содержащая последовательно включенные источники постоянного и переменного напряжений, показана на рис. 9.29.

Рис. 9.29

Используйте при анализе встроенную модель диода. Задайте значения V=0,8 В и R=1 кОм. Переменное напряжение задано синусоидальной функцией с амплитудой 0,2 В и частотой f=1 кГц.

а) Проведите анализ и получите в Probe графики напряжений v(2,1) и v(3). Проводит ли диод в течение всего периода? Проверьте и объясните результаты.

б) Проведите анализ при V=0,6 В. Объясните результаты.

в) Проведите анализ при V=0,4 В. Объясните результаты.

9.3. На рис. 9.4 приведена ВАХ для встроенной модели диода. Получите характеристику для диода, параметры которого приведены в задаче 9.1. Опишите все различия в двух кривых.

9.4. Двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром, использующим конденсатор с емкостью С=25 мкФ, рассмотрен в тексте. Используйте аналогичный анализ, чтобы определить размах пульсаций и среднее значение выходного напряжения при С = 10 мкФ.

9.5. Схема, показанная на рис. 9.30, подобна схеме на рис. 9.12, за исключением того, что диод включен в обратном направлении. Проведите анализ при максимальном напряжении vi=12 В, частоте f=60 Гц и VR=8 В и получите входное и выходное напряжения. Попробуйте предсказать форму выходного напряжения и сравните предсказанные результаты с полученными в Probe.

Рис. 9.30

9.6. В схеме, приведенной на рис. 9.31, используются те же параметры, что и в задаче 9.5. Выходное напряжение снимается с последовательного соединения R и VR. Предскажите форму выходного напряжения, затем выполните анализ на PSpice и сравните результаты.

Рис. 9.31

9.7. Для схемы на рис. 9.32, содержащей встроенную модель биполярного транзистора, найдите напряжения и токи покоя. Установите hFE=80 (BF=80 в команде .MODEL). Обратите внимание, что схема подобна схеме на рис. 3.1. Сравните результаты, полученные здесь, с приведенными в главе 3. Обратите внимание, что имеются существенные различия в результатах. Напряжение VA (рис. 3.2) составляет 0,7 В, что отражает типичное для реальных транзисторов значение напряжения VBE в активной области. При использовании встроенной модели выходной файл должен показать VBE=0,806 В. Эти различия вызывают изменения в токе базы и других величинах, полученных в обоих случаях. Эта задача показывает одну из причин, по которым собственные модели (подобные рассмотренным в главе 3) часто предпочитают встроенным моделям.

Рис. 9.32

9.8. В схеме, показанной на рис. 9.33, получите стоковые характеристики полевого транзистора. Задайте изменение напряжения сток-исток VDS от 0 до 18 В с шагом в 0,2 В. Используйте встроенную модель для плоскостного полевого транзистора (JFET) с обозначением NJF (полевой транзистор с n-канальным переходом).

а) Используйте напряжение затвор-исток VGS=0 В. Найдите максимальный ток стока и напряжение отсечки.

б) Установите значение VGS=-1 В и снова проведите анализ.

Рис. 9.33

9.9. На рис. 3.7 показана схема усилителя с общим эмиттером на биполярном транзисторе, использующая модель в h-параметрах. Если h-параметры не используются и для анализа выбирается встроенная модель, то на схеме должен быть показан источник питания Vcc и цепи базового смещения. Полная схема может быть, например, такой, как на рис. 9.34. Используйте встроенную модель для биполярных транзисторов (BJT), установив hFF=50 (BF=50) и создав входной файл для определения коэффициента усиления по напряжению для низких частот. Анализ проведите на частоте 5 кГц. Сравните результаты с полученными при использовании модели в h-параметрах. Какой из методов предпочтителен для задач этого типа? Почему?

Рис. 9.34.

10. Биполярные транзисторы и их модели 

Биполярные транзисторы

Эта глава знакомит читателя с использованием библиотечной модели биполярного транзистора (BJT), которая сравнивается с использованными ранее моделями в h-параметрах или с другими упрощенными моделями. В PSpice встроена универсальная модель для BJT, в которой используются параметры, приведенные в разделе «Q — биполярный транзистор» приложения D. Полезно рассмотреть как входную, так и выходную характеристики этой модели. Это позволит нам при необходимости использовать эту модель в различных схемах.

Выходные характеристики

Схема для получения выходных характеристик (рис. 10.1) содержит источник постоянного напряжения VCC с варьируемым выходным напряжением и источник постоянного тока IВ с варьируемым током. Транзистор обозначен как Q1. При использовании встроенной модели BJT обозначение прибора всегда должно начинаться с символа Q. Входной файл при этом имеет вид:

BJT Output Characteristics

VCC 4 0 10V

IB 0 1 2 5uA

RB 1 2 0.01

RC 4 3 0.01

Q1 3 2 0 BJT; the designation BJT is our choice

.MODEL BJT NPN (BF-80)

.dc VCC 0 10V 0.05V 1B 5uA 2 5uA 5uA

.PROBE

.END

Рис. 10.1. Схема для снятия выходных характеристик биполярного транзистора

Команда .MODEL показывает, что выбраны имя BJT для модели и тип NPN для транзистора. Значение по умолчанию для прямого коэффициента передачи BF (hFE) равно 100, но оно изменено на 80 последней записью команды. Подобным образом можно изменить и другие параметры модели, иначе будут использоваться значения, задаваемые по умолчанию. Команда .dc содержит внешний цикл для вариации VCC и внутренний цикл вариации IВ. 

Внимание: Если вы попытаетесь задать значение IВ=0 мкА, вариация по постоянному току (dc sweep) будет выполнена некорректно.

Проведите анализ и получите в Probe график I(RC). Этот график приведен на рис. 10.2. Полезно маркировать различные характеристики соответствующими значениями входного тока. Диапазон по оси Y был изменен, границы его установлены от 0 до 2,1 мА.

Рис. 10.2. Выходные характеристики биполярного транзистора

Обратите внимание, что при IВ=25 мкА и VCC (фактически VCE) выражается в долях вольта, а ток коллектора, показанный на графике как I(RC), равен 2,0 мА, что соответствует значению hFE=80. 

Входные характеристики

Чтобы получить входные характеристики, можно использовать схему, показанную на рис. 10.3. Источник тока IВВ превращается в неидеальный при включении параллельно его выходу резистора Rs. Входной файл:

BJT Input Characteristics

IBB 0 1 100uA

Rs 1 0 1000k

RL 2 3 0.01

Q1 2 1 0 BJT

VCC 3 0 10V

.MODEL BJT NPN(BF=80)

.dc IBB 0 100uA 1uA VCC 0V 10V 2V

.PROBE

.END

Рис. 10.3. Схема для снятия входных характеристик биполярного транзистора

После проведения анализа измените разметку оси X чтобы показать и V(1), и график тока I(IBB). Вы получите график, который показывает только две кривые. Первая, расположенная ближе к началу координат, получена для VCE=0 В, другая — для всех остальных значений VCE (см. рис. 10.4). Если выполнить анализ, исключив нулевое значение VCC, то первая кривая на графике исчезнет. Обратите внимание, что при использовании встроенной модели для Q напряжение VBE будет приблизительно равно 0,8 В для типичных значений базового тока.

Рис. 10.4 Входные характеристики биполярного транзистора

Усилители с общим эмиттером

Простая схема каскада с ОЭ показана на рис. 10.5. Входной контур получен путем преобразования более сложной цепи с помощью теоремы Тевенина. Мы проводим анализ при частоте 5 кГц, при которой конденсаторы могут рассматриваться просто как короткое замыкание, поэтому конденсатор связи в схеме отсутствует. Зададим значение hFE=50. Входной файл:

Рис. 10.5. Усилитель ОЭ на биполярном транзисторе 

СЕ Amplifier, BJT Model

VCC 5 0 18V

VBB 3 2 0.8V

RS 1 2 1k

RL 4 5 10k

Q1 4 3 0 BJT

.MODEL BJT NPN(BF=50)

.TF V(4) VS .OP

.OPT nopage

vs 1 0 ac 1mV

.AC lin 1 5kHz 5kHz

.PRINT ас I(RS) I(RL) V(3) V(4)

.END

В команде .АС задана частота 5 кГц. Команда .PRINT ас позволяет нам находить определенные токи и напряжения. Выходной файл PSpice анализа показан на рис. 10.6. Различные формулы могли бы использоваться, чтобы вычислить коэффициент усиления по напряжению V(4)/V(3), например,

если использовать принятое значение hie=1,1 кОм. Затем при использовании отношения для делителя напряжений между RL и hie можно определить коэффициент усиления по напряжению V(4)/VS=-238. В выходном файле, полученном на PSpice согласно малосигнальным характеристикам, показано значение V(4)/VS, равное -233, что достаточно близко к вычисленному значению. Входное сопротивление относительно VS, также выведенное в выходном файле, равно 2,144 кОм. Вычитая из него внутреннее сопротивление источника Rs (1 кОм), получим hie=1,144 кОм, что также близко к принятому значению. Выходное сопротивление составляет 10 кОм. В практических случаях схема замещения выходного сопротивления представляет собой параллельное соединение RL и hoe. Но если мы примем, что hoe>RL, то выходное сопротивление будет близко к RL. Обратите внимание, что при включении во входную цепь конденсатора этот метод нахождения малосигнальных характеристик не даст полезных результатов.

СЕ Amplifier, BJT Model

VCC 5 0 18V

VBB 3 2 0.8V

RS 1 2 1K

RL 4 5 10k

Q1 4 3 0 BJT

.MODEL BJT NPN(F=50)

.TF V(4) VS

.OP

.OPT nopage

vs 1 0 ac 1mV

.AC lin 1 5kHz 5kHz

.PRINT ac I(RS) I(RL) V(3) V(4)

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   BJT

   NPN

IS 100.000000E-18

BF 50

NF 1

BR 1

NR 1

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) -.0226  ( 3) .7774   ( 4) 6.6929

( 5) 18.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -1.131E-03

VBB -2.261E-05

VS  -2.261E-05

TOTAL POWER DISSIPATION 2.04E-02 WATTS

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME   Q1

MODEL  BJT

IB     2.26E-05

IС     1.13E-03

VBE    7.77E-01

VBC   -5.92E+00

VCE    6.69E+00

BETADC 5.00E+01

BETAAC 5.00E+01

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/VS = -2.332E+02

INPUT RESISTANCE AT VS = 2.144Е+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 1.000E+04

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(RS)     I(RL)     V(3)      V(4)

5.000E+03 4.665E-07 2.332E-05 5.335E-04 2.332E-01

Рис. 10.6. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 10.5

Последние строки выходного файла содержат результаты анализа на переменном токе. Частота составляет 5 кГц, ток базы равен 0,46665 мкА, а ток коллектора составляет 23,32 мкА. Чтобы проверить эти значения с помощью стандартного схемотехнического анализа мы должны найти переменную составляющую тока базы. Она равна

Переменная составляющая тока коллектора

Ic = hfeIb = 50 (0,476 мкА) = 23,37 мкА.

Эти значения близки к результатам, полученным в PSpice.

Возвратимся к анализу на постоянном токе и вычислим постоянную составляющую тока базы:

Это предварительное значение, так как VBE получено из результатов PSpice. Теперь становится очевидно, что эта схема применима скорее для иллюстрации, чем для практических целей, так как даже незначительные изменения VBB или VBE вызовут большие изменения в IВ. Вычислим теперь постоянную составляющую тока коллектора, найденную как hfeIb, что даст нам значение 1,13 мА и напряжение коллектора

VC = VCC – RLIC = 18 В – (10 кОм) (1,13 мА) = 6,7 В.

Общая рассеиваемая мощность, показанная в PSpice как произведение тока на напряжение источника питания, равна 20,4 мВт. 

На рис. 10.6 приведена распечатка выходного файла нашего анализа на PSpice. Для выбранного нами транзистора с именем Q1 и модели с именем BJT в выходном файле приведен список из 16 параметров (на рис. 10.6 показана лишь часть из них). Эти значения справедливы для конкретных условий смещения схемы. Они изменятся при изменении токов и напряжений покоя. Например, если транзистор войдет в режим насыщения, значение BETADC будет намного ниже. После изучения результатов обратимся к практической схеме и проведем расширенный анализ.

Анализ цепей смещения

Схема с более устойчивой точкой покоя, чем в предыдущем случае, показана на рис. 10.7. Она называется схемой с эмиттерным или автоматическим смещением. Входной файл:

Biasing Case Study

VCC 2 0 12V

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 4.7k

RE 4 0 220

Q1 3 1 4 Q2N2222

.LIB EVAL.LIB; команда вызывает библиотечный файл EVAL.LIB

.DC VCC 12V 12V 12V

.PRINT DC I(RC) I(R1) I(R2) I(RE)

.OP

.OPT nopage

.END

Рис. 10.7. Схема с цепями смещения

В этом входном файле отсутствует команда .MODEL. Вместо этого транзистор определяется как Q2N2222 (npn). Это — обозначение для одного из транзисторов, который смоделирован в рабочей версии PSpice.

Другими библиотечными типами транзисторов BJT, приведенными в приложении Е, являются Q2N2907A (pnp), Q2N3904 (npn), Q2N3906 (pnp). Чтобы использовать ресурсы библиотеки, входной файл должен включать строку, начинающуюся с .LIB. Промышленная версия PSpice содержит намного больше транзисторов, чем перечислено здесь. Библиотека находится в файле, названном eval.lib. Найдите листинг .model Q2N2222 в приложении Е, который начинается со строк

.model QN2222 NPN(Is=14.34f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=255.9....)

В этой команде задаются различные параметры модели. Так, величина Is представляет собой ток насыщения pn-перехода и т.д. Полная распечатка параметров BJT дана в приложении D (раздел «Q — биполярный транзистор»). Проведите моделирование и проверьте напряжения и токи в рабочей точке. Убедитесь, что VCE=6,5185 В и что ток коллектора IС=1,114 мА. Обратите внимание на то, что, хотя Q1 имеет максимальный прямой коэффициент передачи hFE=255,9, в информации о рабочей точке задано значение BETADC, равное 160 при токе базы IВ=6,96 мА. Выходной файл приведен на рис. 10.8 (показаны не все параметры модели).

Biasing Case Study

VCC 2 0 12V

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 4.7k

RE 4 0 220

Q1 3 1 4 Q2N2222

.LIB EVAL.LIB ; this calls in the library file EVAL.LIB

.DC VCC 12V 12V 12V

.PRINT DC I(RC) I(R1) I(R2) I(RE)

.OP

.OPT nopage .END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   Q2N2222

   NPN

IS 14.340000E-15

BF 255.9

NF 1

VAF 74.03

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

VCC       I(RC)     I(R1)     I(R2)     I(RE)

1.200E+01 1.114E-03 2.777E-04 2.707E-04 1.121E-03

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) .8933  ( 2)  12.0000 ( 3) 6.7651  ( 4) .2466

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -1.391E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.67E-02 WATTS

OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME     Q1

MODEL    Q2N2222

IB       6.96E-06

IС       1.11E-03

VBE      6.47E-01

VBC     -5.87E+00

VCE      6.52E+00

BETADC   1.60E+02

GM       4.29E-02

RPI      4.12E+03

RX       1.00E+01

RO       7.17E+04

CBE      5.40E-11

CBC      3.47E-12

CJS      0.00E+00

BETAAC   1.77Е+02

CBX/CBX2 0.00E+00

FT/FT2   1.19E+08

Рис. 10.8. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 10.7

Анализ на переменном токе

Чтобы показать, как ведет себя эта схема в качестве усилителя ОЭ, добавим несколько компонентов (рис. 10.9). Максимальное значение переменного напряжения равно 10 мВ, внутреннее сопротивление источника Rs=50 Ом, кроме того добавлены конденсаторы Сb и Се. Входной файл принимает вид:

Biasing Case Study Extended

VCC 2 0 12V

Vs 1a 0 ac 10mV

Rs 1a 1b 50

Cb 1b 1 15uF

Ce 4 0 15uF

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 4.7k

RE 4 0 22 0

Q1 3 1 4 Q2N2222

.DC VCC 12V 12V 12V

.PRINT DC I(RC) I(R1) I(R2) I(RE)

.OP

.opt nopage nomod; подавляется вывод баннера и параметров модели

.ас LIN 1 5kHz 5kHz; задается вариация для анализа на переменном токе

.PRINT ас i(RC) i(RE) i(RS)

.PRINT ac v(1) v(1b) v(3) v(4)

.LIB EVAL.LIB

.END

Рис. 10.9. Усилитель ОЭ

В этом входном файле величина Vs идентифицируется как переменная составляющая входного напряжения, и вызывается вариация по переменному току (ас sweep). Без команды .ас LIN выходной файл вообще не будет содержать информации о переменных составляющих.

Проведите анализ и убедитесь, что напряжение смещения и значения токов не изменились по сравнению с предыдущим выходным файлом. Фактически вся информация о рабочей точке осталась прежней. Выходной файл приведен на рис. 10.10. 

Biasing Case Study Extended

VCC 2 0 12V

Vs 1a 0 ас 10mV

Rs 1a 1b 50

Cb 1b 1 15uF

Ce 4 0 15uF

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 4.7k

RE 4 0 220

Q1 3 1 4 Q2N2222

.DC VCC 12V 122V 212V

.PRINT DC I(RC) I(R1) I(R2) I(RE)

.OP

.opt nopage nomod ; suppress banner and model parameters

.ac LIN 1 5kHz 5kHz ; a sweep is necessary for ac analysis

.PRINT ac i(RC) i(RE) I(RS)

.PRINT ac v(1) v(1b) v(3) v(4)

.LIB EVAL.LIB

.END

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

VCC       I(RC)     I(R1)     I(R2)     I(RE)

1.200E+01 1.114Е-03 2.777E-04 2.707E-04 1.121E-03

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

NODE  VOLTAGE NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1)  .8933   ( 2)  12.0000 ( 3) 6.7651  ( 4) .2466

( 1a) 0.0000  ( 1b) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -1.391E-03

Vs   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 1.67E-02 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME   Q1

MODEL  Q2N2222

IB     6.96E-06

IС     1.11E-03

VBE    6.47E-01

VBC   -5.87E+00

VCE    6.52E+00

BETADC 1.60E+02

BETAAC 1.77E+02

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ       I(RC)     I(RE)     I(RS)

5.000E4-03 3.888E-04 3.772E-06 5.523E-06

FREQ      V(1)      V(1b)     V(3)      V(4)

5.000E+03 9.724E-03 9.725E-03 1.827E+00 8.299E-04

Рис. 10.10. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 10.9

В дополнение к предыдущим результатам мы запросили сведения о переменных составляющих нескольких токов и напряжений. Убедитесь, что v(3)/v(1)=188 и v(3)/vs=182,7. Переменная составляющая выходного тока составляет 0,3888 мА, переменная составляющая входного тока равна 5,523 мкА, что дает для коэффициента усиления по току значение 70,4.

В качестве упражнения включите резистор с сопротивлением RB=0,01 Ом последовательно с базой и выведите значение тока через RB с помощью команды .PRINT ас; затем выполните анализ и найдите коэффициент передачи по току с базы на коллектор. Он не будет таким же, как найденный с использованием Ic/hfe, где hfe — это ВЕТААС. Можете ли вы дать объяснение этому?

Для понимания работы схемы полезно рассмотреть переменные составляющие напряжений в различных точках схемы. Измените входной файл следующим образом:

Biasing Case Study Extended for Probe

VCC 2 0 12V

Vs 1a 0 sin(0 10mV 5kHz)

;аргументы - смещение, максимальное значение и частота

Rs 1a 1b 50

Cb 1b 1 15uF

Ce 4 0 15uF

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 4.7k

RE 4 0 220

Q1 3 1 4 Q2N2222

.opt nopage nomod

.TRAN 0.02ms 0.6ms

.PROBE

.FOUR 5kHz V(3)

.LIB EVAL.LIB

.END

Источник напряжения показан теперь не просто как источник переменного, а как источник именно синусоидального напряжения sin(). Параметрами его являются смещение, амплитуда и частота. Временные диаграммы можно получить путем включения во входной файл команды .PROBE. Проведите анализ, затем получите графики v(3) и v(1), показанные на рис. 10.11. На этом рисунке использовался курсор, чтобы найти максимальное значение напряжения коллектора. Обратите внимание, что напряжение коллектора повернуто на 180° относительно напряжения базы. Используйте курсор, чтобы найти максимум и минимум.

Рис. 10.11. Временные диаграммы напряжений на коллекторе и на базе в схеме на рис. 10.9

Убедитесь, что размах напряжения на базе (удвоенная амплитуда) равен 19,4 мВ, в то время как соответствующее значение на коллекторе равно 3,62 В что дает коэффициент усиления по напряжению Av=187, соответствующий результату предыдущего анализа на переменном токе.

Последние строки выходного файла, показанного на рис 10.12, содержат результаты гармонического анализа выходного напряжения V(3). Постоянная составляющая, равная 6,75 В, в точности совпадает с напряжением смещения на коллекторе. Амплитуда основной гармоники (5 кГц) равна 1,781 В, что соответствует размаху в 3,562 В. График коллекторного напряжения дает размах 3,63 В. Вторая гармоника выходного напряжения составляет 0,134 В, что на порядок меньше основной. Более высокие гармоники имеют еще меньшую величину и дают общее гармоническое искажение приблизительно в 7,5%.

Biasing Case Study Extended for Probe

VCC 2 0 12V

Vs 1a 0 sin(0 10mV 5kHz) ; arguments are offset, peak, and frequency

Rs 1a 1b 50

Cb 1b 1 15uF

Ce 4 0 15uF

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 4.7k

RE 4 0 220

Q1 3 1 4 Q2N2222

.opt nopage nomod

.TRAN 0.02ms 0.6ms

.PROBE

.FOUR 5kHz V(3)

.LIB EVAL.LIB

.END

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

NODE  VOLTAGE NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1)  .8933   ( 2)  12.0000 ( 3) 6.7651  ( 4) .2466

( 1a) 0.0000  ( 1b) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -1.391E-03

Vs   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 1.67E-02 WATTS

**** FOURIER ANALYSIS TEMPERATURE -27.000 DEG С

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(3)

DC COMPONENT = 6.757350Е+00

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE     NORMALIZED

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

1        5.000E+03 1.780E+00 1.000E+00 -1.752E+02 0.000E+00

2        1.000E+04 1.343E-01 7.541E-02  1.019E+02 2.771E+02

3        1.500E+04 4.445E-03 2.496E-03 -1.089E+01 1.643E+02

4        2.000E+04 2.902E-03 1.630E-03 -1.114Е+02 6.384E+01

5        2.500E+04 2.710E-03 1.522E-03 -1.204E+02 5.485E+01

6        3.000E+04 2.695E-03 1.514E-03 -1.277B+02 4.750B+01

7        3.500E+04 2.638E-03 1.482E-03 -1.337E+02 4.154Е+01

8        4.000E+04 2.563E-03 1.440E-03 -1.402E+02 3.502E+01

9        4.500E+04 2.430Е-03 1.3651-03 -1.442E+02 3.100Е+01

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 7.553840E+00 PERCENT

Рис. 10.12. Выходной файл с результатами анализа Фурье для схемы на рис. 10.9

Усилитель с общим эмиттером с нешунтированным эмиттерным резистором

Когда усилитель ОЭ использует эмиттерный резистор, не шунтированный конденсатором, коэффициент усиления по напряжению схемы уменьшается, зато улучшается частотная характеристика. Схема с последовательной обратной связью по току показана на рис. 10.13. Используем для анализа встроенную модель BJT при hFE= 80. Входной файл при этом:

Analysis of СЕ Amplifier with Unbypassed RE

VCC 4 0 12V

R1 4 1 40k

R2 1 0 5k

RC 4 2 1k

RE 3 0 100

Rs 6 5 100

Rb 1 1a 0.01

C1 5 1 15uF

Q1 2 1a 3 BJT

.MODEL BJT NPN (BF=80)

.OP

.OPT nopage

vs 6 0 ас 10mV

.ас LIN 1 5kHz 5kHz

.PRINT ac i(RB) i(RC) i(RS) v(1) v(2) v(3)

.END

Рис. 10.13. Усилитель ОЭ с нешунтированным эмиттерным сопротивлением

Анализ на постоянном токе для этой схемы был приведен в разделе «Краткий обзор PSpice» в начале книги и мы не будем повторять его здесь.

Проведем расчет для переменных составляющих с использованием стандартного схемотехнического анализа. Коэффициент передачи по напряжению (с базы на коллектор) можно аппроксимировать выражением

но для малых значении это выражение может давать относительную ошибку в 10%. Более точное уравнение:

Поскольку это коэффициент передачи по напряжению с базы на коллектор, необходимо использовать формулу для делителя напряжения, чтобы найти коэффициент передачи по напряжению с источника на коллектор:

где Rp — эквивалентное сопротивление для параллельного соединения R1, R2 и Ri.

Обратимся теперь к выходному файлу (рис. 10.14), чтобы посмотреть, насколько анализ на PSpice сопоставим с результатами обычного расчета. PSpice дает для полного коэффициента передачи по напряжению V(2)/vs = -8,878, что отличается от расчетного значения немногим более, чем на 5%.

Analysis of СЕ Amplifier with Unbypassed RE

VCC 4 0 12V

R1 4 1 40k

R2 1 0 5k

RC 4 2 1k

RE 3 0 100

Rs 6 5 100

Rb 1 1a 0.01

C1 5 1 15uF

Q1 2 1a 3 BJT

.MODEL BJT NPN (BF=80)

.OP

.opt nopage

vs 6 0 ac 10mV

.ас LIN 1 5kHz 5kHz

.PRINT ac i(RB) i(RC) i(RS) v(1) v(2) v(3) .END

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 1.1464  ( 2) 8.6345  ( 3)  .3408  ( 4)  12.0000

( 5) 0.0000  ( 6) 0.0000  ( 1a) 1.1464

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -3.637E-03

vs   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 4.36E-02 WATTS

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME     Q1

MODEL    BJT

IB       4.21E-05

IС       3.37E-03

VBE      8.06E-01

VBC     -7.49E+00

VCE      8.29E+00

BETADC   8.00E+01

GM       1.30Е-01

RPI      6.15E+02

RX       0.00E+00

RO       1.00E+12

CBE      0.00E+00

CBC      0.00E+00

CJS      0.00E+00

BETAAC   8.00E+01

CBX/CBX2 0.00E+00

FT/FT2   2.07E+18

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(RB)     I(RC)     I(RS)     V(1)      V(2)

5.000E+03 1.110E-06 8.878E-05 3.286E-06 9.671E-03 8.878E-02

FREQ      V(3)

5.000E+03 8.989E-03

Рис. 10.14. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 10.13

Определение входного сопротивления

Желательно, кроме того, найти входное сопротивление со стороны источника входного напряжения. Если мы просто используем команду

.TF V(4) vs

результаты будут некорректными. Вы можете это сделать и посмотреть, что получится. Удаление конденсатора С1 из схемы также не сработает, так как это приведет к изменению условий смещения.

Правильный подход показан на рис. 10.15, где во входную цепь включен источник с напряжением и внутренним сопротивлением, определенными по теореме Тевенина. При этом поддерживаются соответствующие напряжения и токи смещения, и можно использовать функцию преобразования .TF.

Рис. 10.15. Схема для определения входного сопротивления усилителя ОЭ

Из выходного файла на рис. 10.16 (содержащего также листинг входного файла) можно видеть, что напряжения смещения не изменились. Эта распечатка показывает входное сопротивление как 13,16 Ом. Сопротивление в цепи базы транзистора Ri=13,16–4,444=8,7 кОм. Расчетное значение 9,2 кОм отличается от этого немногим больше, чем на 5%, из чего мы заключаем, что оба метода адекватны.

Find Input Resistance of CE Amplifier Circuit with RE

VCC 4 0 12V

VTh 1 1a 1.33333V

RC 4 2 1k

RE 3 0 100

Rs 5 1a 4.4444k

Q1 2 1 3 BJT

.MODEL BJT NPH(BF=80)

.TF v(2) vs

.OP

.opt nopage

vs 5 0 ac 10mV

.ac LIN 1 5kHz 5kHz

.PRINT ac i(Rs) i(RC) v(1) v(2) v(3)

. END

NODE VOLTAGE NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 1.1464  ( 2)  8.6345  ( 3) .3408   ( 4) 12.0000

( 5) 0.0000  ( 1a) -.1870

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -3.366E-03

VTh -4.207E-05

vs  -4.207E-05

TOTAL POWER DISSIPATION 4.04E-02 WATTS

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(2)/vs = -6.079Е+00

INPUT RESISTANCE AT vs. = 1.316E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(2) = 1.000E+03

FREQ      I(Rs)     I(RC)     V(1)      V(2)      V(3)

5.000E+03 7.599E-07 6.079E-05 6.623E-03 6.0791-02 6.155E-03

Рис. 10.16. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 10.15

Применение собственных моделей с h-параметрами

Сравним теперь нахождение коэффициентов усиления по напряжению и по току двумя методами: при использовании встроенной модели PSpice и при применении нашей собственной модели в h-параметрах для усилителя ОЭ. Последний метод представлен в главе 3.

Анализ с помощью h-параметров

Схема на рис. 10.13 рассматривается относительно переменных составляющих. Узел источника VCC заземляется (при этом R1 подсоединяется параллельно R2), конденсатор С1 закорачивается. Преобразованная таким образом схема показана на рис. 10.17, а при использовании вместо транзистора модели в h-параметрах она приобретает вид, показанный на рис. 10.18.

Рис. 10.17. Схема усилителя с ОЭ для анализа переменных составляющих

Рис. 10.18. Схема на рис. 10.17 с моделью транзистора в h-параметрах

Вспомним, что значительно больше информации может быть получено, если мы будем проводить анализ на постоянном, а не на переменном токе. Это позволяет нам находить необходимые характеристики для малого сигнала, включая коэффициент усиления по напряжению и входное сопротивление. Мы не будем приводить здесь входной файл, поскольку он показан в распечатке выходного файла на рис. 10.19. Результаты анализа близки к полученным ранее с использованием встроенной модели BJT.

CE Amplifier with Re using h-parameter model

vs 1 0 10mV

VO 3 2A 0

E 3A 4 5 4 2.5E-4

F 5 4 VO 80

Rs 1 2 100

R1 2 0 40k

R2 2 0 5k

RI 2 3 1.1k

RO 5 4 40k

RC 0 5 1k

RE 4 0 100

.TF V(5) Vs

.OP

.opt nopage

.dc ve 10mV 10mV 10mV

.PRINT dc i(RC) i(Rs) i(RI) i(RE)

.END

vs        I(RC)     I(Rs)     I(RE)     I(RE)

1.000E-02 8.402E-05 3.256E-06 1.079E-06 8.510E-05

NODE VOLTAGE NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) .0100   ( 2)  .0097   ( 3) .0085   ( 4) .0005

( 5) -.0840  ( 3A) .0085

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

vs  -3.256E-06

VO   1.079E-06

TOTAL POWER DISSIPATION 3.26E-08 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E

V-SOURCE -2.313E-05

I-SOURCE -1.079E-06

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME F

I-SOURCE 8.634E-05

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(5)/vs = -8.402E+00

INPUT RESISTANCE AT vs = 3.071E+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(5) = 9.987Е+02

Рис. 10.19. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 10.18

Фазовые соотношения в усилителе с общим эмиттером

Когда в усилителе с ОЭ для стабилизации параметров смещения используется эмиттерный резистор RЕ, он шунтируется конденсатором СЕ с такой емкостью, чтобы на частоте входного сигнала эмиттер можно было бы считать заземленным. Если мы рассматриваем временные диаграммы для переменных составляющих токов в коллекторе и эмиттере, то интересно сравнить, каким будет коэффициент усиления с применением и без применения СЕ. Это также позволит нам исследовать потенциальные проблемы использования команды IRAN для получения установившихся значений переменных составляющих. 

Усилитель без эмиттерного конденсатора

Обратимся к рис. 10.13, где приведена схема без СЕ. Входной файл для анализа: 

Phase Relations in СЕ Amplifier

VCC 4 0 12V

R1 4 1 40k

R2 1 0 5k

RC 4 2 1k

RE 3 0 100

Rs 6 5 100

RB 1 1A 0.01

C1 5 1 15uF

Q1 2 1A 3 BJT

.MODEL BJT NPN (BF=80)

vs 6 0 sin (0 10mV 5kHz)

.TRAN 0.02ms 0.2ms

.PROBE

.END 

Проведите анализ и получите в Probe графики напряжений на коллекторе v(2), эмиттере v(3) и напряжения источника v(6). Обратите внимание, что входное напряжение и напряжение на эмиттере находятся в фазе, в то время как напряжение на коллекторе повернуто на 180°. Убедитесь, что значение максимума переменной составляющей v(2) равно 88,75 мВ, а максимальные значения для v(3) и v(6) составляют 9 мВ и 10 мВ соответственно. Таким образом, анализ переходных процессов был успешно использован для получения установившихся значений, и результаты были такими, какие мы ожидали бы из расчета с помощью стандартных методов. Сравните полученные вами графики с показанными на рис. 10.20.

Рис. 10.20. Временные диаграммы напряжений в схеме на рис. 10.18

Усилитель с эмиттерным конденсатором

Однако обычно усилитель работает с конденсатором СЕ, подключенным параллельно RЕ. Давайте снова вставим во входной файл исключенную строку

СЕ 3 0 10uF

и заново выполним анализ. Получите в Probe только график напряжения на эмиттере, занимающий весь экран, обратите внимание, что синусоида является искаженной. Если получить график для нескольких периодов этого напряжения, то мы увидим, что прежде, чем режим устанавливается, колебание проходит фазу переходного процесса. В лаборатории обычный осциллограф показал бы форму колебаний правильно, так почему же Probe показывает иначе? Причина заключается в том, что мы используем анализ переходных процессов в схеме с реактивными элементами. Следовательно, мы должны быть внимательными и учитывать возможность появления похожих проблем в других задачах.

Получите график v(2) и убедитесь, что v(2)=0,929 В (максимальное значение переменной составляющей) и что такое же значение для v(3) составляет 3,5 мВ. Убедитесь также, что напряжение на коллекторе немного искажено: на оси Y его значение равно 8,6345 В, максимум составляет 9,614 В и минимум достигается при значении 7,756 В (рис. 10.21).

Рис. 10.21 Временные диаграммы напряжений в схеме на рис. 10.1 с блокирующим конденсатором

Убедитесь, что при f=5 кГц конденсатор не является идеальным коротким замыканием. Вычислите полное сопротивление для параллельного соединения RE и СЕ. Оно равно Z=3,18∠88° Ом.

В качестве упражнения получите графики токов через СЕ и тока через RЕ. Для сравнения можно построить и ток эмиттера. График тока эмиттера можно получить как –IE(Q1). Обратите внимание на фазовые соотношения между различными токами и между напряжением на эмиттере и входным напряжением. 

Триггер на биполярных транзисторах

Рис. 10.22. Триггер на биполярных транзисторах

Триггер, использующий транзисторы BJT npn-типа, показан на рис. 10.22. Для обеспечения правильной работы в этом мультивибраторе с двумя устойчивыми состояниями один транзистор должен находиться в режиме глубокой отсечки, в то время как другой транзистор должен быть насыщен. Допустим, что в начальном состоянии транзистор Q1 заперт, а транзистор Q2 включен. Воспользуемся стандартными методами анализа:

Этого обратного смещения достаточно, чтобы запереть Q1. Определим ток коллектора для другого транзистора, вычислив IRC2 и IR2:

полагая, что V4=0. 

Ток коллектора транзистора Q2 будет соответствовать разности:

IC2 = IRC2 – IR2 = 5,35мА.

При этом минимальный ток базы IВ2, необходимый для насыщения Q2, равен

Ток базы можно найти как разность двух компонентов:

приняв V5=0.

Ток базы IВ2 транзистора Q2 равен:

IB2 = IR1 – IR4 = 0,58 мА,

и имеет значение, намного превышающее минимум, требуемый для насыщения. 

Так как схема симметричная, и мы предполагали, что изначально транзистор Q1 включен, а транзистор Q2 выключен, анализ приведет к аналогичным результатам, если начальное состояние транзисторов будет противоположным. 

Анализ на PSpice

Чтобы выполнить анализ на PSpice, примем, что транзистор Q1 заперт, как мы делали в стандартном анализе. Учтем это во входном файле, применив команду .NODESET. Входной файл при этом принимает вид:

BJT Flip-flop (Q1 off)

VCC 3 0 12V

VBB 6 0 -12V

RC1 3 2 2.2k

RC2 3 4 2.2k

R1 2 5 15k

R2 4 1 15k

R3 1 6 100k

R4 5 6 100k

Q1 2 1 0 QN

Q2 4 5 0 QN

.MODEL QN NPN(IS=1E-9 BF=30 BR=1 TF=0.2ns TR=5ns)

.NODESET V(4)=0.15V; допустим, что Q2 включен (насыщен)

.OP

.DC VCC 12V 12V 12V

.PRINT DC I(RC1) I(RC2) I(R1) I(R2)

.END

Значение .NODESET для V(4)=0,15 В представляет собой начальное условие, которое используется при анализе на PSpice. Когда итеративный процесс решения закончится, это значение, вероятно, изменится.

Проведите анализ на PSpice и убедитесь, что напряжения узлов и токи смещения близки к полученным при стандартном схемотехническом расчете. Отметим также, что приведенные в выходном файле под заголовком BIPOLAR-JUNCTION TRANSISTORS значения эксплуатационного режима напряжений, токов и b??!! близки к тем, которые ожидались. Результаты показаны на рис. 10.23.

ВJТ Flip-flop (Q1 оff)

VCC 3 0 12V

VBB 6 0 -12V

RC1 3 2 2.2k

RC2 3 4 2.2k

R1 2 5 15k

R2 4 1 15K

R3 1 6 100k

R4 5 6 100k

Q1 2 1 0 QN

Q2 4 5 0 QN

.MODEL QN NPN(IS=1E-9 BF=30 BR=1 TF=0.2ns TR=5ns)

.NODESET V(4)=0.15V; guess for Q2 on (in saturation)

.OP

.opt nopage

.DC VCC 12V 12V 12V

.PRINT DC I(RC1) I(RC2) I(R1) I(R2)

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   QN

   NPN

IS 1.000000E-09

BF 30

NF 1

BR 1

NR 1

TF 200.000000E-12

TR 5.000000E-09

VCC       I(RC1)    I(RC2)    I(R1)     I(R2)

1.200Е+01 6.742E-04 5.421E-03 6.742E-04 1.050E-04

NODE VOLTAGE NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) -1.5012 ( 2)  10.5170 ( 3) 12.0000 ( 4) .0736

( 5) .4037   ( 6) -12.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -6.095E-03

VBB  2.290Е-04

TOTAL POWER DISSIPATION 7.59Е-02 WATTS

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME     Q1       Q2

MODEL    QN       QN

IB      -1.05E-09 5.503-04

IС       1.02E-09 5.32E-03

VBE     -1.50E+00 4.04E-01

VLC     -1.20E+01 3.30E-01

VCE      1.05Е+01 7.36E-02

BETADC  -9.78E-01 9.66E+00

GM       0.00E+00 2.19E-01

RPI      3.00E+13 1.29E+02

RX       0.00E+00 0.00E+00

RO       1.00E+12 7.40Е+01

CBE      2.00E-22 4.65E-11

CPC      5.00Е-21 6.76Е-11

CJS      0.00E+00 0.00E+00

BETAAC   0.00E+00 2.03E+01

CBX/CBX2 0.00E+00 0.001+00

FT/FT2   0.00E+00 3.00E+08

Рис. 10.23. Выходной файл для схемы на рис. 10.22

Интересно выполнить анализ с противоположными начальными условиями, установленными для Q1 и Q2, то есть используя начальное условие V(2)=0,15 В вместо V(4)=0,15 В. Результаты показывают, что роли двух транзисторов BJT изменяются, различные напряжения и токи принимают значения, полученные для другого прибора. Выходной файл приведен на рис. 10.24.

ВJТ Flip-flop (Q1 on)

VCC 3 0 12V

VBB 6 0 -12V

RC1 3 3 2.2k

RC2 3 4 2.2k

R1 2 5 15k

R2 4 1 15k

R3 1 6 100k

R4 5 6 100k

Q1 2 1 0 QN

Q2 4 5 0 QN

.MODEL QN NPN(IS=1E-9 BF=30 BR=1 TF=0.2ns TR=5ns)

.NODESET V(2)=0.15V; guess for Q1 on (in saturation)

.OP

.opt nopage

.DC VCC 12V 12V 12V

.PRINT DC I(RC1) I(RC2) I(R1) I(R2)

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   QN

   NPN

IS 1.000000E-09

BF 30

NF 1

BR 1

NR 1

TF 200.000000E-12

TR 5.000000E-09

VCC       I(RC1)    I(RC2)    I(R1)     I(R2)

1.200E+01 5.421E-03 6.742Е-04 1.050E-04 6.742E-04

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) .4037   ( 2) .0736   ( 3) 12.0000 ( 4) 10.5170

( 5) -1.5012 ( 6) -12.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -6.095E-03

VBB  2.290E-04

TOTAL POWER DISSIPATION 7.59E-02 WATTS

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME     Q1        Q2

MODEL    QN        QN

IB       5.50E-04 -1.05E-09

IС       5.32E-03  1.02E-09

VBE      4.04E-01 -1.50E+00

VBC      3.30E-01 -1.20E+01

VCE      7.36E-02  1.05E+01

BETADC   9.66E+00 -9.78E-01

GM       2.19Е-01  0.00E+00

RPI      1.29E+02  3.00E+13

RX       0.00E+00  0.00E+00

RO       7.40E+01  1.00E+12

СВЕ      4.65E-11  2.00E-22

CBC      6.76E-11  5.00E-21

CJS      0.00E+00  0.00E+00

BETAAC   2.83E+01  0.00E+00

CBX/CBX2 0.00E+00  0.00E+00

FT/FT2   3.06E+08  0.00E+00

Рис. 10.24. Выходной файл для схемы на рис. 10.22 с другим начальным состоянием

Симметричный мультивибратор

Симметричный мультивибратор с коллекторными связями представляет собой автогенератор. Эта схема может быть трудна для анализа на PSpice, поскольку при некоторых наборах параметров процесс итераций может не сходиться. На рис. 10.25 представлена симметричная схема, содержащая два транзистора BJT с коэффициентом усиления hFE=80. Мы можем вычислить период колебания по формуле

Т = 0,6930(R1C1 + R2C2) = 1,386RC.

Рис. 10.25. Мультивибратор с коллекторными связями

Примем для параметров схемы соотношения R1=R2=R и С1=С2=С при использовании стандартных значений для резисторов и конденсаторов R=56 кОм и С=100 пФ. Для нашего примера это дает значения периода Т=7,762 мкс и частоты f=128,8 кГц. Входной файл:

Astable Multivibrator

VCC 5 0 5V

RC1 5 1 1k

RC2 5 2 1k

R1 5 3 56k

R2 5 4 56k

C1 1 4 100pF

C2 2 3 100pF

Q1 1 3 0 QN

Q2 2 4 0 QN

.MODEL QN NPN (IS = 1E-12 BF = 80 BR=1 TF = 0.2ns TR=5ns)

.NODESET V(1)=0 V(3)=0

.OP

.OPT nopage

.PRINT DC 1(RC1) I(RC2) I(R1) I(R2)

.TRAN 0.18us 18us

.PROBE

.END

Заслуживает обсуждения команда .TRAN. Поскольку период, как известно, составляет немногим более 7 мкс, анализ должен проводиться на интервале до 20 мкс, чтобы дать колебаниям установиться. Когда использовалось время 20 мкс, итерации не сходились и графики были неверными. Попытки использовать другой шаг также были неудачны. Однако существуют некоторые комбинации, при которых получаются удовлетворительные результаты. Например, интервал 18 мкс при шаге 0,18 мкс дает хорошие результаты. Временная диаграмма для напряжения на коллекторе показана на рис. 10.26, для напряжения на базе — на рис. 10.27. При использовании курсора вы можете убедиться, что Т=7,865 мкс и, соответственно, f=127 кГц. Эти значения близки к значениям, полученным нами при расчете. Напряжения смещения для малосигнального режима и начальные значения для напряжений в переходном процессе показаны в выходном файле (рис. 10.28).

Рис. 10.26. Напряжения на коллекторах транзисторов для схемы на рис. 10.25

Рис. 10.27. Напряжения на базах транзисторов для схемы на рис. 10.25

Astable Multivibrator

VCC 5 0 5V

RC1 5 1 1k

RC2 5 2 1k

R1 5 3 56k

R2 5 4 56k

C1 1 4 100pF

C2 2 3 100pF

Q1 1 3 0 QN

Q2 2 4 0 QN

.MODEL QN NPN(IS=1E-12 BF=80 BR=1 TF=0.2ns TR=5ns)

.NODESET V(1)=0 V(3)=0

.OP

.opt nopage

.PRINT DC I(RC1) I(RC2) I(R1) I(R2)

.TRAN 0.18us 18us

.PROBE

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   QN

   NPN

IS 1.000000E-12

BF 80

NF 1

BR 1

NR 1

TF 200.000000E-12

TR 5.000000E-09

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) .1452   ( 2) .1452   ( 3) .5770   ( 4) .5770

( 5) 5.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -9.868E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 4.93E-02 WATTS

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME   Q1       Q2

MODEL  QN       QN

IB     7.90E-05 7.90E-05

IС     4.85E-03 4.85E-03

VBE    5.77E-01 5.77E-01

VBC    4.32E-01 4.32E-01

VCE    1.45E-01 1.45E-01

BETADC 6.15E+01 6.15Е+01

BETAAC 7.97E+01 7.97E+01

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) .1452   ( 2) .1452   ( 3) .5770   ( 4) .5770

( 5) 5.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -9.868E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 4.93E-02 WATTS

Рис. 10.28. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 10.25

Мультивибратор с эмиттерными связями на биполярных транзисторах

На рис. 10.29 показан мультивибратор с эмиттерными связями, использующий стандартные компоненты. Его подробный анализ приведен в книге Millman, Taub, Pulse, Digital, and Switching Waveforms. При анализе принимается, что Q1 насыщается, a Q2 — нет. Мы устанавливаем начальное напряжение на коллекторе Q1 равным 25 В. Вы можете попробовать несколько различных значений напряжения в команде .nodeset и сравнить результаты. Теоретический анализ дает для периода колебаний значение Т=145,6 мкс.

Рис. 10.29. Мультивибратор с эмиттерными связями

В качестве упражнения создайте собственный входной файл для этой схемы. Убедитесь, что результаты, полученные в Probe, дают Т=151,4 мкс. Графики напряжений на коллекторе показаны на рис. 10.30. Обратите внимание, что по оси X выбран временной интервал от 0,6 до 1,0 мс. Выходной файл показан на рис. 10.31

Рис. 10.30. Напряжения на коллекторах для схемы на рис. 10.29 

**** 07/27/99 15:53:59 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) ***********

Emitter-coupled multivibrator

VCC 4 0 30V

R1 4 2 10

R2 2 0 20

R3 2 3 1k

RC1 4 3 1k

RC2 4 8 200

RE1 1 0 3.3k

RE2 7 0 3.3k

C1 2 0 0.1uF

C2 1 7 0.1uF

Q1 3 2 1 QN

Q2 8 3 7 QN

.MODEL QN NPN(IS=1E-12 BF=30 BR=1 TF=0.2ns TR=5ns)

.NODESET V(3)=25V

.OP

.opt nopage

.PRINT DC I(RC1) I(RC2) I(RE1) I(RE2)

.TRAN 0.5us 1ms

.PROBE

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   QN

   NPN

IS 1.000000E-12

BF 30

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 19.4310 ( 2) 20.0120 ( 3) 22.0520 ( 4) 30.0000

( 1) 21.4680 ( 8) 28.7410

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -1.013E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 3.04E+01 WATTS

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME   Q1        Q2

MODEL  QN        QN

IB     1.90E-04  2.10E-04

IС     5.70E-03  6.30E-03

VBE    5.81E-01  5.84E-01

VBC   -2.04E+00 -6.69E+00

VCE    2.62E+00  7.27E+00

BETADC 3.00E+01  3.00E+01

BETAAC 3.00E+01  3.00E+01

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 19.4310 ( 2) 20.0120 ( 3) 22.0520 ( 4) 30.0000

( 7) 21.4680 ( 8) 28.7410

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -1.013E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 3.04Е+01 WATTS

Рис. 10.31. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 10.29

Задачи

10.1. Снимите входные и выходные характеристики библиотечного pnp- транзистора 2N3251 (hFE=180). Используйте схемы для снятия характеристик npn-транзисторов, представленные на рис. 10.1 и 10.3. Разработайте входной файл, позволяющий получить графики в Probe. Создайте метки для идентификации кривых.

10.2. а) В схеме на рис. 10.32 hFE= 100. Найдите точку покоя, используя PSpice; затем сравните результаты с вашими вычислениями, приняв VBE=0,7 В. б) при анализе на PSpice примите, что hFE=50 и найдите точку покоя.

Рис. 10.32

10.3. Определите точку покоя для схемы, показанной на рис. 10.33, приняв, что hFE=60 и VBE=0,7 В. Проверьте ваши вычисления с помощью PSpice, воспользовавшись встроенной моделью транзистора.

Рис. 10.33

10.4. На рис. 10.34 представлена схема усилителя с ОЭ. Желательно, чтобы точка покоя позволяла реализовать максимальный размах колебаний тока коллектора при приемлемых искажениях. Транзистор имеет коэффициент усиления hFE=50.

а) Найдите ток и напряжение коллектора в точке покоя, используя PSpice.

б) Проведите PSpice/Probe анализ при синусоидальном входном напряжении vi и определите практический предел колебаний входного напряжения. Каковы колебания тока коллектора при этом условии?

Рис. 10.34

10.5. Усилитель с ОЭ и незашунтированным RE показан на рис. 10.35. Транзистор имеет коэффициент усиления hFE=100. Максимальное значение входного сигнала составляет 0,2 В. Используйте PSpice/Probe, чтобы получить временную диаграмму выходного напряжения и определить коэффициент усиления по напряжению.

Рис. 10.35

10.6. На рис. 10.36 показана схема с эмиттерными связями. Используйте анализ на PSpice, чтобы найти токи и напряжения смещения коллектора для Q1 и Q2. Оба транзистора имеют коэффициент усиления hFE=100.

Рис. 10.36

11. Полевые транзисторы

Встроенные модели для полевых транзисторов (FET) обозначены в PSpice именами, начинающимися: с J для канальных полевых транзисторов (JFET), с М для МОП-транзисторов (MOSFET) и с В для арсенид-галлиевых транзисторов (GaAsFET). Перед использованием любого из этих приборов желательно получить наборы характеристик, позволяющие правильно определить напряжения и токи покоя.

Выходные характеристики полевых транзисторов

Демонстрационная версия PSpice содержит модели для двух типов n-канальных полевых транзисторов (JFET) в библиотеке EVAL.LIB. Получим необходимый набор выходных характеристик для транзистора J2N3819. Входной файл для анализа схемы рис. 11.1 содержит следующие команды:

Output Characteristics for JFET J2N3819

VGS 1 0 0V

VDD 2 0 12V

JFET 2 10 J2M3819

.DC VDD 0 12V 0.2V VGS 0 -4V 1V

.PROBE

.LIB EVAL.LIB

.END

Рис. 11.1. Схема для снятия характеристик полевых транзисторов JFET

Вложенный цикл команды .DC позволяет получить пять характеристик при целочисленных значениях VGS от 0 до -4 В. 

Однако после выполнения анализа вы обнаружите только четыре характеристики (рис. 11.2). Так как верхний график соответствует VGS=0 В, остальные соответствуют значения VGS в -1, -2 и -3 В, а характеристика для VGS=-4 В отсутствует, так как при этом VGS лежит ниже значения отсечки. Очевидно, отсечка происходит при значении -3 В. Зная диапазон рабочих значений VGS и соответствующий ему диапазон токов ID, мы можем теперь разработать схему смещения для этого транзистора.

Рис. 11.2. Выходные характеристики транзисторов JFET

Входные характеристики усилителя на полевых транзисторах

При получении входных характеристик величина VGS используется во внешнем цикле команды .DC в качестве основной переменной, откладываемой по оси X. Значения VDD изменяются от от 2 до 10 В с шагом в 4 В, создавая три характеристики. Нижняя характеристика соответствует VDD=2 В. Для последующего использования полезно маркировать характеристики. Входной файл для анализа

Input Characteristics for JFET

VGS 1 0 0V

VDD 2 1 10V

JFET 2 10 J2N3819

.DC VGS -3 0 0.05V VDD 2 V 10V 4V

.PROBE

.LIB EVAL.LIB

.END

Характеристики с соответствующими метками показаны на рис. 11.3.

Рис. 11.3. Входные характеристики транзисторов JFET

Библиотека рабочей версии содержит только n-канальные JFET. Если вам необходим p-канальный JFET, то вы может вставить команду .MODEL во входной файл или изменить библиотеку EVAL.LIB, чтобы включить одно или большее количество таких устройств. Ввод модели для J2N3819 осуществляется следующим образом:

.model J2N3819 NJF (Beta=1.304m Betatce=-.5 Rd=1 Rs=1 Lambda=2.25m

+Vto=-3

+Vtotc=-2.5m Is=33.57f Isr=322.4f N=1 Nr=2 Xti = 3 Alpha = 311.7

+Vk=243.6 Cgd=1.6p M=.3622 pb=1 Fc=.5 Cgs=2.414p Kf=9.882E-18

+Af=1)

National pid=50 case=T092

88-08-01 rmn BVmin=25

Обратите внимание, что для порогового напряжения задано значение Vt0=-3 В. Когда используется р-канальный JFET, модель должна быть PJF (а не NJF) и должно использоваться положительное значение Vt0.

Токи смещения полевых транзисторов

Схема с автоматическим смещением приведена на рис. 11.4. Во встроенной модели для n-канального JFET значения, заданные по умолчанию для ряда параметров, изменены. Новые значения показаны в следующем входном файле: 

n-Channel JFET Bias Circuit

VDD 4 0 18V

RG 1 0 0.5MEG

RS 2 0 770

RD 4 3 8.8k

JFET 3 1 2 JM

.MODEL JM NJF(RD=10 RS=10 VTO=-3 BETA=0.2m)

.DC VDD 18V 18V 18V

.OP

.OPT nopage

.PRINT DC I(RD) I(RS) I(RG) .END 

Рис. 11.4. Схема с автоматическим смещением транзистора JFET

Выходной файл приведен на рис. 11.5. Чтобы посмотреть, совпадают ли результаты стандартного схемотехнического расчета и анализа на PSpice, необходимо найти значение IDSS. Выполните анализ, подобный показанному на рис. 11.2, и убедитесь, что для этого JFET IDSS=1,78 мА. Сравните ваши результаты с рис. 11.6. Воспользовавшись этим значением, найдем

**** 07/29/99 11:29:21 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

n-Channel JFET Bias Circuit

VDD 4 0 18V

RG 1 0 0.5MEG

RS 2 0 770

RD 4 3 8.8k

JFET 3 1 2 JM

.MODEL JM NJF(RD=10 RS=10 VTO=-3 BETA=0.2m)

.DC VDD 18V 18V 18V

.OP

.opt nopage

.PRINT DC I(RD) I(RS) I(RG)

.END

**** Junction FET MODEL PARAMETERS

     JM

     NJF

VTO -3

BETA 200.000000E-06

RD   10

RS   10

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

VDD       I(RD)     I(RS)     I(RG)

1.800E+01 9.915E-04 9.915E-04 1.006E-11

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

NODE VOLTAGE   NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 5.029E-06 ( 2) .7635   ( 3) 9.2744  ( 4) 18.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VDD -9.915E-04

TOTAL POWER DISSIPATION 1.78E-02 WATTS

**** JFETS

NAME  JFET

MODEL JM

ID    9.92E-04

VGS  -7.63E-01

VDS   8.51E+00

GM    8.91E-04

GDS   0.00E+00

CGS   0.00Е+00

CGD   0.00Е+00

Рис. 11.5. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 11.4

Рис. 11.6 Выходные характеристики схемы на рис. 11.4

Используем теперь значение IDSS, полученное в PSpice, чтобы найти VGSS. В следующем уравнении IDSS представляет собой ток стока при насыщении:

Откуда при IDS=0,992 мА, IDSS=-1,78 мА и VP=3 В после преобразований получим VGS=0,78 В и затем

Значения VGS и gm согласуются с показанными на рис. 11.5.

Усилители на полевых транзисторах

Можно преобразовать схему смещения, показанную на рис. 11.4, в усилитель напряжения, добавив два конденсатора и источник переменного напряжения (рис. 11.7). Приведенный ниже входной файл предназначен для анализа на переменном токе при f=5 кГц:

n-Channel JFET Amplifier circuit

VDD 4 0 18V

vi 1a 0 ac 1mV

Cb 1a 1 15uF

Cs 2 0 15uF

RG 1 0 0.5MEG

RS 2 0 770

RD 4 3 8.8k

JFET 3 1 2 JM

.MODEL JM NJF (RD=10 RS=10 VT0=-3V BETA=0.2m)

.DC VDD 18V 18V 18V

.OP

.OPT nopage

.PRINT DC I(RD) I(RS) I(RG)

.ac lin 1 5kHz 5kHz

.PRINT ac i(RD) v(3) v(1) v(2)

.END

Рис. 11.7. Усилитель на транзисторе JFET

Выходной файл показан на рис. 11.8. Просмотрите результаты анализа и убедитесь, что переменная составляющая напряжения на стоке V(3)=7,77 мВ, что дает коэффициент усиления по напряжению 7,77. Это близко к значению, получаемому из аппроксимирующего уравнения

Av = gmRD = (0,891 мС) (8,8 кОм) = 7,8 

**** 07/29/99 14:40:00 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

n-Channel JFET Amplifier circuit

VDD 4 0 18V

vi 1a 0 ac 1mV

Cb 1a 1 15uF

Cs 2 0 15uF

RG 1 0 0.5MEG

RS 2 0 770

RD 4 3 8.8k

JFET 3 1 2 JM

.MODEL JM NJF(RD=10 RS=10 VTO=-3V BETA=0,2m)

.DC VDD 18V 18V 18V

.OP

.OPT nopage

.PRINT DC I(RD) I(RS) I(RG)

.ac lin 1 5kHz 5kHz

.PRINT ac i(RD) v(3) v(1) v(2)

.END

**** Junction FET MODEL PARAMETERS

     JM

     NJF

VTO -3

BETA 200.000000E-06

RD   10

RS   10

VDD       I(RD)     I(RS)     I(RG)

1.800E+01 9.915E-04 9.915E-04 1.006E-11

NODE  VOLTAGE   NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1)  5.029E-06 ( 2) .7635   ( 3) 9.2744  ( 4) 18.0000

( 1a) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VDD -9.915E-04

vi   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 1.78E-02 WATTS

**** JFETS

NAME  JFET

MODEL JM

ID    9.92E-04

VGS  -7.63E-01

VDS   8.51E+00

GM    8.91E-04

GDS   0.00E+00

CGS   0.00E+00

CGD   0.00E+00

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(RD)     V(3)      V(1)      V(2)

5.000E+03 8.828E-07 7.768Е-03 1.000Е-03 1.873E-06

Рис. 11.8. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 11.7 

Временные диаграммы усилителей

Чтобы получить временные диаграммы синусоидального входного напряжения и напряжения на стоке, необходимо несколько изменить входной файл. Входное напряжение задается синусоидальной функцией

vi 1a 0 sin (0 1mV 5kHz)

Анализ переходных процессов выполняется с помощью команды

.TRAN 0.02ms 0.6ms

которая при частоте 5 кГц предусматривает анализ на протяжении трех периодов колебаний.

Проведите моделирование и по результатам в Probe убедитесь, что напряжение стока имеет максимальное значение 9,282 мВ и минимальное — 9,266 мВ. Это дает размах напряжения в 15,4 мВ и максимальное значение 7,7 мВ. Результаты близки к полученным ранее расчетным данным. Временные диаграммы показаны на рис. 11.9. Обратите внимание, что курсор расположен так, чтобы показать максимальное значение V(3). При этом входное напряжение находится в соответствующем минимуме.

Рис. 11.9. Временные диаграммы входного и выходного напряжений

В выходном файле (рис. 11.10) показана модификация входного файла, позволяющая включить наряду с анализом переходных процессов еще и гармонический анализ для выходного напряжения V(3). Выходной файл показывает постоянную составляющую напряжения на истоке в 9,274 В. Вторая и более высокие гармоники имеют незначительную величину, давая общее гармоническое искажение менее 1%.

n-Channel JFET Amplifier circuit

VDD 4 0 18V

vi 1a 0 sin(0 1mV 5kHz)

Cb 1a 1 15uF

Cs 2 0 15uF

RG 1 0 0.5MEG

RS 2 0 770

RD 4 3 8.8k

JFET 3 1 2 JM

.MODEL JM NJF(RD=10 RS=10 VTO=-3V BETA=0.2m)

.DC VDD 16V 18V 18V

.OP

.OPT nopage nomod

.TRAN 0.02ms 0.6ms

.PROBE

.FOUR 5kHz V(3)

.END

NODE  VOLTAGE   NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1)  5.029E-06 ( 2) .7635   ( 3) 9.2744  ( 4) 18.0000

( 1a) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VDD -9.915E-04

vi   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 1.78E-02 WATTS

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VDD -9.915E-04

vi   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 1.78E-02 WATTS

**** FOURIER ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(3)

DC COMPONENT = 9.274381E+00

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE      NORMALIZED

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

1        5.000E+03 7.679E-03 1.000E+00  -1.797E+02 0.000E+00

2        1.000E+04 2.155E-05 2.806E-03  -1.014E+02 7.829E+01

3        1.500E+04 2.311E-05 3.009E-03  -1.076E+02 7.208E+01

4        2.000E+04 2.231E-05 2.905E-03  -1.139E+02 6.578E+01

5        2.500E+04 2.154E-05 2.805E-03  -1.189Е+02 6.079E+01

6        3.000E+04 2.067E-05 2.692E-03  -1.247E+02 5.507E+01

7        3.500E+04 1.949E-05 2.538E-03  -1.300E+02 4.974E+01

8        4.000E+04 1.848E-05 2.406E-03  -1.352E+02 4.449E+01

9        4.500E+04 1.723E-05 2.244E-03  -1.399E+02 3.983E+01

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 7.599231E-01 PERCENT

Рис. 11.10. Выходной файл результатов анализа схемы на рис. 11.7, дополненный результатами спектрального анализа

Мощные полевые транзисторы MOSFET

Для изучения случая, касающегося МОП-транзисторов, необходимо выбрать соответствующую модель такого устройства из библиотеки EVAL.LIB. Это модель IRF150, которая отображает мощный МОП-транзистор n-типа. Чтобы познакомиться с его свойствами, рассмотрим семейства входных и выходных характеристик. 

Выходные характеристики

Чтобы получить выходные характеристики, используем схему, показанную на рис. 11.11. Входной файл для нее:

n-Channel MOSFET Output Characteristics

VDD 2 0 12V

VGS 1 0 0VMFET 2 10 0 IRF150; сток, исток, затвор и подложка

.DC VDD 0 12V 0.8V VGS 0 8V 1V

.LIB EVAL.LIB

.PROBE

.END

Рис. 11.11. Схема для снятия характеристик МОП-транзисторов

Как показано на рис. 11.11, источник и подложка объединены, как и требуется. Выходные характеристики показаны на рис. 11.12. В качестве примера больших токов стока отметим, что при VGS=5 В ток насыщения становится больше 7 А. Входной файл библиотечной модели для IRF150 задает пороговое значение напряжения при нулевом смещении Vt0=2,831 В. Для n-канального устройства это напряжение является положительным.

Рис. 11.12. Выходные характеристики МОП-транзистора

Входные характеристики

Для входных характеристик несколько значений VDD будут использоваться, как показано в следующем файле:

Input Characteristic for MOSFET

VGS 1 0 0V

VDD 2 0 10V

MOS 2 10 0 IRF150

.DC VGS 0 8V 0.1V VDD 2V 10V 4V .PROBE

.LIB EVAL.LIB

.END

Полученный в результате график показан на рис. 11.13. Из него видно, что пороговое значение VGS немного ниже 3 В и что характеристики при VDD=6 В или больше сливаются в одну кривую.

Рис. 11.13. Входные характеристики МОП-транзистора 

Усилители на MOSFET

Усилитель мощности, использующий IRF150, показан на рис. 11.14. Так как используется режим с большими токами истока и стока, значения Rd и Rs составляют 2 и 0,5 Ом соответственно. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, обеспечивающий значение VGS=4,7 В. При этом входной файл имеет вид:

n-Channel Power MOSFET Amplifier

VDD 4 0 18V

vi 1 0 ac 0.5V

R1 4 2 330k

R2 2 0 220k

Rd 4 3 2

Rs 5 0 0.5

Cb 1 2 15uF

Cs 5 0 15uF

MFET 3 2 5 5 IRF150

.DC VDD 12V 12V 12V .OP

.OPT nopage

.PRINT DC I(RD) I(R1) I(R2) I(RS)

.ac Lin 1 5kHz 5kHz

.PRINT ac i (Rd) v(2) v(3)

.LIB EVAL.LIB

.END

Рис. 11.14. Усилитель мощности на МОП-транзисторе

Выходной файл показан на рис. 11.15. Приведены постоянные и переменные составляющие. Среди постоянных составляющих показаны ток стока (и истока) ID=1,781 А, напряжения на стоке V(3)=7,827 В и на истоке V(5)=2,543 В.

n-Channel Power MOSFET Amplifier

VDD 4 0 18V

vi 1 0 ac 0,5V

R1 4 2 330k

R2 2 0 220k

Rd 4 3 2

Re 5 0 0.5

Cb 1 2 15uF

Cs 5 0 15wF

MFET 3 2 5 5 IRF150

.DC VDD 12V 12V 12V

.OP

.OPT nopage

.PRINT DC I(RD) I(R1) I(R2) I(Re)

.ac lin 1 5kHz 5kHz

.PRINT ac i(Rd) v(2) v(3)

.LIB EVAL.LIB

.END

**** MOSFET MODEL PARAMETERS

       IRF150

       NMOS

LEVEL  3

L      2.000000E-06

W      .3

VTO    2.831

KP     20.530000E-06

GAMMA  0

PHI    .6

LAMBDA 0

RD     1.031000E-03

RS     1.624000E-03

RG     13.89

RDS    444.400000E+03

VDD       I(RD)     I(R1)     I(R2)     I(Rs)

1.200E+01 1.781E+00 2.182E-05 2.182E-05 1.781E+00

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 7.2000  ( 3) 7.8271  ( 4) 18.0000

( 5) 2.5432

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VDD -5.086E+00

vi   0.0000+00

TOTAL POWER DISSIPATION 9.16E+01 WATTS

**** MOSFETS

NAME MFET

MODEL IRF150

ID    5.09E+00

VGS   4.66E+00

VDS   5.28EE+00

VBS   0.00E+00

VTH   2.83E+00

VDSAT 1.82E+00

GM    5.60E+00

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(Rd)     V(2)      V(3)

5.000E+03 7.536E-01 4.9998-01 1.507E+00

Рис. 11.5. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 11.4

Анализ переменных составляющих дает входное напряжение vi=0,5 В и выходное напряжение на стоке v(3)=1,5 В, давая коэффициент усиления по напряжению, равный 3. Переменная составляющая выходного тока равна ID=0,7536А. Для всех переменных составляющих приведены максимальные значения.

Временные диаграммы

Чтобы получить временные диаграммы входного и выходного напряжений, необходимо слегка изменить входной файл. Как и в предыдущем примере, будет использовано синусоидальное входное напряжение:

Vi 1 0 sin (0 0. 5V 5kHz)

Наряду с анализом переходных процессов выполним и гармонический анализ. Проведем моделирование и используем Probe, чтобы получить графики v(3), i(Rd) и v(1). Результаты должны совпадать с приведенными на рис. 11.16. Используем режим курсора, чтобы найти максимальное значение выходного напряжения. Хотя значения каждого из максимумов слегка различаются из-за того, что график отражает переходной процесс, третий максимум равен 9,3188 В постоянная составляющая напряжения равна 7,8272 В. Для максимального значения переменной составляющей это дает значение 1,4916 В, которое близко к переменной составляющей, показанной в предыдущем анализе, и подтверждает коэффициент усиления по напряжению, равный 3.

Рис. 11.16. Входные и выходные сигналы для схемы на рис. 11.14

Изменения в схемном файле показаны в выходном файле (рис. 11.17). Обратите внимание, что выходное напряжение содержит небольшую вторую гармонику, общее гармоническое искажение слегка превышает 0,5%. Постоянная составляющая выходного напряжения равна 7,819 В, что лишь ненамного отличается от напряжения покоя для узла 3.

n-Channel Power MOSFET Amplifier, Fourier analysis

VDD 4 0 18V

vi 1 0 sin(0 0.5V 5kHz)

R1 4 2 330k

R2 2 0 220k

Rd 4 3 2

Rs 5 0 0.S

Cb 1 2 15uF

Cs 5 0 15uF

MFET 3 2 5 5 IRF150

.DC VDD 12V 12V 12V

.OP

.OPT nopage nomod

.TRAN 0.02ms 0.6ms

.PROBE

.FOUR 5kHz v(3)

.LIB EVAL.LIB

.END

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 7.2000  ( 3) 7.8271  ( 4) 18.0000

( 5) 2.5432

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VDD -5.086E+00

vi   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 9.16Е+01 WATTS

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

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VDD -5.086E+00

vi   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 9.16Е+01 WATTS

**** FOURIER ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(3)

DC COMPONENT = 7.819569E+00

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE     NORMALIZED

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

1        5.000E+03 1.490E+00 1.000E+00 -1.703E+02 0.000E+00

2        1.000E+04 7.816E-03 5.246E-03  1.286E+02 2.989E+02

3        1.500E+04 3.212E-04 2.156E-04 -1.040E+02 6.630E+01

4        2.000E+04 1.882E-04 1.263E-04 -8.023E+01 9.005E+01

5        2.500E+04 1.502E-04 1.008E-04 -7.562E+01 9.465E+01

6        3.000E+04 1.972E-04 1.323E-04 -7.245E+01 9.782E+01

7        3.500E+04 1.758Е-04 1.180Е-04 -1.008E+02 6.944E+01

8        4.000E+04 4.582E-05 3.075E-05 -3.885E+01 1.314E+02

9        4.500E+04 1.703E-04 1.143Е-04 -3.659E+01 1.337E+02

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 5.257215E-01 PERCENT

Рис. 11.17. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 11.14, включая гармонический анализ

Арсенид-галлиевые полевые транзисторы

PSpice включает встроенную модель для арсенид-галлиевого n-канального транзистора (GaAsFET). Имя этого прибора начинается с В. Хотя библиотека демонстрационной версии не содержит никаких входных файлов для этих транзисторов, вы можете определять параметры модели или просто использовать значения по умолчанию, приведенные в приложении D.

Значение по умолчанию для напряжения отсечки Vto=–2,5 В. Пример типового входного файла, используемого для получения выходных характеристик, приведен ниже:

Output Curves for GaAsFET

VOD 2 0 12V

VGS 1 0 0V

BFET 2 1 0 B1; узлы стока, затвора и истока

.MODEL B1 GAsFET (Vto=-2.5 B=0.3 Rg=1 Rd=1 Rs=1 Vbi=0.5V)

.DC VDD 0 12V 0.2V VGS 0 -3V 1V

.PROBE

.END

Выполните моделирование на PSpice, затем используйте Probe, чтобы получить графики ID(BFET), приведенные на рис. 11.18. Убедитесь, что IDSS=429 мА.

Рис. 11.18. Выходные характеристики арсенид-галлиевого транзистора

Задачи

Обратите внимание: в PSpice параметр BETA для JFET определяется как

11.1. Определите с помощью PSpice ток стока ID и напряжение на стоке VDS для схемы с JFET-транзистором, показанной на рис. 11.19, при значениях VPO=2 В и IDSS=5 мА.

Рис. 11.19

11.2. Найдите значения точки покоя ID и VDS для схемы с JFET-транзистором, показанной на рис. 11.20. Транзистор имеет те же характеристики, что и в предыдущей задаче.

Рис. 11.20

11.3. В схеме на рис. 11.21 для МОП-транзистора со встроенным каналом найдите значения ID, VGS и VDS c помощью анализа на PSpice при IDSS=5 мА и VPO=2 B.

Рис. 11.21

11.4. В схеме полевого транзистора JFET, приведенной на рис. 11.22, IDSS=8 мА и VPO=5,0 В. В рабочей точке gd=0,3 мС. С помощью анализа на PSpice найдите коэффициент усиления по напряжению v0|vi для низких частот.

Рис. 11.22

11.5. Усилитель на базе транзистора JFET показан на рис. 11.23. Заданы значения rd=100 кОм и gm=2850 мкС. Используйте PSpice, чтобы найти коэффициент усиления по напряжению v0|vs.

Рис. 11.23

11.6. Параметры усилителя на МОП-транзисторе, показанного на рис. 11.24: VT=2,5 В, (β=0,6 А/В² и rd=120 кОм. Используйте PSpice, чтобы найти коэффициент усиления по напряжению v0|vs.

Рис. 11.24

11.7. Схема прерывателя показана на рис. 11.25. На вход схемы включен источник синусоидального напряжения vi с частотой 1 кГц и амплитудой, меньшей чем VРO. Управляющее напряжение vg имеет прямоугольную форму при частоте 2 кГц. Используйте анализ на PSpice/Probe, чтобы получить выходное напряжение v0.

Рис. 11.25

12. Четырехполюсники и пассивные фильтры

В некоторых случаях схема может быть представлена в виде «черного ящика», имеющего два входных и два выходных полюса. Компоненты внутри могут быть либо неизвестны, либо не нужны для схемотехнического анализа, который необходимо выполнить. Такие схемы называются четырехполюсниками могут представлять собой набор резисторов, линию электропередачи, фильтр и т.п. Они могут даже содержать активные элементы.

Параметры четырехполюсников 

Четырехполюсники имеют два входных полюса со стороны источника сигнала и два выходных полюса со стороны нагрузки. Для анализа этих цепей можно сначала узнать набор параметров, определяющих цепь, а затем использовать уравнения, составленные исходя из этих параметров. Этот метод анализа особенно полезен, когда изменяются источник сигнала и нагрузка, а сам четырехполюсник остается неизменным. Мы рассмотрим различные примеры, применяя для описания четырехполюсников параметры y, z, h и ABCD.

Определение y-параметров

Базовые уравнения для определения параметров проводимости четырехполюсника:

I1 = y11V1 + y12V2;

I2 = y21V1 + y22V2.

Рис. 12.1. Четырехполюсник 

На рис. 12.1 представлен четырехполюсник с условными направлениями токов и напряжений. Проводимости в сомножителях, содержащих V1, можно вычислить при V2=0 из выражений:

Таким образом, у11 определяется как отношение I1 к V1 при V2=0, а у12 — как отношение I2 к V1 при V2=0. Аналогично

Эти y-параметры называются параметрами проводимости короткого замыкания четырехполюсника (short-circuit admittance parameters) и могут быть найдены с помощью PSpice. В качестве примера рассмотрим простую цепь, состоящую из резисторов.

На рис. 12.2 показана Т-образная схема, состоящая из трех резисторов. Чтобы найти у11 и y21 закоротим выход четырехполюсника (полюсы справа), обеспечив тем самым условие V2=0. На вход четырехполюсника подадим напряжение V1=1 В. Входной файл при этом имеет вид:

Input and Transfer Admittances

V1 1 0 1V

R1 1 2 12

R2 0 2 3

R3 2 0 6

.DC V1 1V 1V 1V

.ОРТ nopage

.PRINT DC I(R1) I(R2); для y11 and y21

.END

Рис. 12.2. Т-образная схема замещения 

Обратите внимание, что в команде, описывающей резистор R2, узлы записаны в следующем порядке: 0, 2. Тем самым задается направление для тока I2, показанное на рис. 12.3. Проведите анализ на PSpice, чтобы найти I1 и I2. В результате вы получите

I(R1) = 71,43 мА и I(R2) = -47,62 мА.

Рис. 12.3. Т-образная схема с короткозамкнутым выходом

Поскольку напряжение V1 выбрано равным 1 В, значение I1 численно равно проводимости у11, а значение I2 численно равно проводимости у21. Следовательно,

y11 = 71,43 мс и у21 = -47,62 мс.

Остальные y-параметры могут быть найдены при подаче со стороны выхода напряжения V2=1 В и при V1=0. Последнее условие выполняется при коротком замыкании на входе. Входной файл:

Output and Transfer Admittances

V2 2 0 1V

R1 0 1 12

R2 2 1 3

R3 1 0 6

.DC V2 1V 1V 1V

.OPT nopage

.PRINT DC I(R1) I(R2); для y12 and y22 .END

Поскольку напряжение V2 выбрано равным 1 В, значение I1, численно равно проводимости у12, а значение I2 численно равно проводимости у22. Проведите анализ и убедитесь, что

у12 = -47,62 мс и у22 = 142,9 мс.

Обратите внимание, что у12 = у21 и, следовательно, четырехполюсник является симметричным.

Отрицательные знаки для проводимостей у12=у21 не несут в себе какого-либо физического смысла, поскольку y-параметры не отражают свойств физических элементов. Однако легко показать, что П-образная схема на рис. 12.4 эквивалентна четырёхполюснику, описываемому y-параметрами, и поэтому она эквивалентна исходной схеме, заключенной в «черном ящике», какой бы она ни была. В нашем примере

yа = y21 + y21 = 23,81 мс;

yb = y22 + y12 = 95,28 мс;

yс = -y12 = 47,62 мс.

При этом реальные проводимости в схеме на рис. 12.4 положительны.

Рис. 12.4. Схема замещения для y-параметров

Если преобразовать y-параметры в z-параметры (для нашего случая в r-параметры), вычислив обратные величины, то получим za=42 Ом, zb=10,5 Ом и zc=21 Ом.

Другая схема замещения, содержащая y-параметры, показана на рис. 12.5. В ней используются два зависимых источника тока, управляемых напряжением (ИТУН/VDCS), и она следует непосредственно из исходных уравнений для y-параметров. Вспомним, что команда, предназначенная для введения во входной файл таких источников, должна начинаться с символа G.

Рис. 12.5. Схема замещения для y-параметров на базе зависимого источника

Использование y-параметров для расчета схем

Вызывает затруднения практическое использование y-параметров в типичной ситуации, когда к четырехполюснику, для которого были найдены y-параметры, подключаются неидеальный источник напряжения и резистор нагрузки (рис. 12.6). Уравнения, которые определяют y-параметры, можно непосредственно использовать, когда известны напряжения V1, и V2, но с их помощью трудно найти напряжение нагрузки V2 и ток нагрузки I2. Анализ показывает, что для рассматриваемого случая справедливо уравнение:

где Gs=1/Rs и GL=1/RL. Используйте y-параметры из предшествующего примера наряду с Vs=10 В, Rs=5 Ом и R1=10 Ом, чтобы найти V2/Vs. Убедитесь, что в результате получится V2/Vs=0,1496. Проведя анализ на PSpice для схемы рис. 12.7, получите то же значение для отношения V(4)/Vs= 0,1496. Входной файл для этой схемы создайте самостоятельно.

Рис. 12.6. Практическая схема с источником и нагрузкой

Рис. 12.7. Т-образная схема с источником и нагрузкой

Y-параметры для цепей с независимыми источниками

Предыдущий пример достаточно просто решить, применяя обычные аналитические методы, но для более сложных схем явными становятся преимущества PSpice. В следующем примере (рис. 12.8) в состав схемы входит зависимый источник тока. Чтобы найти у11 и у21, выход необходимо замкнуть накоротко, но чтобы сделать возможным измерение I2, короткое замыкание осуществляется источником с нулевым напряжением (рис. 12.9). Входной файл:

Input and Transfer Admittances with Dependent Source

V1 1 0 1V

F 3 2 V1 -3

V0 0 3 0V

R1 1 2 4

R2 2 0 2

R3 2 3 2

.DC V1 1V 1V 1V

.OPT nopage

.PRINT DC I(R1) I(V0); чтобы найти I1 и I2

.END

Рис. 12.8. Схема с зависимым источником

Рис. 12.9. Схема с короткозамкнутым выходом

Входным током I1 будет ток через R1, а выходным током I2 — ток через V0. Проведите анализ и убедитесь, что 

I(R1) = 125 мА и I(V0) = 125 мА.

Поскольку входное напряжение равно 1 В, эти токи численно равны соответствующим проводимостям, поэтому

y11 = 125 мС и у21 = 125 мС. 

Чтобы найти у11 и у22, на выход подключается источник напряжения V2, а вход закорачивается источником V0 с нулевым напряжением, как показано на рис. 12.10. Входной файл:

Output and Transfer Admittances with Dependent Source

V2 2 0 1V

F 2 1 V0 -3

V0 1a 0 1V

R1 1a 1 4

R2 1 0 2

R3 1 2 2

.DC V2 1V 1V 1V

.OPT nopage

.PRINT DC I(R1) I(V2); для определения токов I1 и I2

.END

Рис. 12.10. Схема с короткозамкнутым входом

Проведите анализ и убедитесь, что:

I(R1) = -62,5 мА и I(V2) = -187,5 мА, 

что дает для проводимостей значения

у12 = –62,5 мС и у22 = 187,5 мС.

Обратите внимание, что проводимость у22 положительна, хотя ток I(V2) отрицателен. Рассмотрите схему, чтобы обнаружить причину этого.

Полные сопротивления в режиме холостого хода

Если в качестве независимых переменных выбрать токи четырехполюсника, можно записать следующие уравнения:

V1 = z11I1 + z12I2;

V2 = z21V1 + z22I2;

из которых следует, что

Чтобы показать, как в этом случае используется PSpice, рассмотрим простую П-образную цепь, приведенную на рис. 12.11. Для определения z11 и z12 при разомкнутом выходе (I2=0) на вход схемы подключается источник тока I1=1 А. Входной файл:

Finding Open-Circuit Impedance Parameters z11 and z21

I1 0 1 1A

R1 1 0 42

R2 1 2 21

R3 2 0 10.5

.TF V(2) I1

.END

Рис. 12.11. T-образная схема

Проведя анализ, вы получите следующую запись в выходном файле:

INPUT RESISTANCE AT I1 = 18 Ω[5],

из которой следует, что z11 = 18 Ом. Выходной файл показывает также V(2)=6 В. Так как входной ток в 1 А численно равен передаточному сопротивлению, z21=6 Ом. В выходном файле имеется также запись:

OUTPUT RESISTANCE AT V(2) = 9 Ω[6].

Поскольку входной источник является независимым источником тока, при вычислении выходного сопротивления на PSpice вход схемы считается разомкнутым. Следовательно, z22=9 Ом.

Нам осталось найти последний z-параметр: z12. Так как наш четырехполюсник симметричен, z12=z21=6 Ом. В качестве упражнения проверьте значения z12 и z22, подключив источник тока в 1 А к выходу четырехполюсника при разомкнутом входе.

Z-параметры не отражают физических свойств каких-либо элементов схемы замещения. Однако легко показать, что Т-образная схема на рис. 12.12 содержит компоненты, просто выражаемые через z-параметры, и, таким образом эквивалентна первоначальному четырехполюснику. Для рассмотренного нами примера

za = z11 – z12 =12 Ом;

zb = z22 – z12 = 3 Ом;

zc = z12 = 6 Ом.

Рис. 12.12. Эквивалентная схема для z-параметров

Чтобы представить четырехполюсник в z-параметрах, может использоваться другая схема. Она содержит два источника напряжения, управляемых током (рис. 12.13).

Рис. 12.13. Схема замещения для z-параметров на базе зависимого источника

Z-параметры для цепей переменного тока

Z-параметры для схемы переменного тока, подобной показанной на рис. 12.14, могут быть найдены с использованием PSpice. Мы найдем параметры холостого хода для этой схемы при частоте f=500 Гц. Удобно использовать источник тока в 1 А с нулевым фазовым углом на входе схемы. Входной файл:

Find z parameters for ас circuit

I1 0 1 an 1А

R1 1 3 20

R2 4 2 10

R3 3 0 50

L1 1 4 6366mH

C1 3 2 12.73uF

C2 3 0 3.183uF

.ac lin 1 500Hz 500Hz

.OPT nopage

.PRINT

.ac v(1) vp(1)

.END

Рис. 12.14. Схема на переменном токе

Проведите анализ и убедитесь, что

V(1) = 5,199Е+01; VP(1) = -2,523Е+01; V(2) = -5,600Е+01;

VP(2) = -4,030Е+01,

откуда z11=52∠-25,23° Ом и z21=56∠-40,30° Ом.

Для нахождения других z-параметров подключим источник тока I2 в 1 А к выходу четырехполюсника. Входной файл не показан, так как он подобен предыдущему, но вы должны выполнить анализ и убедиться, что в результате получается

V(1) = 5,600Е+01; VP(1) = -4,030Е+01;

V(2) = 7,325Е+01; VP(2) = -3,463Е+01,

откуда z12=56∠-40,30° Ом и z22=73,25∠-34,63° Ом.

Поскольку используются только линейные элементы, схема симметрична и z12=z21.

Использование z-параметров для расчета схем

Рис. 12.15. Схема с источником и нагрузкой

Типичная схема имеет неидеальный источник с полным внутренним сопротивлением на входе и полное сопротивление нагрузки, подключенное к выходу (рис. 12.15). Можно показать, что

Некоторые из задач, приведенных в конце этой главы, связаны с использованием этого и подобных уравнений.

Параметры ABCD

Еще одну группу параметров, которая широко используется при анализе силовых устройств, образуют параметры ABCD. Они основаны на уравнениях:

V1 = AV2 – BI2;

I1 = CV2 – DI2.

Знак «минус» используется, чтобы согласовать эти уравнения с уравнениями для других параметров четырехполюсников, в которых ток I2 направлен к положительному полюсу четырехполюсника, а не нагрузки, как в последнем случае. Из основных уравнений следует, что

Таким образом, мы видим, что параметры А и С получены в режиме холостого хода на выходе четырехполюсника, а параметры В и D — при коротком замыкании выхода.

Линия передачи энергии часто представляется как последовательность Т-образных секций, подобных приведенной на рис. 12.16, где полное сопротивление последовательно включенной цепочки отображается индуктивностью и сопротивлением, а полное сопротивление параллельно подключенной цепочки — сопротивлением и емкостью. Чтобы найти параметры А и С, необходимо подать на вход напряжение 1 В с частотой 60 Гц при разомкнутом выходе. Входной файл:

Circuit to find A and N parameters

V1 1 0 ас 1V

L1 1 2а 0.24525Н

R1 2а 3 19.35

R3 3 0 4444

С1 3 0 3.06uF

.ас LIN 1 60Hz 60Hz

.ОРТ nopage

.PRINT ас v(3) vp(3) i(R1) ip(R1)

.END

Рис. 12.16. Т-образная секция линии передачи

Элементы R2 и С2 не отражены в этом файле, так как цепь, в которую они включены, разомкнута. При этом напряжение V3 будет равно искомому напряжению V2. Проведите анализ, который должен дать

V(3) = 1,113Е+00; VP(3) = -2,750Е+00;

I(R1) = 1,308Е-03; IP(R1) = 7,621Е+01.

Вычислив теперь отношение A = V1|V2 с помощью калькулятора, получим А=0,8985∠-2,75°. Параметр С определим из отношения I1|V2. Его значение равно 1,175∠-78,95° мС. 

Параметры В и D найдем, подключив на вход источник напряжения в 1 В при короткозамкнутом выходе. Входной файл для такого опыта:

Circuit to find A and D parameters

V1 1 0 ас 1V

L1 1 2a 0.24525H

R1 2a 3 19.35

R2 4 3 19.35

L2 0 4 0.24525H

R3 3 0 4444

C1 3 0 3.06uF

.ac LIN 1 60Hz bOBz

.OPT nopage

.PRINT ac i(R2) ip(R2) i(R1) ip(R1)

.END

Выходной файл дает:

I(R2) = 5,577E-03; IP(R2) = 1.005E+01;

I(R1) = 5,012E-03; IP(R1) = -7,673E+01.

При коротком замыкании можно найти В и D с помощью калькулятора:

В = -V1/I1 = 179,3∠79,5° Ом;

С = -I1/I2 = 0,8987∠-2,77° Ом.

Как мы видим, А и D равны. Это будет происходить во всех схемах без источников питания, содержащих только линейные элементы. Из базовых уравнений можно непосредственно найти входные напряжение и ток, если известны аналогичные параметры на выходе передающей линии. Задачи, приведенные в конце главы, иллюстрируют этот метод.

Когда же известны условия на входе линии передачи, базовые уравнения полезно решить относительно V2 и I2. При этом получим

Можно показать, что

AD – ВС = 1.

Это дает возможность упростить выражения для выходных параметров

V2 = DV1 – BI1;

I2 = CV1 - AI1.

Гибридные параметры

Когда в качестве независимых переменных выбраны входной ток и выходное напряжение, уравнения четырехполюсника записываются в виде:

V1 = h11I1 + h12V2;

I2 = h21I1 + h22V2.

Поскольку в уравнениях используются независимые переменные различного типа (ток и напряжение), соответствующие коэффициенты получили название гибридных параметров. Они уже знакомы нам под именем h-параметров и часто используются, чтобы характеризовать биполярные плоскостные транзисторы (BJT). Хотя такие параметры нетрудно найти для различных цепей постоянного и переменного тока, круг задач, не связанных с биполярными транзисторами, в которых применяются h-параметры очень ограничен. Из базовых уравнений можно получить:

Так как применение h-параметров для анализа биполярных транзисторов подробно описано в главе 3, мы не будем приводить здесь дополнительных примеров. Чтобы установить соответствие использованных ранее индексов с двойными нижними индексами, сравните рис. 12.17 и 3.5.

Рис. 12.17. Схема замещения для h-параметров

Другой набор гибридных параметров

В качестве независимых переменных можно выбрать другой набор разнотипных величин: входное напряжение и выходной ток. Хотя эти параметры по сути являются также гибридными, их так не называют, чтобы не спутать с h-параметрами. Базовые уравнения в этом случае:

I1 = g11V1 + g12I2;

V2 = g21V1 + g22I2.

Коэффициенты в этом случае называются g-параметрами, но символ g не означает, что все они имеют размерность проводимости. В цепях постоянного тока только g11 представляет собой проводимость. Это легко проверить, находя размерности при различных условиях в базовых уравнениях. Общая схема замещения, использующая g-параметры (рис. 12.18), легко может быть получена из этих уравнений. Из них можно также получить:

Рис. 12.18. Схема замещения для g-параметров

Линии передачи

Хотя в PSpice имеется специальное устройство под именем T (для линий передачи), применение его ограничено, поскольку эта модель не учитывает потерь в линии. Мы предпочитаем использовать для линии передачи модель, которая учитывает потери и содержит элементы R, L, G и С.

Длинные линии

Некоторые телефонные линии используют медные кабели диаметром 104 мм, которые состоят из 18 изолированных жил. Измеряемые параметры даны для линии длиной в одну милю: 

R = 10,15 Ом;

L = 3,93 мГн;

G = 0,29 мкс;

С = 0,00797мкФ.

Длина линии 200 миль. Рассмотрим, как уменьшаются ток и напряжение при изменении длины линии, если она нагружена на полное сопротивление, равное ее характеристическому сопротивлению Z0 при угловой частоте со ω=5000 рад/с.

Характеристическое сопротивление определяется как Z0=z|у, где z=R+jωL и у=G+jωС. Коэффициент распространения определяется как γ= =α+jβ. При данной угловой частоте эти величины равны

Z0 = 445 Q – 13,45° Ом = (724,567 – j173,285) Ом,

g = 0,0297 Q – 76,13° = 0,00712 + j0,0288.

Наш подход к решению будет основан на выделении сегмента линии приемлемой длины, представлении этого сегмента сосредоточенными параметрами и использовании его в качестве подсхемы (subcircuit). Поскольку длина линии составляет 200 миль, выберем сегмент длиной 20 миль в качестве подсхемы с Т-образной структурой и сосредоточенными параметрами. Приведенные выше значения для для R, L, G и С на одну милю должны быть умножены на 20, и половина полученных в результате значений для R и L будет использована в качестве параметра для каждой половины Т-образной схемы. Результаты показаны на рис. 12.19 и включены в подсхему. Проверьте элементы, показанные в подсхеме TLINE.

(а)

(b)

Рис. 12.19. Секция длинной телефонной линии

На вход линии подано от источника напряжение в 1 В. Небольшие резисторы датчиков тока включены между сегментами линии. Это позволяет измерить напряжения и токи в этих точках. Линия нагружена на полное сопротивление Z0, емкостная составляющая которого равна -173,285 Ом, что на данной частоте соответствует емкости в 1,154 мкФ. Обозначения узлов представлены на рис. 12.20. Входной файл:

Transmission-Line Representation

V 1 0 AC 1V

R1 1 2 0.01

R2 3 4 0.01

R3 5 6 0.01

R4 7 8 0.01

R5 9 10 0.01

R6 11 12 0.01

R7 13 14 0.01

R8 15 16 0.01

R9 17 18 0.01

R10 19 20 0.01

RL 21 22 724.567

CL 22 0 1.154uF

X1 2 0 3 TLINE

X2 4 0 5 TLINE

X3 6 0 7 TLINE

X4 8 0 9 TLINE

X5 10 0 11 TLINE

X6 12 0 13 TLINE

X7 14 0 15 TLINE

X8 16 0 17 TLINE

X9 18 0 19 TLINE

X10 2 0 0 21 TLINE

.subckt TLINE 1 2 6

R 1 3 101.5

R1 4 5 101.5

L 3 4 3 9.3mH

L1 5 6 3 9.3mH

Rs 4 2 0.172Meg

N 4 2 0.159uF

.ends

.OPT nopage

.AC LIN 1 795.8Hz 795,8Hz

.PRINT AC I(R1) I(R2) I(R3) I(R4) I(R5) I(R6) I(R7) I(R8) I(R9)

+ I(R10) I(RL)

.PRINT AC V (2) V(4) V(6) V(8) V(10) V(12) V(14) V(16) V(18) V(20)

+ V(21)

.PRINT AC VP(2) VP(4) VP(6) VP(8) VP(10) VP(12) VP(14) VP(16) +VP(18) VP(20) VP(21)

.END

Рис. 12.20. Телефонная линия из 10 Т-образных секций, каждая из которых соответствует участку в 20 миль

Проведите анализ и по результатам, полученным из выходного файла, убедитесь, что ток на входе линии равен 1,392 мА, ток на выходе 0,3104 мА, а напряжение на выхода 0,2312 В. Получите график зависимости тока и напряжения от текущей координаты точки в линии передачи. Экспоненциальный спад этих величин будет очевиден.

Вы можете также наблюдать сдвиг фазы, который происходит с увеличением текущей координаты точки. Просто проведите анализ и выведите на печать IP(R1), IP(R2) и т. д. Или распечатайте VP(2), VP(4) и так далее. Убедитесь, что VP(4)=-33,3°. Это соответствует сдвигу фазы сегмента линии длиной 20 миль, что дает 1,665° на милю. Переведя относительный сдвиг фазы в радианы на милю, мы получим величину, близкую к β=0,0288 рад/миля. На рис. 12.21 показан выходной файл, в котором приведены значения токов, напряжений и фазовых углов напряжений.

**** 07/31/99 11:20:46 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

Transmission-Line Representation

V 1 0 AC 1V

R1 1 2 0,01

R2 3 4 0,01

R3 5 6 0.01

R4 1 8 0.01

R5 9 10 0.01

R6 11 12 0.01

R7 13 14 0.01

R8 15 16 0.01

R9 17 18 0.01

R10 19 20 0.01

RL 21 22 724.567

CL 22 С 1.154uF

X1 2 0 3 TLINE

X2 4 0 5 TLINE

X3 6 0 7 TLINE

X4 8 0 9 TLINE

X5 10 0 11 TLINE

X6 12 0 13 TLINE

X7 14 0 15 TLINE

X8 16 0 17 TLINE

X9 18 0 19 TLINE

X10 20 0 21 TLINE

.subckt TLINE 1 2 6

R 1 3 101.5

R1 4 5 101.5

L 3 4 39.3mH

L1 5 6 39.3mH

Rs 4 2 0.172Meg

С 4 2 0.159uF

.ends

.OPT nopage

.AC LIN 1 795.8Hz 795.8Hz

.PRINT AC I (R1) I(R2) I(R3) I(R4) I(R5) I(R6) I(R7) I(R8) I(R9) I(R10) I(RL)

.PRINT AC V(2) V(4) V(6) V(8) V(10) V(12) V(14) V(16) V(18)V(20) V(21)

.PRINT AC VP(2) VP(4) VP(6) VP(8) VP(10) VP(12) V(14) VP(16) VP(18) VP(20) VP(21)

.END

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(R1)     I(R2)     I(R3)     I(R4)     I(R4)

7.956E+02 1.392E-03 1.202E-03 1.0301-03 8.953E-04 7.693E-04

FREQ      I(R6)     I(R7)     I(R8)     I(R9)     I(R10)

7.958E+02 6.608E-04 5.709E-04 4.967Е-04 4.300E-04 3.678E-04

FREQ      I(RL)

7.958E+02 3.104E-04

FREQ      V(2)      V(4)      V(6)      V(8)      V(10)

7.958Е+02 1.000E+00 8.613E-01 7.412E-01 6.390E-01 5.528E-01

FREQ      V(12)     V(14)     V(16)     V(18)     V(20)

7.958E+02 4.784E-01 4.117Е-01 3.518E-01 3.015E-01 2.626E-01

FREQ      V(21)

7.958E+02 7.312E-01

FREQ       VP(2)      VP(4)      VP(6)      VP(8)      VP(10)

7.958E+02 -1.676E-04 -3.330E+01 -6.671E+01 -1.002E+02 -1.337E+02

FREQ       VP(12)    VP(14)    VP(16)    VP(18)    VP(20)

7.953E+02 -1.669Е+02 1.601E+02 1.268E+02 9.283E+01 5.873E+01

FREQ      VP(21)

7.958E+02 2.568E+01

Рис. 12.21. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 12.20

Фильтры с постоянным коэффициентом k

Фильтр с постоянным коэффициентом k[7] (фильтры типа k) в идеале должен быть составлен из чисто реактивных сопротивлений. В самой простой форме он мог бы представлять собой низко- или высокочастотный фильтр. Т-образная секция низкочастотного фильтра показана на рис. 12.22. Параметры элементов, выбранные для этого примера: L=0,04 Гн и С=0,1 мкФ. Такой фильтр обычно нагружен на полное выходное сопротивление, равное характеристическому:

где Z1 = jωL и Z2 = 1/(jωС).

Рис. 12.22. Низкочастотный фильтр с постоянным k

При частоте f=1592 Гц сопротивление Z0T= 600 Ом является чисто активным. На рис. 12.22 источник напряжения с внутренним сопротивлением R=0,01 Ом подключен на вход, значение сопротивления нагрузки RL=600 Ом. В результате анализа на PSpice найдем входные и выходные токи и напряжения. Входной файл:

Constant-k Filter, Pass-Band Frequency of 1592Hz

V 1 0 AC 1V

L 2 3 0.02H

L1 3 4 0.02H

N 3 0 0.1uF

R 1 2 0.01

RL 4 0 600

.AC LIN 1 1592Hz 1592Hz

.OPT nopage

.PRINT AC I(R) V(2) V(3) V(4) VP(2) VP(4)

.END

Проведите анализ и получите распечатку выходного файла. Интерпретируя результаты, вспомним, что при частоте f=1592 Гц, характеристическое сопротивление является чисто активным. Частота находится в полосе пропускания, где сигнал проходит вообще без ослабления (α=0). Это означает, что входной и выходной токи попросту равны. Убедитесь, что входной ток I(R) и выходной I(RL) составляют по 1,667 мА. Сдвиг фазы для фильтра задается выражением

где

Рассчитанное по этой формуле значение для сдвига фазы равно 36,88°, что совпадает с результатом, полученным на PSpice (выходной файл также дает VP(4) = 36,88°).

Фильтр нижних частот имеет частоту среза, равную

что для выбранных параметров элементов дает fc=5033 Гц. Для сравнения на рис. 12.23 приведены результаты вычисления полосы пропускания для фильтра с постоянным k, полученные в программе MathCAD.

Рис. 12.23. Расчет фильтра с постоянным k в программе MathCAD

Поведение фильтров с постоянным коэффициентом в полосе подавления

Продолжим рассмотрение примера для фильтра низких частот. При частоте f=6 кГц, находящейся в полосе подавления, сигнал должен быть передан с некоторым ослаблением. Чтобы согласовать нагрузку фильтра, вычислим значение Z0T при частоте 6 кГц. Оно оказывается равным Z0T=j410,47 Ом, что соответствует индуктивности нагрузки L=10,888 мГн.

Рассмотрим теперь реакцию фильтра при f=6 кГц. Изменим входной файл:

Constant-k Filter, Stop-Band; Frequency 6 kHz

V 1 0 AC 1V

L 2 3 0.02H

L1 3 4 0.02H

N 3 0 0.1uF

R 1 2 0.01

LL 4 0 10.88 8mH

.AC LIN 1 6000HZ 6000Hz

.PRINT AC I(R) I(LL) I(C) V(2) V(3) V(4) VP(2) VP(4)

.OPT nopage

.END

Проведите анализ и получите распечатку выходного файла. Убедитесь, что входной ток I(R)=2,436 мА, а выходной I(RL)=0,7187 мА. Фазовый сдвиг β соответствует в выходном файле VP(4)=–180°. Коэффициент распространения равен

Из наших результатов γ=ln(3,3895∠180°). Значение α находится как десятичный логарифм от модуля γ и равно α=1,22 Нп (непер). Формула для определения α:

где

Полученное расчетное значение α=1,22 Нп соответствует результату, полученному в PSpice. Непер — основная единица ослабления, соответствующая отношению входного тока к выходному в 2,71728. Проведя соответствующие преобразования, можно получить 1 Нп = 8,686 дБ. На рис. 12.24 показан выходной файл для полосы пропускания и полосы подавления. MathCAD вычисления для полосы подавления даны на рис. 12.25.

**** 07/31/99 12:13:52 *********** Evaluation PSpice (Mov 1998) **************

Constant-k Filter, Pass-Band Frequency of 1592 Hz

V 1 0 AC 1V

L 2 3 0.02H

L1 3 4 0.02H

С 3 0 0.1uF

R 1 2 0.01

RL 4 0 600

.AC LIN 1 1592Kz 1592Hz

.OPT nopage

.PRINT AC I(R) I(RL) I(C) V(2) V(3) V(4) VP(2) VP(4)

.END

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(R)      I(RL)     I(C)      V(2)      V(3)

1.592E+03 1.667E-03 1.667E-03 1.054E-03 1.000E+00 1.054E+00

FREQ      V(4)       VP(2)      VP(4)

1.592E+03 1.000E+00 -2.884E-08 -3.688E+01

**** 07/31/99 12:20:00 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

Constant-k Filter, Stop-Band Frequency of 6000 Hz

V 1 0 AC 1V

L 2 3 0.02H

L1 3 4 0.02H

С 3 0 0.1uF

R 1 2 0.01

LL 4 0 10.888mH

.AC LIN 1 6000Hz 6000Hz

.OPT nopage

.PRINT AC I(R) I(LL) I(C) V(2) V(3) V(4) VP(2) VP(4)

.END

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(R)      I(LL)     I(C)      V(2)      V(3)

6.000Е+03 2.436E-03 7.187E-04 3.155E-03 1.000E+00 8.369E-01

FREQ      V(4)      VP(2)      VP(4) 

6.000E+03 2.950E-01 1.396E-03 -1.800E+02

Рис. 12.24. Выходной файл для полосы пропускания и полосы подавления

Рис. 12.25. Вычисления в MathCAD для полосы подавления

Линии передачи без потерь

Фильтр типа k может использоваться также в качестве полезной модели для линии передачи без потерь. На рис. 12.26 показан участок такой линии, включающий L=2 мГн и С=50 нФ. Допустим, что эта модель представляет участок реальной линии, длиной в 1 м. Значения L и С при этом являются удельной индуктивностью линии в мГн/м и удельной емкостью в нФ/м соответственно. Нетрудно определить частоту среза для этой линии равную fc=31,8 кГц. Проведем анализ для частоты f=10 кГц, лежащей в полосе пропускания.

Рис. 12.26. Секция линии передачи без потерь

Чтобы согласовать линию с нагрузкой, необходимо найти Z0T. Убедитесь, что Z0T=189,874∠90° Ом. При использовании метода, описанного в предыдущем разделе, можно найти фазовый сдвиг β для участка линии. Убедитесь, что β=36,62°. Так как вычисления проводились для единичного участка линии, удельный фазовый сдвиг равен 36,620°/м. На рис. 12.27 показан результат вычислений для фильтра с постоянным k, проведенных в программе MathCAD. Входной файл для проверки полученных результатов на PSpice имеет вид:

Transmission Line as Lumped Elements

v 1 0 sin(0 1 10kHz)

L 1 2 1mH

L1 2 3 1mH

С 2 0 50nF

R 3 0 189.874

.tran 1us 100us

.probe

.end

Рис. 12.27. Результаты расчета фильтра с постоянным k в MathCAD

Проведите анализ и получите в Probe графики v(1) и v(3). Распечатайте полученные графики для дальнейшего изучения. Полученное выходное напряжение имеет большую амплитуду, чем входное. Переходя от максимумов напряжения к минимумам, достигаемым при отрицательных значениях, убедитесь, что минимум v(1) достигается в момент 75 мкс, в то время как соответствующий минимум v(3) — в момент 85 мкс. Запишите полученную минимальную величину v(3), которая равна -1,008 В, для будущего использования. Как можно интерпретировать временной интервал в 10 мкс между двумя колебаниями? Длина волны линии передачи λ=360°/β, что для нашего примера дает 360/36,62=9,83 м. Скорость распространения волны для частоты 10 кГц равна υ=fλ=98,3 км/с.

Между временем и расстоянием в линиях передачи существует, конечно, простая связь. В нашем примере мы заключаем, что линия длиной 98,3 км соответствует временной задержке в 1 с. То есть требуется время в 1 с, чтобы волна прошла вдоль этой линии. Длительность в 1 мкс соответствует расстоянию 0,0983 м. Временной интервал в 10 мкс — интервал времени между волнами v(1) и v(3) — эквивалентен 10×0,0983=0,983 м, что близко к длине рассматриваемого участка линии в 1 м.

Рассматривая более внимательно графики v(1) и v(3), мы обнаружим задержку напряжения v(3) в начале синусоидальной волны примерно на 10 мкс. Если вы дорисуете v(3) как синусоидальную волну, вы увидите, что она пересекает ось при 10 мкс. Программа Probe просто использует подходящую кривую, чтобы продлить график, маскируя таким образом эту деталь. Графики v(1) и v(3) показаны на рис. 12.28.

 Рис. 12.28. Входное и выходное напряжения для линии без потерь

Удалите график напряжения и получите график i(R) для участка линии. Убедитесь, что минимум тока составляет -5,3 мА. Величина полного сопротивления нагрузки равна v|i=1,008/0,0053=190,2 Ом (напряжение было получено ранее). Так как ток и напряжение точно совпадают по фазе, 190,2 Ом представляет собой чисто активное сопротивление. Это соответствует значению Z0T=189,874∠0° Ом.

Графики получены для временного интервала в 100 мкс, чтобы получить полный период синусоиды, но длина линии составляет только 1 м, что соответствует, как мы установили, 10 мкс.

Можно получить еще более убедительный график, удалив предыдущую кривую и получив временную зависимость v(3)/i(R). Как вы увидите, она имеет плоский участок. В режиме курсора выясните, что характеристическое сопротивление Z0T=189,9 Ом. Теперь получите на одном графике кривые i(R) и v(3)/190. Что при этом получилось и почему? Графики приведены на рис. 12.29.

Рис. 12.29. Временные диаграммы тока и отношения выходного напряжения к характеристическому сопротивлению

Линии передачи без потерь из нескольких секций

Мы можем расширить анализ линий с постоянным коэффициентом k, моделирующих линии передачи без потерь, включив последовательно любое число участков. Используем, например, пять участков, как показано на рис. 12.30. Включим на вход линии источник с частотой 10 кГц и напряжением 1 В. Между участками включены резистивные датчики для измерения тока и напряжения.

Рис. 12.30. Линия передачи из пяти секций

Входной файл для такой схемы:

Transmission Line with 5 Sections

v 1 0 sin (0 1 10kHz)

R1 2 3 0.001

R2 4 5 0.001

R3 6 7 0.001

R4 8 9 0.001

RL 10 0 189.874

X1 1 0 2 LC

X2 3 0 4 LC

X3 5 0 a LC

X4 7 0 8 LC

X5 9 0 10 LC

.subckt LC 1 2 3

L 1 a 1mH

LI a 3 1mH

N a 2 50nF

.ends

.tran 1us 200us

.probe

.end

Проведите анализ и в Probe получите графики v(1), v(3), v(5), v(7), v(9) и v(10). Каждая волна перемещена относительно соседней на временной интервал, который необходим для прохождения одного участка цепи. Графики приведены на рис. 12.31.

Рис. 12.31. Распространение волны по линии передачи

Чтобы провести измерения оставьте, на экране только графики v(1) и v(10). Определите, в какой точке каждая кривая пересекает ось X, переходя к отрицательным значениям. Убедитесь, что для v(1) это происходит при t=50 мкс, а для v(10) при t=100 мкс. Это означает, что общая задержка линии составляет 50 мкс. Хотя графики построены во временном интервале для 200 мкс, длина линии соответствует только 50 мкс, синусоидальные кривые дают ясное представление о прохождении волны по линии передачи.

Входное сопротивление в различных точках линии

Когда линия передачи согласована с нагрузкой, полное входное сопротивление должно быть равно характеристическому сопротивлению линии, из скольких бы участков она ни состояла. Анализ для переменных составляющих позволит легко получить результаты для амплитуд и фаз напряжений и токов. Продолжим исследования предыдущего примера, включив во входной файл анализ переменных составляющих:

Transmission Line with 5 Sections Modified

v 1 0 sin(0 1 10kHz)

R1 2 3 0.001

R2 4 5 0.001

R3 6 7 0.001

R4 8 9 0.001

RL 10 0 189.874

X1 1 0 2 LC

Х2 3 0 4 LC

Х3 5 0 a LC

Х4 7 0 8 LC

Х5 9 0 10 LC

.subckt LC 1 2 3

L 1 a 1mH

L1 а 3 1mH

N a 2 50nF

.ends

.OPT nopage

.ac lin 1 10kHz 10kHz

.print ac v(10) i(RL) vp(10) ip(RL)

.print ac v(9) i(R4) vp(9) ip(R4)

.print ac v(7) i(R3) vp(7) ip(R3)

.print ac v(5) i(R2) vp(5) ip(R2)

.print ac v(3) i(R1) vp(3) ip(R1)

.end

Проведите анализ и рассмотрите выходной файл. На выходе линии V(10)=1 В и I(RL)=5,267 мА. Угол сдвига между этими двумя синусоидами составляет 176,9. Это дает для полного сопротивления Z=189,86∠0°, что соответствует характеристическому сопротивлению. Полное входное сопротивление для следующего разделе найдем из V(9)=1 В и I(R4)=5,267 мА, VP(9)=–146,5° и IP(R4)=-146,5°. Величины напряжения и тока не отличаются от предыдущих, они по-прежнему находятся в фазе, полное сопротивление снова равно характеристическому сопротивлению. Обратите внимание, что на смежных участках линии значения напряжений и токов остаются прежними, но сдвигаются на угол 36,6°. Выходной файл приведен на рис. 12.32.

**** 08/02/99 11:59:12 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

Transmission Line with 5 Sections Modified

v 1 0 ас 1

R1 2 3 0.001

R2 4 5 0.001

R3 6 7 0.001

R4 8 9 0.001

RL 10 0 189.874

X1 1 0 2 LC

X2 3 0 4 LC

X3 5 0 6 LC

X4 7 0 8 LC

X5 9 0 10 LC

.subckt LC 1 2 3

L 1 a 1mH

L1 a 3 1mH

С a 2 50nF

.ends

.opt nopage

.ac lin 1 10kHz 10kHz

.print ac v(1) i(RL) vp(10) ip(RL)

.print ac v(9) i(R4) vp(9) ip(R4)

.print ac v(7) i(R3) vp(7) ip(R3)

.print ac v(5) i(R2) vp(5) ip(R2)

.print ac v(3) i(R1) vp(3) ip(R1)

.end

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      V(10)     I(RL)     VP(10)    IP(RL)

1.000E+04 1.000E+00 5.267E-03 1.769E+02 1.769E+02

FREQ      V(9)      I(R4)      VP(9)      IP(R4)

1.000E+04 1.000E+00 5.267E-03 -1.465E+02 -1.465E+02

FREQ      V(7)      I(R3)      VP(7)      IP(R3)

1.000E+04 1.000E+00 5.267E-03 -1.099E+02 -1.099E+02

FREQ      V(5)      I(R2)      VP(5)      IP(R2)

1.000E+04 1.000E+00 5.267E-03 -7.324E+01 -7.324E+01

FREQ      V(3)      I(R1)      VP(3)      IP(R1)

1.000E+04 1.000E+00 5.267E-03 -3.662E+01 -3.662E+01

Рис. 12.32. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 12.30

Результаты ясно указывают на плоскую линию (без отражения), в которой не возникают стоячие волны. Это типично для линий, на выходе которых включено сопротивление, равное их характеристическому сопротивлению.

Полосовой фильтр

Рис. 12.33. Полосовой фильтр

Более сложный пассивный фильтр показан на рис. 12.33. И последовательные, и параллельные элементы содержат емкость и индуктивность. Формулы для элементов приведены в книге Ware and Reed, Communication Circuits на с. 166 и показаны здесь для справки:

Полоса пропускания лежит между частотами f'0 и f''0. Фильтр должен быть рассчитан на 600 Ом, чтобы полоса пропускания лежала в диапазоне от 1 до 2 кГц. Входной файл для этого случая:

Band-pass Filter Using Passive Elements

Vs 1 0 ас 1V

C1 1 2 0.1326uF

C2 4 5 0.1326uF

C3 3 0 0.536uF

L1 2 3 95.5mH

L2 3 4 95.5mH

L3 3 0 23.85mH

RL 5 0 600

.ac DEC 50 100Hz 10kHz

.PROBE

.END

Получите в Probe частотную характеристику, приведенную на рис. 12.34. Поскольку ослабление за границами области пропускания очень велико, измените границы по оси Y, установив их от -50 до 10. Отметим, что вблизи центра области пропускания почти не наблюдается снижения кривой и вследствие резонансного характера цепи характеристика резко снижается сразу за границами области пропускания. В качестве упражнения найдите усиление для каждого из максимумов. Убедитесь, что для первого максимума оно составляет 3,62 дБ, а для второго — 3,72 дБ. Найдите также ослабление при f=2,4 кГц.

Рис. 12.34. График Боде для полосового фильтра

Реальные элементы, в особенности катушки индуктивности, обладают некоторым активным сопротивлением. В задачах, приведенных в конце главы, это обстоятельство учитывается.

Заградительный фильтр

Рис. 12.35. Заградительный фильтр

Если в Т-образной секции, исследованной в предыдущем разделе, использовать параллельно соединенные катушку индуктивности и конденсатор (параллельный колебательный контур) в последовательных ветвях и последовательный колебательный контур в параллельной ветви (рис. 12.35), то мы получим заградительный фильтр. При расчете снова используются формулы из Ware and Reed, Communication Circuit для полосы заграждения от 2 до 3 кГц. Уравнения имеют вид:

Полоса подавления лежит между частотами f'0 и f''0. Параметры элементов приведены на рис. 12.35, входной файл:

Band-Elimination Filter Using Passive Elements

Vs 1 0 ас 1V

L1 1 2 15.915mH

L2 2 4 15.915mH

C1 1 2 0.266uF

C2 2 4 0.266uF

L3 2 3 47.7mH

C3 3 0 88.4nF

RL 4 0 600

.ас DEC 50 100Hz 10kHz

.PROBE

.END

В Probe получите график отношения выходного напряжения к входному в децибелах (график Боде). Измените диапазоны по осям Х и Y, как показано на рис. 12.36. Убедитесь, что максимальное ослабление происходит в полосе подавления при f=2,4 кГц, где ослабление достигает 66,23 дБ.

Рис. 12.36. График Боде для заградительного фильтра

Задачи 

12.1. С помощью PSpice найдите y-параметры схемы, показанной на рис. 12.37. В этой и других задачах, спланируйте вашу работу так, чтобы проводить как можно меньше вычислений на бумаге.

Рис. 12.37. 

12.2. На вход четырехполюсника (рис. 12.37) включен источник с внутренним сопротивлением Rs=50 Ом, на выход — резистор нагрузки RL=200 Ом. Используйте y-параметры, найденные в задаче 12.1, чтобы найти функцию передачи V2|VS.

12.3. С помощью PSpice найдите z-параметры схемы, показанной на рис. 12.37.

12.4. Для рис. 12.6 используйте Rs=50 Ом и RL=200 Ом и z-параметры из задачи 12.3, чтобы найти функцию передачи V2|Vs. Сравните результаты с ответом задачи 12.2.

12.5. С помощью PSpice найдите y-параметры схемы, показанной на рис. 12.38. Обратите внимание, что схема содержит источник с зависимым напряжением.

Рис. 12.38

12.6. П-образная схема на рис. 12.39 представляет собой модель линии передачи. С помощью PSpice найдите параметры ABCD при частоте f=60 Гц.

Рис. 12.39

12.7. Когда П-образная схема из задачи 12.6 нагружена на ZL=(20+j20) Ом, выходной ток IL=3,89∠–45° А. Используйте параметры ABCD, чтобы найти напряжение V1 и ток I1 на входе схемы.

12.8. При обсуждении длинных линий использовалась Т-образная схема замещения для определения сосредоточенных параметров линии. Альтернативная П-образная схема замещения показана на рис. 12.40. Воспользуйтесь значениями параметров, приведенных в тексте, создайте подсхему для длинной линии, состоящей из 20 П-образных звеньев. Измените входной файл и проведите анализ. Сравните результаты с полученными при Т-образной схеме замещения.

Рис. 12.40

12.9. Высокочастотный фильтр с постоянным коэффициентом к имеет частоту среза f0=1 кГц и полное сопротивление Z0=600 Ом (чисто активное сопротивление) при бесконечной частоте. Элементы фильтра показаны на рис. 12.41, С=0,1326 мкФ и L=47,7 мГн. Проведите анализ, аналогичный приведенному в тексте при а) f=2 кГц и б) f=500 Гц.

Рис. 12.41

12.10. При обсуждении линии передачи без потерь использовалась Т-образная схема замещения. Альтернативная П-образная схема приведена на рис. 12.42. Чтобы найти характеристическое сопротивление этой схемы, можно использовать уравнение:

Рис. 12.42

Выполните пример, приведенный в тексте, используя П-образную схему замещения для линии передачи без потерь. 

13. Нелинейные приборы

Во многих практических схемах элементы схемы ведут себя как нелинейные. Очевидна нелинейность диодов и транзисторов, которые уже использовались в многочисленных примерах этой книги. Существуют и нелинейные резисторы, например, нить лампы накаливания, нелинейные магнитные элементы типа трансформаторов на ферромагнитных магнитопроводах и им подобных. Можно ли проводить моделирование на PSpice в таких случаях? Как оказывается, это возможно.

Нелинейный резистор

Нелинейный резистор или другой пассивный элемент можно моделировать с помощью зависимых источников. Схема на рис. 13.1 состоит из источника напряжения и двух резисторов: Ri и RL1. Ток через резистор RL1 всегда является функцией приложенного к нему напряжения, но, если вы не считаете, что величина RL1 постоянна, то эта функция не выражается законом Ома v1=RL1i. Если включить RL1 в цепь обратной связи зависимого источника, то вольт-амперная характеристика полученного устройства может принимать различные формы. При использовании полиномиальной формы зависимого источника можно придать вольт-амперной характеристике любую форму, которая может быть выражена с помощью полинома. Вспомним, что выражение для полинома имеет вид

k0 + k1х + k2х2 + k3х3 + …

Рис. 13.1. Моделирование нелинейного резистора

Задав значения коэффициентов k, мы можем получить необходимый вид характеристики. Сделать это не всегда просто, но для некоторых случаев связь устанавливается легко. Схема на рис. 13.1 содержит два типа зависимых источников. Один из них типа Е (ИНУН) позволяет задать выходное напряжение Е с помощью напряжения v2 на резисторе RL1. Другой источник типа F (ИТУТ) позволяет задать выходной ток помощью тока в определенной ветви схемы. Выберем в качестве управляющего ток через резистор R.

Все команды, используемые в этом примере нам уже знакомы, и входной файл будет иметь вид: 

Variable-Resistor Simulator

VI 0 10V

Ri 1 2 5

RL1 2 0 10

E 3 0 POLY(1) 2,0 0 0.5 0.1

V0 CA 3 0V

R CA 0 10

F 0 4 POLY(1) V0 0 -0.5 0.5

RL 4 0 10

.DC V 0 14V 1V

.PROBE

.END

Выполните анализ и получите в Probe графики v(2), v(3a) и v(4). Поскольку резисторы линейны, форма токов через них будет повторять форму приложенных к ним напряжений. Обратите внимание, что только график v(2) линеен, в то время как два других имеют формы, задаваемые соответствующими полиномами. Эти графики приведены на рис. 13.2. Метод полиномиальных источников в равной степени применим и для создания таких нелинейных элементов, как конденсаторы и катушки индуктивности.

Рис. 13.2. Характеристики вход-выход для модели нелинейного резистора

Дроссель со стальным сердечником

В любой электрической цепи, через которую проходит ток, возбуждается также и магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитное поле и прямо пропорциональной току I, является напряженность магнитного поля Н. Эти две величины связаны константой, которая зависит от конфигурации устройства, например для какой-либо катушки провода, от ее размера и формы. Эта связь выражается линейным уравнением Н=kI, хотя зачастую трудно найти точное значение k.

Индукция В связана с напряженностью поля уравнением В=μH. В вакууме магнитная проводимость обозначается как μ0 и равна 4π·10-7 Н/А2.

Когда магнитное поле распространяется в среде, отличной от вакуума, магнитную проводимость μ представляют в виде произведения μ=μ0μr, где μr относительная магнитная проводимость среды. Последняя величина часто не является постоянной и зависит от тока.

После насыщения магнитного материала дальнейшее увеличение Н приводит лишь к незначительному увеличению В. Когда ток начинает уменьшаться, остаточная намагниченность магнитного материала изменяет зависимость В(Н), по которой индукция изменялась при увеличении тока, и в результате получается известная характеристика В(Н) с гистерезисным циклом.

PSpice использует для описания ферромагнитной катушки индуктивности — модели, основанной на теории Джилеса-Атертона (Jiles-Atherton) для магнитных доменов (ссылка в соответствующем разделе приложения E). Полное описание этой модели выходит за рамки данной работы, однако мы можем исследовать кривую В(Н) для различных условий и посмотреть, что происходит с токами и напряжениями в трансформаторах при насыщении.

Кривая В(Н)

Схема на рис. 13.3 содержит ферромагнитную катушку с обмоткой в 20 витков и сопротивлением RL=10 Ом. Обратите внимание, что команда для катушки индуктивности выглядит как

L1 1 0 20

где 20 представляет именно количество витков, а не индуктивность в 20 Гн. Это связано с присутствием во входном файле команды для модели, содержащей ключевое слово core. Если не использовать модель, последний параметр будет означать 20 Гн. Четыре генератора тока используются для создания низкочастотных синусоидальных колебаний с частотой 1 Гц. Первый генератор создает ток с максимальным значением 0,1 А и началом в момент t=0.

Рис. 13.3. Цепь для моделирования процесса в стальном магнитопроводе

Затем при t=1 с подключается следующий источник тока. Он также имеет максимальное значение 0,1 А. Затем подключаются третий и четвертый источники синусоидального тока в начале второй и третьей секунды соответственно. Амплитуда синусоидального тока увеличивается, чтобы показать влияние насыщения. Команда .MODEL использует ключевое слово core и позволяет учесть нелинейные магнитные параметры модели магнитопровода. Входной файл при этом: 

This is the sample magnetic core problem

I0 0 1 sin(0 0.1A 1Hz 0)

I1 0 1 sin(0 0.1A 1Hz 1)

I2 0 1 sin (0 0.2A 1Hz 2)

I3 0 1 sin(0 0.4A 1Hz 3) RL 1 0 10

L1 1 0 20; - число витков =20, а не L = 20 Гн (используется модель)

K1 LI 0.99 KT; коэффициент связи

.model KT Core(MS=420E3 А=26 K=18 С=1.05 AREA=1.17 РАТН=8.49)

.options ITL5=0

.tran 0.1 4

.probe

.end

Выполните анализ в Probe и получите график В(K1) в функции времени. Он показывает нелинейную индукцию в магнитопроводе на временном интервале от 0 до 4 с. Обратите внимание, что на первых периодах нелинейность невелика по сравнению с более поздними периодами. Убедитесь, что значение первого максимума составляет В=1864 Э (эрстед), второй достигается при В=2965 Э, третий — при В=3989 Э, и заключительный — при B=4593 Э. Временная диаграмма приведена на рис. 13.4.

Рис. 13.4. Временная диаграмма магнитной индукции в магнитопроводе

Чтобы получить стандартную петлю гистерезиса В(Н), замените величину, отложенную по оси Х на H(R1). Она представляет собой напряженность магнитного поля в магнитопроводе, пропорциональную току. По оси Y по-прежнему откладывается величина B(Ri). На рис. 13.5 представлен этот график. Четыре петли гистерезиса соответствуют четырем уровням тока. Посмотрите, где на этой кривой появляются максимальные значения, показанные на предыдущем графике. Попробуйте изменить число витков, выполнить анализ снова и сравнить полученные результаты с предыдущими.

Рис. 13.5. Магнитный гистерезис в стальном магнитопроводе

Трансформатор со стальным магнитопроводом

Когда используется трансформатор с магнитопроводом из электротехнической стали, нелинейность характеристики магнитопровода влияет на форму тока вторичной обмотки. Чтобы показать это, рассмотрим схему (рис. 13.6), на которой представлен трансформатор, к первичной обмотке которого подключен источник тока. Параллельно источнику тока подключен резистор R1, поскольку трансформатор нельзя подключать к идеальному источнику тока.

Рис. 13.6. Схема замещения трансформатора со стальным магнитопроводом

Первичная и вторичная обмотки содержат по 150 витков. Входной файл:

Iron-Core Transformer

i 0 1 sin (0 1А 60Hz)

R1 1 0 1k

L1 1 0 150 ; число витков первичной обмотки = 150

L2 2 0 150 ; число витков вторичной обмотки = 150

R2 2 0 1

K1 L1 L2 0.9999 KT

.model KT core ;- используется модель магнитопровода по умолчанию

.options ITL5 = 0

.tran 1ms 16.67ms

.end

Проведите анализ и получите в Probe графики i(R2) и i(L1). Убедитесь в том, что хотя первичный ток имеет форму синусоиды, вторичный ток сильно искажен. Эти графики приведены на рис. 13.7.

Рис. 13.7. Искажения формы тока вторичной обмотки трансформатора при сильном насыщении магнитопровода

Измените значение R2 и/или число витков каждой обмотки и сравните результаты с полученными ранее. Чтобы показать, что получается при меньшей степени насыщения, используйте следующий входной файл:

Iron-Core Transformer with Less Saturation

I 0 1 sin (0 1A 60Hz)

R1 1 0 1k

L1 1 0 10; 10 витков первичной обмотки

L2 2 0 150; 150 витков вторичной обмотки

R2 2 0 1

K1 L1 L2 0.9999 KT

.model KT core

.options ITL5 = 0

.tran 1ms 16.67ms

.probe

.end

Выполните анализ и получите в Probe графики i(R2) и i(L1)/20. Последний график масштабирован, чтобы облегчить сравнение двух кривых. Из рис. 13.8, где представлен результат моделирования, можно видеть, что обе кривые — почти синусоидальны. Однако вторичный ток по-прежнему несколько искажен.

Рис. 13.8. Искажения формы тока вторичной обмотки трансформатора при допустимом насыщении магнитопровода

Вы можете попробовать несколько других сочетаний сопротивления и числа витков, чтобы лучше понять, как работает основная модель. Вы обнаружите, что для некоторых сочетаний процесс моделирования в PSpice не сходится. 

Использование ключа, управляемого напряжением, для моделирования нелинейного резистора

Другой способ получения нелинейного резистора состоит в использовании ключа, управляемого напряжением или током. Такой ключ может размыкаться или замыкаться в зависимости от значения напряжения или тока в другой части схемы. 

На рис. 13.9 представлен ключ, управляемый напряжением, включенный последовательно с источником напряжения V=10 В и резисторами Ri=50 Ом и Rl=50 Ом. Если выбрать напряжение V в качестве управляющего, то ключ может замыкаться при достижении напряжением заданного значения.

Рис. 13.9. Модель нелинейного сопротивления с ключом, управляемым напряжением

Ключ в замкнутом состоянии имеет номинальное значение сопротивления RON=1 Ом, а в разомкнутом состоянии ROFF=1 МОм. Сопротивление в разомкнутом состоянии вводится, чтобы предотвратить появление узла с плавающим потенциалом. Модель вводится с помощью команды, включающей имя vswitch и описание режима переключения. Чтобы определить условия, при которых ключ находится в замкнутом и разомкнутом состояниях, выберите напряжение включения VON=3 В и используйте для напряжения выключения VOFF, значение, заданное по умолчанию VOFF=0. Входной файл:

Voltage-Controlled Switch

v 1 0 10V

Ri 1 2 50

RL 3 0 5 0

S 2 3 1 0 S1; имя ключа, управляемого напряжением, должно начинаться с S

.model SI vswitch(RON=1 ROPF=1E6 VON=3V VOPF=0)

.dc v 0 10V 0.05V

.probe

.end

Проведите анализ и получите график i(Ri). Обратите внимание, что кривая показывает почти нулевое значение тока, пока входное напряжение не приближается к значению 2 В. Затем к моменту, когда входное напряжение достигает VON=3 В, наклон кривой отражает сопротивление контура при замкнутом ключе. В состав этого сопротивления, равного 101 Ом, входит и сопротивление самого ключа. Этот график приведен на рис. 13.10.

Рис. 13.10. ВАХ модели нелинейного резистора, представленной на рис. 13.9

Измените значение VON на 8 В и снова проведите анализ. Вы должны получить график, подобный показанному на рис. 13.11. Наблюдайте изменения в начале вольт-амперной характеристики. Ток начинает повышаться вблизи 4 В. Не забудьте, что наклон кривой обратно пропорционален сопротивлению контура. Обратите внимание, что наклон кривой изменяется плавно; не наблюдается никакого резкого изменения при значении VON. Вы должны учитывать это при использовании такого ключа в схемах. Перед использованием управляемого напряжением ключа в сложной схеме желательно получить ВАХ, подобную приведенной здесь.

Рис. 13.11. ВАХ модели нелинейного резистора при напряжении переключения в 8 В

Использование ключа, управляемого током, для моделирования нелинейного резистора

Как вариант, дуальный ключу, управляемому напряжением, может использоваться ключ, управляемый током. В этом случае включение ключа происходит при определенном значении тока в какой-либо ветви схемы. На рис. 13.12 приведена схема, в которой имеется источник тока, подключенный к двум ветвям, каждая из которых содержит резистор сопротивлением 100 Ом. Правая ветвь содержит, кроме того, ключ W. Пока ключ не замкнут, сопротивление этой ветви очень высоко ROFF=1 МОм. Когда ток в левой ветви достигает установленного значения (тока включения) ION=10 мА, ключ в правой ветви замыкается. Значение ION по умолчанию принимается равным нулю. После достижения током значения в 10 мА, сопротивление правой ветви становится равным 101 Ом, поскольку RON=1 Ом. Ключи, управляемые током, должны иметь имена, начинающиеся с W. В команде .MODEL должна использоваться запись ISWITCH. Входной файл:

Current-Controlled Switch

i 0 1 4 0mA

VO 1 1A 0V

Ri 1A 0 100

RL 2 0 100

W 1 2 V0 W1

.MODEL W1 ISWITCH(ION=10mA RON=1 ROFF=1E6)

.DC i 0 4 0mA 1mA

.PROBE

.END

Рис. 13.12. Модель нелинейного сопротивления с ключом, управляемым током

Выполните анализ и получите график зависимости i(RL) от тока i. Поскольку изменение сопротивления происходит в схеме плавно, график тока через RL не имеет постоянного наклона, пока ток существенно не превышает 15 мА. Для токов в этой ветви, больших чем 15 мА, сопротивление ветви равно 101 Ом. График приведен на рис. 13.13.

Рис. 13.13. Характеристика модели нелинейного сопротивления с ключом, управляемым током

Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

S[имя] <+узел ключа> <-узел ключа> <+узел управления> <-узел управления> <имя модели>

Например, запись

S 2 3 1 0 S1

показывает, что управляемый напряжением ключ s включен между узлами 2 и 3. По умолчанию ключ обычно разомкнут, но когда напряжение управления (между узлами 1 и 0) достигает некоторого значения, ключ замыкается. Команда S требует включения во входной файл директивы .MODEL, чтобы определить сопротивления во включенном и выключенном состояниях и значение управляющего напряжения. В нашем примере модель идентифицируется как S1. Запись идентификации всегда должна начинаться с символа S. Полное описание команды приведено в приложении D.

W[имя] <+узел> <-узел> <имя источника напряжения> <модель>

Например, запись

W 1 2 V0 W1

показывает, что ключ, управляемый током, включен между узлами 1 и 2. По умолчанию ключ обычно разомкнут, но когда ток управления, протекающий через ветвь, содержащую источник нулевого напряжения V0 достигает установленного значения, ключ замыкается. Команда W также требует включения во входной файл директивы .MODEL, чтобы определить сопротивления во включенном и выключенном состояниях и значение управляющего тока. В директиве .MODEL имя модели должно начинаться с символа W. Полное описание команды приведено в приложении D.

Новая директива, начинающаяся с точки

.MODEL <имя> <тип> ([<имя параметра> = <значение>]*)

Например, запись

.MODEL KT core

вводит модель для связанных катушек индуктивности, имя должно начинаться с K. Если команда также содержит слово core, то используется нелинейная модель. Кривая В(Н) для этого нелинейного устройства будет подобна показанной на рис. 13.5.

Задачи

13.1. При обсуждении модели нелинейного резистора мы указали, что нелинейными являются фактически не резисторы, а зависимые источники. Измените схему, показанную на рис. 13.1, чтобы получить такое напряжение V(3), при котором мощность источника V увеличилась бы приблизительно в 1.5 раза.

13.2. Для схемы, показанной на рис. 13.14, L1=25 мГн, С1=C2=50 нФ, Rs=1 Ом, RL=1 кОм и M=1 мГн. Команда ввода для трансформатора имеет форму:

K1 L1 L2 value

где value — значение коэффициента связи. Создайте входной файл, позволяющий получить график напряжения на RL вблизи резонансной частоты. Получите из графика коэффициент связи и сравните его с критическим значением (установите, больше он, меньше или равен критическому значению). Проверьте ваш ответ.

Рис. 13.14

13.3. Каково значение критического коэффициента связи в задаче 13.2? Выполните анализ, чтобы показать, что при критическом значении коэффициента связи обеспечивается максимальная передача мощности в RL.

13.4. В схеме, показанной на рис. 13.15, используется трансформатор с ферромагнитным магнитопроводом (модель по умолчанию). Катушка индуктивности L1 содержит 150 витков, в то время как вторичная катушка имеет 300 витков. Выполните анализ при частоте f=4,5 кГц, чтобы определить напряжение и ток резистора нагрузки.

Рис. 13.15

13.5. Используйте рисунок к задаче 13.4, заменив в нем модель трансформатора двумя катушками индуктивности L1 и L2. Чтобы получить приблизительно те же результаты, что и прежде, задайте L1=5 мГн и L2=10 мГн. Проведите анализ и распечатайте переменные составляющие напряжений V(2) и V(4). Вы должны получить V(2)=0,978 В и V(4)=1,367 В. Выберите другие значения для L1 и L2 чтобы получить результаты, близкие к полученным в задаче 13.4. Выполните анализ несколько раз, использовав выбранные значения.

13.6. Ключ, управляемый напряжением, показан на рис. 13.9. Выберите параметры так, чтобы ключ имел сопротивление 1 кОм в разомкнутом и 1 Ом в замкнутом состояниях. Задайте Ri= 50 Ом и RL=100 Ом. Сначала ключ должен быть замкнут. Он должен разомкнуться, когда входное напряжение v достигнет 5 В. Создайте входной файл, проведите анализ и проверьте ваши результаты по графику, полученному в Probe. 

13.7. Вернувшись к рис. 13.9, используйте значения сопротивлений, приведенные на рисунке. Ключ должен иметь сопротивление в 1 кОм в разомкнутом и 1 Ом в замкнутом состояниях. Сначала ключ должен быть замкнут. Он должен разомкнуться, когда напряжение на Ri достигнет 0,25 В. Создайте входной файл, проведите анализ и проверьте ваши результаты по графику, полученному в Probe. Обратите внимание, что в команде ввода ключа порядок следования узлов должен обеспечить правильный анализ. Выполните анализ, чтобы определить соответствующий порядок этих узлов. Вы можете быть удивлены. По графикам, полученным в Probe, убедитесь, что ток через Ri становится значительным, когда входное напряжение v превышает 0,55 В. 

14. Программа Capture

В предыдущих версиях PSpice от MicroSim Corporation для схемотехнического анализа применялся метод, при котором схема вводилась с чертежной доски или с экрана компьютера. Это давало возможность проектировщику схемы обойтись без создания схемного файла PSpice — программа создавала его автоматически, используя информацию о компонентах и их связях, извлекаемую из рисунка. Программа для создания и анализа схем называлась Schematics.

При разработке OrCAD PSpice исходный вариант программы PSpice не изменялся. Все схемные файлы, используемые в первых тринадцати главах этой книги, будут правильно работать в OrCAD PSpice без всякой доработки. Однако с введением программы OrCAD Capture предыдущая программа Schematics больше не может использоваться. К сожалению, между OrCAD Capture и Schematics имеются существенные различия.

Новая программа Capture не получила пока одобрения в академических кругах, так как передать информацию из предыдущей программы в новую достаточно сложно. Но поскольку демонстрационная версия нового программного обеспечения доступна всем желающим, переход на OrCAD Capture без сомнения будет одобрен.

Одним из основных преимуществ PSpice и Capture является большое разнообразие компонентов, доступных проектировщику. Имеется широкий выбор источников питания, пассивных и активных устройств и ряд специальных компонентов.

Каждый из компонентов, доступных пользователю PSpice, помещен в соответствующую библиотеку. В демонстрационной версии Capture и PSpice имеются такие библиотеки, как analog, breakout, eval, source и special. При выборе компонента в одной из библиотек его условное изображение может быть помещено в рабочую область экрана, повернуто при необходимости относительно своей оси и подсоединено затем к другим частям схемы, пока вся схема не будет выведена на экран. После этого создание схемного файла для схемотехнического моделирования выполняется уже не пользователем, а самой программой Capture.

Последовательные цепи на постоянном токе

Простая схема постоянного тока, состоящая из источника напряжения и трёх резисторов, могла бы быть описана в уже знакомом нам листинге:

Series Circuit with Source and Three Resistors

V1 1 0 2 4V

R1 1 2 50

R2 2 3 100

R3 3 0 80

В PSpice это был бы листинг входного или схемного файла. Ему было бы присвоено имя типа rthree.cir, и было бы проведено моделирование для получения выходного файла. Можно было бы, конечно, снова получить схемный файл и с помощью программных средств создать схему, аналогичную показанной на рис. 1.1. (за исключением того, что здесь изменены параметры элементов). С другой стороны, программа Capture позволяет нам по схеме, построенной на экране, создать схемный файл и выполнить моделирование. Рассмотрим, как это делается.

Создание схем в программе Сapture

Вызовите программу OrCAD Capture, щелкнув мышью на значке, имеющемся на рабочем столе. Выберите из главного меню File, New Project, чтобы создать новый проект, обеспечивающий графическое изображение схемы на экране с последующим анализом ее на PSpice.

После этого появится окно New Project (новый проект), показанное на рис. 14.1. Вы должны присвоить проекту имя, например rthree. Затем выберите Analog или Mixed-Signal Circuit Wizard и наберите c:\spice\, если каталог или папка Spice у вас расположены на этом диске[8].

Рис. 14.1. Начало нового проекта в программе OrCAD Capture

Нажмем OK, чтобы создать схему. Появится окно Analog Mixed-Mode Project Wizard, на нем отображены символы различных библиотек компонентов PSpice, которые могут быть включены в наш проект. Любая библиотека из левого окна станет доступной, если вы выделите ее и выберете Add>>. Для данного проекта необходимо использовать библиотеки source.olb и analog.olb. Добавьте их в группу пиктограмм, расположенных справа на экране, если они там уже не присутствуют, и нажмите Finish.

Теперь на экране появятся два окна (рис. 14.2): меньшее с заголовком проекта Rthree наверху и большее с заголовком / - (SCHEMATIC: PAGE1). Щелкнув в случае необходимости в области последнего заголовка, на экране справа от большего окна вы увидите список символов в палитре инструментов. Если выбрано окно SCHEMATIC, то вы можете подвести курсор мыши к любому из этих символов, чтобы просмотреть назначение каждого из них.

Рис. 14.2. Создание нового проекта в Capture

Выберите Place, Part, а затем SOURCE из списка библиотек. При этом станут доступными источники питания различных типов. Просмотрите список и найдите VDC. После выбора этого компонента снова появляется список символов справа.

Нажмите OK. Окно выбора исчезнет и на экране появится символ для источника постоянного напряжения вместе с курсором. С помощью мыши переместите источник в левую часть схемы, как показано на рис. 14.3, и зафиксируйте его щелчком левой клавиши мыши. Нажмите Esc, чтобы выйти из библиотеки источников постоянного тока (или нажмите правую клавишу и выберите End Mode).

Рис. 14.3. Размещение элемента на рабочем поле

Чтобы разместить на схеме три резистора, повторите процесс, начиная с Place, Part и выбирая теперь библиотеку ANALOG и R из числа доступных компонентов этой библиотеки. В поле предварительного просмотра снова появится символ выбранного компонента. Нажмите OK и поместите в схему резисторы. Сначала в верхнюю часть рабочей области поместим резистор R1 (рис. 14.3). Перед размещением R2 можно повернуть его условное изображение, нажав на правую клавишу мыши и выбрав Rotate. Так как на каждом шаге происходит поворот изображения против часовой стрелки, рекомендуется трижды повернуть R2 перед размещением. При этом левый конец R2 окажется вверху (при одиночном повороте он будет внизу). После размещения R2 выделите и поверните резистор еще раз, возвратив символ в исходное положение, чтобы при размещении следующего резистора R3 метка «R3» находилась выше символа, а номинал сопротивления оказался внизу.

Символ заземления может быть извлечен из палитры инструментов, расположенной на правой стороне экрана (значок помечен надписью GND). После выбора этого символа появится окно Place Ground. Выберите поле 0/SOURCE (обратите внимание на ноль в поле предварительного просмотра!). Поместите символ заземления на схему ниже источника, затем нажмите Esc.

Чтобы завершить изображение контура, выберите Place, Wire и обратите внимание на курсор мыши, который примет вид перекрестия. Каждый компонент в схеме имеет небольшое поле около каждого полюса, которое может быть подсоединено к схеме. Щелкните на верхнем полюсе И, затем переместите мышь к точке левого полюса R1, с которой необходимо осуществить соединение. Щелкните снова.

Действуя аналогичным образом, соедините R1 с верхним концом R1 и нижний конец R1 с правым концом R3, левый конец этого резистора с нижним концом источника V1 и в завершение соедините последний узел с заземлением.

Теперь схема нарисована, но компоненты имеют значения, присваиваемые им по умолчанию. Подведите курсор мыши к источнику напряжения на рисунке. Около исходных символов V1 и OV появится поле. После двойного щелчка на выбранном источнике откроется окно Property Editor. Это окно называют еще электронной таблицей компонента. В нижнем поле "Reference" появляется V1. Если вы хотите обозначить этот источник как-то иначе, введите другое имя. В поле Value появится метка VDC. Она означает, что этот компонент является источником постоянного напряжения и вы не можете его изменить. В поле, расположенном ниже, появляется значение «0V». Измените это значение на «24V», задав необходимое значение исходного напряжения. Не путайте это поле с полем Value. Теперь закройте это окно, и обратите внимание, что на рисунке появится значение 24V.

Подведите мышь к резистору R1, отмечая, что около него появилось поле, затем, после двойного щелчка, вы увидите окно Property Editor. В нижнем поле Value впечатайте «50», установив необходимое сопротивление резистора R1 в Омах. Закройте это окно и обратите внимание, что на рисунке появляется 50. Тем же способом установите значения для R2=100 Ом и R3=80 Ом.

Прежде чем продолжить, сохраните схему, выбирая File, Save. Появится окно OrCAD Capture с сообщением об изменении данных. Нажмите OK.

Анализ схемы

Чтобы выполнить анализ и получить выходной файл, выберем PSpice, New Simulation Profile из главного меню. В окне New Simulation наберите имя rthrees, затем нажмите на кнопку Create. Появляется окно Simulation Settings с меню в верхней части (рис. 14.4). Выберите позицию Analysis в поле Analysis type: выберите Bias Point. Никаких опций выходного файла для этого простого анализа не нужно, просто нажмите OK.

Рис. 14.4. Окно установки опций моделирования

В главном меню выберите PSpice, Run. Анализ должен дать в результате информацию о параметрах смещения. После того как моделирование закончено, появится окно с заголовком SCHEMATIC1-Rthrees-OrCAD PSpice A/D Demo. Из этого окна возможен переход в окно Probe, если оно было предварительно вызвано, но в нашем случае эта опция отсутствует и для исследования выходного файла следует выбрать View, Output File.

Исследование выходного файла

Рассматривая выходной файл, обратите внимание, что он намного объемнее файла, приведенного для подобного примера в главе 1.

Проверьте ошибки в выходном файле, но не распечатывайте его непосредственно из OrCAD PSpice. Вместо этого закройте выходной файл, минимизируйте программу и откройте выходной файл в редакторах Word или WordPad. Вы можете найти этот файл по адресу

с:\spice\rthrees-SCHEMATIC1-Rthrees.out

Эта запись представляет соответствующий путь. В редакторе Word отредактируйте файл, как это показано на рис. 14.5.

**** 09/20/39 20:08:43 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Rthrees

**** CIRCUIT DESCRIPTION

** WARNING: DO NOT EDIT OR DELETE THIS FILE

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives: .PROBE

*Netlist File:

.INC "rthree-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING rthree-SCHEMATIC1.net ****

* source RTHREE

R_R3 0      N00032 80

R_R2 N00025 N00032 100

R_R1 N00018 N00025 50

V_V1 N00018 0      24V

**** RESUMING rthree-SCHEMATIC1-Rthrees.sim.cir ****

.INC "rthree-SCHEMATIC.als"

**** INCLUDING rthree-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

R_R3 R3(1=0 2=NG0032 )

R_R2 R2(1=N00025 2=N00032 )

R_R1 R1(1=N00018 2=N00025 )

V_V1 V1(+=N00018 -=0)

.ENDALIASES

**** RESUMING rthree-SCHEMATIC1-Rthrees.sim.cir ****

.END

**** SHALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

NODE     VOLTAGE NODE     VOLTAGE  NODE    VOLTAGE NODE VOLTAGE

(N00018) 24.0000 (N00025) 18.7830 (N00032) 8.3478

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME  CURRENT

V_V1 -1.043E-01

TOTAL POWER DISSIPATION 2.50Е+00 WATTS

Рис. 14.5. Выходной файл для последовательной схемы с тремя резисторами

Печать результатов

После обработки результатов в соответствующем редакторе распечатайте файл для будущих исследований. Шрифт должен быть Courier New в формате Portrait. Программа OrCAD позволяет вам получить также и распечатку схемы. Мы возвратимся к этой теме после исследования выходного файла. Рассмотрим некоторые новые свойства выходного файла.

В нем имеется команда, предупреждающая о редактировании или удалении файла. Вы не должны пытаться сохранить отредактированную версию в Word или WordPad; достаточно просто закрыть файл без сохранения изменений. Кроме того, вы увидите в разделе ссылок на библиотеки директиву

.lib nom.lib,

которая обращается к типовой стандартной библиотеке компонентов. Эта библиотека будет автоматически включена в анализ. Включена также директива вызова программы Probe, хотя она и не используется в данном анализе. Эта запись также включается автоматически. Имеется также директива, вводящая файл netlist. Она будет важна при внесении изменений в схему. Приведем краткое пояснение. Под заголовком «*Alias File:» вы видите такие входы, как

R R3 0 N00032 80

Эта запись относится к резистору R3, который включен между узлами 0 и N00032 и имеет сопротивление 80 Ом. Назначение нулевого, или опорного, узла было определено, когда вы поместили в схему компонент GND (земля). Номер другого узла (N00032) был назначен программой. Пользователю было бы удобнее, если бы узлы были отмечены цифрами 1, 2, 3…, но в программе предусмотрены иные номера.

Затем приводится список псевдонимов, который показывает более детально каждый из компонентов. Например:

R_R3 R3(1=0 2=N0032)

В этой записи повторяются ссылки на узлы 0 и N00032, но, кроме того, сообщается, что конец 1 резистора R3 подключается к узлу 0, а конец 2 этого резистора — к узлу N00032. Подобная информации показана и для каждого из других компонентов схемы. Обратите внимание, что источник напряжения показан как 

V_V1 V1 (+=1 -=0)

Положительный полюс источника (+) подключен к узлу 1, а отрицательный полюс — к узлу 0. На рис. 14.6 прямым шрифтом показаны номера узлов (без первых символов N000…), а курсивом выделены номера соответствующих зажимов для компонентов.

Рис. 14.6. Схема с разметкой узлов

В конце выходного файла приведены параметры смещения для малого сигнала в знакомом нам формате. Очевидно, вывод напряжений и токов в этой схеме намного более подробный, чем непосредственно в PSpice, отличается и схемный файл. Иногда желательно получить рисунок схемы с помощью OrCAD Capture и продолжить решение на PSpice, но во многих случаях лучше просто использовать PSpice. 

Система сложных меток типа N00032, применяемая программой OrCAD Capture для узлов, является несколько запутанной и совершенно излишней для пользователя. Чтобы рассмотреть это, возвратимся к схеме постоянного тока с тремя резисторами и добавим метки к каждому из узлов. В соответствии с файлом Rthree мы создадим три помеченных узла на рисунке следующим образом.

В главном меню выберите Place, Net Alias. Появится окно Place Net Alias с полем для вставки меток узлов. Впечатайте «1»для первой метки узла (это схемный псевдоним) и нажмите OK. Около курсора появится маленькое прямоугольное поле. Поместите его слева от R1, щелкнув мышью на этой отметке. Повторите процесс, чтобы поместить метку 2 справа от R1. В заключение, поместите метку 3 справа от R3. Теперь схема должна быть такой, как на рис. 14.7.

Рис. 14.7. Схема с псевдонимами узлов

Выполните моделирование и сравните ваши результаты с представленными на рис. 14.8. Обратите внимание, что неуклюжая длинная маркировка узлов была заменена привычными обозначениями: 0, 1, 2 и 3. Псевдонимы теперь проще идентифицировать и легче разместить на схеме.

**** 09/20/99 20:15:21 *********** Evaluation PSpice(Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Rthrees

**** CIRCUIT DESCRIPTION

** WARNING: DO NOT EDIT OR DELETE THIS FILE

*Libraries:

* Local Libraries :

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

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.PROBE

*Netlist File:

.INC "rthree-SCHEMATIС1.net"

* Alias File:

**** INCLUDING rthree-SCHEMATIC1.net ****

* source RTHREE

R_R3 0 3 80

R_R2 2 3 100

R_R1 1 2 50

V_V1 1 0 24V

**** RESUMING rthree-SCHEMATIC1-Rthrees.sim.cir ****

.INC "rthree-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING rthree-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

R_R3 R3(1=0 2=3 )

R_R2 R2(1=2 2=3 )

R_R1 R1(1=1 2=2 )

V_V1 V1(+=1 -=0 )

.ENDALIASES

**** RESUMING rthree-SCHEMATIC1-Rthrees.sim.cir ****

.END

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 24.0000 ( 2) 16.7830 ( 3) 8.3478

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME  CURRENT

V_V1 -1.043E-01

TOTAL POWER DISSIPATION 2.50E+00 WATTS

Рис. 14.8. Выходной файл для схемы с тремя резисторами и псевдонимами

Теперь мы готовы установить параметры для печати копии схемы в том виде, в каком она появляется на экране OrCAD. Выделим схему и выберем File, Print из главного меню. При этом на печать выводится рабочий чертеж с рамкой и блоком заголовка, как это показано на рис. 14.9. Схема занимает только малую часть полной страницы — так будет для большинства схем, используемых в примерах этой книги.

Рис. 14.9. Рабочая область с рамкой и штампом

В предыдущих выпусках PSpice можно было выбрать только печать рисунка, обведя его мышью и распечатав затем только выбранную область. В последней версии OrCAD Capture так сделать нельзя, можно только распечатать копию части экрана с помощью функции Screen Shot. Она позволяет выбрать прямоугольную область, которая включает только нужный рисунок, и затем распечатать ее. Этот метод использовался, чтобы получить многие рисунки из этой книги. Обратите внимание, что в Capture вы можете использовать функции View, Zoom, чтобы увеличить рисунок перед печатью.

Изображение Т-образной цепи

Создайте схему, показанную на рис. 14.10 в Capture. Эта схема может быть выведена на печать с помощью методов, описанных в предыдущем разделе. Единственные необходимые компоненты VDC, R и 0/SOURCE (для земли). Чтобы создать рисунок в OrCAD Capture, выберите File, New Project и введите имя проекта для Т-образной схемы. Как и в первом примере, мы выберем Analog или Mixed-Signal Circuit Wizard и адрес папки

С:\spice\

Рис. 14.10. Т-образная схема для Capture

После того как компоненты размещены, а их значения (отличные от значений по умолчанию) заданы, желательно пронумеровать узлы так же, как мы сделали бы в схемном файле PSpice. Вспомним, что для этого следует выбрать Place, Net Alias из главного меню. Номера узлов 1, 2 и 3 расставлены по часовой стрелке и начинаются для удобства в общей точке между V1 и R1.

Запуск моделирования

Чтобы провести моделирование схемы, выберите PSpice, New Simulation Profile и используйте имя tees. Затем нажмите кнопку Create. Для Analysis type: выберите опцию Bias point и затем OK. Не выходя из OrCAD Capture, просмотрите выходной файл и проверьте ошибки. Если вы удовлетворены результатами, закройте выходной файл и используйте Word или WordPad для его редактирования и получения распечатки. Она должна быть похожа на приведенную на рис. 14.11. 

**** 09/23/99 12:25:50 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Tees

**** CIRCUIT DESCRIPTION

*Libraries:

* Local Libraries :

* From (PSPICE NETLIST) section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.PROBE

*Netlist File:

.INC "tee-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING tee-SCHEMATIC1.net *****

* source TEE

R_R4 3 0 150

R_R3 2 0 200

R_R2 2 3 50

R_R1 1 2 100

V_V1 1 0 50V

**** RESUMING tee-SCHEMATIC1-Tees.sim.cir ****

.INC "tee-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING tee-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

R_R4 R4(1=3 2=0 )

R_R3 R3(1=2 2=0 )

R_R2 R2(1=2 2=3 )

R_R1 R1(1=1 2=2 )

V_V1 V1(+=1 -=0 )

_    _(1=1)

_    _(2=2)

_    _(3=3)

.ENDALIASES

**** RESUMING tee-SCHEMATIC1-Tees.sim.cir ****

.END

** circuit file for profile: Tees

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 50.0000 ( 2) 25.0000 ( 3) 18.7500

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME  CURRENT

V_V1 -2.500E-01

TOTAL POWER DISSIPATION 1.25E+01 WATTS

Рис. 14.11. Выходной файл для Т-образной схемы

Зависимые источники в схемах

Схемы с зависимыми источниками в OrCAD Capture сложнее, чем просто в PSpice. Если в PSpice зависимые источники изображаются двухполюсниками, а управляющие величины отражаются просто в записях команды ввода, то в OrCAD Capture они изображаются четырехполюсниками, поскольку в схеме должны быть отображены и полюса управления.

Источник напряжения, управляемый напряжением

Источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН — VDVS) был представлен в главе 1 (рис. 1.21). Вспомним, что для источников этого типа используется символ Е. В этом примере строка, описывающая Е, выглядит как

Е 3 0 2 0 2

Первые два числа (3 0) указывают, что зависимый источник включен между узлами 3 (+) и 0 (-). Следующая пара чисел (2 0) относится к двум узлам, на которых формируется управляющее напряжение. Таким образом, значение Е является функцией напряжения Va между узлами 2 и 0. Последнее число в строке, описывающей Е (также равное 2), представляет собой масштабный множитель, увеличивающий значение V2,0 до двух Е. Преобразуем эту информацию PSpice в данные для OrCAD. К сожалению, обычный символ для зависимого источника не применяется для этой цели в OrCAD. Символом будет квадратное поле с двумя полюсами слева и двумя полюсами справа.

Выберем в OrCAD команды File, New Project, чтобы нарисовать схему. Введите имя Vcontrol, убедитесь, что выбран маркер Analog и что адрес папки c:\spice\. Начните создание схемы, показанной на рис. 14.12, с выведения на рабочее поле резисторов R1=250 Ом и R2=1 кОм. Затем поместите Е, потом R3=40 Ом и RL=100 Ом. (Эти значения такие же, как на рис. 1.21). Круг в прямоугольном поле представляет два полюса Е как в PSpice, а выводы с символами «плюс» и «минус» в поле слева должны быть подключены к узлам управляющего напряжения, которое в данном случае снимается с резистора R2. Подключите остальную часть схемы, затем дважды щелкните на поле Е. Наберите коэффициент усиления «2» и введите на дисплее имя и значение. После того как вы введете значения для всех компонентов, ваша схема должна такой, как на рис. 1.21. Сохраните рисунок перед продолжением анализа.

Рис. 14.12. Источник напряжения, управляемый напряжением

В главном меню выберите PSpice, New Simulation Profile, используйте имя Vcontrol1. На вкладке Analysis окна Simulation Settings установите тип анализа Bias Point и опциях Output File Option: выберите «Include detailed bias point information for nonlinear controlled sources and semiconductors (.OP)». Эта опция вводит директиву .OP в анализ (рис. 14.13). Теперь выполните моделирование, выбрав PSpice, Run из главного меню.

Рис. 14.13. Установки моделирования для Vcontrl1

Проверьте выходной файл на наличие ошибок, затем закройте его и используйте текстовый редактор для распечатки результатов. Выходной файл показан на рис. 14.14. Сравните с ним ваши результаты. Напряжения узлов легко проверить с помощью ручного расчета. Отметим, что без включения команды .ОР информация, выведенная под заголовком VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCE (источники напряжения, управляемые напряжением), не была бы отображена.

**** 09/23/99 21:16:56 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Vcontrl1

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.OP

.PROBE

*Netlist File:

.INC "vcontrol-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING vcontrol-SCHEMATIC1.net ****

* source VCONTROL

E_E1 3 0 2 0 2

R_R4 4 0 100

R_R3 3 4 40

R_R2 2 0 1k

R_R1 1 2 250

V_V1 1 0 10V

**** RESUMING vcontrol-SCHEMATIC1-Vcontrl1.sim.cir ****

.INC "vcontrol-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING vcontrol-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

E_E1 E1(3=3 4=0 1=2 2=0 )

R_R4 R4(1=4 2=0 )

R_R3 R3(1=3 2=4 )

R_R2 R2(1=2 2=0 )

R_R1 R1(1=1 2=2 )

V_V1 V1(+=1 -=0 )

_    _(1=1)

_    _(2=2)

_    _(3=3)

_    _(4=4)

.ENDALIASES

**** RESUMING vcontrol-SCHEMATIC1-Vcontrl1.sim.cir ****

.END

file for profile: Vcontrl1

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 10.0000 ( 2) 8.0000  ( 3) 16.0000 ( 4) 11.4290

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V_V1 -8.000E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 8.00E-02 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME     E_E1

V-SOURCE 1.600E+01

I-SOURCE -1.143Е-01

Рис. 14.14. Выходной файл с результатами анализа источника ИНУН

Сравним директиву из netlist

Е_Е1 3 0 2 0 2

с директивой, описываемой псевдонимами (ALIASES):

E_E1 E1(3=3 4=0 1=2 2=0)

Последняя команда задает номера четырех полюсов (первые номера каждой пары, то есть 3, 4, 1 и 2). Очевидно, что полюсы 3 и 4 находятся справа, а полюсы 1 и 2 слева на условном обозначении Capture для Е. Так как мы нумеровали узлы Е слева как 2, 0 и справа как 3, 0 (используя команды Place, Alias), команда псевдонимов задает соответствие. Если вы разберетесь в этой системе соответствий, то расположение и маркировка различных выводов не вызовут у вас никаких сомнений.

Почему необходимо использовать четырехполюсник, чтобы представить зависимый источник? Стандартное условное обозначение (ромб), имеющее только два полюса, не годится для Capture, поскольку в этой программе все связи должны быть отображены графически. Поэтому условное обозначение для Capture должно, кроме выходных полюсов зависимого источника Е, содержать входные полюса, используемые для управления.

Источник тока, управляемый током

Схема смещения для транзисторов (рис. 3.2) представляет собой пример практического использования источника тока управляемого током (ИТУТ — CCCS). 

Используйте команды File, New Project, выберите имя Icontrol и задайте в проекте аналоговое моделирование. Разместим компоненты на схеме в следующем порядке: R1=40 кОм, R2=5 кОм, RC=1 кОм, RE=100 Ом, F (коэффициент усиления будет установлен позже), VA=0,7 В (параметр, представляющий собой значение VBE в активной области) и VCC=12 В. Параметры взяты из первого примера главы 3. Узлы пронумерованы с помощью команд Place, Netlist, как показано на рис. 14.15. Эта схема содержит, кроме опорного узла GND, еще пять узлов, в то время как на схеме на рис. 3.2 имеется только четыре узла. Для моделирования используйте PSpice, New Simulation Profile с именем Icontrol, запросив опцию .OP так же, как и в предыдущем примере.

Рис. 14.15. Схема для получения рабочей точки источника тока, управляемого током

Сравните схему на рис. 3.2, которая используется для создания входного файла PSpice, со схемой на рис. 14.15, используемой в Capture. Поскольку выходной ток F зависит от тока в какой-либо ветви схемы, входные полюсы F должны быть включены в контур, через который проходит управляющий ток. В нашем случае ток через VA проходит и через полюсы 1 и 2 четырехполюсника ИТУТ. Выходные полюсы включены в цепь коллекторного тока.

Задайте параметры компонентов, затем дважды щелкните на поле F1. Задайте коэффициент усиления равным 80 и убедитесь, что на дисплее рядом с обозначением ИТУТ появилась надпись GAIN=80. После нумерации узлов согласно рисунку (с помощью Place, Netlist) сохраните окончательную версию рисунка, затем для моделирования выберите PSpice, New Simulation Profile. Выберите имя Icontrl1 и включите опцию .OP. 

Проведите моделирование и сравните ваши результаты с показанными на рис. 14.16. В выходном файле напряжения узлов такие же, как и в главе 3. Номера узлов не такие, как в примере главы 3, поскольку в Capture необходимо обозначить еще один узел. Решение для цепи смещения, использующее .ОР, выводит все токи источника. Ток VF_F1 представляет собой ток базы, равный 50,47 мкА, как и ток V_VA. Ток источника F равен коллекторному току, который проходит через резистор RC, и составляет 4,039 мА.

**** 09/24/99 15:01:11 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) *********

** circuit file for profile: Icontrl1

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.OP

.PROBE

*Netlist File:

.INC "icontrol-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING icontrol-SCHEMATIC1.net ****

* source ICONTROL

F_F1  3 5 VF_F1 80

VF_F1 2 5 0V

V_VCC 4 0 12V

V_VA  1 2 0.7V

R_RE  5 0 100

R_RC  4 3 1k

R_R2  1 0 5k

R_R1  4 1 40k

**** RESUMING icontrol-SCHEMATIC1-Icontrl1.sim.cir ****

.INC "icontrol-SCHEMATIС1.als"

**** INCLUDING icontrol-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

F_F1  F1(3=3 4=5 )

VF_F1 F1(1=2 2=5 )

V_VCC VCC(+=4 -=0 )

V_VA  VA(+=1 -=2 )

R_RE  RE(1=5 2=0 )

R_RC  RC(1=4 2=3 )

R_R2  R2(1=1 2=0 )

R_R1  R1(1=4 2=1 )

_     _(1=1)

_     _(2=2)

_     _(3=3)

_     _(4=4)

_     _(5=5)

.ENDALIASES

**** RESUMING icontrol-SCHEMATIC1-Icontrl1.sim.cir ****

.END

** circuit file for profile: Icontrl1

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 1.1089  ( 2) .4069   ( 3) 7.9610  ( 4) 12.0000

( 5) .4089

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME   CURRENT

VF_F1  5.049E-05

V_VCC -4.311E-03

V_VA   5.049E-05

TOTAL POWER DISSIPATION 5.17E-02 WATTS

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME     F_F1

I-SOURCE 4.039E-03

Рис. 14.16. Выходной файл с результатами анализа ИТУТ

Цепи переменного тока

Чтобы анализировать цепи переменного тока, которые мы рассматривали в главе 2 (синусоидальный ток в установившемся режиме), нам необходим источник питания VAC из библиотеки источников и компоненты R, L и С из библиотеки аналоговых компонентов. Вернемся к схеме на рис. 2.1, на которой показан источник переменного напряжения с подключенной к нему цепочкой из последовательно соединенных резистора и катушки индуктивности. Создайте новый проект в Capture с именем ас1. Разместите компоненты на рабочем поле, задайте их параметры, дважды щелкнув мышью на каждом из них. Для нумерации узлов используйте команды Place, Netlist. Окончательный вид схемы представлен на рис. 14.17.

Рис. 14.17. Схема на переменном токе

Проведение анализа с вариацией на переменном токе 

Начните моделирование, выбрав PSpice, New Simulation Profile. Введите имя ac1s. Выберите тип анализа AC Sweep/Noise при линейной вариации частоты от 60 до 60 Гц (рис. 14.18). Затем нажмите OK. Вспомним, что в главе 2 значения переменного тока определялись следующими командами:

.AC LIN 1 60 60Hz 60Hz

.PRINT AC I(R) IR(R) II(R) IP(R)

Рис. 14.18. Моделирование с линейной вариацией по переменному току

Линейная вариация при одной частоте в 60 Гц представляет собой вырожденный случай, но она требуется, чтобы просто получить значения переменных составляющих токов и напряжений. В Capture результаты для переменных составляющих получаются аналогичным способом, но с помощью приведенных выше директив.

Выберем теперь PSpice, Run чтобы начать моделирование. После выполнения анализа на экране появляется график. Подобный вид экрана мы уже получали, когда пользовались командой .PROBE в схемном файле PSpice. Программа Capture вставляет эту команду в схемный файл всякий раз, когда мы используем вариацию по переменному току. Чтобы получить различные выходные переменные, выберите Trace, Add Trace… из главного меню. Появится окно Add Trace (рис. 14.19). Обратите внимание, что имеется выбор из большого числа переменных. Такие величины, как I(R1), V(1) и V(2), нам знакомы, но другие требуют некоторых пояснений. Выходной файл для этого моделирования будет полезен, чтобы идентифицировать все узлы и полюса (рис. 14.20). Переменная V(L1:1) — это напряжение на полюсе 1 катушки L1, который идентифицирован как узел 2 (на рис. 14.20) в команде псевдонимов

L_L1 L1(1=2 2=0)

Рис. 14.19. Добавление новых кривых к графикам в Capture

09/24/99 20:05:26 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: ads

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.AC LIN 1 60Hz 60Hz

.PROBE

*Netlist File:

.INC "acl-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING acl-SCHEMATIC1.net ****

* source AC1

L_L1 2 0 5.3mH

R_R1 1 2 1.5

V_V1 1 0 DC 0V AC 1V

**** RESUMING acl-schematic1-acls.sim.cir ****

.INC "acl-SCHEMATIС1.als"

**** INCLUDING acl-SCHEMATIC1.als **** .ALIASES

L_L1 L1(1=2 2=0 )

R_R1 R1(1=1 2=2 )

V_V1 V1(+=1 -=0 )

_    _(1=1)

_    _(2=2)

.ENDALIASES

**** RESUMING acl-schematic1-acls.sim.cir ****

.END

** circuit file for profile: acls

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000 ( 2) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V_V1 0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 0.00E+00 WATTS

Рис. 14.20. Выходной файл для идентификации всех узлов и полюсов

Номера в круглых скобках сообщают нам, что полюс 1 подключен к узлу 2, а полюс 2 - к узлу 0. Не забудьте, что направление полюсов зависит от того, сколько раз вращался компонент при создании рисунка.

Переменная V(R1:2) — это напряжение на полюсе 2 резистора R1, который идентифицирован как узел 2 в директиве псевдонима

R_R1 R1(1=1 2=2)

В последнем примере этой записи напряжение V(V1:+) — напряжение «+» на полюсе V1, который идентифицирован как узел 1 в директиве псевдонима

V1 (+=1 -=0)

Рассмотрим теперь некоторые из доступных переменных. В окне Add Trace выберем V(1) и V(2) и отобразим эти кривые. Они появляются в виде маленьких перевернутых «Т» на графиках, из которых видно, что V(1)=1,0 В и V(2)=0,8 В. Удалите эти графики и получите графики I(R1), IR(R1) и II(R1). Они имеют следующие значения: I(R1)=400 мА, IR(R1)=240 мА и II(R1)=-320 мА. Точные значения можно было бы найти, выбрав Trace, Cursor, Display, но мы получим сообщение: «нет никаких графиков для исследования». 

В этом случае выходной файл нужен в основном для идентификации узлов и полюсов схемы, так как напряжения смещения не имеют никакого значения при анализе переменных составляющих, а вставить директиву .PRINT АС, как в Pspice, нельзя.

Нахождение более точных значений

Чтобы получить более точные значения, используем дисплей курсора следующим образом. Закройте окно Probe и возвратитесь к позиции PSpice из главного меню. Выберите Edit Simulation Settings и выполните моделирование от 50 до 70 Гц для трех частот. Когда моделирование будет выполнено и в Probe, после получения графиков I(R1), IR(R1) и II(R1) может быть активизирован курсор, чтобы получить точные значения при f=60 Гц. Графики для этого случая приведены на рис. 14.21.

Рис. 14.21. Вариация частоты вблизи 60 Гц 

Порядок следования узлов

В качестве дополнительного упражнения удалите графики с экрана Probe и получите график V(L1:1)=0,8 В, VR(L1:1)=0,64 В и VI(L1:1)=0,48 В при f=60 Гц. Теперь удалите эти графики и получите график VP(L1:1)=36,9. На рисунке, созданном в Capture, катушка индуктивности была три раза повернута из начальной горизонтальной позиции. Вспомните, что при каждом вращении происходит поворот на 90 против часовой стрелки. Так как полюс 1 был первоначально слева, то после трех поворотов полюс 1 находится сверху. Таким образом, полюс L1:1 соответствует узлу 2 в схеме. Когда мы имеем дело с узлами в любой электрической схеме, необходимо учитывать порядок их следования.

Таким образом, напряжение на катушке индуктивности может быть установлено как 0,8 В, но директива не завершена, если направление не показано также на сопровождающей схеме цепи и/или записью с двойным нижним индексом. В нашим примере запись V(L)1,2=0,8 В правильно указала бы, что полюс 1 катушки индуктивности смещен на 0,8 В относительно полюса 2. При использовании для ссылки узлов вместо полюсов напряжение на катушке индуктивности было бы обозначено как V(L)2,0=0,8 В.

Получение синусоидальных временных диаграмм при анализе на переменном токе

При изучении схем переменного тока обычно используется векторное представление, при котором напряжение источника можно было бы записать как VS=1∠0° В. Это означает, что источник синусоидальный с действующим значением 1 В и начальным фазовым углом в 0°. Это напряжение имеет вид синусоиды с максимальным значением 1√2=1.414 В. Прежде чем мы начнем рассматривать синусоидальные временные диаграммы напряжение и токов в Probe, отметим, что удобнее заменить действующее значение максимальным. Таким образом, наша запись VS=1∠0° В будет означать напряжение с максимальным значением 1 В, поскольку с такой формой удобнее работать. Только не забудьте, что значение, которое вы считаете максимальным, — на самом деле действующее. Если вы считаете это неудобным, то можете при анализе преобразовывать действующие значения в максимальные, воспользовавшись калькулятором. Если иное не оговаривается, то наши значения будут заданы как действующие, а использоваться, как максимальные.

В Capture начните новый проект с именем ac1sine для источника переменного напряжения, включенного последовательно с резистором и катушкой индуктивности, как и в предыдущем примере. На сей раз вместо VAC источник будет показан как VSIN. Компоненты имеют одинаковое графическое обозначение, но различные надписи. Завершите рисунок, выведя на рабочее поле VSIN, R, L и GND). Задайте значения R1=1,5 Ом и L1=5,3 мГн. Трижды поверните L1 так, чтобы первый полюс оказался вверху. Это даст соответствующие углы для напряжения и тока катушки индуктивности, как объяснено в предыдущем примере. Дважды щелкните на компоненте V1 и в окне Property Editor установите VAMPL=«1 V», FREQ=«60Hz» и VOFF=«0». Вспомним из предыдущего параграфа, что амплитуда напряжения в 1 В — фактически максимальное значение, но для простоты мы будет считать его действующим. Это означает, что значения всех напряжений и токов также будут считаться действующими.

Задав значения и номера узлов для остальных компонентов, сохраните схему и выберите PSpice, New Simulation Profile, задав имя ac1sines. Для Analysis type выберите «Time Domain (Transient)» со временем выполнения 30 мс и максимальным размером шага 0,0167 мс, как показано на рис. 14.22. Выполните моделирование и в Probe получите графики V(V1:+) и V(L1:1), чтобы установить их амплитуды и фазовые углы. Они должны получиться такими, как на рис. 14.23. Как явствует из рисунка, временные диаграммы напряжений начинаются в одной точке, но поскольку напряжение V(L1:1) изменяется в переходном процессе (и не задано начальное значение IС), рассмотрим процесс вблизи третьего пересечения оси напряжением катушки индуктивности (при t=23,28 мс).

Рис. 14.22. Установки для моделирования во временной области 

Рис. 14.23. Фазовые соотношения в RL-цепи

Напряжение источника питания пересекает ось вблизи t=25 мс, опережая напряжение на катушке индуктивности приблизительно на 36,9°.

Отметим, что в отличие от второго максимума в 0,8 В, первый максимум напряжения на катушке индуктивности не дает верного значения (получающегося при установившемся режиме).

Временные диаграммы тока и напряжений

Мы можем получить временные диаграммы тока и напряжений, выбрав Plot, Add Y Axis. При этом создается вторая вертикальная ось, в то время как для первой сохраняется прежняя разметка. Если мы теперь получим график I(R1), то крайняя левая вертикальная ось сохранит диапазон ±1 В, в то время как правая ось (с меткой 2) будет размечена в диапазоне ±500 мА (рис. 14.24). Эта методика особенно полезна, когда числовые значения напряжений и токов значительно отличаются. Синусоидальная временная диаграмма тока в третий раз пересекает ось X вблизи t=27,449 мс. Это соответствует запаздыванию тока на 52,9° относительно приложенного напряжения, что близко к истинному значению (53,1°).

Рис. 14.24. Временные диаграммы тока и напряжений при анализе на переменном токе

Последовательная RC-цепь

Во втором примере главы 2 рассматривалась схема, содержащая источник переменного тока, включенный последовательно с резистором и конденсатором. Анализ выполнялся при частоте f=318 Гц. Используйте Capture, чтобы создать новый проект ac2. При создании схемы трижды поверните конденсатор (так, чтобы первый полюс оказался наверху). Используйте компоненты VAC, R, С и 0/SOURCE для земли.

Законченная схема должна выглядеть, как показано на рис. 14.25. Значения параметров: V1=1 В, R1=5 Ом и С1=100 мкФ. После создания схемы пронумеруйте узлы, чтобы удобно было на них ссылаться. Как в первом примере этой главы, мы используем PSpice, New Simulation Profile, выбрав имя ac2s. Проведем анализ типа AC Sweep/Noise с начальной и конечной частотами f=318 Гц. Посмотрите, как это выполнено в предыдущем разделе.

Рис. 14.25. Последовательная RC-цепь

Выполните моделировании и в Probe получите графики V(C1:1), r(V(C1:1)) и img(V(C1:1)). Они появятся как точки на графике со значениями 0,7 В, 0,5 В и -0,5 В соответственно (рис. 14.26). Если вы попытаетесь распечатать этот график, вы столкнетесь с ошибкой в программе PSpice (которой не было в предыдущих ее версиях), и значения не будут появляться в соответствующем месте частотного диапазона. Как упомянуто ранее, курсор не может использоваться в случае графика для одной частоты (чего также не было в предыдущих версиях). На рис. 14.26 показаны эти значения в том виде, в каком они появляются на экране Capture. Удалите графики напряжений и выведите временную диаграмму тока.

Рис. 14.26. Экран Capture, показывающий действительную и мнимую составляющие напряжения

Убедитесь, что I(R1)=0,14 A, r(I(R1))=0,1 А и img(I(R1))=0,1 А. Удалите эти графики и убедитесь, что угол сдвига тока схемы IP(R1) относительно приложенного напряжения V1, составляет 45°.

Полезно также рассмотреть перечень элементов (netlist) схемы. Панель в левой части экрана показывает различные файлы, связанные с этим проектом. Открыв файл ac2-schematic1, вы увидите список из трех компонентов (V, R и С) вместе с их узлами и значениями параметров (рис. 14.27).

Рис. 14.27. Схема и перечень компонентов, полученных в Capture

Два примера в начале этой главы познакомили нас с методами создания схемы в Capture и с автоматическим созданием программой схемного файла, с помощью которого выполняется моделирование. Очевидно, что процесс гораздо более утомителен и требует большего времени, чем просто использование команд PSpice в схемном файле для тех же целей. Это справедливо для всех задач и в этом целесообразность изучения программы PSpice до овладения созданием схем в Capture.

Полное сопротивление нагрузки, обеспечивающее максимальную передаваемую мощность

На рис. 2.9 главы 2 показан последовательный контур, предназначенный для определения полного сопротивления нагрузки, при котором в ней обеспечивается максимальная мощность. Используем Capture, чтобы создать новый проект maxpo для схемы, показанной на рис. 14.28. Параметры элементов: V1=12 В (используем источник VAC), R1=600 Ом, R2=600 Ом, L1=23,873 мГн и С1=1,06 мкФ. Трижды поверните R2 и C1 так, чтобы ваш рисунок был похож на приведенный в этом примере. Пронумеруйте узлы, двигаясь по часовой стрелке от V1, используя Place, Netlist. Для моделирования на PSpice выберите имя Maxsweep и в качестве типа анализа выберите AC Sweep/Noise. Вариация должна быть проведена для частотного диапазона от f=500 Гц до f=1500 Гц с использованием 1001 точки.

Рис. 14.28. Схема для определения максимальной мощности

Выполните моделирование и получите в Probe график I(R1) при линейной вариации частоты. Сравните ваши результаты с представленными на рис. 14.29. Обратите внимание, что при резонансной частоте f=1 кГц ток имеет максимальное значение 10 мА. Удалите этот график и получите график p(V(3)) для фазового угла напряжения на нагрузке (то есть на последовательном соединении R2 и C1). Убедитесь, что этот угол на резонансной частоте равен -14,04°, как показано на рис. 14.30.

Рис. 14.29. К определению максимальной мощности

Рис. 14.30. Фазовый угол напряжения на нагрузке

В качестве дополнительного упражнения удалите этот график и получите графики V(R1:1), V(L1:1), V(LI:2) и V(C1:1). Используйте курсор, чтобы найти значение каждого из этих напряжений при f=1 кГц. Сравните ваши результаты с показанными на рис. 14.31. Можете ли вы показать каждое из этих напряжений на схеме?

Рис. 14.31. Амплитуды напряжений при максимальной мощности 

Обозначения токов и напряжений в Probe

Перед тем как выйти из Probe, поэкспериментируйте с другими временными диаграммами напряжения и тока. Обозначив через x некоторый компонент, найдите напряжения на различных компонентах, используя V(x:1) для напряжения в точке х:1 относительно земли, r(v(x:1)) — для действительной и img(V(x:1)) — для мнимой части этого напряжения. Используйте I(х), чтобы найти график тока, текущего от первого узла ко второму в компоненте x, r(I(x)) — для действительной и img(I(x)) — для мнимой части этого тока.

Последовательный резонанс

В предыдущем примере значения L и C были выбраны такими, чтобы обеспечить резонанс на частоте f=1 кГц. Во многих схемах резонансная частота неизвестна, и ее необходимо определить при анализе схемы. Создайте в Capture схему, подобную приведенной на рис. 2.10. Схема для проведения этого анализа показана на рис. 14.32. Параметры элементов: V1=1 В (используется источник типа VAC), R1=50 Ом, L1=20 мГн, и С1=150 нФ. Необходимо найти резонансную частоту. Откройте новый проект с именем resonant, создайте схему и разметьте узлы в соответствии с рисунком. Для моделирования выберем имя Ssweep и зададим тип анализа AC Sweep/Noise в диапазоне частот от 100 Гц до 5 кГц. Используйте 4901 точку, получив результат для каждого целочисленного значения частоты.

Рис. 14.32. Последовательный резонансный контур

В Probe получите график I(R1), затем напряжение на конденсаторе V(C1:1) с отдельной осью Y. Сравните ваши результаты с приведенными в главе 2 и на рис. 14.33.

Рис. 14.33. АЧХ тока и напряжения на конденсаторе при резонансе 

Удалите эти графики и вторую ось Y и получите следующие графики:

1) v(v(3)), действительную составляющую напряжения на узле 3 (между L1 и C1); это напряжение становится нулевым при f0.

2) img(v(3)), мнимую составляющую этого же напряжения, которая достигает отрицательного минимума в -7,238 В при f0.

3) img(v(2)), мнимую часть напряжения на последовательном соединении L1 и С1; это напряжение равно нулю при f0.

Эти графики приведены на рис. 14.34.

Рис. 14.34. Напряжение на конденсаторе и на LC-цепи при резонансной частоте 

Цепи переменного тока с несколькими источниками

Проанализируем теперь с помощью Capture цепи с несколькими источниками переменного напряжения из главы 2. Создайте в Capture схему, показанную на рис. 14.35, с именем multisrc. Используйте VAC для каждого источника напряжения и установите V1=200∠0° В, V2=10∠-90° В (обратите внимание, что V2 имеет «+» у нижнего полюса) и V3=40∠0° В. Значения R, L и С показаны на рисунке. Разметьте узлы, как показано на рис. 2.27 (выбрав Place, Netlist). После создания схемы дайте моделированию имя Multi и выполните анализ AC Sweep/Noise в диапазоне частот от 58 до 62 Гц для 101 точки. Вспомните, что мы не можем использовать курсор, если анализ выполнен для одной частоты 60 Гц, как в главе 2.

Рис. 14.35. Схема с несколькими источниками питания 

Проведите моделирование и получите графики I(C), IR(C) и II(C). Для оси X используйте линейный масштаб от 58 до 62 Гц. Теперь добавьте другую ось Y и получите IР(С). Эти графики показаны на рис. 14.36. При желании получите другие численные результаты, показанные на рис. 2.28. Для этого удалите графики, заменив их такими графиками, как I(L), IR(L), II(L) и IP(L). Разумеется, для этого вам потребуется достаточно много времени, и простота использования непосредственно PSpice вместо Capture станет особенно очевидной.

Рис. 14.36. К анализу схемы с тремя источниками питания 

Временные диаграммы для цепей переменного тока со многими источниками гармонического сигнала

Решим теперь предыдущую задачу, применяя компоненты VSIN вместо VAC для источников напряжения V1, V2 и V3. При этом проводится исследование переходного процесса во временной области. Анализ сложнее и имеет некоторые ограничения, о которых мы скажем далее. Начните новый проект в Capture с именем tmulti и параметрами элементов из предыдущего примера: С=663 мкФ, L=7,96 мГн и R=3 Ом. Для напряжений источников используем V1=20∠0° В, V2=10∠-90° В (дважды поверните компонент, чтобы положительный полюс оказался внизу) и V3=40∠5° В. Разметьте узлы, как показано на рис. 14.37, затем используйте для моделирования имя tmultis и выполните во временной области анализ для переходного процесса. Выберите время выполнения в 30 мс и максимальный размер шага в 30 мкс. Выполните моделирование и в Probe получите графики V(1), V(2) и V (3), как показано на рис. 14.38. Поскольку V(1), V(4) и V(3) источники напряжения, их диаграммы появляются с заданными начальными фазовыми углами, в отличие от напряжения V(2) в точке соединения трех компонентов С, L и R. Последнее в начальный момент равно V(3), но во время переходного процесса его фаза изменяется. На рисунке место, в котором V(2) пересекает горизонтальную ось в положительном направлении, отмечено курсором при t=16,296 мс. Поскольку V(1) пересекает ось при t=16,667 мс, то V(2) опережает его на 0,371 мс или на 8°.

Рис. 14.37. Анализ схемы с несколькими источниками во временной области

Рис. 14.38. Анализ во временной области для схемы с несколькими источниками питания

Отметим также, что начальный фазовый угол напряжения V(4), которое представляет собой V2 на схеме, составляет + 90°. Его фазовый угол на схеме задан как -90°, но поскольку положительный полюс находится внизу, знак начального фазового угла изменяется. Файл псевдонимов для схемы показан на рис. 14.39. Посмотрим, как размечены полюса для каждого из источников напряжения. В частности V_V2 показан, как V2(+=0 -=4). Вспомним, что компонент VSIN был дважды повернут перед размещением в схеме.

* Alias File:

**** INCLUDING tmulti-SCHEMATIC1.net ****

* source TMULTI

R_R 2 4 3

L_L 2 3 7.96mH

С_С 1 2 663uF

V_V3 3 0

+SIN 0 40V 60Hz 0 0 45

V _V2 0 4

+SIN 0 10V 60Hz 0 0 -90

V _V1 1 0 +SIN 0 20V 60 0 0 0

**** RESUMING tmulti-schematic1-tmultis.sim.cir ****

.INC "tmulti-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING tmulti-SCHEMATIC1.als **** .ALIASES

R_R  R(1=2 2=4 )

L_L  L(1=2 2=3 )

С_С  С(1=1 2=2 )

V_V3 V3(+=3 -=0 )

V_V2 V2(+=0 -=4 )

V_V1 V1(+=1 -=1 )

Рис. 14.39. Файл псевдонимов для схемы с несколькими источниками

Временные диаграммы гармонических токов

Не выходя из Probe, удалите графики напряжения и получите графики для каждого из токов схемы. Не забудьте показать условные направления для всех токов на схеме цепи. Рассмотрите временные диаграммы для токов конденсатора и катушки индуктивности после того, как они прошли начальный участок переходного процесса, чтобы определить правильные амплитуды и фазы. Не забудьте, что фактически нас интересует не переходной процесс для этой схемы, а скорее то, что мы могли бы видеть в лаборатории на экране осциллографа. Эти графики представлены на рис. 14.40. Обратите внимание, что ток через конденсатор I(C) проходит слева направо, ток I(L) — также слева направо, а ток через резистор I(R) направлен вниз. Рассмотрите файл псевдонимов, чтобы подтвердить это.

Рис. 14.40. Токи в ветвях схемы с несколькими источниками

В любой момент сумма токов в узле 2 должна быть равна нулю. С учетом направлений токов это отображается уравнением

IС - IL - IR = 0.

В качестве упражнения найдите сумму токов в узле 2 при t=20 мс. Вы должны получить 0,32+7,74–8,04=0,02 А. Эта сумма не совсем равна нулю, так как процессы к этому моменту еще не полностью установились.

Трансформаторы

Воспользуемся схемой на рис. 2.29, чтобы показать, как вводятся в Capture схемы, содержащие трансформаторы. На рис. 14.41 показан желательный вид схемы. Начните новый проект transpnr, используя компоненты VAC, R, С и L. Трижды поверните каждый из компонентов L1, L2, RL и CL при размещении их на схеме. Значения параметров такие же, как в главе 2: V=20 В, R1=20 Ом, R2=20 Ом, RL=40 Ом, L1=25 мГн, L2=25 мГн и CL=5,3 мкФ. Две катушки индуктивности независимы, если компонент K_Linear из библиотеки аналоговых компонентов не помещен в схему. Поместите этот символ в удобном месте, например, между катушками индуктивности, как на рисунке. Дважды щелкните на поле K и в Property Editor или электронной таблице, выберите поле для L1, и задайте значение «L1»; в поле L2 задайте значение «L2», столбец для коэффициента связи должен содержать значение «0,8» с М=20 мГн. Задав все значения и сохранив схему, проведите моделирование на PSpice с именем transfm1. Выполните вариацию AC Sweep в диапазоне от 900 до 1100 Гц для 201 точки. Проведите моделирование и используйте линейную ось X в диапазоне указанных частот. В Probe получите графики действительной и мнимой составляющих для токов через R1 и R2 и сравните их с результатами, полученными в главе 2. При f=1 кГц значения должны составлять I(R1)=(0,176, -0,144) и Il(R2)=(0,198, -0,049) А. На рис. 14.42 показаны эти компоненты с курсором, отображающим первое из четырех значений.

Рис. 14.41. Трансформаторная схема

Рис. 14.42. Токи в трансформаторной схеме 

15. Транзисторные цепи в Capture

В главе 10 исследовалась модель PSpice для биполярного транзистора (BJT). В демонстрационной версии PSpice имеется шесть транзисторов BJT (Q2N2222, Q2N2907A, Q2N3904, Q2N3906, Q2N6052 и Q2N6059), три из которых npn-, а три других — pnp-транзисторы. Чтобы показать некоторые из свойств этих компонентов, начнем с примера, использующего Q2N3904.

Выходные характеристики Q2N3904

Для получения выходных характеристик вернемся к схеме на рис. 10.1. Создайте новый проект в Capture с именем bjtchar. Введем компонент IDC, затем R (для RB), затем снова R (для RC), затем VDC и 0 для «земли». Затем выберем транзистор типа Q2N3904 из библиотеки eval. Установим имена и значения компонентов, соответствующие рисунку, и соединим компоненты проводами. Пронумеруйте узлы, как на рис. 10.1 (с помощью Place, Netlist). Небольшое замечание касается условного направления тока через RС. Ниже приведена команда PSpice для ввода резистора RС.

RC 4 3 0.01

Порядок следования узлов (4, 3) означает, что ток резистора будет положителен, когда он направлен справа налево, то есть от узла 4 к узлу 3. Применим это соглашение к нашему анализу в Capture. Выберите RС и дважды поверните появившееся изображение, чтобы привести направление в соответствие с порядком следования узлов. Схема показана на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Схема для биполярного транзистора, полученная в Capture

Для моделирования используйте имя Bjt1 и выберите тип анализа DC Sweep. Команда для анализа на PSpice:

.dc VCC 0 10V 0.05V IB 5uA 25uA 5uA

используется, чтобы выполнить вложенную вариацию. В Capture, для внутреннего цикла выбирается в качестве переменной напряжение источника VCC, которое линейно изменяется от 0 до 10 В с шагом 0,05 В, как показано на рис. 15.2. Переменной внешнего цикла является ток IB, изменяющийся от 5 до 25 мкА с шагом 5 мкА (рис. 15.3).

Рис. 15.2. Установки для моделирования биполярного транзистора

Рис. 15.3. Использование источника тока для внешнего цикла вариации параметров 

Выполните моделирование и в Probe получите график I(RC). При этом будет выведено необходимое семейство характеристик, с одной кривой для каждого приращения тока базы в 5 мкА. Результаты показаны на рис. 15.4.

Рис. 15.4. Выходные характеристики биполярного транзистора

Выходной файл, полученный в Capture, показан на рис. 15.5. Сравните его с соответствующим выходным файлом, приведенным в главе 10. Отметим две команды, приведенные под заголовком Analysis directives: и порядок следования узлов для строки, вводящей RC: 

R RC 4 3 0.01

**** 09/27/99 14:13:33 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **********

** circuit file for profile: Bjt1

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.DC LIN V_VCC 0 10V 0.05V

+ LIN I_IB 5uA 25uA 5uA

.PROBE

*Netlist File:

.INC "bjtchar-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING bjtchar-SCHEMATIC1.net ****

* source BJTCHAR

V_VCC 4 0 10V

R_RC  4 3 0.01

R_RB  12 0.01

I_IB  0 1 DC 25uA

Q_Q1  3 2 0 Q2N3904

**** RESUMING bjtchar-SCHEMATIC1-Bjt1.sim.cir ****

.INC "bjtchar-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING bjtchar-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

V_VCC VCC(+=4 -=0 )

R_RC  RC(1=4 2=3 )

R_RB  RB(1=1 2=2 )

I_IB  IB(+=0 -=1 )

Q_Q1  Q1(c=3 b=2 e=0 )

_     _(1=1)

_     _(2=2)

_     _(3=3)

_     _(4=4)

.ENDALIASES

**** BJT MODEL PARAMETERS

Q2N3904 NPN

IS 6.734000E-15 BF 416.4

Рис. 15.5. Выходной файл для биполярного транзистора 

Такой порядок был определен, когда мы дважды повернули RC из первоначальной позиции. Транзистор введен строкой

Q_Q1 3 2 0 Q2N3904

Полюса 3, 2, 0 соответствуют коллектору, базе и эмиттеру.

Входные характеристики Q2N3904

Используем схему, показанную на рис. 10.3, чтобы получить входные характеристики транзистора Q2N3904. После создания нового проекта bjtichar разместим компоненты обычным способом. Резистор RS необходимо трижды повернуть, резистор RL вращать не нужно. Пронумеруйте узлы, как показано на рис. 15.6, и сохраните проект. Для моделирования используйте вариацию dc sweep с именем Bjti1 с внутренним циклом вариации по току источника IВВ в линейном диапазоне от 0 до 100 мкА и с шагом в 1 мкА. На рис. 15.7 показана вкладка для установки опций этой вариации. В качестве параметра внешнего цикла вариации выбирается напряжение источника VCC от 0 до 10 В с шагом в 2 В (рис. 15.8). Выполните моделирование и в Probe установите в качестве переменной по оси X напряжение на узле 1 (напряжение на базе) V(Rs:I). График I(BB) отображает ток базы. Все кривые этого семейства, кроме первой (при VCE=0), сливаются в одну (рис. 15.9). Выходной файл показан на рис. 15.10 для сравнения с предыдущим выходным файлом.

Рис. 15.6. Цепи смещения для биполярного транзистора 

Рис. 15.7. Установка опций при снятии входных характеристик

Рис. 15.8. Установка опций для внешнего цикла вариации

Рис. 15.9. Входные характеристики биполярного транзистора

**** 09/27/99 14:13:33 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Bjt1

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.DC LIN V VCC 0 10V 0.05V

+ LIN I_IB 5uA 25uA 5uA

.PROBE

*Netlist File:

.INC "bjtchar-SCHEMATIC1.net" *Alias File:

**** INCLUDING bjtchar-SCHEMATIC1.net ****

* source BJTCHAR

V_VCC 4 0 10V

R_RC  4 3 0.01

R_RB  1 2 0.01

I_IB  0 1 DC 25uA

Q_Q1  3 2 0 Q2N3904

**** INCLUDING bjtchar-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

V VCC VCC(+=4 -=0 )

R_RC  RC(1=4 2=3 )

R_RB  RB(1=1 2=2 )

I_IB  IB(+=0 -=1 )

Q_Q1  Q1(c=3 b=2 e=0 )

_     _(1=1)

_     _(2=2)

_     _(4=4)

_     _(3=3)

.ENDALIASES

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   Q2N3904

   NPN

IS 6.734000E-15

BF 416.4

Рис. 15.10. Выходной файл для выходных характеристик биполярного транзистора

Изучение схем с общим эмиттером на биполярных транзисторах

Для изучения цепей смещения в главе 10 была использована схема на рис. 10.7. Соберите эту схему в Capture, создав новый проект Bjtcase. Напомним, что необходимо трижды повернуть резисторы, чтобы первый полюс каждого резистора оказался наверху. Значения будут такими же, как на рис. 10.7: R1=40 кОм, R2=3,3 кОм, Rc=4,7 кОм, RE=220 кОм и VCC=12 В. Транзистор 2N2222 обозначен в библиотеке eval как Q2N2222. Пронумеруйте узлы, как на рис. 10.7, затем сохраните полученный рисунок (рис. 15.11). Чтобы получить анализ цепей смещения, используйте моделирование на PSpice под именем Bjtcase. Выберите тип анализа Bias Point и для Output File Option установите опцию "Include detailed bias point information (.OP)". Выполните моделирование, проверьте ошибки, исследуйте выходной файл, затем отредактируйте его в Word и распечатайте. Сравните ваши результаты с показанными на рис. 15.12. Значения параметров смещения должны совпадать с приведенными в главе 10.

Рис. 15.11. Схема для определения точки покоя усилителя ОЭ на биполярном транзисторе 

**** 10/01/99 11:14:59 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Bjtcases

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives: .CP

.PROBE

*Netlist File:

.INC "bjtease-SCHEMATIC1.net"

* Alias File:

**** INCLUDING bjtcase-SCHEMATIC1.net ****

* source BJTCASE

Q_Q1  3 14 Q2N2222

V_VCC 20 12V

R_RE  4 0 220

R_RC  2 3 4.7k

R_R2  10 3.3k

R_R1  2 1 40k

**** RESUMING bjtcase-SCHEMATIC1-Bjtcases.sim.cir ****

.INC "bjtcase-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING bjtcase-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

Q_Q1  Q1(c=3 b=1 e=4 )

V_VCC VCC(+=2 -=0 )

R_RE  RE(1=4 2=0 )

R_RC  RC(1=2 2=3 )

R_R2  R2(1=1 2=0 )

R_R1  R1(1=2 2=1 )

_     _(1=1)

_     _(2=2)

_     _(3=3)

_     _(4=4)

.ENDALIASES

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   Q2N2222

   NPN

IS 14.340000E-15

BF 255.9

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) .8933   ( 2) 12.0000 ( 3) 6.7651  ( 4) .2466

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME   CURRENT

V_VCC -1.391E-03 

TOTAL POWER DISSIPATION 1.67E-02 WATTS

Рис. 15.12. Выходной файл для усилителя ОЭ на биполярном транзисторе 

Обратите внимание, что мы не вывели значения токов через резисторы, как делали это на рис. 10.8, поскольку директива .PRINT DC не доступна в Capture. Таким образом, дополнительная работа, необходимая для анализа в Capture, не оправдана, если нас интересуют только параметры смещения. Для проведения анализа переменных составляющих используем созданную нами схему, просто добавив недостающие компоненты. 

Анализ на переменном токе

Дополним рисунок предыдущего примера, который был назван bjtcase (откройте его опять в случае необходимости). Добавим компоненты, как показано на рис. 10.9, преобразовав его в усилитель ОЭ, выходное напряжение которого снимается с коллектора. Если необходимо, переместите существующую схему в правую часть рисунка, чтобы иметь больше места для размещения дополнительных компонентов и полей около них. Для этого выделите всю схему, затем, поместив курсор внутри выделенного участка, перетащите схему в нужное место. Добавьте источник Vs (используйте компонент VAC), Rs=50 Ом, Сb=15 мкФ и Се=15 мкФ. Пронумеруйте новые узлы согласно рис. 15.13. Вместо анализа параметров смещения используйте вариацию по переменному току (ас sweep).

Рис. 15.13. Схема усилителя ОЭ на биполярном транзисторе

Из главного меню PSpice выберите Edit Simulation Settings и затем анализ AC Sweep/Noise в диапазоне от 4900 до 5100 Гц для 201 точки. Обратите внимание, что на рис. 10.10 анализ был проведен для частоты f=5 кГц, но чтобы получить напряжение и ток в Probe, мы должны вместо одной частоты использовать диапазон частот.

Проведите анализ и получите графики I(RC), I(Rs) и I(RE). Используйте режим курсора, чтобы проверить эти значения при f=5 кГц: I(RC)=388 мкА, I(Rs)=5,52 мкА и I(RE)=3,77 мкА. Теперь введите дополнительную ось Y и получите графики V(1), V(3) и V(4). Снова с помощью курсора убедитесь, что V(1)=9,72 мВ, V(3)=1,827 В и V(4)=829,9 мкВ при f=5 кГц. График из Probe показан на рис. 15.14 с током I(RC)=388 мкА при f=5 кГц. Перемещение курсора от одного графика к другому легко осуществить с помощью комбинации клавиш [Ctrl]+[>]. Запишите значения каждого тока и напряжения, которые появляются на табло Probe Cursor.

Рис. 15.14. Токи и напряжения биполярного транзистора в схеме на рис. 15.13

Анализ переходных процессов

При продолжении анализа переменных составляющих на рис. 10.9 рассмотрим временные диаграммы напряжений на базе и коллекторе, которые были показаны на рис. 10.11. Для этого необходимо провести анализ переходных процессов вместо вариации на переменном токе, при этом компонент типа VAC, представляющий входное напряжение Vs, должен быть заменен на компонент VSIN. Задайте величину Vs так, чтобы амплитуда его составляла 10 мВ, но мы будем считать это значение действующим для упрощения анализа. Сделайте эту замену на рисунке, затем отредактируйте параметры настройки моделирования для анализа переходных процессов. Выполните анализ переходных процессов для интервала в 0,6 мс, как в главе 10, используя шаг в 0,6 мкс.

В Probe получите на одном экране графики напряжения на коллекторе V(3) и напряжения на базе V(1) (как в главе 10). Сравните ваши результаты с рис. 10.11. Амплитуда напряжения на базе равна 9,72 мВ, амплитуда напряжения на коллекторе составляет 1,807 В, коэффициент усиления по напряжению с базы на коллектор, таким образом, равен 186. Как показано на рис. 15.15, уровень постоянной составляющей выходного напряжения равен 6,756 В; входного составляет 0,893 В, эти значения соответствуют показанным в результатах анализа смещения.

Рис. 15.15. Временные диаграммы для напряжений на базе и на коллекторе транзистора в схеме с ОЭ на биполярном транзисторе

Изменение параметров транзистора

Транзистор Q2N2222 использовался в предыдущих примерах как типичный элемент, применяемый в реальных схемах. Если вы работаете в лаборатории с транзистором, коэффициент усиления которого hFE значительно меньше, можно изменить схему, чтобы получить результаты, более соответствующие вашим ожиданиям.

Продолжите работу с рисунком bjtcase, снова открыв проект в случае необходимости. Выберите Q2N2222, затем Edit, PSpice Model. Появится окно, показывающее «Bjtcase-OrCAD Model Editor — [Q2N2222]». Слева вы увидите идентифицированный транзистор, а справа — список различных параметров, используемых в модели транзистора. Просмотрите в приложении Е полный список этих параметров. Замените Bf=255,9 на новое значение Bf=100, более соответствующее фактическому значению для транзистора, который вы используете в лаборатории. Это окно показано на рис. 15.16. Чтобы сохранить это изменение, используйте File, Close. Когда появится вопрос, хотите ли вы сохранить изменения для Bjtcase, нажмите Yes. Затем, выбрав Save as, вы можете сохранить имя файла Bjtcase. После этого выберите File, Exit и выполните моделирование снова.

Рис. 15.16. Редактирование модели PSpice в окне Model Editor 

Чтобы выполнить анализ переходных процессов, просто выберите PSpice, Run и получите желательные результаты.

В Probe получите графики напряжения на коллекторе V(3) и на базе V(1), и отметьте изменения в их уровнях по сравнению с предыдущим анализом. В качестве упражнения найдите размах колебаний (двойную амплитуду) для каждого напряжения, которые должны составлять v(3)=3,35 В и v(1)=19,3 мВ, что соответствует коэффициенту усиления по напряжению Av=174. Обратите внимание, что коэффициент усиления ненамного меньше, чем в случае, когда BF=255,9. Графики показаны на рис. 15.17.

Рис. 15.17. Временные диаграммы для входного и выходного напряжений при hFE = 100 

**** 10/02/99 10:11:05 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Bjtcases *Libraries:

* Local Libraries :

.LIB *.\bjtcase.lib"

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.TRAN 0 0.6ms 0 0.6us

.PROBE

*Netlist File:

.INC "bjtcase-SCHEMATIC1.net"

* Alias File:

**** INCLUDING bjtcase-SCHEMATIC1.net ****

* source BJTCASE

Q_Q1  3 1 4 Q2N2222

V_VCC 2 0 12V

R_RE  4 0 220

R_RC  2 3 4.7k

R_R2  10 3.3k

R_R1  2 1 40k

R_ Rs 1A 1B 50

C_Cb  1B 1 15uF

С_Ce  4 0 15uF

V_Vs  1A 0

+SIN  0 10mV 5kHz 0 0 0

**** RESUMING bjtcase-schematic1-bjtcases.sim.cir ****

.INC "bjtcase-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING bjtcase-SCHEMATIC1.als ****

*.ALIASES

Q_Q1  Q1(c=3 b=1 e=4 )

V_VCC VCC(+=2 -=0 )

R_RE  RE(1=4 2=0 )

R_RC  RC(1=2 2=3 )

R_R2  R2(1=1 2=0 )

R=R1  R1(1=2 2=1 )

R_Rs  Rs(1=1A 2=1B )

С_Cb  Cb(1=1B 2=1 )

C_Ce  Ce(1=4 2=0 )

V_Vs  Vs(+=1A -=0 )

.ENDALIASES

**** RESUMING bjtcase-schematic1-bjtcases.sim.cir ****

.END

Unable to find index file bjtease.ind for library file bjtcase.lib

Making new index file bjtcase.ind for library file bjtcase.lib

Index has 1 entries from 1 file(s).

** circuit file for profile: Вjtcases

**** BJT MODEL PARAMETERS

   Q2N2222

   NPN

IS 14.340000E-15

BF 100

NODE  VOLTAGE NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1)  .8768   ( 2)  12.0000 ( 3) 7.1059  ( 4) .2318

( 1A) 0.0000  ( 1B) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME   CURRENT

V_VCC -1.319E-03

V_Vs   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 1.58E-02 WATTS

Рис. 15.18. Выходной файл при hFE = 100

Выходной файл для схемы с измененным параметром транзистора показан на рис. 15.18. Обратите внимание на новое значение BF=100, которое мы изменили перед выполнением анализа. Также обратите внимание на раздел в выходном файле, содержащий инструкции:

Unable to find index file bjtcase.ind for library file bjtcase.lib

Making new index file bjtcase.ind for library file bjtcase.lib

Index has 1 entries from 1 file(s).

Это означает, что изменение в параметрах не могло бы быть найдено из предыдущего анализа и что был создан новый индексный файл для новой библиотеки bjtcase.lib. Индексный файл не является текстовым, но bjtcase.lib может быть просмотрен при двойном щелчке на нем или же открыт в Notepad. В PSpice этот файл выглядит, как на рис. 15.19. Если вы хотите просмотреть всю типовую библиотеку устройств eval.lib, ищите ее в

C:\Program Files\OrCAD Demo\Capture\library\PSpice

Рис. 15.19. Индексный файл при BF = 100

Когда вы найдете файл eval.lib, дважды щелкните на нем и программа OrCAD будет загружена с листингом всех имеющихся в библиотеке устройств.[9] Он должен быть подобен листингу, показанному в приложении Е.

Использование моделей с h-параметрами

В главе 3 h-параметры для транзистора использовались, чтобы показать, как академическая модель для биполярного транзистора (BJT) обрабатывается в PSpice. В модели были использованы два зависимых источника Е и F. Когда эта схема получена в Capture, ее едва можно узнать, так как Е и F показаны как два четырехполюсника с входными полюсами слева и выходными справа. На рис. 3.7 усилитель ОЭ показан при входном сигнале в 1 мВ. Хотя на схеме был показан входной источник переменного напряжения, было указано, что мы могли бы обмануть PSpice, получив полезную информацию при анализе на постоянном токе (для точки покоя) и интерпретировав затем результаты для переменного тока. Это экономит время и усилия, если схема не содержит реактивных элементов. 

Мы можем теперь создать схему в Capture, дав этому проекту имя hparmod и использовав в нем источник постоянного напряжения Vs=1 мВ и резисторы Rs=1 кОм, Ri=1,1 кОм, R0=40 кОм и RL=10 кОм. Поскольку выходной ток F определяет ток базы Ib, входные полюса подключены последовательно с резисторами Rs и Ri и выходными полюсами источника Е, входные полюса компонента Е должны быть подключены параллельно резистору R0, как и показано на схеме (рис. 15.20). При этом нет необходимости использовать V0, как на рис. 3.7, поскольку эту роль выполняют выходные полюса источника Е. Установим следующие значения коэффициентов усиления: F=50 (для hfe) и Е=2,5Е-4 (для hre). Пронумеруйте узлы и подготовьте конфигурацию моделирования, используя имя hparmods и запросив анализ для получения параметров смещения. Должны быть установлены опции анализа .OP и «Calculate small-signal DC gain (.TF).» Используйте для входного источника имя Vs и для выходной переменной величину V(4).

Рис. 15.20. Модель в h-параметрах для биполярного транзистора BJT

Выполните моделирование и проверьте отсутствие ошибок. Если их нет, закройте выходной файл и используйте Word, чтобы распечатать сокращенную версию этого файла, как показано на рис. 15.21. Сравните ваши результаты с показанными на рис. 3.8. Полученные значения должны быть теми же, но нумерация узлов должна отличаться. Обратите внимание, что путем включения «проверки» с помощью команды .TF мы получили V(4)/V_Vs=-2,000Е+02 и входное сопротивление относительно V_Vs равным 2,0000Е+03 и выходное сопротивление относительно V(4) равным 8.400Е+03. Мы снова убеждаемся, что при использовании PSpice, как в главе 3, для анализа потребовалось значительно меньше времени, чем для анализа в Capture, при котором схема моделировалась более громоздким способом.

**** 10/02/99 20:25:15 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: hparmods

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.OP

.TF V([4]) V_Vs

.PROBE

*Netlist File:

.INC "hparmod-SCHEMATIС1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING hparmod-SCHEMATIC1.net ****

* source HPARMOD

F_F  4 0 VF_F 50

VF_F 3 5 0V

E_E  5 0 4 0 2.5E-4

R_RL 4 0 10k

R_Ro 4 0 40k

R_Ri 2 3 1.1k

R_Rs 1 2 1k

V_Vs 1 0 1mV

**** RESUMING hparmod-SCHEMATIC1-hpamods.sim.cir

**** .INC "hparmod-SCHEMATIC1.als"

INCLUDING hparmod-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

F_F  F(3=4 4=0 )

VF_F F(1=3 2=5 )

E_E  E(3=5 4=0 1=4 2=0 )

R_RL RL(1=4 2=0 )

R_Ro Ro(1=4 2=0 )

R_Ri Ri(1=2 2=3 )

R_Rs Rs(1=1 2=2 )

V_Vs Vs(+=l -=0 )

_    _(1=1)

_    _(2=2)

_    _(3=3)

_    _(4=4)

_    _(5=5)

.ENDALIASES

**** RESUMING hparmod-SCHEMATIC1-hparmods.sim.cir ****

.END

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

NODE  VOLTAGE  NODE VOLTAGE   NODE  VOLTAGE   NODE  VOLTAGE

( 1)  .0010    ( 2) 500.0Е-06 ( 3) -50.00E-06 ( 4) -.2000

( 5) -50.00E-06

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME  CURRENT

VF_F  5.000E-07

V_Vs -5.000E-07

TOTAL POWER DISSIPATION 5.00E-10 WATTS

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME      E_E

V-SOURCE -5.000E-05

I-SOURCE  5.000E-07

**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES

NAME     F_F

I-SOURCE 2.500E-05

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/V_Vs = -2.000E+02

INPUT RESISTANCE AT V_Vs = 2.000E+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 8.400E+03

Рис. 15.21. Выходной файл для модели в h-параметрах

Упражнение по созданию графической схемы было, однако, поучительно, и анализ заслуживает внимания, по крайней мере, с этой точки зрения. Обратите внимание на строку файла псевдонимов для зависимого источника E_E:

E_E 5 0 4 0 2.5Е- 4

Первые два полюса (5, 0) — выходные полюсы, показывают расположение зависимого источника в схеме, в то время как входные полюсы (4, 0) указывают на управляющее напряжение (от которого зависит E) снимаемое с R0. Зависимый источник F_F описан как

F_F 4 0 VF_F 50

Первые два полюса (4, 0) являются выходными полюсами, показывающими, где вводится в схему ток F. Входные полюсы включены в контур последовательно с компонентами, через которые проходит независимый ток (управляющий источником F). В команде F_F эта управляющая цепь показана именем источника напряжения в контуре. Контур, через который проходит ток Ib, включает также и напряжение Е, что ясно видно из схемы.

В перечне элементов (netlist) имеется команда ввода

VF_F 3 5 0V

Эта строка была сформирована программой, чтобы ввести в листинг источник И), который был необходим в схеме на рис. 3.7 вместе с листингом F, который использовался в PSpice.

Не забудьте, что наши результаты можно при желании представить в действующих значениях для переменных составляющих, и обратите внимание на следующее: ток через источник напряжения VF_F равен 5.000Е-07 А. Это ток базы. С помощью других известных значений это легко проверить:

Источники напряжения, управляемые напряжением, обозначенные на рис. 15.21 как V-SOURCE, задают напряжение на узле 3, равное -50 мкВ, а компонент I-SOURCE создает ток в выходном контуре F. Поскольку коэффициент усиления источника F равен 50, ток F=50Ib=25 мА. После деления между двумя сопротивлениями ток через RL равен (0,8·25)мкА=20 мкА. На рисунке этот ток направлен вверх, что нужно показать также и на вашей схеме. Напряжение на узле 4 равно (-20 мкА)(10 кОм)=0,2 В, что подтверждает значение, приведенное в выходном файле. Это отрицательное выходное напряжение, инвертированное относительно напряжения Vs.

Характеристики полевых транзисторов

Демонстрационная версия OrCAD имеет компоненты J2N3819 и J2N4393 в качестве моделей для полевых n-канальных транзисторов (JFET). Чтобы получить семейство выходных характеристик, создайте новый проект с именем Jfetch. Используем простую схему (рис. 15.22). Номинальные значения для VGS и VDD показаны на рисунке. Определите опции моделирования в Simulation Profile, используя имя jfetchs. Внутренний цикл вариации использует значения источника напряжения VDD от 0 до 12 В с шагом в 0,2 В. Внешний цикл определяется изменением напряжения VGS от 0 до 4 В с шагом в 1 В.

Рис. 15.22. Схема смещения для n-канального полевого транзистора

Выполните моделирование и получите в Probe график ID(J1). Вы должны получить семейство кривых с параметром VGS, приведенных на рис. 15.23. Кривые показывают, что наибольшие токи соответствуют VGS=0. Ниже расположена кривая с параметром VGS=–1 В и так далее. Напряжением отсечки является VGS=–3 В.

Рис. 15.23. Ток стока в n-канальном полевом транзисторе

Выходной файл включает параметры модели J2N3S19: пороговое напряжение (отсечки) VTO=-3 В, коэффициент передачи BETA и другие. Они отражены на рис. 15.24. В приложении D приведены все параметры модели для J (JFET).

**** 10/03/99 11:45:33 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: jfetchs

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.DC LIN V VDD 0V 12V 0.2V

+ LIN V_VGS 0V 4V 1V

.PROBE

*Netlist File:

.INC "jfetch-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING jfetch-SCHEMATIC1.net ****

* source JFETCH

J_J1  2 1 0 J2N3819

V_VDD 2 0 12V

V_VGS 0 1 1V

**** RESUMING jfetch-SCHEMATIC1-jfetchs.sim.cir

**** .INC "jfetch-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING jfetch-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

J_J1  J1(d=2 g=1 s=0 )

V_VDD VDD(+=2 -=0 )

V_VGS VGS(+=0 -=1 )

_    _(1=1)

_    _(2=2)

.ENDALIASES

.END

**** Junction FET MODEL PARAMETERS

         J2N3819

         NJF

VTO     -3

BETA     1.304000E-03

LAMBDA   2.250000E-03

IS       33.570000E-15

ISR      322.400000E-15

ALPHA    311.700000E-06

VK       243.6

RD       1

RS       1

CGD      1.600000E-12

CGS      2.414000E-12

M        .3622

VTOTC   -2.500000E-03

BETATCE -.5

KF       9.882000E-18

Рис. 15.24. Выходной файл для n-канального полевого транзистора

Хотя предыдущие выпуски программного обеспечения от MicroSim использовали для создания рисунков программу Schematics вместо Capture, автоматически формируя команду .ОР в схемном файле, используемая в книге версия Capture этого не делает. Следовательно, значения параметров смещения не выводятся в выходном файле. Чтобы получить эти значения, отредактируете параметры настройки моделирования и запросите анализ параметров смещения путем проверки с опцией .OP. Выходной файл при таком запуске показан на рис. 15.25. Информация, дублирующая информацию предыдущего выходного файла, из него удалена. Убедитесь, что выходной файл соответствует графику, показывая VDD=12 В, VGS=–1 В, IDD=5,328 мА.

**** 10/03/99 12:27:36 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: jfetchs

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.OP

.PROBE

*Netlist File:

.INC "jfetch-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING jfetch-SCHEMATIC1.net ****

* source JFETCH

J_J1  2 10 J2N3819

V_VDD 2 0 12V

V_VGS 0 1 1V

**** RESUMING jfetch-SCHEMATIC1-jfetchs.sim.cir ****

.INC "jfetch-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING jfetch-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

J_J1  J1(d=2 g=1 s=0 )

V_VDD VDD(+=2 -=0)

V_VGS VGS(+=0 -=1 )

_     _(1=1)

_     _(2=2)

.ENDALIASES

**** RESUMING jfetch-SCHEMATIC1-jfetchs.sim.cir ****

.END

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

NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) -1.0000  ( 2) 12.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME   CURRENT

V_VDD -5.328E-03

V_VGS -1.321E-12

TOTAL POWER DISSIPATION 6.39E-02 WATTS

**** JFETS

NAME  J_J1

MODEL J2N3819

ID    5.33E-03

VGS  -1.00E+00

VDS   1.20E+01

GM    5.34E-03

GDS   1.17E-05

CGS   1.83E-12

CGD   6.15E-13

Рис. 15.25. Выходной файл, использующий опцию .OР

Усилители на полевых транзисторах

В схеме усилителя на полевом транзисторе, приведенной на рис. 11.7, использовалась встроенная модель транзистора. Как говорилось в этом примере, строки, описывающие такое устройство, могли бы иметь вид:

JFET 3 1 2 JM

.MODEL JM NJF (RD=10 RS=10 VTO=3V BETA=0.2m)

Эти строки вводят универсальный встроенный полевой транзистор JFET, для которого мы выбрали имя JM. Если мы создаем эту схему с помощью Capture, мы не можем просто выбрать компонент JFET; вместо этого мы должны выбрать один из доступных компонентов с конкретным именем. Затем можно изменить параметры модели так, чтобы она удовлетворяла нашим требованиям.

Начните новый проект с именем Jfetampl и введите схему, показанную в рис. 11.7, используя компоненты VAC (для Vi), C (для Сb и Cs), R (для Rg, Rd и  Rs), J2N3819 (для полевого транзистора) и VDC (для VDD). Задайте значения компонентов, которые использовались ранее. Схема, которую вы должны получить, показана на рис. 15.26. Полевой транзистор, используемый на рис. 11.7, описывается в PSpice командой

.MODEL JM NJF (RD=10 RS = 10 VTO=-3V BETA=0.2m)

Рис. 15.26. Усилитель на полевом транзисторе

Отредактируем модель конкретного транзистора J2N3819 так, чтобы она соответствовала этой команде. Выберите JFET, щелкнув на его символе, затем выберите Edit, PSpice Model. При этом на экране появится окно OrCAD Model Editor, в котором могут быть сделаны изменения. Задайте «Beta=0.2 m», «Rd=10» и «Rs=10», как показано на рис. 15.27. Сохраните эти изменения и закройте окно редактора модели.

Рис. 15.27. Изменение параметров транзистора JFET в программе Model Editor

Сохраните схему и подготовьте новую конфигурацию моделирования на PSpice с именем jfetamps. Анализ должен быть проведен при линейной вариации частоты от 4900 до 5100 Гц, используя 201 точку.

Выполните анализ, и в Probe проверьте значения следующих величин при f=5 кГц: I(Rd)=0,876 мкА; V(1)=1 мВ; V(3)=7,73 мВ и V(2)=1,8 мкВ. Отметим, что различные напряжения могут также быть отображены при использовании записей типа V(Cb:2), V(Rd:1), V(Rs:1) и т.п.

Вообще предпочтительно пронумеровать предварительно узлы и обращаться затем к напряжениям с номерами узлов. Таким образом, в этом примере V(3) представляет собой напряжение на стоке JFET относительно земли. Нумерация узлов задается также командой псевдонимов выходного файла:

J_J J1(d=3 g=1 s=2)

что еще проще понять. Если вы забудете перенумеровать узлы, вы будете иметь дело с громоздкими обозначениями автоматической нумерации типа N00034. В выходном файле на рис. 15.28 показан список измененных параметров J2N3819. Значение VТО=–3 не было изменено, но Beta, Rd и Rs были заменены приведенными значениями. Выходной файл, приведенный на рис. 15.29, показывает компоненты схемы, значения параметров и напряжения смещения для VDD=18 В. Выходной файл может содержать следующие инструкции:

WARNING-Unable to find index file (JFETAMPL.ind) for library file JFETAM + PL.lib

WARNING-Making new index file (JFETAMPL.ind) for library file JFETAMPL.lib Index has 1 entries from 1 file(s).

(ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ — Невозможно найти индексный файл (JFETAMPL.IND) для библиотечного файла JFETAM + PL.LIB

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ — Создайте новый индексный файл (JFETAMPL.IND) для библиотечного файла JFETAMPL.LIB Индекс имеет 1 вход из 1 файла(ов).)

Рис. 15.28. Схема JFET и изменение выходного файла

**** 10/03/99 14:20:08 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profiles jfetamps

*Libraries:

* Local Libraries :

.LIB ".\jfetampl.lib"

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.AC LIN 201 4900Hz 5100Hz

.PROBE

*Netlist File:

.INC "jfetampl-SCHEMATIC1.net"

*Alias Files

**** INCLUDING jfetampl-SCHEMATIC1.net ****

* source JFETAMPL

V_VDD 4 0 18V

R_Rs  2 0 770

R_Rg  1 0 0.5MEG

R_Rd  3 4 8.8k

С_Cs  2 0 15uF

С_Cb  1A 1 15uF

J_J1  3 1 2 J2N3819

V_V1  1A 0 DC 0V AC 1mV 0

**** RESUMING jfetampl-SCHEMATIC1-jfetamps.sim.cir ****

.INC "jfetampl-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING jfetampl-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

V_VDD VDD(+=4 -=0 )

R_Rs  Rs(1=2 2=0 )

R_Rg  Rg(1=1 2=0 )

R_Rd  Rd(1=3 2=4 )

C_Cs  Cs(1=2 2=0 )

C_Cb  Cb(1=1A 2=1 )

J_J1  J1(d=3 g=1 s=2 )

V_V1  V1(+=1A -=0 )

.ENDALIASES

.END

**** Junction FET MODEL PARAMETERS

         J2N3839

         NJF

VTO     -3

BETA     200.000000E-06

LAMBDA   2.250000E-03

IS       33.570000E-15

ISR      322.400000E-15

ALPHA    311.700000Е-06

VK       243.6

RD       10

RS       10

BETATCE -.5

KF       9.882000E-18

NODE  VOLTAGE   NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1)  605.8E-09 ( 2) .7719   ( 3) 9.1779  ( 4) 18.0000

( 1A) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME   CURRENT

V_VDD -1.003E-03

V_V1   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 1.80E-02 WATTS

Рис. 15.29. Выходной файл усилителя на JFET-транзисторе

Эти предупреждения служат напоминанием, что до выполнения анализа библиотечный файл jfetampl.lib отсутствует. Он будет создан после выполнения анализа наряду с файлом jfetampl.ind. Новый библиотечный файл находится в вашем каталоге SPICE и содержит исходные данные, показанные на рис. 15.27. Листинг идентичен существующему в eval.lib, за исключением параметров Beta, Rd и Rs, которые мы изменили. Новая модель называется локальной моделью и доступна для использования только со схемой jfetampl.

Анализ переходных процессов (временные диаграммы для JFET)

Чтобы наблюдать временные диаграммы JFET и сравнивать наши результаты с показанными на рис. 11.8, необходимо заменить тип источника Vs, выбрав VSIN вместо VAC. Сделайте это и задайте следующие значения для нового источника: напряжение смещения равно 0, f=5 кГц и амплитуда напряжения равна 1 мВ. Выберите PSpice, New Simulation Profile с именем jfetamp2. Проведите анализ переходного процесса до 600 мкс с максимальным размером шага в 0,6 мкс. Проведите моделирование и в Probe получите напряжение стока v(3) и напряжение на управляющем электроде v(1), как показано на рис. 15.30. Убедитесь, что максимальное значение напряжения на стоке составляет 9,1857 В, а минимальное значение — 9,1702 В. Это дает значение для двойной амплитуды 15,5 мВ или амплитуду 7,75 мВ, что, по существу, совпадает с данными на рис. 11.8.

Рис. 15.30. Напряжения на стоке и управляющем электроде усилителя на JFET

Анализ частотных характеристик биполярного транзистора

Компонент PSpice Q2N3904 имеет характеристики, близкие к характеристикам реального транзистора. Обратимся к рис. D.5, на котором показана модель BJT. Мы хотим исследовать высокочастотную реакцию транзистора. Начните новый проект в Capture с именем hifreq. Введите схему, показанную на рис. 15.31, которая основана на схеме на рис. 10.13 (исключен только резистивный датчик тока RB). Мы не пытались сохранить первоначальную нумерацию узлов. Используйте компонент VAC для Vs, установив для него значение напряжения в 1 мВ. Значения R и С показаны на рисунке. Сначала мы не будем изменять параметры транзистора, а затем значение hFE будет изменено, как в главе 10.

Рис. 15.31. Схема усилителя на биполярном транзисторе на высоких частотах

Закончив схему, сохраните ее и подготовьте моделирование на PSpice с именем hifreqs. Используйте вариацию частоты от 100 кГц до 100 МГц с шагом в 50 точек на декаду.

Проведите анализ и получите график выходного напряжения на коллекторе V(5). Убедитесь, что выходное напряжение при частоте f=100 кГц составляет 9,123 мВ. Таким образом, коэффициент усиления на средних частотах с источника на коллектор равен 9,123. Это значение будет использоваться при установлении верхней частоты снижения на 3 дБ. Удалите этот график и получите график

20·lg(V(5)/9,123mV).

Он показан на рис. 15.32 вместе со схемой. Используйте курсор, чтобы проверить, что верхняя частота снижения на 3 дБ равна f=37,15 МГц.

Рис. 15.32. Частотная характеристика для биполярного транзистора

Изменение характеристик транзистора

В примере на рис. 10.13 коэффициент усиления BF-транзистора был установлен в команде описания модели:

.MODEL BJT NPN(BF=80)

Изменим в Capture это значение, возвратившись к схеме и выделив транзистор. Из главного меню выберем Edit, PSpice model. Когда на экране появится OrCAD Model Editor, измените значение Bf с 416,4 на 80. Сохраните его и выйдите из редактора модели.

Снова выполните анализ на PSpice. Нет необходимости изменять тип анализа или значения частоты. В Probe получите значение V(5) при f=100 кГц. Оно должно составлять 8,803 мВ. Теперь получим график

20·lg(V(5)/8,803 mV). 

Используйте курсор, чтобы найти частоту снижения на 3 дБ, которая должна теперь составлять f=40 МГц. Пожертвовав коэффициентом усиления, мы повысили частоту снижения на 3 дБ, расширив полосу пропускания. 

16. Операционные усилители в Capture

Идеальный операционный усилитель был представлен в главе 5 (рис. 5.1). Использование этой модели в Capture почти тривиально, но мы повторим задачу, показанную на рис. 5.4, для введения в более сложные модели.

Неинвертирующие усилители на идеальных операционных усилителях

Используйте Capture, чтобы создать новый проект с именем idealop. Схема должна быть такой же, как на рис. 5.4 (неинвертирующий усилитель на идеальном ОУ). Источник напряжения, управляемый напряжение Е имеет в PSpice четыре полюса и подключен, как показано на рис. 16.1. Задайте Vs=1 В, Ri=1 ГОм, R1=1 кОм, R2=1 кОм и коэффициент усиления E1 в 200 000 как в примере в главе 5. Для простоты выберите источник напряжения типа VDC.

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.

Рис. 16.8. Низкочастотный фильтр Баттерворта второго порядка

При анализе на PSpice используйте имя Butrwth1 и выполните вариацию частоты от 1 Гц до 100 кГц с шагом в 40 точек на декаду. Проведите моделирование и в Probe получите график выходного напряжения V(5). Выходное напряжение при низких частотах должно составлять 1,586 мВ. Использовав это значение в качестве опорного, получите график

20·lg(V(5)/1,586mB).

График приведен на рис. 16.9 и должен быть таким же, как на рис. 5.26. В выходном файле на рис. 16.10 показаны следующие параметры:

R_Rin 4 3 1Meg

Е_Е15 0 4 3 -2Е5

Рис. 16.9. Частотная характеристика фильтра Баттерворта

**** 03/02/99 14:31:31 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Butrwth1

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.AC DEC 401Hz 100kHz

.PROBE

*Netlist File:

.INC "butrwrth-SСНЕМАТIС1.net"

*Alias File

**** INCLUDING butrwrth-SCHEMATIC1.net ****

* source BUTRWRTH

C_C1  2 5 31.83nF

R_Rin 4 3 1Meg

R_R2  4 5 5.86k

R_R1  0 4 10k

R_R4  2 3 1k

R_R3  1 2 1k

V_Vi  1 0 DC 0V AC 1mV

E_E1  5 0 4 3 -2E5

С_C2  3 0 31.83nF

**** RESUMING butrwrth-SCHEMATIC1-Butrwth1.sim.cir

**** .INC "butrwrth-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING butrwrth-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

С_C1  C1(1=2 2=5 )

R_Rin Rin(1=4 2=3 )

R=R2  R2(1=4 2=5 )

R_R1  R1(1=0 2=4 )

R=R4  R4(1=2 2=3 )

R_R3  R3(1=1 2=2 )

V_Vi  Vi(+=1 -=0 )

E_E1  E1(3=5 4=0 1=4 2=3 )

С_C2  C2(1=3 2=0 )

_     _(1=1)

_     _(2=2)

_     _(3=3)

_     _(4=4)

_     _(5=5)

.ENDALIASES

**** RESUMING butrwrth-SCHEMATIC1-Butrwfth1.sim.cir ****

.END

Рис. 16.10. Выходной файл для фильтра Баттерворта

По упомянутой выше причине коэффициент усиления показан как отрицательное число, а команда псевдонима для Rin показана как

R_Rin Rin(1=4 2=3)

Это означает, что полюс 1 Rin является узлом 4, а полюс 2 Rin — узлом 3, условное направление тока через этот резистор на рисунке — вниз. Следовательно, при положительном токе через Rin напряжение на полюсе 1 также будет положительным. Если вы получите вместо этого график

20·lg(V(5)/V(1)·1,586мВ),

согласно выражению, используемому в главе 5, он будет смещен на 60 дБ по оси Y от ожидаемого результата. 

Активный полосовой резонансный фильтр

Используем схему на рис. 5.32 как другой пример активного фильтра. Начните новый проект в Capture с именем actvbpfr. Представьте идеальный ОУ, использовав Е с коэффициентом усиления 200 000 и внутренним сопротивлением Rin=1 МОм. Другие компоненты Vi=1 мВ (используется источник типа VAC), L=0,298 Гн, С=0,724 нФ, R=10 кОм, R1=10 кОм и R2=10 кОм. Сохраните схему, затем сравните ее с показанной на рис. 16.11. Подготовьте моделирование на PSpice с именем Actvbpfi. Предусмотрите вариацию по частоте с шагом в 40 точек на декаду от 1 кГц до 1 МГц. Выполните моделирование и получите график

20·lg(V(5)/(V(Vi:+)).

Рис. 16.11. Активный резонансный полосовой фильтр

Результаты показаны на рис. 16.12. На средней частоте f0=11,22 кГц коэффициент усиления фильтра равен 5,994 дБ. Выходной файл на рис. 16.13 идентифицирует компоненты и номера узлов.

Рис. 16.12. Частотная характеристика для полосового фильтра

**** 09/02/99 15:59:54 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998)

** circuit file for profile: Actvbpf1

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.AC DEC 40 1kHz 100kHz

.PROBE

*Netlist File:

.INC "actvbpfr-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING actvbpfr-SCHEMATIC1.net ****

* source ACTVBPFR

R_R1  4 0 10k

R_Rin 3 4 1Meg

R_R   3 0 10k

R_R2  4 5 10k

C_C   2 3 0.724nF

L_L   1 2 0.289H

V_Vi  1 0 DC 0V AC 1mV

E_E1  5 0 3 4 2E5

**** RESUMING actvbpfr-SCHEMATIC1-Actvbpfl.sim.cir ****

.INC "actvbpfr-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING actvbpfr-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

R_R1  R1(1=4 2=0 )

R_Rin Rin(1=3 2=4 )

R_R   R(1=3 2=0 )

R_R2  R2(1=4 2=5 )

C_C   C(1=2 2=3 )

L_L   L(1=1 2=2 )

V_Vi  Vi(+=1 -=0 )

E_E1  E1(3=5 4=0 1=3 2=4 )

_     _(1=1)

_     _(2=2)

_     _(3=3)

_     _(4=4)

_     _(5=5)

.ENDALIASES

**** RESUMING actvbpfr-SCHEMATIC1-Actvbpf1.sim.cir ****

.END

Рис. 16.13. Выходной файл для полосового фильтра

Компонент uA741

На рис. 5.9 мы использовали нашу собственную модель для ОУ, чтобы проверить частотную характеристику. Модель очень хороша для изучения частотных характеристик, но она не отражает свойств многочисленных реальных компонентов.

Схемные решения для реальных ОУ можно найти в подробных описаниях ОУ, таких как у Coughlin и Driscoll. Вы увидите, что было бы непрактично пытаться показать всю схему в Capture. 

Компонент uA741, имеющийся в PSpice и Capture, является достаточно точной моделью, которую мы могли бы предпочесть нашей собственной модели. При анализе, в дополнение к другим навесным компонентам, необходимо использовать два источника постоянного тока.

Частотная характеристика uA741

Используем снова значения из примера в начале этой главы, чтобы можно было сравнить нашу модель с более совершенной моделью uA741.

Начните в Capture проект с именем opamp. Когда компонент из библиотеки eval появится на рабочем поле, вы обнаружите у него семь уже пронумерованных полюсов. Это несколько необычно при первом знакомстве, но в дальнейшем не вызывает трудностей.

Обозначение узлов подсхемы

Ситуация станет яснее, когда мы установим, что эти номера содержатся в подпрограмме и не являются номерами узлов основной схемы. Обратитесь к разделу «Использование подсхем при моделировании операционных усилителей» в главе 5 для подробного ознакомления с этой темой. Обратите также внимание на использование узлов a, b и с в подсхеме на рис. 5.13, но не в распечатке главного файла. Узлы, показанные на обозначении uA741 (узлы от 1 до 7), не будут узлами в схемном файле.

Продолжите теперь размещать компоненты в схеме, как показано на рис. 16.14. Используйте источник типа VAC для Vs, VDC для V+ и V– и компонент R для R1 и R2. Когда схема будет соединена проводниками, убедитесь, что имеется просто пересечение проводов слева от R2 (у узла 2), а не подключение. Пронумеруйте узлы (с помощью Place, Netlist), как показано на рисунке, сохраните схему и подготовьте моделирование с именем Opamp1. Выполните вариацию по частоте с шагом в 40 точек на декаду от 100 Гц до 1 МГц. Затем получите график

20·lg(V(UI:OUT)/V(Vs:+)).

Рис. 16.14. Схема с ОУ uA741

Результаты показаны на рис. 16.15. Сравните этот график с полученным в предыдущем примере при использовании собственной модели в Capture (рис. 16.9). Убедитесь, что коэффициент усиления на средней частоте равен 27,957 дБ.

Рис. 16.15. Частотная характеристика ОУ uA741

**** 09/02/99 17:27:56 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit tile for profile: Opamp1

*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 "opamp-SCHEMATIC1.net"

* Alias File:

**** INCLUDING opamp-SCHEMATIC1.net ****

* source OPAMP

X_U1 1 2 3 4 5 uA741

R_R2 2 5 240k

R_R1 0 2 10k

V_V- 0 4 15V

V_V+ 3 0 15V

V_Vs 10 DC 0 V AC 1mV

**** RESUMING opamp-SCHEMATIC1-Opamp1.sim.cir ****

.INC "opamp-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING opamp-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

X_U1 U1(+=1 -=2 V+=3 V-=4 OUT=5 )

R_R2 R2(1=2 2=5 )

R_R1 R1(1=0 2=2 )

V_V- V-(+=0 -=4 )

V_V+ V+(+=3 -=0 )

V_Vs Vs(+=1 -=0 )

_    _(1=1)

_    _(5=5)

_    _(4=4)

_    _(2=2)

_    _(3=3)

.ENDALIASES

**** RESUMING opamp-SСНЕМАTIC-Opamp1.sim.cir ****

.END

**** Diode MODEL PARAMETERS

X_U1.dx

IS 800.000000E-18

RS 1

**** BJT MODEL PARAMETERS

   X_U1.qx

   NPN

IS 800.000000E-18

BF 93.75

NODE VOLTAGE NODE     VOLTAGE   NODE      VOLTAGE NODE      VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2)     20.64E-06 ( 3)      15.0000 ( 4)     -15.0000

( 5) .0197   (X_U1.6) 26.12E-06 (X_U1.7) -.0780   (X_U1.8) -.0780

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME  CURRENT

V_V- -1.667E-03

V_V+ -1.667E-03

V_Vs -7.972E-06

TOTAL POWER DISSIPATION 5.005-02 WATTS

Рис. 16.16. Выходной файл для схемы с ОУ uA741

Рассматривая выходной файл на рис. 16.16, обратите внимание на ссылку, касающуюся uA741, в файле псевдонимов

X_U1 1 2 3 4 5 uA741

Необходимо отметить, что узлы от 1 до 5 — это узлы с номерами схемы, а не с теми, что помещены в условном обозначении uA741. Узлы 1 и 2 используются для неинвертирующего и инвертирующего входов, узлы 3 и 4 — для плюса и минуса источника постоянного напряжения соответственно, а узел 5 — для выхода. В конце командной строки приведен символ идентификации uA741. В списке псевдонимов мы находим

X_U1 U1(+=1 -=2 V+=3 V-=4 OUT=5)

Запись X обращается к подпрограмме, в которой описана модель для U1, символы «плюс» и «минус» относятся к входным полюсам и так далее. На рис. 16.16 приведена лишь небольшая часть выходного файла, которая показывает, что в модель ОУ включены различные компоненты, такие как диоды, транзисторы и прочие.

Так как библиотечная модель для ОУ очень сложна, используйте ее только тогда, когда почувствуете, что более простая модель идеального ОУ (рис. 5.2, б) или модель для частотной характеристики (рис. 5.9) не могут обеспечить достаточной точности анализа.

Использование uA741 в качестве детектора уровня

Схема на рис. 16.17 используется в качестве детектора уровня входного напряжения V1. Создайте эту схему в Capture с именем leveldet. Используйте VPWL для V1, VDC для Vref=3 В, V+=9 В и V–=9 В. Затем добавьте в схему резистор RL=4,8 кОм и заземление. При двойном щелчке на символе V1 появляется окно (электронная таблица), в которое могут быть введены пары значений напряжение-время (до 10 пар). Так как более поздние времена и соответствующие им напряжения расположены слева, введем сначала V6 и T6 и продолжим, пока не введем все пары напряжения-времени. Значения должны быть следующими: (0V, 1s), (-3V, 0,8s), (-5V, 0,6s), (5V, 0,4s), (3V, 0,2s), (0V, 0s). Сохраните схему после введения всех компонентов и подготовьте PSpice-анализ с именем levels. Проведите анализ переходных процессов с шагом в 1 мс на интервале в 1 с.

Рис. 16.17. Схема детектора уровня

Проведите моделирование и получите в Probe графики как входного напряжения V(V1:+), так и выходного напряжения V(U1:OUT). Убедитесь, что график V1 следует за заданным графиком напряжения-времени. Графики, приведенные на рис. 16.18, показывают, что только до момента, когда входное напряжение достигает 3 В, выходное напряжение равно 8,6 В (немного меньше, чем V+=9 В). Когда входное напряжение превышает 3 В, выходное напряжение понижается до -8,6 В и остается на этом уровне, пока входное напряжение не упадет ниже 3 В, затем процесс повторяется. Так как входное напряжение Vi подается на инвертирующий вход ОУ, после достижения порогового напряжения Vref, выходное напряжение снижается.

Рис. 16.18. Входное и выходное напряжения для детектора уровня

**** 10/09/99 15:34:48 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: levels

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.TRAN 0 1s 0 1ms

.PROBE

*Netlist File:

.INC "leveldet-SCHEMATIC1.net"

*Alias Files

**** INCLUDING leveldet~SCHEMATIC1.net ****

* source LEVELDET

R_RL   5 0 4.8k

X_U1   2 1 3 4 5 uA741

V_V-   0 4 9V

V_V+   3 0 9V

V_Vref 2 0 3V

V_V1   1 0

+PWL 0s 0V 0.2s 3V 0.4s 5V 0.6s -5V 0.8s -3V 1s 0V

**** RESUMING leveldet-SCHEMATIC1-levels.sim.cir ****

.INC "leveldet-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING leveldet-SCHEMATICl.als ****

.ALIASES

R_RL   RL(1=5 2=0 )

X_U1   U1(+=2 -=1 V+=3 V+=4 OUT=5 )

V_V-   V-(+=0 -=4 )

V_V+   V+(+=3 -=0 )

V_Vref Vref(+=2 -=0 )

V_V1   V1(+=1 -=0 )

_      _(1=1)

_      _(2=2)

_      _(3=3)

_      _(4=4)

_      _(5=5)

.ENDALIASES

**** RESUMING leveldet-SCHEMATIC1-levels.sim.cir ****

.END

** circuit file for profile: levels **** Diode MODEL PARAMETERS

   X_U1.dx

IS 800.000000E-18

RS 1

**** BJT MODEL PARAMETERS

   X_U1.qx

   NPN

IS 800.000000E-18

BF 93.75

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

NODE VOLTAGE NODE     VOLTAGE NODE     VOLTAGE NODE     VOLTAGE

( 1) 0.0000 ( 2)      3.0000  ( 3)     9.0000  ( 4)    -9.0000

( 5) 8.6136 (X_U1.6) -1.5163  (X_U1.7) 8.7041  (X_U1.8) 8.7041

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME    CURRENT

V_V-   -1.006E-03

V_V+   -9.903E-04

V_Vref -1.619E-07

V_V1    9.026E-12

TOTAL POWER DISSIPATION 1.80E-02 WATTS

Рис. 16.19. Выходной файл для детектора уровня

В выходном файле на рис. 16.19 приведена следующая командная строка:

V_V1 1 0

+PWL 0s 0V 0.2S 3V 0.4s 5V 0.6s -5V 0.8s -3V 1s 0V

Согласно этой записи V1 является кусочно-линейным (PWL) источником напряжения с парами время-напряжение, размещаемыми в нормальном порядке, то есть с начальными значениями времени и напряжения слева. При работе непосредственно в PSpice обычно используются круглые скобки, чтобы сгруппировать пару время-напряжение, хотя делать это не обязательно.

Фазосдвигающее устройство на операционном усилителе

Фазосдвигающее устройство может быть построено на базе uA741 при использовании резисторов и конденсатора, как показано в рис. 16.20. Создайте проект с именем phshiftr и постройте схему в Capture, воспользовавшись компонентом VSIN для Vi, чтобы получить график переходного процесса в Probe. Фазовый угол задан формулой

θ = 2 arctan 2πfR3C1.

Рис. 16.20. Фазосдвигающее устройство на базе ОУ uA741 

Значение R3 связано другими элементами уравнением

Для этого примера, желателен сдвиг фазы на -90°, то есть выходное напряжение должно отставать от входного на 90°. При использовании С=0,01 мкФ и f=1 кГц зададим R3=15,9 кОм. Значения для R1 и R2 должны быть одинаковы, выберем приемлемое значение в 100 кОм. После введения и сохранения схемы подготовьте моделирование на PSpice с именем Phshift1. Проведите анализ переходных процессов для двух полных периодов (2 мс) с максимальным шагом в 1 мкс.

Выполните моделирование и снимите в Probe графики V(Vi: +) и V(RL:1). 

Результаты показаны на рис. 16.21. Чтобы измерить сдвиг фазы, используйте второй период и обратите внимание, что максимум входного напряжения приходится на время t=1,25 мс, в то время как максимум выходного — на время t=1,5 мс, что соответствует сдвигу в 90°. Поскольку выполнялся анализ переходных процессов, выходное напряжение слегка искажено. Обратите внимание на перерегулирование на первом положительном периоде. Распечатайте выходной файл и сравните ваши результаты с рис. 16.22.

Рис. 16.21. Временные диаграммы для фазосдвигающего устройства на базе ОУ uA741 

**** 09/03/99 12:09:25 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) *************

** circuit file for profile: Phshift1

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.TRAN 0 2ms 0 2us

.PROBE

*Netlist File:

.INC "phshiftr-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING phshiftr-SCHEMATIC1.net ****

* source PHSHIFTR

X_U1 4 2 5 6 3 uA741

С_C1 4 0 0.01uF 

R_RL 3 0 4.8k

R_R3 1 4 15.9k

R_R2 2 3 100k

R_R1 1 2 100k

V_Vi 1 0

+SIN 0 2V 1kHz 0 0 0

V_V- 0 6 12V

V_V+ 5 0 12V

**** RESUMING phshiftr-SCHEMATIC1-Phshift1.sim.cir ****

.INC "phshiftr-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING phshiftr-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

X_U1 U1(+=4 -=2 V+=5 V-=6 OUT=3 )

C_C1 C1(1=4 2=0 )

R_RL RL(1=3 2=0 )

R_R3 R3(1=1 2=4 )

R_R2 R2(1=2 2=3 )

R_R1 R1(1=1 2=2 )

V_Vi Vi(+=1 -=0 )

V_V- V-(+=0 -=6 )

V_V+ V+(+=5 -=0 )

_    _(1=1)

_    _(2=2)

_    _(3=3)

_    _(4=4)

_    _(5=5)

_    _(6=6)

.ENDALIASES

**** RESUMING phshiftr-SCHEMATIC1-Phshift1.sim.cir ****

.END

** circuit file for profile: Phshift1

**** Diode MODEL PARAMETERS

**** BJT MODEL PARAMETERS

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

NODE VOLTAGE NODE  VOLTAGE NODE      VOLTAGE   NODE     VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) -.0012   ( 3)      .0055     ( 4)    -.0013

( 5) 12.0000 ( 6) -12.0000 (X_U1.6) -535.1E-09 (X_U1.7) .0055

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME  CURRENT

V_Vi -9.221E-08

V_V- -1.337E-03

V_V+ -1.337E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 3.21E-02 WATTS

Рис. 16.22. Выходной файл для фазосдвигающего устройства на базе ОУ uA741

Фазосдвигающее устройство с использованием идеального операционного усилителя

Простая схема фазосдвигающего устройства не требует использования компонента uA741 в Capture. Чтобы не усложнять анализ, предпочтительнее использовать схему на идеальном ОУ, представленную на рис. 5.3. Создайте проект с именем phshidel и используйте компонент VSIN для Vi, как в предыдущем примере. Коэффициент усиления для Е1 равен 200 000. Введите и сохраните схему, затем выполните анализ, аналогичный предыдущему. Получите графики входного напряжения V(1) и выходного V(4) и сравните ваши результаты с полученными при использовании uA741. Результаты должны быть почти идентичны. Эти графики показаны на рис. 16.24, и схема выходной листинг с распечатанными компонентами и псевдонимами показан на рис. 16.25.

Рис. 16.23. Фазосдвигающее устройство на базе идеального ОУ 

Рис. 16.24. Временные диаграммы для фазосдвигающего устройства на базе идеального ОУ

**** 09/03/99 15:47:13 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Phshidel

*Libraries: * Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.TRAN 0 2ms 0 1us

.PROBE

*Netlist File:

.INC "phshidel-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING phshide1-SCHEMATIC1.net ****

* source PHSHIDEL

R_RL 4 0 4.8k

R_R3 1 3 15.9k

R_R2 2 4 100k

R_R1 1 2 100k

V_Vi 1 0

+SIN 0 2V 1kHz 0 0 0 C_C1 3 0 0.01uF

R_Ri 3 2 1G

E_E1 4 0 3 2 200E3

**** RESUMING phshidel-SCHEMATIC1-Phshid1.sim.cir ****

.INC "phshidel-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING phshide1-SCHEMATIC1.als ****

.aliases

R_RL RL(1=4 2=0 )

R_R3 R3(1=1 2=3 )

R_R2 R2(1=2 2=4 )

R_R1 R1(1=1 2=2 )

V_Vi Vi(+=1 -=0 )

C_C1 C1(1=3 2=0 )

R_Ri Ri(1=3 2=2 )

E_E1 E1(3=4 4=0 1=3 2=2 )

_    _(1=1)

_    _(3=3)

_    _(2=2)

_    _(4=4)

.ENDALIASES

**** RESUMING phshidel-SCHEMATIC1-Phshid1.sim.cir ****

.END

Рис. 16.25. Выходной файл для фазосдвигающего устройства на базе идеального ОУ

17. Другие темы в Capture

Пользователю PSpice и Capture могут быть интересны и другие темы. Некоторые из них, однако, чаще используются в коммерческой версии Capture, например, редактор Stimulus.

Редактор Stimulus

В PSpice используются различные формы (stimuli) напряжений или токов. Формы напряжения, представляемые синусоидой, экспонентой, прямоугольными импульсами, кусочно-линейной функцией (PWL), квазигармоникой с модулируемой частотой, рассматривались в последнем разделе главы 4. Для краткого знакомства с методикой применения редактора Stimulus в Capture, рассмотрим источник синусоидального напряжения, который имеет эту форму

sin(<vo> <va> <f> <td> <df> <phase>),

где vo — напряжение смещения, va — амплитуда напряжения, f — частота, td — запаздывание, df — коэффициент затухания и phase — начальная фаза синусоидального сигнала. В PSpice команда ввода выглядит как

V 1 0 sin (0.3V 1V 500Hz 0 500 0)

Эта команда использовалась в примере главы 4 (см. полученный в результате график на рис. 4.30). С другой стороны, синусоидальный источник тока можно было бы ввести как

I 1 0 sin(0.2А 0.75А 60Hz 0 0 90)

Здесь первый параметр io — ток смещения, второй параметр ia — амплитуда тока, а остальные параметры не отличаются от приведенных в команде для источника напряжения.

Редактор Stimulus программы Capture разрешает пользователю просмотреть график заданного сигнала на экране до того, как он будет использован в схеме.

Это справедливо для всех форм напряжения, которые поддерживаются OrCAD PSpice. Однако редактор Stimulus демонстрационной версии можно использовать только для функции sin().

В качестве простого примера начнем новый проект с именем stimcase и вызовем компонент VSTIM из библиотеки SOURCSTM для формирования синусоидального напряжения. Вставьте в схему последовательную цепочку из R=1,5 Ом и L=5,3 мГн, как на рис. 2.1. Выберите свойства реализации источника напряжения (implementation) и назовите его Vsin. Затем выберите символ для формы и из главного меню выберите Edit, PSpice Stimulus. Появится окно Stimulus Editor. Если вы используете демонстрационную версию, то сможете устанавливать в этом окне атрибуты только для синусоидальной формы. Окно для установки атрибутов SIN() показано на рис. 17.1 и должно быть заполнено так, как в приведенном примере. Установите следующие значения: Offset value=2 В, Amplitude=1,5 В, Frequency(Hz)= 0 Гц, Time delay(с)=0, Damping factor(1/c)=0 и Phase angle(градусы)=90. После установки значений в окне предварительного просмотра появится диаграмма синусоидального напряжения. Оно должно иметь максимальное значение 3,5 В и минимальное 0,5 В, создавая значение двойной амплитуды 3 В (или амплитуду 1,5 В), постоянную составляющую, равную 2 В, и начальный фазовый угол 90°.

Рис. 17.1. Окно для установки атрибутов синусоидального сигнала

Когда вы нажмете OK, закрывая окно SIN Attribute, появится запрос, хотите ли вы сохранить изменения (ответьте «да») и модифицировать схемное решение (ответьте «да»). Подготовьте моделирование на PSpice, выбрав New Simulation Profile с именем Stimcas1 и выберите анализ переходных процессов во временной области для интервала в 40 мс с максимальным размером шага 40 мкс. Проведите моделирование и получите в Probe графики V(1), V(2) и I(R) на одном экране, как показано на рис. 17.2. В начале графика входное напряжение имеет значение 3,5 В, как и при предварительном просмотре формы. Другие кривые искажены из-за переходного процесса. Выберите момент, когда V(1) находится в максимуме при t=16,68 мс, затем найдите момент, когда в максимуме находится ток при t=19,143 мс. Отметьте, что ток отстает от приложенного напряжения на 2,463 мс, что соответствует 53,1°. Результаты не отличаются от полученных в соответствующем примере из главы 2.

Рис. 17.2. Временные диаграммы, полученные с использованием Stimulus Editor

В качестве упражнения убедитесь, что ток имеет величину 0,6015 А, а напряжение на катушке индуктивности равно 1,1933 В. Отметим, что в представленном примере величина входного напряжения составляет 1,5 В, в то время как в первом примере из главы 2 оно было равно 1,0 В. 

**** 10/10/99 11:38:45 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Stimcas1

**** CIRCUIT DESCRIPTION

*Libraries:

* Local Libraries :

.STMLIB ".\STIMCASE.stl"

* From [PSPICE NETLIST] section of pspieeev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.TRAN 0 40ms 0 40us

.PROBE

*Netlist File:

.INC "stimcase-SCHEMATIC1.net"

* Alias File:

**** INCLUDING stimcase-SCHEMATIC1.net ****

* source STIMCASE

L_L  2 0 5.3mH

R_R  1 2 1.5

V_V1 1 0 STIMULUS=Vsin

**** RESUMING stimcase-SCHEMATIC1-Stimcas1.sim.cir ****

.INC "stimcase-SCHEMATIC1.als"

**** INCUDING stimcase-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

L_L  L(1=2 2=0 )

R_R  R(1=1 2=2 )

V_V1 V1(+=1 -=0 )

.ENDALIASES

**** RESUMING stimcase-SCHEMATIC1-Stimcas1.sim.cir ****

.END

* E:\SPICE\STIMCASE.stl written on Sun Oct 10 11:02:54 1999

* by Stimulus Editor -- Evaluation Version 9.0

;!Stimulus Get

;! Vsin Analog

;!Ok

;!Plot Axis_Settings

;!Xrange 0s 60ms

;!Yrange 0 4

;!AutoUniverse

;!XminRes 1ns

;!YminRes 1n

;!Ok

.STIMULUS Vsin SIN( 2V 1,5V 60Hz 0 0 90 )

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

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 3.5000  ( 2) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME  CURRENT

V_V1 -2.333E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 8.17Е+00 WATTS

Рис. 17.3. Выходной файл для анализа с использованием Stimulus Editor

Выходной файл показан на рис. 17.3. Форма напряжения представляет собой синусоидальную зависимость (сдвинутую на 2 В по оси Y)

V_V1 1 0 STIMULUS=Vsin

.STIMULUS Vsin SIN( 2V 1.5V 60Hz 0 0 90 )

Выходной файл включает также ссылку на новую библиотеку STIMCASE.stl, созданную при использовании редактора Stimulus. Содержание этой библиотеки показано в выходном файле перед выводом решения для переходного процесса.

Мы заключаем, что проще использовать различные формы токов и напряжений в PSpice (как в главе 4), чем пытаться использовать единственную форму, доступную в Capture. В PSpice вышеупомянутая команда просто заменяется на

V 1 0 sin(2V 1.5V 60Hz 0 0 90)

Если вам необходимо применить источник тока или напряжения типов ехр(), pulse(), pwl(), sffm() или sin(), используйте методы, описанные в первых тринадцати главах этой книги.

Характеристики при вариации по температуре

Создайте в Capture новый проект с именем diodeswp и введите схему, показанную на рис. 17.4. Значения следующие: V1=20 В, R1=4,8 Ом, для компонента D (из библиотеки eval) выбран тип D1N4002. Цель этого анализа состоит в том, чтобы показать влияние температуры на вольт-амперную характеристику диода. Сохраните схему и подготовьте новую конфигурацию моделирования на PSpice с именем diodesws. Тип анализа — вариация для постоянных составляющих и Primary Sweep для источника постоянного напряжения V1.

Рис. 17.4. Схема с диодом для проведения вариации по температуре

Установите вариацию от 0 до 30 В с шагом в 0,1 В. Нажмите кнопку «Apply», затем выберите поле Secondary Sweep и маркер температуры. Тип вариации линейный, от 17 до 47° с шагом 10°. Температура измеряется в градусах Цельсия. Выбранные значения показаны на рис. 17.5.

Рис. 17.5. Установки моделирования для температурной вариации (temperature sweep)

Проведите моделирование и, представив в Probe напряжение V(D:1) по оси X, получите затем график I(D). Будет выведено семейство из четырех кривых. Крайняя левая кривая соответствует самой высокой температуре, в то время как крайняя правая — самой низкой. Промаркируйте их соответственно. Сравните ваши результаты с графиками на рис. 17.6.

Рис. 17.6. Влияние температуры на характеристики диода D1N4002

**** 10/10/99 19:54:57 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profiles Diodesws *Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NЕТLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.DC LIN V_V1 0V 30V 0.1V

+ LIN TEMP 17 47 10

.PROBE

*Netlist File:

.INC "diodeswp-SCHEMATIC1.net"

* Alias File:

**** INCLUDING diodeswp-SCHEMATIC1.net ****

* source DIODESWP

D_D  2 0 D1N4002

R_R1 1 2 4.8k

V_V1 1 0 20V

**** RESUMING diodeswp-SCHEMATIC1-Diodesws.sim.cir ****

.INC "diodeswp-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING diodeswp-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

D_D  D(1=2 2=0 )

R_R1 R1(1=1 2=2 )

V_V1 V1(+=1 -=0 )

_    _(1=1)

_    _(2=2)

.ENDALIASES

**** RESUMING diodeswp-SCHEMATIC1-Diodesws.sim.cir ****

.END

** circuit file for profile: Diodesws

**** Diode MODEL PARAMETERS

    D1N4002

IS  14.110000Е-09

N   1.984

ISP 100.000000E-12

IKF 94.81

BV  100.1

IBV 10

RS  .03389

TT  4.761000E-06

CJO 51.170000E-12

VJ  .3905

M   .2762

Рис. 17.7. Выходной файл вариации по температуре

В выходном файле (рис. 17.7) показана директива анализа

.DC LIN V_V1 0V 3 0V 0.1V

+ LIN TEMP 17 47 10

но отсутствует информация о рабочей точке, и мы заключаем, что этот тип задач в PSpice обрабатывается лучше, чем в Capture. В PSpice достаточно было бы просто поместить директиву .ОР во входном файле, чтобы получить в выходном файле значения рабочей точки.

Изменение напряжения зенеровского пробоя

Поскольку в демонстрационной версии PSpice доступен лишь один тип зенеровского диода — D1N750, вам необходимо будет изменять напряжение пробоя, чтобы ввести в схему диод другого типа. Начните в Capture новый проект с именем zener. Введите схему, показанную на рис. 17.8, с источником постоянного тока V1=12 В, R=500 Ом и диодом D1N750 из библиотеки eval. Закончив рисунок, выберите диод и из пункта Edit на главном меню выберите PSpice Model. При этом откроется окно OrCAD Model Editor, в котором появится список с описанием свойств диода. Каждой строке описания предшествует звездочка (*). Предположим, что для нашей схемы необходим диод с напряжением пробоя Bv=3,6 В. Переместите курсор на поле этого параметра на правой панели окна и замените значение 4,7 значением 3,6. Сохраните изменение, затем выйдите из Model Editor. Изменение, которое мы сделали, относится только к этому проекту и создаст новую библиотеку zener.lib в вашем каталоге Spice.

Рис. 17.8. Схема с зенеровским диодом

Сохраните схему и выберите PSpice, New Simulation Profile с именем Zener1. Выполните вариацию для постоянного тока по входному напряжению V1 от -1 до 15 В с шагом 0,01 В. При этом вы получите информацию для построения характеристики диода. Проведите моделирование и в Probe замените ось X для графика на V(D:2). По этой оси будет откладываться напряжение между узлом 2 и «землей». Получите график I(R). Ток в контуре направлен по часовой стрелке.

Возникающий в результате график показан на рис. 17.9. Как видно из него, напряжение пробоя для диода приблизительно равно 3,6 В.

Рис. 17.9. Схема изменения характеристик зенеровского диода

**** 10/11/99 15:13:42 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Zener1

*Libraries:

* Local Libraries :

.LIB ".\zener.lib"

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

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.DC LIN V_V1 -1V 15V 0.01V

.PROBE

*Netlist File:

.INC "zener-SCHEMATIC1.net"

*Alias File: **** including zener-SCHEMATIC1.net ****

* source ZENER

R_R   1 2 500

V_V1  1 0 15V

D_D 0 2 D1N750

**** RESUMING zener-SCHEMATIC1-Zener1.sim.cir ****

.INC "zener-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING zener-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

R_R  R(1=1 2=2 )

V_V1 V1(+=1 -=0 )

D_D  D(1=0 2=2 )

_    _(1=1)

_    _(2=2)

.ENDALIASES

**** RESUMING zener-SCHEMATIC1-Zener1.sim.cir ****

.END

** circuit file for profile: Zener1

**** Diode MODEL PARAMETERS

     D1N750

IS   880.500000E-18

ISR  1.859000E-09

BV   3.6

IBV  .020245

NBV  1.6989

IBVL 1.955600E-03

NBVL 14.976

RS   .25

CJO  175.000000E-12

VJ   .75

M    .5516

TBV1 -21.277000E-06

Рис. 17.10. Характеристика зенеровского диода с напряжением пробоя 3,6 В

Рассматривая выходной файл (рис. 17.10), отметим, что напряжение пробоя равно 3,6 В в соответствии с внесенным нами изменением. Имеется также директива

.LIB ".\zener.lib"

Она ссылается на новую локальную библиотеку, используемую в этом проекте. Листинг для диода:

D_D 0 2 D1N750 D_D D(1=0 2=2)

Идентифицируйте первый и второй полюсы. Первый полюс диода — анод (узел 0), второй полюс — катод (узел 2). Вспомним, что на графике по оси X отложено напряжение на узле 2 относительно земли V(D:2). Ток на оси Y графика выведен как положительный и представляет собой ток при обратном смещении.

Теперь можно получить решение для более сложной схемы, чем приведенная схема с зенеровским диодом при Bv=3,6 В. Например, для моделирования симметричного ограничителя на базе лавинных диодов (рис. 9.14), вы можете вернуться к проекту zener, добавить необходимые и удалить все лишние компоненты и затем провести анализ, аналогичный рассмотренному выше.

Другой способ изменения напряжения пробоя зенеровских диодов

В предыдущем примере использовался диод D1N750 с измененным напряжением пробоя. Программа Capture предлагает другие средства изменения параметров компонентов с помощью библиотеки breakout. Чтобы иллюстрировать это свойство, начните новый проект с именем zenerd. Схема будет содержать источник постоянного напряжения V1=12 В, R=880 Ом и новый компонент из библиотеки breakout.olb, который вы должны сделать доступным, добавив эту библиотеку в ваш проект. Выберите компонент DbreakZ, который является моделью зенеровского диода, поместите его в соответствующее место схемы и выберите Edit, PSpice Model. Появится окно OrCAD Model Editor, и на левой панели Model Name вы увидите имя модели Dbreak. Введите под ним новое имя модели: Dz3_5. В правой панели окна вы увидите

.model Dbreak D Is=1e-14 Cjo=.1pf Rs=.1

Замените эту строку следующей записью:

.model Dz3_5 D (Is=800.5E-18 Rs=.25 Ikf=0 N=1 Xti=3 Eg=1.11 Сjo=175p

+M=.5 516 Vj=.75 Fc=.5 Isr=1.859n Nr=2 Bv=3.5 Ibv=20.245m

+Nbv=1.6989)

Новая модель breakout показана на рис. 17.11 вместе со схемой. В окне Model Editor выберите File, Save. Обратите внимание, что имя диода на рисунке также заменено на Dz3_5. Подготовьте моделирование на PSpice с именем Zenerd1, затем предусмотрите линейную вариацию по V1 от -1 до 12 В с шагом в 0,05 В.

Рис. 17.11. Модель для зенеровского диода с параметрами, изменяемыми по прерыванию в процессе моделирования (breakout model)

Выполните моделирование и задайте по оси X переменную V(D1:2). Получите график I(R1). Сравните его с графиком на рис. 17.12, на котором напряжение зенеровского пробоя равно 3,5 В. В выходном файле на рис. 17.13 показаны параметры модели диода, идентифицированного как Dz3_5.

Рис. 17.12. Характеристика зенеровского диода при Bv = 3,5 В

**** 10/13/99 09:27:17 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) ***************

** circuit file for profile: Zenerd1

*Libraries:

* Local Libraries :

.LIB ".\zenerd- lib"

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

* Analysis directives:

.DC LIN V_V1 -1V 12V 0.05V

.PROBE

*Netlist File:

.INC "zenerd-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING zenerd-SCHEMATIC1.net ****

* source ZENERD

D_D1 0 2 Dz3_5

R_R1 1 2 880

V_V1 l 0 12V

**** RESUMING zenerd-schematic1-zenerd1.sim.cir ****

.INC "zenerd-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING zenerd-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

D_D1 D1(1=0 2=2 )

R_R1 R1(1=1 2=2 )

V_V1 V1(+=1 -=0 )

.ENDALIASES

**** RESUMING zenerd-schematic1-zenerd1.sim.cir ****

.END

WARNING -- Library file E:\SPICE\zenerd.lib has changed since index file zenerd.ind was created.

WARNING — The timestamp changed from Wed Oct 13 09:24.441999 to Wed Oct 13 09:27:04 1999.

Making new index file zenerd.ind for library file zenerd.lib Index has 2 entries from 1 file(s).

** circuit file for profile: Zenerd1

**** Diode MODEL PARAMETERS

    Dz3_5

IS  800.500000Е-18

ISR 1.859000E-09

BV  3.5

IBV .020245

NBV 1.6989

RS  .25

СJO 175.000000E-12

VJ  .75

M   .5516

Рис. 17.13. Выходной файл для зенеровского диода при Bv = 3,5 В

Анализ шума

В типичной схеме переменного тока шум вызывается хаотическим движением молекул в резисторах, диодах и транзисторах. Это свойство заложено в модели резисторов и полупроводниковых компонентов, используемых в PSpice. В качестве примера создадим в Capture новый проект с именем selfbs. Введите схему, показанную на рис. 17.14. Используйте компонент типа VAC для источника величиной 10 мВ и компонент Q2N3904 для транзистора. При выборе транзистора измените его коэффициент усиления, задав hFE=100, для чего, выбрав из главного меню Edit, PSpice Model, измените значение Bf на 100.

Рис. 17.14. Транзисторный усилитель, для которого проводится анализ шума

Подготовьте моделирование на PSpice с именем selfbs1. Установите для анализа шума (ас sweep/noise) логарифмическую вариацию от 10 Гц до 100 МГц (в PSpice записывается 100MegHz) с шагом 20 точек на декаду. Проверьте поле Noise Analysis Enabled. Псевдоним выходного узла Vout должен быть введен как «V(Vout)», а входным узлом для схемы будет выход источника переменного напряжения Vs. Используйте интервал 100 и щелкните OK.

Проведите моделирование на PSpice и получите график V(ONOISE), затем добавьте ось Y и получите график V(INOISE). Сравните ваши результаты с показанными на рис. 17.15. Обратите внимание, что в полезном диапазоне работы схемы, вблизи от нашей типовой частоты 5 кГц, шум на выходе равен 171,6 нВ, в то время как шум на входе составляет 1,136 нВ. Последнее значение не является шумом самого источника Vs, но представляет собой усиленный бесшумной схемой шум от эквивалентного источника, включенного на входе. Шум эквивалентного источника учитывает суммарный эффект от шума всех компонентов схемы и частотную характеристику усилителя.

Рис. 17.15. Результаты анализа шума для транзисторного усилителя 

 Чтобы увидеть влияние последнего фактора, желательно снять и саму частотную характеристику. Для этого можно получить графики входного и выходного напряжений. Они могут быть получены аналогично. Получите эти графики в выбранном диапазоне частот, использовав на сой раз V(Vout) и (V Vs:+). Как показано на рис. 17.16, при типичной рабочей частоте в 5 кГц величина выходного напряжения равна 1,51 В при величине входного напряжения в 10 мВ. Можно также видеть, что выходное напряжение падает при низких и высоких частотах.

Рис. 17.16. Частотная характеристика усилителя ОЭ

На рис. 17.17 показаны только перечень компонентов, псевдонимы и параметры смещения. Остальная часть выходного файла показана на рис. 17.18. Анализ шума сведен в таблицы только для f=10 Гц и f=1 МГц. Это определяется установкой интервала «100» в анализе шума. Если бы вместо этого было установлено значение «10», то таблица анализа шума включала бы частоты, равные 10,316 Гц, 1,316 кГц и так далее, создав 36 страниц в выходном файле. Если значение интервала установить равным 20, таблица анализа шума будет включать следующие частоты: 10, 100 Гц, 1, 10 кГц и далее соответственно.

**** 09/04/99 20:29:50 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Selfbs1

*Libraries:

* Local Libraries : .LIB

".\selfbs.lib"

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

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.AC DEC 20 10Hz 100MegHz

.NOISE V([VOUT]) V_VS 100

* PROBE

*Netlist File:

.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

V_Vs  1 0 DC 0V AC 10mV

Q_Q1  5 3 6 Q2N3904

C_C2  6 0 15uF

C_C3  5 VOUT 15uF

C_Cb  2 3 15uF

V_VCC 4 0 12V

**** RESUMING selfbs-SCHEMATIC1-Selfbs1.sim.cir ****

.INC "selfbs-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING selfbs-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

R_Rin Rin(1=VOUT 2=0 )

R_RE  RE(1=6 2=0 )

R_RC  RC(1=4 2=5 )

R_R2  R2(1=3 2=0 )

R_R1  R1(1=4 2=3 )

R_Rs  Rs(1=1 2=2 )

V_Vs  Vs(+=1 -=0 )

Q_Q1  Q1(c=5 b=3 e=6 )

С_C2  C2(1=6 2=0 )

C_C3  C3(1=5 2=VOUT )

С_Cb  Cb(1=2 2=3 )

V_VCC VCC(+=4 -=0 )

.ENDALIASES

**** RESUMING selfbs-SCHEMATIC1-Selfbs1.sim.cir ****

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   Q2N3904

   NPN

IS 6.734000E-15

BF 100

**** SMALL SIGNAL BIAS 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_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:

.DC LIN PARAM Rvar 50 5000 1

показывающую, что Rvar принимает последовательные целочисленные значения, начиная от 50 Ом до 5 кОм.

Рис. 17.23. Установка переменного параметра в окне Property Editor

Рис. 17.24. Зависимость мощности от параметра RL, снятая в режиме с переменным параметром

Использование допусков приборов

Начните в Capture новый проект с именем bridgcir. Затем введите схему, показанную на рис. 17.25. В схеме используется транзистор типа Q2N2222. В качестве входного напряжения выбран компонент VSIN с амплитудой 10 мВ и частотой f=5 кГц. Используйте значения, показанные на рисунке для резисторов, конденсаторов и источника питания постоянного тока. Установите величину допуска на параметр hFE транзистора равной ±25% следующим образом. Выберите транзистор Q1, затем из главного меню выберите Edit, PSpice Model, чтобы войти в OrCAD Model Editor.

Рис. 17.25. Схема для исследования влияния допусков транзистора на выходное напряжение

На правой панели, сразу после «Bf=255,9», напечатайте «Dev=25%». Этот допуск будет относиться к параметру Вf. Затем используйте File, Save и закройте окно. После введения схемы сохраните ее.

Анализ по методу Монте-Карло

Для подготовки к анализу выберем PSpice, New Simulation Profile с именем Bridgc1. Выберите Time Domain в качестве типа анализа, установите интервал моделирования в 400 мкс с максимальным шагом 0,4 мкс. Проверьте поле для Monte Carlo/Worst Case, используя выходную переменную V(RL:1). Установите число проходов равным 10 при однородном распределении и сохранении данных для всех проходов. Проведите моделирование и получите в Probe графики V(Rs:1) и V(RL:1), как показано на рис. 17.26. Затем в поле Tools Options главного меню выберите опцию Probe «never use symbols» (никогда не использовать символы), чтобы избежать перекрытия графиков символами.

Рис. 17.26. Результаты исследования влияния погрешности hFE транзистора методом Монте-Карло

Обратите внимание, что некоторые графики на экране больше ожидаемых или нормальных значений, в то время как другие меньше. Это результат случайного изменения hFE в пределах допуска ±25%. Используйте курсор, чтобы найти значение каждого из вторых максимумов выходного напряжения. Они должны иметь значения 8,355, 8,365 В и так далее. На графиках, показанных здесь, минимальные и максимальные значения были 8,3501 и 8,3667 В.

** circuit file for profile: Bridgc1

*Analysis directives:

.TRAN 0 400us 0 0.4us

.MC 10 TRAN V(C43) VMAX OUTPUT ALL

.PROBE

**** INCLUDING bridgcir-SCHEMATIC1.net ****

* source BRIDGCIR

R_RE  6 0 220

R_R2  3 0 3.3k

R_R1  4 3 40k

R_RL  4 5 4.7k

R_Rb  3 4 150k

R_Rs  1 2 1k

V_V1  1 0

+SIN  0 10mV 5kHz 0 0 0

V_VCC 5 0 12V

Q_Q1  4 3 6 Q2N2222

C_C2  6 0 15uF

C_C1  2 3 15uF

* *** BJT MODEL PARAMETERS

   Q2N2222

   NPN

IS 14.340000E-15

BF 255.9

MONTE CARLO NOMINAL

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 0.0000  ( 3) .7593   ( 4) 8.1468

( 5) 12.0000 ( 6) .1297

MONTE CARLO PASS 2

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 0.0000  ( 3) .7587   ( 4) 8.1580

( 5) 12.0000 ( 6) .1293

MONTE CARLO PASS 3

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 0.0000  ( 3) .7589   ( 4) 8.1541

( 5) 12.0000 ( 6) .1294

MONTE CARLO PASS 4

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 0.0000  ( 3) .7596   ( 4) 8.1414

( 5) 12.0000 ( 6) .1300

MONTE CARLO PASS 10

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 0.0000  ( 3) .7594   ( 4) 8.1460

( 5) 12.0000 ( 6) .1298

**** SORTED DEVIATIONS OF V(4) TEMPERATURE = 27.000 DEG С

MONTE CARLO SUMMARY

Mean Deviation = 2.2930E-03

Sigma = 8.2363E-03

RUN MAX DEVIATION FROM NOMINAL

Pass 5 .0151 (1.83 sigma) higher at T = 53.3150E-06

       ( 100.19% of Nominal)

Pass 2 .0128 (1.55 sigma) higher at T = 248.12001-06

       ( 100,16% of Nominal)

Pass 8 4.8375E-03 ( .59 sigma) lower at T = 50.9140E-06

       ( 99.939% of Nominal)

Pass 10 1.0772E-03 ( .13 sigma) lower at T = 246.9200E-06

        ( 99.986% of Nominal)

Рис. 17.27. Выходной файл с результатами анализа по методу Монте-Карло

 Небольшая часть выходного файла показана на рис. 17.27. Обратите внимание на две директивы, определяющие тип анализа:

.TRAN 0 400us 0 0. 4us

.МС 10 TRAN V([4]) YMAX OUTPUT ALL

Первая директива вызывает анализ переходных процессов на интервале 400 мкс, вторая — запрашивает анализ по методу Монте-Карло с 10 проходами для отклонений напряжения V(4), которое идентично V(RL:1) на графике. Внизу выходного файла после последнего результата для анализа Монте-Карло приведен раздел, показывающий сортировку отклонений напряжения на узле 4. Данные значения представляют собой среднее и среднеквадратичное отклонение. Например, в момент t=254,24 мкс при втором проходе произошло максимальное отклонение в 100,16% от номинального значения.

Анализ на наихудший случай

При предыдущем моделировании мы выполнили анализ по методу Монте- Карло, установив в окне условия в Monte Carlo/Worst Case. То же самое окно может использоваться для анализа на наихудший случай при выборе Worst Case/Sensitivity. Выходная переменная по-прежнему V(RL:1), но при выборе Worst Case/Sensitivity в поле опций необходимо выбрать «Vary devices that have only DEV tolerances» (Изменять только компоненты, которые имеют допуски DEV). Проверьте поле «Save data from each sensitivity run» (Сохранять данные прохода для каждой чувствительности) и выберите кнопку «More Settings». В следующем окне выберите «Find the maximum value (MAX)» (Находить максимальное значение) и используйте опцию «high».

Проведите моделирование и получите в Probe графики V(Rs:1) и V(RL:1), как показано на рис. 17.28. Убедитесь, что уровень смещения при выводе V(RL:1) для каждого прохода составляет 8,1468, 8,1468 и 8,1603 В, максимум для 1-го и 2-го проходов равен 8,355 В, а для 3-го прохода — 8,3668 В. Значение минимума для 1-го и 2-го проходов равно 7,9391 В, а для 3-го прохода — 7,9542 В.

Рис. 17.28. Временные диаграммы при анализе на наихудший случай

В итоге мы установили, что изменения параметра hFE в пределах допуска не оказывают существенного влияния на стабильность параметров усилителя.

Влияние допуска резисторов на анализ наихудшего случая

В только что проведенном анализе мы изменяли только коэффициент hFE транзистора. Каким был бы анализ на наихудший случай, при выборе резистора в качестве изменяемого фактора допуска на сопротивление? Чтобы упростить исследование, будем изменять только значение RL. Заменим представленный в схеме резистор RL компонентом «Rbreak» из библиотеки breakout. Установим сопротивление RL=4,7 кОм, как и прежде, затем выделим компонент на схеме и выберем Edit, PSpice Model. В окне OrCAD Model Editor измените запись на правой панели следующим образом:

.model Rbreak RES R = 1 DEV = 20%

Здесь «R=1» означает, что множитель для сопротивления равен 1; запись «DEV=20%» задает допуск в 20% на изменение сопротивления. Схема приведена на рис. 17.29. Сохраните изменения, подготовьте моделирование для анализа на наихудший случай, как в предыдущем примере. Напомним, что теперь и коэффициент усиления транзистора hFE и сопротивление RL будут изменяться в пределах допуска. Выполните моделирование и обратите внимание, что в PSpice выполняется четыре вида анализа на чувствительность: 1) номинальную, 2) по коэффициенту усиления BF транзистора Q_Q1 Q2N2222, 3) по сопротивлению R резистора R_RL Rbreak и 4) на наихудший случай, учитывающий допуски всех компонентов. Как и прежде получите в Probe графики V(Rs:1) и V(RL:1). На экране появится всего восемь графиков (рис. 17.30). Значительное отличие этого набора графиков от полученного ранее заключается в смещении графика выходного напряжения. Выбрав опцию «Use Symbol Always» (Всегда использовать символы), идентифицируйте каждую кривую по номеру прохода.

Рис. 17.29. Схема усилителя, использующая резистор из библиотеки breakout

Рис. 17.30. Результаты анализа на наихудший случай при одновременном изменении Q1 и RL

Использование курсора показывает, что нижняя кривая выходного напряжения имеет постоянную составляющую в 8,1468 В. Проверьте это, измеряя размах напряжения с помощью курсора. Верхняя кривая выходного напряжения V(RL:1), связанная с модифицированной осью Y, имеет постоянную составляющую в 8,4843 В, которая может быть определена аналогичным образом.

В выходном файле напряжение V(RL:1) идентифицировано как напряжение узла V(4). Оно имеет значение 8,1468 В, как для номинальной чувствительности, так и для чувствительности по коэффициенту усиления BF транзистора. Оно равно 8,4843 В для наихудшего случая, учитывающего допуски всех устройств. Часть выходного файла показана на рис. 17.31.

** circuit file for profile: Bridgc1

*Libraries:

* Local Libraries :

.LIB ".\bridgcir.lib"

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

* Analysis directives:

.TRAN 0 400us 0 0.4us

.WCASE TRAN V( [4]) MAX OUTPUT ALL VARY DEV HI

.PROBE

WARNING Library file e:\spice\bridgcir.lib has changed since index file bridgcir.ind was created.

WARNING -- The timestamp changed from Sun Sep 05 21:51:14 1999 to Hon Sep 06 10:22:00 1999.

Making new index file bridgcir.ind for library file bridgcir.lib Index has 2 entries from 1 file(s).

**** BJT MODEL PARAMETERS

   Q2H2222

   NPN

IS 14.340000E-15

BF 255.9

**** Resistor MODEL PARAMETERS

  Rbreak

R 1

SENSITIVITY NOMINAL

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 0.0000  ( 3) .7593  ( 4) 8.1468

( 5) 12.0000 ( 6) .1297

SENSITIVITY Q_Q1 Q2N2222 BF

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 0.0000  ( 3) .7593   ( 4) 8.1468

( 5) 12.0000 ( 6) .1297

SENSITIVITY R_RL RBREAK R

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 0.0000  ( 3) .7592   ( 4) 8.1454

( 5) 12.0000 ( 6) .1296

SORTED DEVIATIONS OF V(4) TEMPERATURE = 27.000 DEG С

SENSITIVITY SUMMARY

RUN             MAXIMUM VALUE

NOMINAL         8.355 at T = 149.3200E-06

Q_Q1 Q2N2222 BF 8.355 at T = 149.3200E-06

                ( -4.2233E-03% change per 1% change in Model Parameter)

R_RL Rbreak R   8.3536 at T = 149.3200E-06

                ( -.169 % change per 1% change in Model Parameter)

WORST CASE ALL DEVICES

DEVICE MODEL   PARAMETER NEW VALUE

Q_Q1   Q2N2222 BF        191.93 (Decreased)

R_RL   Rbreak  R         .8 (Decreased)

NODE VOLTAGE  NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2)  0.0000  ( 3) .7870   ( 4) 8.4843

( 5) 12.0000 ( 6)  .1532

**** SORTED DEVIATIONS OF V(4) TEMPERATURE = 27.000 DEG С

WORST CASE SUMMARY

RUN MAXIMUM VALUE

ALL DEVICES 8.6882 at T = 149.3200E-06

            ( 103.99% of Nominal)

NOMINAL     8.355 at T = 149.3200E-06

Рис. 17.31. Часть выходного файла для анализа на наихудший случай

Цифровые схемы в Capture

В Capture OrCAD имеется большой выбор цифровых устройств. Начнем новый проект с именем norgate и выберем Place, Part, перейдя к библиотеке eval. Начиная с компонентов 5550, 7400, 7401, …, вы увидите большой выбор цифровых компонентов, включая логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ-инверторы, И-ИЛИ-инверторы, JK-триггеры, ведущие-ведомые триггеры, 2-разрядные двоичные полные сумматоры и другие. Все перечисленные устройства доступны в демонстрационной версии OrCAD.

Схема ИЛИ-НЕ

В последнем примере главы 9 мы рассматривали логическую схему 7400: 2-входовую схему ИЛИ-НЕ. В качестве источников V1 и V2 были использованы источники напряжения типа PWL с выходным напряжением в виде последовательностей импульсов, представляющих уровни логических нулей и единиц. Эта схема может быть введена и в Capture OrCAD, как показано на рис. 17.32. Чтобы создать V1 и V2, выберем компонент типа VPWL. Вспомним, как были описаны два источника в примере из главы 9:

V1 1 0 PWL(0s 0V 0.1ms 1V 1s 1V 1.0001S 0V

+ 2s 0V 2.0001s 1V 3s 1V 3.0001s 0V 4s 0V 4.0001s 1V 5s 1V)

V2 2 0 PWL((0s 0V 1.5s 0V 1.50001s 1V 2.5s 1V 2.50001s 0V

+ 3.5s 0V 3.50001s 1V 3.70001s 0V 5s 0V)

Рис. 17.32. Схема для исследования логического элемента И-НЕ 

Войдя в Capture, дважды щелкните на компоненте V1 и в появившемся окне Property Editor введите следующие пары время-напряжение: «0s 0V 0.1ms 1V 1s 1V 1.0001s 0V 2s 0V 2.0001s 1V 3s 1V 3.0001s 0V 4s 0V 4.0001s 1V». Отметим, что в Capture можно ввести только 10 пар время-напряжение, в то время как в PSpice их число не ограничено. Дважды щелкните на компоненте V2 и введите следующие пары время-напряжение: «0s 0V 1,5s 0V 1,50001s 1V 2,5s 1V 2,50001s 0V 3,5s 0V 3,50001s 1V 3,7s 1V 3,70001s 0V 5s 0V». Завершите схему, выбрав Place, Net Alias для узлов 1, 2 и Vout. Сохраните схему и подготовьте в PSpice новое моделирование с именем Norgate1. Выберите анализ переходных процессов на интервале t=5 мс с максимальным размером шага в 1 мс. Проведите анализ и получите в Probe графики V(1) и Vout, a V(2) — на отдельном графике, как показано на рис. 17.33. Курсор на рисунке показывает, что при t=1,2 с, когда и V(1) и V(2) равны логическому нулю, выход Vout равен логической единице. Уровни для обоих входных напряжений на этом графике совпадают с сеткой, что несколько затемняет картину.

Рис. 17.33. Диаграммы входных к выходного напряжений для элемента И-НЕ 

Небольшая часть выходного файла показана на рис. 17.34. Интереснее всего проследить, как входные напряжения задаются в соответствующих командах. В состав этой схемы входят как аналоговые, так и цифровые схемы, аналоговые источники VPWL подключены к логическому элементу И-НЕ 7402. Это заставляет программу PSpice создавать набор аналого-цифровых интерфейсов, что вносит в простой проект излишние осложнения.

**** 09/06/99 14:20:30 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profiles Norgate1

*Libraries:

* Local Libraries :

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.TRAN 0 5s 0 1ms

.PROBE

*Netlist File:

.INC "norgate-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING norgate-SCHEMATIC1.net ****

* source NORGATE

V_V2 2 0

+PWL 0s 0V 1.5s 0V 1.50001s 1V 2.5s 1V 2.50001s 0V 3.5s 0V 3.50001s 1V 3.7s 1V

+ 3.70001s 0V 5s 0V V_V1 1 0

+PWL 0s 0V 0.1ms 1V 1s 1V 1.0001s 0V 2s 0V 2.0001s 1V 3s 1V 3.0001s 0V 4s 0V

+ 4.0001s 1V

X_U1A 1 2 VOUT $G_DPWR $G_DGNV 7402 PARAMS:

+ IO_LEVEL=0 MNTYMXDLY=0

**** RESUMING norgate-SCHEMATIC1-Norgate1.sim.cir ****

.INC "norgate-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING norgate-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

V_V2  V2(+=2 -=0 )

V_V1  V1(+=1 -=0 )

X_U1A U1A(A=1 B=2 Y=VOUT VCC=$G_PWR GND=$G_DGND )

**** Generated AtoD and DtoA Interfaces ****

Рис. 17.34. Выходной файл для логического элемента ИЛИ-НЕ

Схема полусумматора

На самом деле нет необходимости использовать источник типа VPWL, чтобы обеспечить входные импульсы для цифровой схемы. Начните новый проект, использующий имя half. Библиотека Sourcestm содержит компонент DigStim1, условное обозначение которого показано на рис. 17.35, наряду с двумя другими компонентами из библиотеки eval: 2-входовой схемой исключающего ИЛИ 7486 и 2-входовой схемой И 7408. К выходу каждой из логических схем подключен короткий отрезок провода. Выходу компонента 7486, присвоен псевдоним «Sum», а выходу компонента 7408 — псевдоним «Carry».

Рис. 17.35. Схема полусумматора

Выберите цифровую форму выходного напряжения под заголовком (А) с помощью Edit, PSpice Stimulus, New Stimulus, Digital, Clock, чтобы ввести цифровой таймер с именем Clock1. Установите параметры: частота 1 кГц, коэффициент заполнения 0,5, начальное значение 1 и нулевое запаздывание. 

Закройте редактор Stimulus и, модифицировав схему, сохраните изменения. Выберите теперь цифровую форму выходного напряжения под заголовком (В) с помощью Edit, PSpice Stimulus, New Stimulus, Digital, Clock, чтобы ввести цифровой таймер с именем Clock2. Он должен иметь параметры f=2 кГц, коэффициент заполнения 0,5, нулевое начальное значение и нулевое запаздывание. Редактор Stimulus отображает форму выходного сигнала для двух таймеров, как показано на рис. 17.36.

Рис. 17.36. Редактор Stimulus, показывает входные сигналы Clock1 и Clock2 

Подготовьте моделирование на PSpice с именем Half1. Выполните анализ переходных процессов на интервале в 2 мс с максимальным размером шага в 2 мкс. Проведите анализ и получите в Probe графики сигналов А, В, Sum, Carry (рис. 17.37). Если использовать курсор, то уровни этих сигналов будут показаны как единицы или нули. Как показано на рисунке, при t=1,4 мс получаются значения: А=1, В=1, Sum=0 и Carry=1. Часть выходного файла показана на рис. 17.38. При таком формировании входных сигналов не возникает необходимости в создании интерфейсов перехода от аналоговых к цифровым сигналам и обратно, так как используются только цифровые сигналы. В перечне элементов через U обозначаются компоненты с цифровым выходом, а через X — подсхемы.

Рис. 17.37. Входные и выходные сигналы для полусумматора

**** 10/18/99 21:28:59 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Half1

*Libraries:

* Local Libraries :

.STMLIB ".\HALF.stl"

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib "nom.lib"

* Analysis directives:

.TRAN 0 2ms 0 2us

.PROBE

*Netlist File:

.INC "half-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING half-SCHEMATIC1.net ****

* source HALF

U_DSTM2 STIM(1,0) $G_DPWR $G_DGND В IO_STM STIMULUS=Clock2

U_DSTM1 STIM(1,0) $G_DPWR $G_DGND A IO_STM STIMULUS=Clock1

X_U2A   А В SUM $G_DPWR $G_DGND 7486 PARAMS:

+ IO_LEVEL=0 MNTYMXDLY=0

X_U1A   А В CARRY $G_DPWR $G_DGND 7408 PARAMS:

+ IO_LEVEL=0 MNTYMXDLY=0

**** RESUMING half-schematic1-half1.sim.cir ****

.INC "half-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING half-SCHEMATIC1.als ****

**** RESUMING half-schematicl-half1.sim.cir ****

.END

* E:\SPICE\HALF.stl written on Mon Sep 06 17:58:50 1999

* by Stimulus Editor — Evaluation Version 9.0 ;!Stimulus Get

;! Clock1 Digital Clock2 Digital

;!Ok

;!Plot Axis_Settings

;!Xrange 0s 4ms

;!AutoUniverse

;!XminRes 1ns

;!YminRes 1n

;!Ok

.STIMULUS Clock1 STIM (1, 1) ;! CLOCK 1kHz 0.5 1 0

+ +0s 1

+ +500us 0

+ Repeat Forever

+  +500us 1

+  +500us 0

+ EndRepeat

.STIMULUS Clock2 STIM (1, 1) ;! CLOCK 2kHz 0.5 0 0

+ +0s 0

+ +250us 1

+ Repeat Forever

+  +250us 0

+  +250us 1

+ EndRepeat

.STIMULUS Clock2 STIM (1, 1) ;! CLOCK 2kHz 0.5 0 0

+ +0s 0

+ +250us 1

+ Repeat Forever

+  +250us 0

+  +250us 1

+ EndRepeat

Рис. 17.38. Выходной файл для полусумматора

Схема для упрощения с использованием булевых функций

Цифровая схема, показанная на рис. 17.39, состоит из двух источников сигнала, одного элемента И-НЕ, и двух элементов ИЛИ-НЕ. Начните новый проект с именем mix и разместите компоненты, как показано на рисунке. В качестве учебного упражнения найдите таблицу истинности для схемы, затем на бумаге составьте булевые функции для схемы и упростите ее.

Рис. 17.39. Схема для упрощения с использованием булевых функций

Источники сигналов для нашего проекта должны быть такими же, как в предыдущем примере, в котором использовались компоненты DigStiml из библиотеки sourcstm. Один из таймеров (DSTIM1) имеет частоту f=1 кГц, а другой (DSTM2) — f=2 кГц. Оба таймера в начале моделирования обнулены. Используйте Place, Net Alias, чтобы маркировать узлы А, В, С, D и Vout. Подготовьте моделирование с именем mix1. Вызовите анализ переходных процессов на интервале в 2 мс с максимальным шагом в 2 мкс.

Проведите моделирование и получите в Probe все сигналы, как показано на рис. 17.40. Воспользуйтесь курсором, чтобы найти сигналы на выходах С, D, и Vout в различные моменты времени. Как следует из рисунка, при t=0,8 мс получаем А=1, В=1, С=0, D=0 и Vout=1. Убедитесь в соответствии этих результатов вашим таблицам истинности для каждой логической схемы. На рис. 17.41 показана часть выходного файла.

Рис. 17.40. Входные и выходные сигналы в схеме для упрощения

**** 09/06/99 20:30:17 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Mix1

*Libraries:

* Local Libraries :

.STMLIB ".\MIX.stl"

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.TRAN 0 2ms 0 2us

.PROBE

*Netlist File:

.INC "mix-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING mix-SCHEMATIC1.net ****

* source MIX

U_DSTM2 STIM(1,0) $G_DPWR $G_DGND В IO_STM STIMULUS=Clock2

U_DSTM1 STIM(1,0) $G_DPWR $G_DGND A IO_STM STIMULUS=Clock1

X_U3A   С D VOUT $G_DPWR$G_DGND 7402 PARAMS:

+ IO_LEVEL=0 MNTYMXDLY=0

X_U2A   А В D $G DPWR $G_DGND 7400 PARAMS:

+ IO_LEVEL=0 MNTYMXDLY=0

X_U1A   ABC $G_DPWR $G_DGND 7402 PARAMS:

+ IO_LEVEL=0 MNTYMXDLY=0

**** RESUMING mix-SCHEMATIC1-Mix1.sim.cir ****

.INC "mix-SСHEMATIC1.als"

**** INCLUDING mix-SCHEMATICl.als ****

.ALIASES

.END

* E:\SPICE\MIX.stl written on Mon Sep 06 20:26:10 1999

* by Stimulus Editor — Evaluation Version 9.0

;!Stimulus Get

;! Clock1 Digital Clock2 Digital

;!Ok

;!Plot Axis_Settings

;!Xrange 0s 4ms

;!AutoUniverse

;!XminRes 1ns

;!YminRes 1n

;!Ok

.STIMULUS Clock1 STIM (1, 1)

;! CLOCK 1kHz 0.5 0 0

+ +0s 0

+ +500us 1

+ Repeat Forever

+  +500us 0

+  +500us 1

+ EndRepeat

.STIMULUS Clock2 STIM (1, 1)

;! CLOCK 2kHz 0.5 0 0

+ +0s 0

+ +250us 1

+ Repeat Forever

+  +250us 0

+  +250us 1

+ EndRepeat

.STIMULUS Clock2 STIM(1, 1)

;! CLOCK 2kHz 0.5 0 0

+ +0s 0

+ +250us 1

+ Repeat Forever

+  +250us 0

+  +250us 1

+ EndRepeat

Рис. 17.41. Выходной файл схемы для упрощения

D-триггер

Чтобы показать работу D-триггера, начните новый проект с именем dflip. Введите схему, показанную на рис. 17.42, применив в качестве D-триггера компонент 7474 из библиотеки eval. Это — запускаемый положительным фронтом D-триггер с предварительной установкой и сбросом. Используйте компонент DigStim1 из библиотеки sourcstm для создания сигналов PS, D и CL и компонент DigClock из библиотеки исходных модулей для таймера. Установите для сигнала PS параметры: частота f=1 кГц, коэффициент заполнения 0,5, начальное значение 1 и запаздывание 0. Соответствующие значения для сигнала D будут: 1 кГц; 0,5, 1 и 0,75 мс, а для CL они равны 0,8 кГц; 0,5, 0 и 0 мс соответственно. Формы сигналов для цифровых таймеров показаны на рис. 17.43. Параметры настройки DigClock: задержка 0, время включенного состояния 0,4 мс, время выключенного состояния 0,6 мс, начальное значение 0.

Рис. 17.42. Схема для исследования D-триггера

Рис. 17.43. Временные диаграммы для различных источников сигналов в Stimulus Editor

Подготовьте анализ переходных процессов с именем Dflip1 на временном интервале в 2 мс с максимальным шагом в 2 мкс. Проведите моделирование и получите в Probe графики всех возможных сигналов. Сравните ваши результаты с показанными на рис. 17.44. Проверьте результаты, основываясь на ваших знаниях о работе триггера. Почему присутствуют временные периоды, когда сигналы Q и Qbar не являются дополнительными? На рис. 17.45 показана часть выходного файла, где вы можете видеть временные параметры для различных источников сигналов.

Рис. 17.44. Временные диаграммы сигналов в схеме на рис. 17.42 

**** 09/06/99 21:05:11 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Dflip1

*Libraries:

* Local Libraries :

.STMLIB ".\DFLIP.stl"

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.TRAN 0 2ms 0 2us

.PROBE

*Netlist File:

.INC "dflip-SCHEMATIC1.net"

*Alias File:

**** INCLUDING dflip-SCHEMATIC1.net ****

* source DFLIP

U_DSTM3 STIM(1,0) $G_DPWR $G_DGND N00046 IO_STM STIMULUS_CL

U_DSTM2 STIM(1,0) $G_DPWR $G_DGND N00022 IO_STM STIMULUS=D

U_DSTM1 STIM(1,0) $G_DPWR $G_DGND N00015 IO_STM STIMULUS=PS

X_U1A   N00046 N00022 N00034 N00015 M_UN0001 M_UN0002 $G_DPWR $G_DGND

+ 7474 PARAMS:

+ IO_LEVEL=0 MNTYMXDLY=0

U_DSTM4 STIM(1,1) $G_DPWR $G_DGND N00034 IO_STM IO_LEVEL=0

+ 0 0

+ +0 1

+ REPEAT FOREVER

+  +0.4ms 0

+  +0.6ms 1

+ ENDREPEAT

.STIMULUS PS STIM (1, 1) ;! CLOCK 1kHz 0.5 1 0

+ +0s 1

+ +500us 0

+ Repeat Forever

+  +500us 1

+  +500us 0

+ EndRepeat

.STIMULUS D STIM (1, 1) ;! CLOCK 1kHz 0.5 1 0.75ms

+ +0s 1

+ +750us 0

+ Repeat Forever

+  +500us 1

+  +500us 0

+ EndRepeat

.STIMULUS CL STIM (1, 1) ;! CLOCK 0.8kHz 0.5 0 0

+ +0s 0

+ +625us 1

+ Repeat Forever

+  +625us 0

+  +625us 1

+ EndRepeat

.STIMULUS CL STIM (1, 1) ;! CLOCK 0.8kHz 0.5 0 0

+ +0s 0

+ +625us 1

+ Repeat Forever

+  +625us 0

+  +625us 1

+ EndRepeat

.STIMULUS D STIM (1, 1) ;! CLOCK 1kHz 0.5 1 0.75ms

+ +0s 1

+ +750us 0

+ Repeat Forever

+  +500us 1

+  +500us 0

+ EndRepeat

Рис. 17.45. Выходной файл для D-триггера

Приложение A. Краткое описание директив PSpice

В данном разделе директивы приведены в краткой форме. Этот список будет полезен, если вам необходимо найти команду, которую вы уже видели или использовали. Более подробная информация приведена в приложениях В и D и в конце каждой главы.

Общие замечания:

Буквенные символы верхнего и нижнего регистров взаимозаменяемы.

<> обозначает обязательную информацию.

[] обозначает необязательную информацию.

* показывает строку комментария во входном файле PSpice.

; показывает комментарий после любой команды на той же строке.

.AC [LIN] [OCT] [DEC] <число точек> <f start> <f end>

для вариации частоты переменного тока

В[имя] <сток> <затвор> <исток> <имя модели> [область значений];

для арсенид-галлиевого транзистора (GaAsFET)

С[имя] <+узел> <-узел> <имя модели> <значение> [IС = начальное значение]; для конденсатора

D[имя] <+узел> <-узел> <имя модели> [область значений]; для диода

.DC [LIN] [OCT] [DEC] <варьируемая переменная> начальное значение оконечное значение> <шаг> [LIST]; для вариации на постоянном токе

Е[имя] <+узел> <-узел> <+узел управления> <-узел управления> <коэффициент усиления>; источник типа ИНУН

Е[имя] <+узел> <-узел> РOLY(значение) <+узел управления> <-узел управления> <значения полиномиальных коэффициентов>;

полиномиальный источник типа ИНУН

.END; указывает конец входного файла

.ENDS <имя подсхемы>; указывает конец подсхемы

F[имя] <+узел> <-узел> <имя управляющего устройства V> <коэффициент усиления>; источник типа ИТУТ

F[имя] <+узел> <-узел> POLY(значение) <имя управляющего устройства V> <значения полиномиальных коэффициентов>; полиномиальный источник типа ИТУТ

.FOUR <частоты> <выходная переменная>; для гармонического анализа

G[имя] <+узел> <-узел> <+узел управления> <-узел управления> <крутизна>; источник типа ИТУН

G[имя] <+узел> <-узел> POLY(значение) <+узел управления> <-узел управления> <значения полиномиальных коэффициентов> полиномиальный источник типа ИТУН;

Н[имя] <+узел> <-узел> <имя управляющего устройства V> переходное сопротивление>; источник типа ИНУТ

Н[имя] <+узел> <-узел> POLY (значение <имя управляющего устройства V> <значения полиномиальных коэффициентов>; полиномиальный источник типа ИНУТ

I[имя] <+узел> <-узел> [[DC] <значение>] [АС <значение> [фаза] [спецификация переходного процесса]; для независимого источника тока

.IC <Vnode = значение>; показывает начальное напряжение узла для анализа переходных процессов

.INC <имя файла>; вставляет другой файл

J[имя] <узел стокам <узел затвора> <узел истока> <имя модели> [область]; для полевого транзистора JFET

K[имя] L[имя] L[имя] <коэффициент связи>; для связанных катушек индуктивности

K[имя] L[имя] L[имя] <коэффициент связи> <имя модели> [значения размеров]; для модели связанных катушек индуктивности с магнитопроводом

L[имя] <+узел> <-узел> [имя модели] <индуктивностъ> [IC =значение]; для катушки индуктивности

.LIB <имя файла>; ссылка на модель или библиотеку подсхем в отдельном файле. Заданный по умолчанию файл — NOM.LIB.

.MC [#проходов [DC [AC] [TRAN] [выходная переменная] YMAX; для анализа по методу Монте-Карло

.MODEL [имя] [тип]; описывает встроенную модель

М[имя] <узел стока> <узел затвора> <узел истока> <узел корпуса/подложки> <имя модели> [значение параметра], для МОП-транзистора (MOSFET)

.NODESET <Vnode = значение>; дает значение начального напряжения для узла

.NOISE V<узел> [,узел] <имя>[шаг по частоте]; дает анализ шума для определенных частот наряду с анализом на переменном токе

.ОР; дает подробную информацию о параметрах смещения (рабочей точке)

.OPTIONS <имя опции>; устанавливает опции для анализа

.PLOT [DC [AC] [NOISE] [TRAN] [выходная переменная]; выводит график на принтер

.PRINT [DC [AC] [NOISE] [TRAN] [выходная переменная]; производит распечатку выходного файла

.PROBE [выходная переменная]; создает файл PROBE.DAT для графического анализа

Q[имя] <узел коллектора> <узел базы> <узел эмиттера> <узел подложки> <имя модели> [область значений]; для биполярного транзистора (BJT)

R[имя] <+узел> <-узел> [имя модели] <сопротивление>; для резистора

S[имя] <+узел ключа> <-узел ключа> <+узел управления> <-узел управления> <имя модели>; для ключа, управляемого напряжением

.SENS [выходная переменная]; используется для анализа чувствительности

.SUBCKT [имя] [узел(узлы)]); отмечает начало ввода подсхемы

Т[имя] <+узел порта А> <~узел порта А> <+узел порта В> <-узел порта В> <ZD = значение> [TD = значение] [F = значение] [NL = значение]; для идеальной линии передачи

.TEMP <значение>, установите температуру для анализа в градусах Цельсия

.TF <[выходная переменная> <входной источник>; для передаточной функции

.TRAN <шаг> <интервал моделирования> [предельная величина шага] [UIC]; для анализа переходных процессов

V[имя] <+узел> <-узел> [[DC] <значение>] [АС <значение> [фаза] [спецификация переходного процесса]; для независимого напряжения

W[имя] <+ узел ключа> <имя управляющего устройства V> <-узел управления> <имя модели>; для переключателя, управляемого током

.WIDTH = <значение>; устанавливает число символов на строку вывода

X[имя] <[узлы]> <имя подсхемы>; определяет подсхему

Приложение B. Компоненты и директивы PSpice

(Подробное описание на английском языке находится в файле \Documents\PSpice_with_CapturePspcref.pdf на прилагаемом к книге компакт-диске.)

Компоненты PSpice

В — арсенид-галлиевый транзистор GaAsFET

Общая форма:

В<имя> <узел стока> <узел затвора> <узел истока> <модель> [<область>]

Пример:

BIN 100 1 0 GFAST

В13 22 14 23 GNOM 2.0

С — конденсатор

Общая форма:

С [имя] <+узел> <-узел> <имя модели> <емкость> [IC = начальное значение]

Пример:

СLOAD 15 0 20pF

CFDBK 3 33 CMOD 10pF IC=1.5v

D — диод

Общая форма:

D[имя] <+узел> <-узел> <имя модели> [область значений]

Примеры:

DCLAMP 14 0 DMOC

D13 15 17 SWITCH 1.5

Е — источник напряжения, управляемый напряжением

Общие формы:

Е[имя] <+узел> <-узел> <+узел управления> <-узел управления> <коэффициент усиления>

Е[имя] <+узел> <-узел> POLY(значение) <+ узел управления> <- узел управления> <значения полиномиальных коэффициентов>;

Е[имя] <+узел> <-узел> VALUE = {<выражение>}

Е[имя] <+узел> <-узел> TABLE{<выражение>}<(входное значение)(выходное значение)>*

Е[имя] <+узел> <-узел> LAPLACE={<выражение>}{<изображение>}

Е[имя] <+узел> <-узел> FREQ {<выражение>}<(частота в дБ, фаза в град)>

Примеры:

EBUFF 1 2 10 11 1.0

ЕАМР 13 0 POLY(1) 2 6 0 500

ENLIN 100 101 POLY(2) 3 0 4 0 0.0 13.6 0.2 0.005

ESQRT 10 0 VALUE=(SQRT(V(5)))

ETAB 20 5 TABLE (V(2)) (-5v,5v)(0v,0v)(5v,-5v)

E1POLE 10 0 LAPLACE (V(1)) (1/(1 + s))

EATTEN 2 0 0 FREQ (V(100))) (0,0,0 10,-2,-5 20,-6,-10)

F — источник тока, управляемый током

Общие формы:

F[имя] <+узел> <-узел> <имя управляющего устройства V> <коэффициент усиления>

F[имя] <+узел> <-узел> POLY(значение) <имя управляющего устройства V>* <значения полиномиальных коэффициентов>*

Примеры:

FSENSE 1 2 VSENSE 10.0

FAMP 13 0 POLY(1) VIN 500

FNLIN 100 101 POLY(2) V1 V2 0.0 0.9 0.2 0.005

G — источник тока, управляемый напряжением

Общие формы:

G[имя] <+узел> <-узел> <+узел управления> <-узел управления> <крутизна>

G[имя] <+узел> <-узел> POLY(значение) <+узел управления> <-узел управления>* <значения полиномиальных коэффициентов>*

G[имя] <+узел> <-узел> VALUE = (<выражение>)

G[имя] <+узел> <-узел> TABLE(<выpaжeниe>)<(вxoднoe значение)(выходное значение)>*

G[имя] <+узел> <-узел> LAPLACE =(<выражение>)(<изображение>)

G[имя] <+узел> <-узел> FREQ {<выражение>}<(частота в дБ, фаза в град)>

Примеры:

GBUFF 1 2 10 11 1.0

GAMP 13 0 POLY (1) 2 6 0 500

GNLIN 10 0 101 POLY (2) 3 0 4 0 0.0 13.6 0.2 0.005

GSQRT 10 0 VALUE = (SQRT(V(5)))

GTAB 20 5 TABLE (V(2)) (-5v,5v)(0v,0v)(5v,-5v)

G1POLE 10 0 LAPLACE (V(1)) (1 / (1 + s))

GATTEN 2 0 0 FREQ (V(100)) (0,0,0 10,-2,-5 20,-6,-10)

H — источник напряжения, управляемый током

Общие формы:

Н[имя] <+узел> <-узел> <имя управляющего устройства V> переходное сопротивление>

Н[имя] <+узел> <-узел> POLY(значение) <имя управляющего устройства V>* <значения полиномиальных коэффициентов>*

Примеры:

HSENSE 1 2 VSENSE 10.0

НАМР 13 0 POLY (1) VIN 500

HNLIN 100 101 POLY (2) V1 V2 0.0 0.9 0.2 0.005

I — источник тока

Общая форма:

I[имя] <+узел> <-узел> [[DC] <значение>] [АС <значение> [фазовый угол]

Спецификации формы тока:

ехр(<i1> <i2> <td1> <t1> <td2> <t2>)

pulse(<i1> <i2> <td> <tr> <tf> <pw> <per>)

PWL(<t1><i1> <ti2> <i1> ... <tn> <in>)

SFFM(<io> <ia> <fc> <m> <fs>)

sin(<io><ia> <f> <td> <df> <phase>)

Примеры:

IBIAS 13 0 2.3mA

IAC 2 3 AC 0.01

IACPHS 2 3 AC 0.01 90

IPULSE 1 0 PULSE (-1mA 1mA 2ns 2ns 2ns 50ns 100ns)

I3 26 77 DC .002 AC 1 SIN(.002 .002 1.5MEG)

J — полевой транзистор (JFET)

Общая форма:

J[имя] <узел стока> <узел управляющего электрода> <узел истока> <имя модели> [область];

Примеры:

JIN 100 1 0 JFAST

J13 22 14 23 JNOM 2.0

K — катушки индуктивности с магнитной связью

Общие формы:

K[имя] L[имя] L[имя] <коэффициент связи>

K[имя] L[имя] L[имя] <коэффициент связи> <имя модели> [значения размеров]

Примеры:

KTUNED L3OUT L4IN .8

KXFR1 LPRIM LSEC .99

KXFR2 L1 L2 L3 L4 .98 KPQT_3C8

L — катушка индуктивности

Общая форма:

L[имя] <+узел> <-узел> [имя модели] <индуктивность> [IС = значение]

Примеры:

LLOAD 15 0 20mH

L2 1 2 .2е-6

LCHOKE 3 42 LMOD .03

LSENSE 5 12 2uH IC=2mA

М — МОП-транзистор (MOSFET)

Общие формы:

М [имя] <узел стока> <узел управляющего электрода> <узел истока> <узел корпуса/подложки> <имя модели> [L-значение] [W=значение] [AD=значение] [AS-значение] [PD=значение] [NRD=значение] [NRS=значение] [NRG=значение] [NRB=значение]

Примеры:

M1 14 2 13 0 PNOM L=25u W=12u

М13 15 3 0 0 РSTRONG

М2А 0 2 100 100 PWEAK L=33u w=12u

+ AD=288p AS=288p PD-60U PS=60u NRD=14 NRS=24 NRG=10

N — цифровой вход

Общая форма:

N[имя] <ток узла> <напряжение низкого уровня> <напряжение высокого уровня> <имя модели> [SIGNAME = <имя>] [IS = начальное значение]

Примеры:

NRESET 7 15 16 FROM_TTL

N12 18 0 100 FROM_CMOS SIGNAME=VCO_GATE IS = 0

O — цифровой выход

Общая форма:

O[имя] <ток узла> <опорное напряжение> <имя модели> [SIGNAME = <имя>]

Примеры:

OVCO 17 0 16 TO_TTL

O5 22 100 TO_CMOS SIGNAME=VCO_OUT

Q — биполярный транзистор

Общая форма:

Q[имя] <узел коллектора <узел базы> <узел эмиттера> <узел подложки> <имя модели> [область значений]

Примеры:

Q1 14 2 13 0 PNPNOM

Q13 15 3 0 1 NPNSTRONG 1.5

Q7 VC 5 12 [SUB] LATPNP

R — резистор

Общая форма:

R[имя] <+узел> <-узел> [<имя модели>] [сопротивление],

Примеры:

RLOAD 15 0 2k R2 1 2 2. 4е4

S — ключ, управляемый напряжением

Общая форма:

S[имя] <+ узел ключа> <-узел ключа> <+узел управления> <-узел управления> <имя модели>

Примеры:

S12 13 17 2 0 SMOD

SRESET 5 0 15 3 RELAY

Т — линия передачи

Общая форма:

Т[имя] <+узел порта А> <-узел порта А> <+узел порта В> <-узел порта В> <ZO=значение> [ТD = значение] [F=значение] [NL = значение]

Примеры:

T1 1 2 3 4 ZO=220 TD=115ns

T2 1 2 3 4 ZO=50 F=5MEG NL=0.5

U — цифровая схема

Общая форма:

U<имя> <тип> <параметры> <узлы>* [<параметр> = <значение>]*

Типы: BUF, INV, AND, NAND, OR, NOR, XOR, NXOR, BUF3, INV3, AND3, OR3, NOR3, XOR3, NXOR3, JKFF, DFF, PULLUP, PULLDN, SUM.

Синтаксис временных параметров:

U<имя> STIM (<ширина> <radices>)> <узел> * <модель входа-выхода> [> [TIMESTEP = размер шага] <время>, <значение> | <время> GOTO <метка> <n> TIMES>| <время> GOTO <метка> <rv <значение>| <время> INCR BY<значение>|<время> DECR BY<значение>* <rv> = UNTIL GT | GE | LT | LE

Примеры:

U7 XOR() INA INB OUTXOR DEFGATE DEFIO

U101 STIM(1, 1) INI STMIO TIMESTEP=10ns

+ (LABEL=STARTLOOP) (+10c, 0) (+5ns, 1)

+ (+40c GOTO STARTLOOP 1 TIMES)

V — источник напряжения

V[имя] <+ узел> <-узел> [[DC] <значение>] [АС <значение> [фаза] [спецификация формы напряжения]

Спецификации формы напряжения:

ехр(<v1> <v2> <td1> <t1> <td2> <t2>)

pulse(<v1> <v2> <td> <tr> <tf> <pw> <per>)

PWL(<t1><i1> <ti2> <i1> ... <tn> <in>)

SFFM(<vo> <va> <fc> <m> <fs>)

sin(<vo> <va> <f> <td> <df> <phase>)

Примеры:

VBIAS 13 0 2.3mV

VAC 2 3 AC .001

VACPHS 2 3 AC.001 90

VPULSE 1 0 PULSE (-1mV 1mV 2ns 2ns 2ns 50ns 100ns)

V3 26 77 DC .002 AC 1 SIN(.002 .002 1.5MEG)

W — ключ, управляемый током

Общая форма:

W<имя> <+узел ключа> <-узел ключа> <имя управляющего источника V> <имя модели>

Примеры:

W12 13 17 VC WMOD

WRESET 5 0 VRESET RELAY

X — подсхема (вызов)

Общая форма:

X<имя> [<узел>] *<имя s> [PARAMS:<параметр> = <значение> *>]

Примеры:

Х12 100 101 200 201 DIFFAMP

XBUFF 13 15 UNITAMP

Директивы PSpice приведенные в PSpice.HLP

.AC — Анализ на переменном токе

Общая форма:

.AC [LIN] [OCT] [DEC] <число точек> начальная частота> <конечная частота>

Примеры:

.AC LIN 101 10Hz 200Hz

.AC OCT 10 1KHz 16KHz

.AC DEC 20 1MEG 100MEG

.DC — Анализ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Общие формы:

.DC [LIN] <варьируемая переменная> <начальное значение> <конечное значение> <шаг> [сложенное множество>] .DC [OCT] [DEC] <варьируемая переменная> <начальное значение> <конечное значение> <точки> [<вложенное множество>] .DC <варьируемая переменная> [LIST]<значение> * [<вложенное множество>]

Примеры:

.DC VIN -.25 .25 .05

.DC LIN 12 5mA -2mA 0.1mA

.DC VCE 0v 10v . 5v IB 0mA 1mA 50uA

.DC RES RMOD(R) 0.9 1.1 .001

.DC DEC NPN QFAST(IS) 1e-18 1e-14 5

.DC TEMP LIST 0 20 27 50 80

.DISTRIBUTION — распределение, определяемое пользователем (при анализе методом Монте-Карло и определении чувствительности при наихудшем случае)

Общая форма:

.DISTRIBUTION <имя><отклонение><вероятность> *

Пример:

.DISTRIBUTION bimodal(-1,1) (-.5,1) (-.5,0) (.5,0) (.5,1) (1,1)

.END — конец схемного файла

.ENDS — конец файла подсхемы

Общие формы:

END

.ENDS [<имя>]

Примеры:

.END

.ENDS

.ENDS 741

.FOUR — Анализ Фурье (гармонический анализ)

Общая форма:

.FOUR <частота> <выходная переменная> *

Пример:

.FOUR 10KHz v(5) v(6,7)

.FUNC — определение функции

Общая форма:

.FUNC <имя>([аргумент])* <тело функции>

Примеры:

.FUNC DR(D) D/57.296

.FUNC Е(X) ЕХР(Х)

.FUNC АРВХ(А,В,X) А+В*Х

.IC — начальные условия для переходного процесса

Общая форма:

.IC <напряжение узла> = <значение>*

Примеры:

.IC V(2)=3.4 V(102)=0

.INC — включение файла

Общая форма:

.INC <имя>

Примеры:

.INC SETUP.CIR

.INC C:\PSLIB\VCO.CIR

.LIB — библиотечный файл

Общая форма:

.LIB [<имя>]

Примеры:

.LIB

.LIB GPNOM.LIB

.LIB С:\\PSLIB\\QNOM.LIB

.МС — анализ по методу Монте-Карло

Общая форма:

.МС <#прохода>[DC][АС][TRAN] <переменные> <функция> <опции>*

Примеры:

.МС 10 TRAN V(5 ) YMAX .МС 50 DC IС(Q7) MIN LIST

.МС 2 0 AC VP(13,5) RISE_EDGE(1.0) LIST OUTPUT ALL

.WCASE — анализ на наихудший случай

Общая форма:

.WCASE <анализ> <переменные> <функция> <опции>*

Примеры:

.WCASE DC V(4,5) YMAX

.WCASE TRAN V(1) FALL_EDGE(3.5v) VARY BOTH BY RELTOL DEVICES RL

Символ типа Имя компонента Тип компонента CAP Cxxx конденсатор IND Lxxx катушка индуктивности RES Rxxx резистор D Dxxx диод NPN Qxxx npn-биполярный транзистор PNP Qxxx pnp-биполярный транзистор LPNP Qxxx pnp-биполярный транзистор с боковыми выводами NJF Jxxx n-канальный JFET PJF Jxxx р-канальный JFET NMOS Mxxx n-канальный MOSFET PMOS Mxxx р-канальный MOSFET GASFET Вххх n-канальный GaAsFET CORE Kххх Нелинейный магнитопровод VSWITCH Sxxx Ключ, управляемый напряжением ISWITCH Wxxx Ключ, управляемый током DINPUT Nxxx Цифровой вход DOUTPUT Оххх Цифровой выход

.MODEL — модель

Общая форма:

MODEL <имя> <тип> [<параметр> = <значение> [<tol>]]*

Примеры:

.MODEL RMAX RES (R=1.5 ТС=.02 ТС2=.005)

.MODEL QDRIV NPN (IS=1e-7 BF=30)

.MODEL DLOAD D (IS=1e-9 DEV 5% LOT 10%)

.NODESET — установка начальных напряжений узлов

Общая форма:

.NODESET <узел> = <значение> *

Примеры:

.NODESET V(2)=3.4 V(3)=-1V

.NOISE — анализ шума

Общая форма:

.NOISE <переменные> <имя> [<значения>]

Примеры:

.NOISE V(5) VIN

.NOISE V(4,5) ISRC 20

.OP — рабочая точка

Общая форма:

.OP

Примеры:

.OP

.OPTIONS — опции

Общая форма:

.OPTIONS[< fopt > *] [<vopt>=[<value>*]

Флаги опций:

АССТ суммирование и учет EXPAND показать расширение подсхемы LIBRARY листинг файлов библиотеки LIST листинг выходного файла NODE вывод узлов NOECHO подавление листинга NOMOD подавление листинга модели NOPAGE подавление заголовков и колонтитулов OPTS вывод значений опций LIMPTS Предельное число точек при распечатке таблиц или графиков NUMDGT Максимальное число знаков в числе при выводе его на печать PIVREL Предельная относительная величина для центральной матрицы

Значения опций:

АССТ суммирование и учет ABSTOL Наибольшая точность для токов CHGTOL Наибольшая точность для зарядов CPTIME Разрешенное время работы ЦПУ DEFAD Значение AD по умолчанию для МОП-транзистора DEFAS Значение AS по умолчанию для МОП-транзистора DEFL Значение L по умолчанию для МОП-транзистора DEFW Значение W по умолчанию для МОП-транзистора GMIN Минимальная проводимость в любой ветви ITL1 Предельное число итераций при анализе на постоянном токе и анализе параметров смещения ITL2 Предельное число итераций при анализе на постоянном токе и анализе параметров смещения (educatinguess) ITL4 Предельное число итераций на одну точку при исследовании переходных процессов ITL5 Предельное число итераций на все точки при исследовании переходных процессов PIVTOL Предельная абсолютная величина для центральной матрицы RELTOL Относительная точность для напряжений и токов TNOM Заданная по умолчанию температура TRTOL Корректировка точности при исследовании переходных процессов VNTOL Наивысшая точность для напряжений WIDTH Ширина листинга в знаках при выводе на печать

Примеры:

.OPTIONS NOECHO NOMOD RELTOL=.01

.OPTIONS ACCT DEFL=12u DEFW=8u

.PARAM — глобальные параметры

Общая форма:

.PARAM<имя> = <значение>*

Примеры:

.PARAM pi=3.14159265

.PARAM RSHEET=120, VCC=5V

PLOT — график

Общая форма:

.PLOT [DC][AC][NOISE][TRAN] [[<выходные переменные>* [(<нижняя граница значений>,<верхняя граница значений)>)]]*

Примеры:

.PLOT DC V(3) V(2, 3) V(R1) I(VIN)

.PLOT AC VM(2 ) VP(2 ) VG(2)

.PLOT TRAN V(3) V(2,3)(0,5V) ID(M2) I(VCC) (-50mA, 50mA)

.PRINT — печать

Общая форма:

.PRINT [DC][AC][NOISE][TRAN] [<переменные>]

Примеры:

.PRINT DC V(3) V(2,3) V(R1) IB(Q13)

.PRINT AC VM(2) VP(2) VG(5) 11(7)

.PRINT NOISE INOISE ONOISE DB(INOISE)

.PROBE — исследование

Общие формы:

.PROBE [/CSDF]

.PROBE [/CSDF] [<переменные> *]

Примеры:

.PROBE

.PROBE v(2) I(R2) VBE(Q13) VDB(5)

.PROBE/CSDF

.SENS — анализ чувствительности

Общая форма:

.SENS <переменные> *

Примеры:

.SENS V(9) V(4,3) I(VCC)

.STEP — анализ с шагом

Общие формы:

.STEP [LIN]<имя переменной> <начало> <конец> <шаг >

.STEP [OCT] [DEC] <имя переменной> <начало> <конец> <шаг> <число точек>

.STEP <имя переменной> LIST <значение>*

.STEP PARAM X 1 5 0.1

Примеры:

.STEP VIN -.25 .25 .05

.STEP LIN 12 5mA -2mA 0.1mA

.STEP RES RMOD(R) 0.9 1.1 .001

.STEP TEMP LIST 0 20 27 50 80

.SUBCKT — описание подсхемы

Общая форма:

.SUBCKT <имя>[<узлы>*] [PARAMS:<параметры>[=<значение>]*]

Примеры:

.SUBCKT ОРАМР 1 2 101 102

.SUBCKT FILTER IN OUT PARAMS: CENTER, WIDTH=10 KHz

.TEMP — температура

Общая форма:

.TEMP <значение> *

Примеры:

.TEMP 125 .TEMP 0 27 125

.TF — передаточная функция

Общая форма:

.TF <переменные> <входной источник>

Примеры:

.TF V(5) VIN

.TF 1(VDRIV) ICNTRL

.TRAN — анализ переходных процессов

Общая форма:

.TRAN [/OP] <шаг> <время анализа> [<без печати> [<максимальный шаг>]][ UIC]

Примеры:

.TRAN 1ns 100nS

.TRAN/OP 1nS 100nS 2 0ns UIC

.TRAN 1nS 100nS 0nS .1nS

.WIDTH — ширина

Общая форма:

.WIDTH OUT = <значение>

Пример:

.WIDTH OUT =80

Выходные переменные

В этом разделе описываются типы выходных переменных, которые могут использоваться в директивах .PRINT и .PLOT. Каждая директива может иметь до восьми выходных переменных.

Вариация на постоянном тока и анализ переходных процессов

V(<узел>)

V(<+узел>, <-узел>)

V(<имя>)

Vx(<имя>) Vxy(<имя>) Vz(<имя>) I(<имя>) Iх(<имя>) Iz(<имя>)

Ниже приведен сокращенный список компонентов с двумя полюсами, для которых может применяться как вариация на постоянном токе, так и анализ переходных процессов.

Типы компонентов: C/D/E/F/G/H/I/L/R/V

Источники типа Vx<имя>, Vxy<имя>, Iх<имя> должны быть трех- или четырехполюсниками. Ниже приведена аббревиатура для полюсов х и у в различных компонентах:

ху: D/G/S (для компонента В)

ху: D/G/S (для компонента J)

ху: D/G/S/B (для компонента М)

ху: C/B/E/S (для компонента Q)

z: A/B

Анализ на переменном токе

Суффиксы:

М: модуль

DB: модуль в дБ

Р: фазовый угол

G: групповая задержка

R: реальная часть

I: мнимая часть

Далее следует сокращенный список компонентов, токи через которые являются доступными для анализа.

Типы компонентов: C/I/L/R/T/V

Для получения тока в других компонентах необходимо поместить источник напряжения с нулевым значением последовательно с устройством (или полюсом) представляющим интерес.

Анализ шума

INOISE

ONOISE

DB(INOISE)

DB(ONOISE)

Общие источники ошибок во входных файлах PSpice

От узлов с плавающим потенциалом отсутствует путь постоянного тока на землю. Имеются три частые причины таких проблем:

1. Два конца линии передачи не имеют проводника, соединяющего их по постоянному току.

2. Управляемые напряжением источники не связаны по постоянному току со своими узлами управления.

3. Имеется ошибка в описании схемы.

Допустим, что схема описана правильно, тогда выход состоит в том, чтобы подключить узлы с плавающим потенциалом на землю через резисторы с большим сопротивлением.

Кроме того, PSpice проверяет наличие контуров с нулевым сопротивлением. Они могут быть образованы независимыми источниками напряжения (V), управляемыми источниками напряжения (Е и Н) и катушками индуктивности (L), кроме того, ошибка может содержаться в описании схемы. Допустим, что схема описана правильно, тогда решение состоит в том, чтобы включить в контур последовательный резистор с малым сопротивлением.

Проблемы сходимости могут возникать при вариации по постоянному току, вычислениях параметров смещения и при анализе переходных процессов:

Вариация на постоянном токе (DC Sweep) — наиболее часто проблема возникает при попытках анализировать схемы с регенеративной обратной связью (например, триггеры Шмитта). Пробуйте выполнить анализ переходных процессов вместо DC Sweep. Используйте кусочно-линейный источник напряжения (PWL), чтобы создать медленный пилообразный сигнал. Вы можете пройти через ряд точек и при одном запуске моделирования.

Анализ рабочей точки (Bias Point) — использует команду .NODESET, чтобы помочь найти решение на PSpice. Анализ с помощью команды .NODESET дает хорошие результаты для узлов, подобных выводам ОУ.

Анализ переходных процессов (Transient Analysis) — проблема может вызывать моделирование идеальных схем с ключами без паразитных емкостей, например, схемы, содержащей диоды и катушки индуктивности, но не имеющей никаких паразитных сопротивлений или емкостей.

Может быть, поможет уменьшение параметра RELTOL от .001 до .01. Использование опции «UIC» при анализе переходных процессов дает возможность обойтись без вычисления рабочей точки, приводящего к проблемам сходимости при анализе переходных процессов. Используйте вместо этого IC или .NODESET.

При высоких напряжениях и токах, может возникнуть необходимость увеличения параметров VNTOL и ABSTOL. Для напряжений в диапазоне киловольт необходимо увеличить VNTOL до 1 мВ. Для токов в несколько ампер увеличьте ABSTOL до 1 нА, для токов в диапазоне от нескольких килоампер - до 1 мкА.

Точность в PSpice определяется параметрами RELTOL, VNTOL, ABSTOL и CHGTOL директивы .OPTIONS. Наиболее важным параметром является RELTOL, который управляет относительной точностью всех напряжений и токов, которые вычисляются в PSpice. Значение RELTOL по умолчанию равно 0,1%. VNTOL устанавливает наибольшую точность для напряжений, ABSTOL — для токов, CHGTOL — для заряда/потока.

Обозначения глобальных узлов начинаются с префикса «$G». Например, $G_VCC $G_COMMON. Обозначения $D_HI, $D_LO, $D_NC и $D_X определяют узлы цифровых схем.

В PSpice можно использовать выражения для большинства случаев, когда применяются численные значения. Это относится к значениям компонентов, параметрам моделей, подсхем, начальным условиям. Выражение заключается в фигурные скобки {} и должно умещаться на одной строке.

Компоненты выражения включают номера, операторы (+ - * /), имена параметров, и функции (sin, cos, ехр итак далее). Например, значение резистора могло бы быть определено в терминах глобального параметра RSHEET:

Rel 20 21 {rsheet*1.10}

Выражения могут использоваться и для глобальных значений параметров, но эти выражения не могут содержать имен параметров. В выражениях, используемых для управляемых источников, могут дополнительно применяться напряжения узлов, токи и изменяющаяся переменная «время».

Глобальные параметры определяются командой .PARAM. Они могут затем использоваться в выражениях для значений компонентов. Например,

.param pi = 3.14159265

C1 2 0 {1/(2*pi*10khz*10k)}

Целый ряд параметров подсхем задан по умолчанию, однако эти значения могут заменяться при вызове подсхемы. Значения параметров подсхемы могут быть выражениями. Помимо обычно используемых величин в выражениях параметров подсхемы могут использоваться имена собственных параметров подсхемы (любые).

Если глобальный параметр и параметр подсхемы имеют одно и то же имя, то используется описание параметра подсхемы. Например, имеется описание паразитного узла:

.subckt para 1 params:r=1meg c=1pf

r1 10{r}

c1 10{c}

.ends

Тогда здесь используется параметр подсхемы

xpara1 27 para params:c=5pf

Приложение С. Установка программного обеспечения, руководства и учебника

Допустим, что ваш компьютер работает с операционной системой Windows 95, Windows 98 или Windows NT (установленной с Service Pack8 или более поздними версиями). Рекомендуемые минимальные параметры системы — Intel 90-МГц Pentium или эквивалентная ей с оперативной памятью в 32 МБ, свободным пространством на жестком диске в 75 МБ, 256-цветным дисплеем (800×600 точек) и дисководом CD-ROM.

На момент окончания данной книги использовалась демонстрационная версия OrCAD PSpice 9.0. Корпорация OrCAD разрешила издателю включить эту (или более позднюю) демонстрационную версию программного обеспечения на CD-ROM, прилагаемый к книге.

Инсталляция программного обеспечения

Чтобы установить программное обеспечение OrCAD, вставьте CD-ROM в соответствующий дисковод и подождите появления главного меню. В левой части экрана расположен набор кнопок с краткими описаниями некоторых свойств программного обеспечения, в правой — кнопки для установки демонстрационного программного обеспечения или для движения по полям информационного узла OrCAD. Нажмите Install Demo Software, чтобы установить программы.

Следующее окно показывает список доступных программ, включая Capture CIS, Express, PSpice A/D и Layout Plus, как показано на рис. С.1. Если у вас достаточно места на диске, рекомендуем установить все программное обеспечение. Если у вас нет последней версии программы Adobe Acrobat Reader, установите также и эту программу. По умолчанию задан путь

D:\Program Files\OrCAD Demo\

но вы можете выбрать удобные для вас диск и папки для инсталляции.

Рис. С.1. Список доступных программ

Каждая из программ будет установлена в отдельную папку (или подкаталог): Capture, Document, Layout_Plus и PSpice. После установки на рабочем столе должны появиться ярлыки для Capture CIS и PSpice. Примеры из первых тринадцати глав книги созданы в текстовом редакторе, который встроен в программу PSpice. Попасть в текстовый редактор можно, открыв программу PSpice и выбрав из главного меню File, New, Text File.

Различные руководства по OrCAD PSpice загружаются с CD-ROM и включают в себя capug.pdf, pspice.pdf и pspicead.pdf. Они находятся в папке

D:\program Files\OrCAD Demo\Document\

вместе со многими другими файлами, имеющими расширение *.pdf. Хотя эти руководства используются в ссылках по различным темам, не стоит пытаться распечатать их, так как каждое содержит несколько сотен страниц. Отметим также, что многие из тем, описанных и иллюстрируемых в руководствах, недоступны в демонстрационной версии программного обеспечения. Лучше всего просто узнать, где найти справку по теме по оглавлению и при необходимости обращаться к файлу pspicead.pdf. Файл pspice.pdf можно использовать, когда не нужен аналоговый/цифровой интерфейс. Титульный лист этого руководства в Acrobat Reader показан на рис. С.2. Расширение *.pdf означает, что файлы доступны для просмотра и печати из Acrobat Reader.

Рис. С.2. Руководство пользователя PSpice

Learning Express (программа ускоренного обучения)

Если в программе OrCAD Capture выбрать Help, OrCAD Express, Learning Express, вы получите экран Learning Express Demo (рис. С.3), который позволяет выйти в меню уроков, показанное на рис. С.4. Шесть уроков разработаны, чтобы помочь вам познакомиться с основными сведениями о создании рисунка схемы в Capture, затем выполнить моделирование в PSpice. Термин «ускоренное обучение» означает, что вы сможете выполнить моделирование всего через несколько уроков. Не забывайте, что наш подход заключается в том, чтобы подождать с созданием схем в Capture, пока не будут достаточно усвоены основы PSpice. Начало упражнения на входе проекта показывается на рис. С.5.

Рис. С.3. Демонстрационная программа ускоренного обучения

Рис. С.4. Меню уроков ускоренного обучения

Рис. С.5. Упражнение по созданию схемы

Изучение Capture

Если вы хотите глубже изучить упражнения, приведенные в главах, посвященных программе Capture, выберите Help, Learning Capture. Набор упражнений в первых тринадцати главах касается намного большего числа тем и рассматривает их более подробно, чем при ускоренном обучении. Так как эти уроки потребуют значительных временных затрат, не стоит обращаться к ним, пока не возникнет действительная необходимость; при этом можно ознакомиться только с уроком, представляющим для вас интерес. Меню для этих уроков показано на рис. С.6.

Рис. С.6. Меню уроков по Capture

Приложение D. Компоненты: параметры моделей PSpice

Знак * указывает, что элемент может быть повторен.

В — полевой транзистор GaAsFET

В[имя] <узел стока> <узел затвора> <узел истока> <имя модели> <[площадь]>;

Имя параметра Параметр Значения по умолчанию Единицы LEVEL Тип модели (1 = Curtice, 2 = Raytheon) 1   VTO Барьерный потенциал -2,5 В ALPHA Константа, определяющая зависимость тока стока, от напряжения сток-исток 2 B-1 В Коэффициент легирования 0,3   BETA Транскондуктивность, связывающая ток стока с напряжением 0,1 А/В² LAMBDA Константа, учитывающая модуляцию длины канала 0 В-1 RG Омическое сопротивление затвора 0 Ом RD Омическое сопротивление стока 0 Ом RS Омическое сопротивление истока 0 Ом IS Ток насыщения pn-затвора 1Е-14 А M Коэффициент лавинного умножения pn-затвора 0,5   N Коэффициент эмиссии pn-затвора 1   VBI Потенциал pn-затвора 1 В CGD Емкость затвор-сток при нулевом смещении 0 Ф CGS Емкость затвор-исток при нулевом смещении 0 Ф CDS Емкость сток-исток 0 Ф TAU Время переноса заряда 0   FC Коэффициент нелинейности прямосмещенной барьерной емкости 0,5   VTOTC Температурный коэффициент VTO 0   BETATCE Температурный коэффициент BETA 0   KF Коэффициент спектральной плотности фликкер-шума 0   AF Показатель спектральной плотности фликкер-шума 1  

[площадь] — относительная площадь устройства, по умолчанию ее значение равно 1. Компонент GaAsFET, как показано на рис. D.1, смоделирован как встроенный полевой транзистор (FET) с омическим сопротивлением RD, включенным последовательно со стоком, второе омическое сопротивление RS включено последовательно с истоком и третье омическое сопротивление RG — последовательно с затвором.[10]

Curtice и Raytheon представляют собой модели, названные по именам авторов. Описание приведено, соответственно, в работах:

[1] W. R. Curtice, «А MOSFET model for use in the design of GaAs integrated circuits», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-28, 448-456 (1980).

[2] H. Statz, P. Newman, I. W. Smith, R. A. Pucel, and H. A. Haus, «GaAs FET Device and Circuit Simulation in SPICE», IEEE Transactions on Electron Devices, ED-34,160-169 (1987). (Прим. переводчика.)

Рис. D.1. Модель для арсенид-галлиевых транзисторов GaAsFET

С — конденсатор

С<имя> <+узел> <-узел> [имя модели] <значение> [IС = начальное значение>]

Параметры модели Параметр Значения по умолчанию Единицы С Коэффициент, на который умножается емкость 1   VC1 линейный коэффициент напряжения 0 B-1 VC2 квадратичный коэффициент напряжения 0 В-2 TC1 линейный коэффициент температуры 0 °C-1 ТС2 квадратичный коэффициент температуры 0 °C-2

Если [имя модели] отсутствует, то <значение> приведенное далее, представляет собой емкость в фарадах. Если [имя модели] задано, то емкость вычисляется по формуле

<3начение> C(I + VC1·V + VC2·V²)(I + TC1(T – Tnom) + TC2(T - Tnom)²),

где Tnom — номинальная температура, установленная опцией TNOM.

D — диод

D<имя> <+узел> <-узел> <имя модели> [площадь]

Параметры модели Параметр Значения по умолчанию Единицы IS Ток насыщения 1Е-14 А N Коэффициент эмиссии 1   RS Паразитное сопротивление 0 Ом CJO Емкость pn-перехода при нулевом смещении 0 Ф VJ Потенциал pn-перехода при прямом смещении 1 В M Коэффициент лавинного умножения pn-перехода 0,5   FC Коэффициент нелинейности емкости прямосмещенного перехода 0,5   TT Время переноса заряда 0 с BV Обратное напряжение пробоя бесконечно большое В IBV Обратный ток пробоя 1Е-10 А EG Ширина запрещенной зоны (высота барьера) 1,11 эВ XTI Ток насыщения IS 3   KF Коэффициент фликкер-шума 0   AF Показатель степени для фликкер-шума 1  

Модель диода, показанная на рис. D2, содержит встроенное омическое сопротивление RS.

Рис. D.2. Модель диода

Е — источник напряжения, управляемый напряжением

Е<имя> <+узел> <-узел> <+узел управления> <-узел управления> <коэффициент усиления>

Е<имя> <+узел> <-узел> POLY <значение> <+узел управления> <-узел управления> * <значения полиномиальных коэффициентов> *

F — Источник тока, управляемый током

F<имя> <+узел> <-узел> <имя управляющего компонента V> <коэффициент усиления>

F<имя> <+узел> <-узел> POLY <(значение)> <имя управляющего компонента V> * <значения полиномиальных коэффициентов> *

G — источник тока, управляемый напряжением

G<имя> <+узел> <-узел> <+узел управления> <-узел управления> <проводимость передачи>

G<имя> <+узел> <-узел> POLY <(значение)> <+узел управления> <-узел управления> * <значения полиномиальных коэффициентов> *

Н — источник напряжения управляемый током

Н<имя> <+узел> <-узел> <имя управляющего компонента V> <сопротивление передачи>

H<имя> <+узел> <-узел> POLY <(значение)> <имя управляющего компонента V> * <значения полиномиальных коэффициентов> *

I — независимый источник тока

I<имя> <+узел> <-узел>[[DС]<значение>] [АС] <амплитуда> [<фазовый угол>]][спецификация формы тока]

Если имеется [спецификация формы тока], она должна быть одной из следующих: EXP(), PULSE(), PWL(), SFFM() или SIN().

J — полевой транзистор JFET

J[имя] <узел стока> <узел затвора> <узел истока> <имя модели>

Параметры модели Параметр Значения по умолчанию Единицы VTO Барьерный потенциал –2,5 В BETA Транскондуктивность, связывающая ток стока с напряжением 0,1 А/В² LAMBDA Константа, учитывающая модуляцию длины канала 0 B-1 RG Омическое сопротивление затвора 0 Ом RD Омическое сопротивление стока 0 Ом RS Омическое сопротивление истока 0 Ом IS Ток насыщения pn-перехода затвора 1Е-14 А M Коэффициент лавинного умножения pn-перехода затвора 0,5   N Коэффициент эмиссии 1   VBI Потенциал pn-перехода затвора 1 В CGD Емкость затвор-сток при нулевом смещении 0 Ф CGS Емкость затвор-исток при нулевом смещении 0 Ф CDS Емкость сток-исток 0 Ф FC Коэффициент нелинейности емкости прямосмещенного перехода 0,5   VTOTC Температурный коэффициент VTO 0   ВЕТАТСЕ Температурный коэффициент BETA 0   KF Коэффициент спектральной плотности фликкер-шума 0   AF Показатель спектральной плотности фликкер-шума 1  

Полевой транзистор JFET, как показано на рис. D.3, смоделирован как встроенный полевой транзистор с омическим сопротивлением RD, включенным последовательно со стоком. Другое омическое сопротивление RS включено последовательно с истоком.

Рис. D.3. Модель полевого транзистора JFET

K — связанные катушки индуктивности (трансформатор на магнитопроводе)

K<имя> L<имя катушки индуктивности> <L<имя катушки индуктивности>> * <значение коэффициента связи>

K<имя> L<имя катушки индуктивности> * <значение коэффициента связи> <имя модели> [размеры]

Имя параметра (только для нелинейных компонентов) Параметр Значения по умолчанию Единицы AREA Среднее сечение магнитопровода 0,1 см² PATH Средняя длина магнитной линии 1 см GAP Эффективная длина воздушного зазора 0 см PACK Коэффициент заполнения магнитопровода 1   MS Напряженность насыщения 1Е+6 А/м ALPHA Коэффициент усреднения поля 0,001   A Параметр формы кривой намагничивания 1000 А/м С Постоянная упругого смещения доменов 0,2   К Постоянная подвижности доменов 500  

K<имя> называет компонент, состоящий из двух или более магнитно-связанных катушек индуктивности. Точкой обозначают первые (положительный) узел каждой катушки индуктивности. Если задано <имя модели>, то компонент представляется моделью, в которой:

а) катушка индуктивности представляет собой нелинейное устройство с магнитопроводом;

б) характеристики ВН основаны на модели Jiles-Atherton*;

в) значения L указывают число витков соответствующей обмотки;

г) необходима директива ввода модели, чтобы определить ее параметры.

L — катушка индуктивности

L<имя> <+узел> <-узел> [имя модели] <значение> [IС = начальное значение>]

Имя параметра Параметр Значения по умолчанию Единицы L Коэффициент, на который умножается емкость 1   IL1 Линейный коэффициент тока 0 А-1 IL2 Квадратичный коэффициент тока 0 А-2 TCI Линейный коэффициент температуры 0 °C-1 ТС2 Квадратичный коэффициент температуры 0 °C-2

Если [имя модели] отсутствует, то <значение> представляет собой индуктивность в генри. Если [имя модели] задано, то индуктивность вычисляется по формуле

<Значение> L (I + IL1·I + IL2·I²)(I + TC1(T – Tnom) + ТС2(Тм – Tnom)²),

где Tnom — номинальная температура, установленная опцией TNOM.

М — МОП-транзистор

М[имя] <узел стока> <узел управляющего электрода> <узел истока> <узел корпуса/подложки> <имя модели> [L = значение] [W = значение] [AD = значение] [AS = значение] [PD = значение] [NRD = значение] [NRS = значение] [NRG = значение] [NRB = значение]

Имя параметра Параметр Значения по умолчанию Единицы LEVEL Тип модели (1, 2 или 3) 1   L Длина канала DEFL м W Ширина канала DEFW м LD Длина области боковой диффузии 0 В WD Ширина области боковой диффузии 0 В VTO Барьерный потенциал 0 В KP Транскондуктивность, связывающая ток стока с напряжением 2Е-5 А/В² GAMMA Коэффициент влияния подложки на пороговое напряжение 0 В0.5 PHI Поверхностный потенциал 0,6 В LAMBDA Константа, учитывающая модуляцию длины канала (для моделей 1 и 2) 0 В-1 RG Омическое сопротивление затвора 0 Ом RD Омическое сопротивление стока 0 Ом RS Омическое сопротивление истока 0 Ом RB Омическое сопротивление подложки 0 Ом RDS Сопротивление утечки сток-исток Бесконечно большое А RSH Удельное сопротивление диффузионных областей стока и истока 0 Ом/кв IS Ток насыщения pn-перехода сток(исток)-подложка 1Е-14 А PB Потенциал приповерхностного слоя подложки 0,8 В JS Плотность тока насыщения pn-перехода сток(исток)-подложка 0 А/м² CBD Емкость перехода сток-подложка при нулевом смещении 0 Ф CBS Емкость перехода исток-подложка при нулевом смещении 0 Ф CJ Удельная емкость перехода сток(исток)-подложка при нулевом смещении (на единицу площади перехода) 0 Ф/м² CJSW Удельная емкость боковой поверхности перехода сток(исток) — подложка при нулевом смещении (на единицу длины периметра перехода) 0 Ф/м MJ Градиентный коэффициент нижнего pn-перехода 0,5 Ф MJSW Градиентный коэффициент боковой части pn-перехода 0,33 Ф FC Коэффициент емкости перехода подложки при прямом смещении 0,5   CGSO Удельная емкость перекрытия затвор-сток (на единицу ширины) 0 Ф/м CGDO Удельная емкость перекрытия затвор-исток (на единицу ширины) 0 Ф/м CGBO Удельная емкость перекрытия затвор-подложка (на единицу ширины) 0 Ф/м NSUB Плотность легирования подложки 0 см-3 NSS Плотность медленных поверхностных состояний 0 см-2 NFS Плотность быстрых поверхностных состояний 0 см-2 TOX Толщина оксидного слоя бесконечно большая м TPG Тип материала затвора: +1 противоположен типу подложки, -1 такой, как в подложке, 0 алюминий     XJ Глубина металлургического перехода 0 м UO Поверхностная подвижность 600 см²/В×с UCRIT Напряженность критического снижения подвижности (для LEVEL = 2)     UEXP Показатель степени критического снижения напряженности (для LEVEL = 2)     UTRA (Не используется) напряженность критического снижения поперечное подвижности     VMAX Максимальная скорость дрейфа 0 м/с NEFF Коэффициент заряда канала (для LEVEL = 2) 1     XQC Часть заряда канала, определяемая стоком 1   DELTA Коэффициент влияния ширины канала на пороговое напряжение 0   THETA Коэффициент модуляции подвижности (для LEVEL = 3) 0 В-1 ETA Коэффициент статической обратной связи (для LEVEL = 3) 0   KAPPA Коэффициент насыщения поля (для LEVEL = 3) 0,2   KF Коэффициент спектральной плотности фликкер-шума 0   AF Показатель спектральной плотности фликкер-шума 1  

МОП-транзистор, который показан на рис. D.4, смоделирован как встроенный МОП-транзистор с омическим сопротивлением RD, включенным последовательно со стоком, омическим сопротивление RS, включенным последовательно с истоком, омическим сопротивлением RG последовательно с затвором и омическим сопротивлением RB последовательно с подложкой. Сопротивление утечки RDS подключено параллельно каналу (сток-исток).

Рис. D.4. Модель МОП-транзистора

Q — биполярный транзистор

Q<имя> <узел коллектора> <узел базы> <узел эмиттера> <[узел подложки]> <имя модели> [площадь]

Имя параметра Параметр Значения по умолчанию Единицы IS Ток насыщения pn-перехода 1Е-16 А BF Максимальный прямой коэффициент усиления для идеального транзистора 100   NF Коэффициент эмиссии тока при прямом смещении 1   VAF(VA) Напряжение Эрли при прямом смещении Бесконечно большое В ISE (C2) Ток насыщения утечки перехода база-эмиттер 0 А IKF (IK) Ток, соответствующий перегибу в зависимости коэффициента усиления от тока коллектора Бесконечно большое А NE Коэффициент неидеальности перехода база-эмиттер 1,5   BR Максимальный коэффициент усиления для идеального транзистора в инверсном режиме 1   NR Коэффициент неидеальности в инверсном режиме 1   VAR (VB) Напряжение Эрли в инверсном режиме Бесконечно большое В IKR Ток, соответствующий точке перегиба в зависимости коэффициента усиления от тока коллектора Бесконечно большое А ISC (C4) Ток насыщения утечки перехода база-коллектор 0 А NC Коэффициент неидеальности коллекторного перехода 2,0   RB Объемное сопротивление базы при нулевом смещении (максимальное) 0 Ом RBM Минимальное сопротивление базы RB Ом RE Омическое сопротивление эмиттера 0 Ом RC Омическое сопротивление коллектора 0 Ом CJE Емкость перехода база-эмиттер при нулевом смещении 0 Ф VJE(PE) Контактная разность потенциалов перехода база-эмиттер 0,75 В MJE(ME) Градиентный коэффициент перехода база-эмиттер 0,33   CJC Емкость перехода база-коллектор при нулевом смещении 0 Ф VJC Контактная разность потенциалов перехода база-коллектор 0,75 В MJC (МС) Градиентный коэффициент перехода база-коллектор 0,33   XCJC Доля Cbc, связанная с Rb 1   CJS Емкость перехода коллектор-подложка при нулевом смещении 0 Ф VJS(PS) Контактная разность потенциалов перехода коллектор-подложка 0,75   MJS (MS) Градиентный коэффициент перехода коллектор-подложка 0   FC Коэффициент конденсатора истощения прямого смещения 0,5   TF Прямое время пролета для идеального транзистора 0 с XTF Коэффициент для времени пролета 0   VTF Напряжение, характеризующее зависимость времени пролета от Vbc Бесконечно большое В ITF Ток, характеризующий зависимость времени пролета от Vbc 0 А PTF Дополнительный сдвиг фазы при частоте I/(2πTF) Гц 0 ° TR Время обратного пролета для идеального транзистора 0 с EG Напряжение ширины запрещенной зоны (высота барьера) 1,11 эВ XTB Температурный коэффициент для BF и BR 0   XTI Температурный коэффициент для IS 3   KF Коэффициент спектральной плотности фликкер-шума 0   AF Показатель спектральной плотности фликкер-шума 1  

BJT, что видно из рис. D.5, смоделирован как встроенный транзистор с омическим сопротивлением RC, включенным последовательно с коллектором, с переменным сопротивлением последовательно с базой и омическим сопротивлением RE последовательно с эмиттером. Узел подложки не обязателен, по умолчанию он заземляется, если не оговаривается другое соединение.

Рис. D.5. Модель полевого транзистора BJT

R — резистор

R<name> <+узел> <-узел> [имя модели] <значение>

Имя параметра Параметр Значения по умолчанию Единицы R Множитель для определения сопротивления 1   TCI Линейный температурный коэффициент 0 °С ТС2 Квадратичный температурный коэффициент 0 °C ТСЕ Экспоненциальный температурный коэффициент 0 %°C

Если [имя модели] включено в директиву, а ТСЕ не определен, то сопротивление вычисляется по формуле

<значение> R(1 + TC1(Т – Tnom) + ТС2(Т – Tnom)²), где Tnom — номинальная температура.

Если же [имя модели] включено в директиву и определен параметр ТСЕ, то сопротивление вычисляется по другой формуле

<значение> R·1,01TCE(T – Tnom)

S — Ключ, управляемый напряжением

S[имя] <+узел ключа> < -узел ключа> <+узел управления> <-узел управления> <имя модели>

Имя параметра Параметр Значения по умолчанию Единицы RON Сопротивление во включенном состоянии 1 Ом ROFF Сопротивление в выключенном состоянии 1Е6 Ом VON Управляющее напряжение при включении 1 В VOFF Управляющее напряжение при выключении 0 В

Обратите внимание на то, что сопротивление при переключениях плавно изменяется от значения RON до значения ROFF или обратно.

Т - линия передачи

Т[имя] <+узел порта А> <-узел порта А> <+узел порта В> <-узел порта В> <ZO = значение> [ТО = значение] [F= значение] [NL = значение]

ZO — характеристическое сопротивление, F частота и NL — относительная длина волны со значением по умолчанию 0,25 (следовательно F в 4 раза больше f).

Линия передачи, как показано на рис. D.6, моделируется как двунаправленная линия задержки с двумя портами: портом А с узлами 1 и 2, находящимся слева, и портом В с узлами 3 и 4, находящимся справа.

Рис. D.6. Модели линии передачи

V — независимый источник напряжения

V[имя] <+узел> <-узел> [[DC] <значение>] [АС<значение> [фаза] [спецификация формы напряжения]

Если имеется [спецификация формы напряжения] она должна быть одной из следующих: EXP(), PULSE(), PWL(), SFFM() или SIN().

W — переключатель, управляемый током

W<имя> <+узел ключа> <-узел ключа> <имя управляющего источника V> <имя модели>

Имя параметра Параметр Значения по умолчанию Единицы RON Сопротивление во включенном состоянии 1 Ом ROFF Сопротивление в выключенном состоянии 1Е6 Ом VON Управляющий ток при включении 0,001 А VOFF Управляющий ток при выключении 0 А

Обратите внимание на то, что сопротивление при переключениях плавно изменяется от значения RON до значения ROFF или обратно.

X — вызов подсхемы

X<имя> [<узел>] * <имя подсхемы> [PARAMS:<параметру = <значение> *>]

При вызове должны быть указаны те же номера узлов, что и при определении подсхемы.

Приложение E. Стандартные библиотеки компонентов PSpice

Это приложение содержит сокращенную версию стандартной библиотеки компонентов OrCAD PSpice, в которую частично включены библиотеки компонентов различных типов. Ниже приведен перечень компонентов, включенных в эту библиотеку:

Имя компонента Тип компонента Q2N2222 Биполярный NPN-транзистор Q2N2907A Биполярный PNP-транзистор Q2N3904 Биполярный NPN-транзистор Q2N3906 Биполярный PNP-транзистор D1N750 Стабилитрон (зенеровский диод) MV2201 Диод с емкостью, управляемой напряжением D1N4002 Мощный диод D1N4148 Ключевой диод MBD101 Ключевой диод J2N3819 N-канальный полевой транзистор J2N4393 N-канальный полевой транзистор IXGH40N60 N-канальный IGBT-транзистор LM324 Линейный операционный усилитель LF411 Линейный операционный усилитель UA741 Линейный операционный усилитель LM111 Компаратор напряжения K3019PL_3C8 Ферритовый магнитопровод К502Т300_3С8 Ферритовый магнитопровод К528Т50 (L3C8) Ферритовый магнитопровод KRM8PL_3C8 Ферритовый магнитопровод IRF150 Мощный полевой транзистор МОП N-типа IRF9140 Мощный полевой транзистор МОП Р-типа PAL20RP4B Программируемое логическое устройство A4N25 Оптопара 2N5444 Кремниевый управляемый выпрямитель 555D таймер 555 P/L2C Сдвоенная, однородная, сосредоточенная T-образная линия передачи P/L2C_A Соединенный, неоднородная, сосредоточенная Т-образная линия передачи P/LS Одиночная, сосредоточенная линия передачи Р/T2С Сдвоенная, однородная, распределенная линия передачи Р/Т2С_А Сдвоенная, неоднородная, распределенная (асимметричная) линия передачи P/TS Одиночная, распределенная линия передачи 54152А Мультиплексор/селектор данных 8-1 7400 Четыре 2-входовых положительных И-НЕ 7401 Четыре 2-входовых положительных И-НЕ с открытым коллектором 7402 Четыре 2-входовых положительных ИЛИ-НЕ 7403 Четыре 2-входовых положительных И-НЕ с открытым коллектором 7404 Шесть инверторов 7405 Шесть инверторов с открытым коллектором 7406 Шесть инверторов буферов/драйверов с высоковольтными выходами и открытым коллектором 7407 Шесть буфер/драйверов с высоковольтными выводами и открытыми коллекторами 7408 Четыре 2-входовых положительных И 7409 Четыре 2-входовых положительных И с выходами с открытым коллектором 7410 Три 3-входовых положительных И-НЕ 74100 8-разрядный бистабильный триггер-защелка 74107 Два J-K-триггера с очисткой 74109 Два J-K-триггера с запуском положительных фронтом 7411 Три 3-входовых положительных И 74S11 Три 3-входовых положительных И ТТЛ серии S 74110 Ведущий/ведомый J-K-триггер со схемой И на входе и захватом данных 74111 Двойной ведущий/ведомый J-K-триггер с захватом данных 7412 Три 3-входовых положительных И-НЕ с открытым коллектором 74121 Неперезапускаемый моностабильный мультивибратор с триггером Шмитта на входе 74122 Перезапускаемый моностабильный мультивибратор 74123 Перезапускаемый моностабильный мультивибратор 74125 Четыре буфера шины с тремя состояниями выходов 74126 Четыре буфера шины с тремя состояниями выходов 74128 Драйверы линейных усилителей 7413 Две 4-входовые схемы И-НЕ с триггером Шмитта 74132 Четыре 2-входовые схемы И-НЕ с триггером Шмитта 74136 Четыре 2-входовые схемы исключающего ИЛИ с открытым коллектором 7414 Шесть инверторов с триггерами Шмитта 74147 Приоритетный шифратор из 10 в 4 74148 Приоритетный шифратор из 8 в 3 74151А Мультиплексор/селектор данных из 8 в 1 74153 Два мультиплексора/селектора данных из 4 в 1 74154 Дешифратор/демультиплексор из 4 в 16 74155 Дешифратор/демультиплексор из 2 в 4 74156 Дешифратор/демультиплексор из 2 в 4 с открытыми коллекторами 74157 Четыре мультиплексора/селектора данных из 2 в 1 74159 Дешифратор/демультиплексор из 4 в 16 с открытыми коллекторами 7416 Шесть инверторов буфер/драйверов с высоковольтными выводами и открытыми коллекторами 74160 Синхронные 4-разрядные десятичные счетчики с асинхронной очисткой 74161 Синхронные 4-разрядные двоичные счетчики с прямой очисткой 74162 Синхронные 4-разрядные двоичные счетчики с синхронной очисткой 74163 Синхронные 4-разрядные двоичные счетчики 74164 8-разрядные регистры с последовательным сдвигом и параллельными выходами 7417 Шесть буферов/драйверов с высоковольтными открытыми коллекторами 74173 Регистр D-типа 4-разрядный с тремя состояниями выхода 74174 Шесть D-триггеров с очисткой 74175 Четыре D-триггера с очисткой 74176 Десятичный и двоичный счетчик/защелка с предустановкой на 35 МГц 74177 Десятичный и двоичный счетчик/защелка с предустановкой на 35 МГц 74178 4-разрядный сдвиговый регистр с параллельным доступом 74179 4-разрядный сдвиговый регистр с параллельным доступом 74181 Генератор с функциями АЛУ 74182 Генератор ускоренного переноса 74184 Преобразователь двоично-десятичного кода в двоичный 74185А Преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный 74194 4-разрядный двунаправленный универсальный сдвиговый регистр 74195 4-разрядный сдвиговый регистр с параллельным доступом 74196 4-разрядный десятичный счетчик/защелка с предустановкой 74197 4-разрядный двоичный счетчик/защелка с предустановкой 7420 Две 4-входовые схемы И-НЕ 7422 Две 4-входовые схемы И-НЕ с открытыми коллекторами 7423 Две 4-входовых схемы ИЛИ-НЕ со стробированием 74246 Декодер/драйвер двоично-десятичного кода в сигнал 7-сегментного индикатора с открытыми коллекторами 74248 Декодер/драйвер двоично-десятичного кода в сигнал 7-сегментного индикатора с встроенными «подтягивающими» резисторами (pullup) 74249 Декодер/драйвер двоично-десятичного кода в сигнал 7-сегментного индикатора с открытыми коллекторами 7425 Две 4-входовые схемы ИЛИ-HE со стробированием 74251 Мультиплексор/селектор данных из 8 в 1 с тремя состояниями выходов 74259 8-разрядный адресуемый регистр-защелка 7426 И-НЕ для высоковольтного интерфейса 74265 Четыре элемента с комплементарными выходами 7427 Три 3-входовые схемы ИЛИ-НЕ 74273 Восемь D-триггеров с очисткой, запускаемых по фронту 74276 Четыре JK-триггера 74278 4-разрядный каскадируемый приоритетный регистр 74279 Четыре защелки SBAR-RBAR 7428 Четыре 2-входовые буфера ИЛИ-НЕ 74283 Полный 4-разрядный двоичный сумматор с быстрым переносом 74290 4-разрядный десятичный счетчик, асинхронный 74293 4-разрядный двоичный счетчик, асинхронный 74298 Четыре 2-входовых мультиплексора с запоминанием 7430 8-входовая схема И-НЕ 7432 Четыре 2-входовых схемы ИЛИ 7433 Четыре 2-входовых буфера ИЛИ-НЕ с открытыми коллекторами 74351 Два селектора данных/мультиплексора с тремя состояниями выходов 74365А Шесть драйверов линии с тремя состояниями выходов 74366А Шесть драйверов линии с тремя состояниями выходов 74367А Шесть драйверов линии с тремя состояниями выходов 74368А Шесть драйверов линии с тремя состояниями выходов 7437 Четыре 2-входовых буфера И-НЕ 74376 Четыре JK-тригера 7438 Четыре 2-входовых буфера И-НЕ с открытыми коллекторами 7439 Четыре 2-входовых буфера И-НЕ с открытыми коллекторами 74390 4-разрядный десятичный счетчик, асинхронный 74393 4-разрядный двоичный счетчик, асинхронный 7440 Два 4-входовых буфера И-НЕ 74425 Четыре буфера шины с тремя состояниями выходов 74426 Четыре буфера шины с тремя состояниями выходов 7442А Дешифратор двоично-десятичный.десятичный из 4 в 10 7443А Дешифратор Excess-3 кода в десятичный код из 4 в 10 линий 7444А Дешифратор из кода Грея в десятичный 4-10 линий 7445 Дешифратор/драйвер из двоично-десятичного в десятичный код с открытыми коллекторами 7446А Дешифратор/драйвер из двоично-десятичного в код 7-сегментного индикатора с открытыми коллекторами 7448 Дешифратор/драйвер из двоично-десятичного в код 7-сегментного индикатора со встроенными «подтягивающими» (pullup) резисторами 7449 Дешифратор/драйвер из двоично-десятичного в код 7-сегментного индикатора с открытыми коллекторами 74490 4-разрядный десятичный счетчик, асинхронный 7450 Два 2-wide 2-входовых И-ИЛИ-НЕ 7451 И-ИЛИ-НЕ 7453 Расширяемый 4-wide И-ИЛИ-НЕ 7454 4-wide И-ИЛИ-НЕ 7460 Два 4-входовых расширителя 7470 Запускаемый фронтом JK-триггер с предустановкой, очисткой и схемой И на входе 7472 Ведущий-ведомый JK-триггер с предустановкой, очисткой и схемой И на входе 7473 Два JK-триггера с очисткой 7474 Два запускаемых фронтом D-триггера с предустановкой 7475 4-разрядная бистабильная защелка (два 2-разрядных общих таймера и 4-разрядная бистабильная защелка) 7476 Два JK-триггера с предустановкой и очисткой 7477 4-разрядная бистабильная защелка 7482 2-разрядный двоичный полный сумматор 7483А 4-разрядный двоичный полный сумматор с быстрым переносом 7485 4-разрядный компаратор чисел 7486 Четыре 2-входовых исключающих ИЛИ 7491А 8-разрядный сдвиговый регистр 7492А Счетчик, делящий на 12, 4-разрядный, асинхронный 7493А Счетчик двоичный 4-разрядный, асинхронный 7494 4-разрядный сдвиговый регистр 7495А 8-разрядный параллельный сдвиговый регистр 7496 8-разрядный последовательный сдвиговый регистр с параллельным выходом

Библиотека параметров моделей биполярных транзисторов

Ниже приведена сокращенная версия библиотеки моделей OrCAD для биполярных транзисторов (BJT). Параметры для каждого компонента в этой библиотеке моделей были получены из справочных данных. Каждый компонент характеризовался с использованием опции Parts. Устройства могут также характеризоваться без использования Parts следующим образом:

NE, NC Обычно равны 4 BF, ISE, IKF Они получены из номинальной кривой зависимости коэффициента усиления от тока коллектора. Величина BF определяется коэффициентом усиления в среднем диапазоне. Отношение ISE/IS определяется точкой перегиба характеристики при низких значениях тока, IKF — при высоких значениях ISC Устанавливается равным ISE IS, RB, RE, RC Они определяются по заданным номинальным зависимостям VBE(IC) и VCE(IC) при насыщении. IS определяется низким значением тока VBE. Величина RB+RE определяется крутизной нарастания VBE при росте IС. Величина RE+RC определяется крутизной нарастания VCE при росте IС. Сопротивление RC обычно устанавливается равным 0 VAF Напряжения, определенные на листе данных, используются, чтобы установить VAF, чтобы дать номинальное полное сопротивление выхода (RO на .ОР распечатке) на листе данных CJC, CJE Используются напряжения, определенные в справочных данных, чтобы установить CJC и CJE, чтобы дать номинальные емкости входа и выхода (CPI и CMU на распечатке по директиве .OP; Cibo и Cobo на листе данных) TF Используются напряжения и токи, заданные в справочных данных для вычисления FT. Время пролета TF выбирается таким, чтобы получить номинальное значение FT при распечатке по директиве .ОР TR Используются графики нарастания и спада из справочных данных, чтобы откорректировать TR (и при необходимости TF) таким образом, чтобы анализ переходных процессов давал номинальные значения задержки включения, времени нарастания, времени накопления и времени спада KF, AF Эти параметры устанавливаются только тогда, когда в справочных данных приведена спецификация шума. Тогда AF устанавливается равным 1, a KF — таким, чтобы общий шум в коллекторе превышал шум генератора в коллекторе на заданное число децибел

.model Q2N2222 NPN(Is = 14.34f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=255.9 Ne=1.307

+ Ise=14.34f Ikf=.2847 Xtb=1.5 Br=6.092 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=1

+ Сjc=7.306p Mjc=.3416 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=22.01p Mje=.377 Vje=.75

+ Tr=46.91n Tf=411.1p Itf=.6 Vtf=1.7 Xtf=3 Rb=10)

National pid=19 case=T018

88-09-07 barn creation

.model Q2N2907A PNP(Is=650.6E-18 Xti=3 Eg=1.11 Vaf=115.7 Bf=231.7 Ne=1.829

+ Ise = 54.81f Ikf = 1.079 Xtb = 1.5 Br=3.563 Nc = 2 Isc = 0 Ikr = 0 Rc=.715

+ Сjc=14.76p Mjc=.53 83 Vjc=.75 Fc=.5 Cje = 19.82p Mje=.3357 Vje=.75

+ Tr=111.3n Tf=603.7p Itf=.65 Vtf=5 Xtf=1.7 Rb=10)

National pid=63 case=T018

88-09-09 bam creation

.model Q2N3904 NPN (Is=6.734f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=416.4 Ne=1.259

+ Ise = 6.734f Ikf=66.78m Xtb=1.5 Br=.7371 Nc = 2 Isc=0 Ikr = 0 Rc=1

+ Сjс = 3.638p Mjc=.3085 Vjc=.75 Fc=.5 Cje = 4.493p Mje=.2593 Vje=.75

+ Tr=239.5n Tf = 301.2p Itf=.4 Vtf=4 Xtf=2 Rb=10)

National pid=23 case=T092

88-09-08 barn creation

.model Q2N3906 PNP(Is=1.41f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=18.7 Bf=180.7 Ke=1.5 Ise=0

+ Ikf=80rn Xtb=1.5 Br=4.977 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=2.5 Cjc=9.728p

+ Mjc=.5776 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=8.063p Mje=.3677 Vje=.75 Tr=33.42n

+ Tf = 179.3p Itf = .4 Vtf = 4 Xtf = 6 Rb=10)

National pid=66 case=T092

88-09-09 bam creation

Библиотека параметров моделей диодов

Ниже приведена сокращенная версия библиотеки моделей OrCAD для диодов. Параметры в этой библиотеке моделей были получены из справочных данных для каждого компонента. Параметры для большинства компонентов задавались с использованием опции Parts.

Компоненты могут также задаваться без опции Parts следующим образом:

IS Номинальный ток насыщения RS Для стабилитронов: номинальное сопротивление при малом сигнале и номинальном рабочем токе IB Для стабилитронов: устанавливается равным номинальному току насыщения IBV Для стабилитронов: при номинальном рабочем токе IBV равно установленному напряжению зенеровского пробоя

Стабилитроны

Суффикс «А» не изменяет параметров стабилитронов (то есть прибор 1N750A имеет те же параметры, что и 1N750).

.model D1N750 D (Is = 880.5E-1S Rs=.25 Ikf = 0 N=1 Xti = 3 Eg=1.11 Сjo = 175p M=.5516

+ Vj = .75 Fc= .5 Isr=1.859n Nr=2 Bv=4.7 Ibv=20.245m Nbv=1.6989

+ Ibv1 = 1.9556m Nbv1 = 14.976 Tbv1 = -21.277u)

Motorola pid=lN750 case=DO-35

39-9-18 gjg

Vz = 4.7@ 20mA, Zz=300@1mA, Zz=12.5@5mA, Zz = 2.6@20mA

Диоды с емкостью, зависящей от напряжения (варикапы)

Параметры в этой библиотеке моделей были получены из справочных данных для каждого компонента и задавались с использованием опции Parts.

.model MV2201 (Is=1.365p Rs = 1 Ikf = 0 N=1 Xti = 3 Eg=1.11 jo=14.93p M=.4261

+ Vj = .75 Fc =.5 Isr=16.02p Nr=2 Bv=2 Ibv=10u)

Motorola pid=MV2201 case=182-03

88-09-22 bam creation

Ключевые диоды

.model D1N4148 D(Is = 2.682n N = 1.836 Rs=.5664 Ikf = 44.17m Xti = 3 Eg=1.11

+Tt=11.54n)

Cjo=4p M=.3333 Vj=.5 Fc=.5 Isr=1.565n Nr=2 Bv=100 Ibv = 100u

.model MBD101 D(Is=192.1p Rs=.1 1kf=0 N=1 Xti=3 Eg=1.11 Сjo = 893.8f

+M=98.29m Vj = .75 Fc=.5 Isr=16.91n Nr=2 Bv=5 Ibv=10u)

Motorola pid=MBD101 case=182-03

88-09-22 bam creation

Мощные диоды

+.MODEL D1N4002 D (IS=14.11E-9 N=1.984 RS=33.89E-3 IKF=94.81 XTI = 3

+ EG=1.110 CJO=51.17E-12 M=.2762 VJ=.3905 FC=.5 ISR=100.0Е-12

+ NR=2 BV=100.1 IBV=10 TT=4.761E-6)

Библиотека параметров модели полевого транзистора

Ниже приведена сокращенная версия библиотеки моделей OrCAD для полевых транзисторов. Параметры в этой библиотеке моделей были получены из справочных данных для каждого компонента. Параметры для большинства компонентов задавались с использованием опции Parts.

.model J2N3819 NJF (Beta=1.304m Betatce=-.5 Rd=1 Rs=1 Lambda=2.25m Vto=-3

+ Vtotc = -2.5m Is=33.57f Isr=322.4f N=1 Nr=2 Xti = 3 Alpha=311.7

+ Vk=243.6 Cgd=1.6p M=.3622 Pb=1 Fc=.5 Cgs=2.414p Kf=9.882E-18

+ Af=1)

National pid=50 case=T092

88-08-01 run BVmin=25

.model J2N43 93 NJF(Beta=9.109m Betatce=-.5 Rd=1 Rs=1 Lambda=6m Vto=-1.422

+ Vtotc=-2.5m Is = 205.2f Isr=1.988p N=1 Nr = 2 Xti=3 Alpha=20.98u

+ Vk=123.7 Cgd=4.57p M=.4069 Pb=1 Fc=.5 Cgs=4.06p Kf=123E-18

+ Af = 1)

National pid=51 case=TO18

88-07-13 bam BVmin=40

Библиотека параметров моделей igbt-транзисторов

Параметры в этой библиотеке моделей были получены из справочных данных. Параметры этого компонента задавались с использованием программ Parts и Optimizer:

.MODEL IXGH40N60 NIGBT

+ TAU=287.56E-9

+ KP=50.034

+ AREA=37.500Е-6

+ AGD=18.750Е-6

+ VT=4.1822

+ KF=.36047

+ CGS = 31.942E-9

+ COXD = 53.188E-9

+ VTD=2.6570

Библиотека подсхем операционных усилителей

Ниже приведена сокращенная версия библиотеки моделей OrCAD для линейных подсхем ОУ.

Параметры в библиотеке ОУ были получены из справочных данных для каждого компонента. Используемая макромодель подобна ранее описанной [см. Boyle, Graeme, Barry Cohn, Donald Pederson, and James Solomon, 1974, Macromodeling of integrated circuit operational amplifiers, IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-9, no. 6 (December)] Отличия от этой модели вызваны ограничениями, наложенными на выходной каскад. Он был изменен, чтобы уменьшить генерируемые токи для ограничения выходного напряжения и тока короткого замыкания. Параметры модели ОУ соответствуют комнатной температуре, температурные изменения в модели не отражаются. Этот библиотечный файл содержит модели для номинального устройства и не учитывает наихудший случай:

connections:  non-inverting input

              | inverting input

              | | positive power supply

              | | | negative power supply

              | | | | output

              | | | | |

.subckt LM324 1 2 3 4 5

c1 11 12 2.887E-12

c2 6 7 30.00E-12

dc 5 5 3 dx

de 54 5 dx

dip 90 91 dx

din 92 90 dx

dp 4 3 dx

egnd 99 0 poly(2)(3,0)(4,0) 0 .5 .5

fb 7 99 poly(5) vb vc ve vlp vln 0 21.22E6 -20E6 20E6 20E6 -20E6

ga 6 0 11 12 188.5E-6

gcm 0 6 10 99 59.61E-9

iee 3 10 dc 15.09E-6

hlim 90 0 vlim 1K

q1 11 2 13 qx

q2 12 1 14 qx

r2 6 9 100.0E3

rc1 4 11 5.305E3

rc2 4 12 5.305E3

re1 13 10 1.845E3

re2 14 10 1.845E3

rcc 10 99 13.25E6

ro1 8 5 50

ro2 7 99 25

rp 3 4 9.082E3

vb 9 0 dc 0

vc 3 53 dc 1.500

ve 54 4 dc 0.65

vlim 7 8 dc 0

vlp 91 0 dc 40

vln 0 92 dc 40

.model dx D(Is = 800.0E-18 Rs = 1)

.model qx PNP (Is = 800.0E-18 Bf = 166.7)

.ends

connections:  non-inverting input

              | inverting input

              | | positive power supply

              | | | negative power supply

              | | | | output

              | | | | |

.subckt uA741 1 2 3 4 5

c1 11 12 8.661E-12

c2 6 7 30.00E-12

dc 5 53 dx

de 54 5 dx

dip 90 91 dx

din 92 90 dx dp 4 3 dx

egnd 99 0 poly(2)(3,0)(4,0) 0 .5 .5

fb 7 99 poly(5) vb vc ve vlp vln 0 10.61E6 -10E6 10E6 10E6 -10E6

ga 6 0 11 12 188.5E-6

gcm 0 6 10 99 5.961E-9

iee 3 10 dc 15.16E-6

hlim 90 0 vlim 1K

q1 11 2 13 qx

q2 12 1 14 qx

r2 6 9 100.0E3

rc1 3 11 5.305E3

rc2 3 12 5.305E3

re1 13 10 1.836E3

re2 14 10 1.836E3

rcc 10 99 13.19E6

ro1 8 5 50

ro2 7 99 100

rp 3 4 18.16E3

vb 9 0 dc 0

vc 3 53 dc 1

ve 54 4 dc 1

vlim 7 8 dc 0

vlp 91 0 dc 40

vln 0 92 dc 40

.model dx D(Is=800.0E-18 Rs=1)

.model qx NPN(Is=800.0E-18 Bf=93.75)

.ends

connections: non-inverting input

              | inverting input

              | | positive power supply

              | | | negative power supply

              | | | | output

              | | | | |

.subckt LF411 1 2 3 4 5

c1 11 12 4.196E-12

c2 6 7 10.00E-12

css 10 99 1.333E-12

dc 5 5 3 dx

de 5 4 5 dx

dip 90 91 dx

din 92 90 dx dp 4 3 dx

egnd 99 0 poly(2) (3,0) (4, 0) 0 .5 .5

fb 7 99 poly(5) vb vc ve vlp vln 0 31.83E6 -30E6 30E6 30E6 -30E6

ga 6 0 11 12 251.4E-6

gcm 0 6 10 99 2.514E-9

iss 3 10 dc 170.0E-6

hlim 90 0 vlim 1K

j1 11 2 13 qx

j2 12 1 14 qx

r2 6 9 100.0E3

rd1 3 11 3.978E3

rd2 3 12 3.978E3

ro1 13 10 1.836E3

ro2 14 10 1.836E3

rcc 10 99 13.19E6

ro1 8 5 50

ro2 7 99 25

rp 3 4 15.00E3

rss 10 99 4 1.176E6

vb 9 0 dc 0

vc 3 53 dc 1.500

ve 54 4 dc 1.500

vlim 7 8 dc 0

vlp 91 0 dc 2 5

vln 0 92 dc 25

.model dx D(Is=800.0E-18 Rs=1m)

.model qx NJF(Is=12.50E-12 Beta=743.3E-6 Vto=-1)

.ends

Компараторы напряжения

Параметры в этой библиотеке компараторов были получены из справочных данных на компоненты. Используемая макромодель была разработана MicroSim Corporation и введена в PSpice с использованием опции Parts. Другая макромодель компаратора (не использованная в данной книге) описана в работе (Getreu, Ian, Andreas Hadiwidjaja, and Johan Brinch, 1976, An integrated-circuit comparator macromodel, IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-11, no. 6 (December). В этой работе рассматриваются вопросы моделирования компараторов напряжения.

Параметры рассматриваемой нами модели компаратора соответствуют комнатной температуре, температурные изменения в модели не отражаются. Библиотечный файл содержит модели для номинального устройства и не учитывает наихудший случай.

connections:  non-inverting input

              | inverting input

              | | positive power supply

              | | | negative power supply

              | | | | open collector output

              | | | | | output ground

              | | | | | |

.subckt LM111 1 2 3 4 5 6

f1 9 3 v1 1

iee 3 7 dc 100.0E-6

vi1 21 1 dc .45

vi2 22 2 dc .45

q1 9 21 7 qin

q2 8 22 7 qin

q3 9 8 4 qin

q4 8 8 4 qin

.model qin PNP(Is=800.0E-18 Bf = 833.3)

.model qmi NPN(Is=800.0E-18 Bf = 1002)

.model qmo NPN(Is=800.0E-18 Bf = 1000 Cjc=1E-15 Tr=118.8E-9)

e1 10 6 9 4 1

v1 10 11 dc 0

q5 5 11 6 qoc

.model qoc NPN(Is=800.0E-18 Bf=34.49E3 Cjc=1E-15 Tr=79.34E-9)

dp 4 3 dx

rp 3 4 6.122E3

model dx B(Is = 800.0E-18 Rs = 1)

.ends

Библиотека моделей магнитопроводов

Ниже приведена сокращенная версия библиотеки моделей OrCAD для магнитопроводов. Параметры в библиотеке ОУ были получены из справочных данных для каждого магнитопровода. Модель магнитного материала описана в работе Jiles, D. С, and D. L. Atherton, 1986, Theory of ferromagnetic hysteresis, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 61:48-60. Параметры модели для феррита (Ferroxcube 3С8) были получены с использованием кривых гистерезиса В(Н) из каталога изготовителя. Затем была создана библиотека для каждого типоразмера магнитопровода из справочных данных. Обратите внимание, что магнитопровод характеризуется только типоразмером.

Используемый пример:

K2 L2 .99 K1409PL3C8

Примечания:

1. Использование компонента K со ссылкой на модель (ранее он применялся только для катушек с взаимной связью) изменяет смысл величины L: теперь это не значение индуктивности, а число витков обмотки.

2. Компонент К устройства может иметь только одну катушку индуктивности, как в предшествующем примере, где моделируется мощный дроссель.

Схемный файл:

+

| Demonstration of power inductor B-H curve

| To view results with Prove (B-H curve) :

| 1) Add Trace for B(K1)

| 2) set X-axis variable to H(K1)

| Probe x-axis unit is Oersted

| Probe y-axis unit is Gauss

|.tran .1 4

| igen0 0 1 sin (0.1amp 1Hz 0) ; Generator: starts with 0.1 amp sinewave, then

| igen1 0 1 sin(0.1amp 1Hz 1); +0.1amps, starting at 1 second

| igen2 0 1 sin(0.2amp 1Hz 2) ; +0.2 amps, starting at 2 seconds

| igen3 0 1 sin(0.8amp 1Hz 3) ; +0.4 amps, starting at 3 seconds

|RL 1 0 1ohm ; generator source resistance

| LI 1 0 20 ; inductor with 2 0 turns

|K1 LI .9999 K528T500 ; Ferroxcube torroid core

|.model K528T500 3C8 CORE (Ms = 415 .2K A=44.82 C=.4112 K=25.74)

|+ AREA=1.17 PATH = 8.49)

| options it15=C

|.probe

|.end

+

Магнитопровод Ferroxcube (горшок): феррит 3C8

.model K3019PL_ Core(MS=415.2K A=44.82 C=.4112 K=25.74

+ Area=1.38 Path=4.52)

Прямоугольный магнитопровод Ferroxcube: феррит 3C8

.model KRM8PL_3C8 Core(MS=415.2K A=44.82 C=.4112 K=25.74

+ Area=.630 Path = 3.84)

Тороидальный магнитопровод Ferroxcube: феррит 3C8

.model K502T300_3C8 Core (MS = 415.2K A=44.82 C=.4112 K=25.74

+ Area=.371 Path = 7.32)

.model K528T500_3C8 Core(MS=415.2K A=44.82 C=.4112 K=25.74

+ Area = 1.17 Path = 8.49)

Библиотека параметров моделей транзисторов MOSFET (для «мощных» MOSFET)

Ниже приведена сокращенная версия библиотеки моделей OrCAD для мощных полевых транзисторов (MOSFET). Параметры в этой библиотеке моделей были получены из справочных данных для каждого компонента. Характеристики каждого компонента задавались с использованием опции Parts. Транзисторы могут также характеризоваться без использования Parts следующим образом:

LEVEL Устанавливается равным 3 (прибор с коротким каналом) ТОХ Определяется классом затвора L, LD, W, WD Полагаем L=2u (вычисляется из входной емкости) XJ, NSUB Отображает технологию изготовления IS, RD, RB Определяется из параметра «прямое падение на диоде исток-сток» или из зависимости Idr от Vsd RS Определяется из параметра Rds(on) RDS Определяется из параметра или графика Idss VTO, UO, THETA Определяется из семейства выходных характеристик Ids(Vds) с шагом по параметру Vgs ETA, VMAX, CBS Устанавливается для нулевого эффекта CBD, PB, MJ Определяется из графика зависимости емкости от Vds RG Определяется из параметров времени нарастания и времени спада или из временных диаграмм CGSO, CGDO Определяется из заряда затвора задержки включения и выключения и времени нарастания

Примечание: При описании компонента в вашем схемном файле убедитесь, что узлы истока и подложки соединены, поскольку это осуществляется в реальных устройствах. НЕ ВКЛЮЧАЙТЕ значения для параметров L, W, AD, AS, PD, PS, NRD или NDS! Программа PSpice задает эти значения по умолчанию в командах библиотечной модели. Конечно, вы НЕ ДОЛЖНЫ возвращаться к значениям по умолчанию, если задаете опции с помощью инструкции .OPTIONS, например, если используете

M17 15 23 7 7 IRF150

Изготовители «мощных» МОП-транзисторов сопровождают их относительно законченным набором нормированных статических и динамических характеристик для моделирования. Моделируются следующие эффекты: передаточные характеристики в прямом направлении на постоянном токе, характеристики управления затвором и задержки переключения, сопротивление во включенном состоянии и влияние паразитных обратных диодов. Не смоделированы предельные значения, связанные с выходом прибора из строя (например для случая пробоя при высоком напряжении) и с областью безопасной работы (например при превышении допустимой рассеиваемой мощности) и с шумом.

Для переключений при больших токах советуем вам включать в схемный файл индуктивные элементы в цепи истока и стока. При этом будут смоделированы выбросы напряжения из-за di/dt. Согласно справочным данным компании International Rectifier (1985), рекомендуется использовать следующие значения индуктивностей вывода

ТО-204 (модификация ТО-3): исток = 12,5 нГн, сток = 5,0 нГн

ТO-220: исток = 7,5 нГн, сток = 3,5...4,5 нГн

.model IRF15 0 NMOS(Level=3 Gamma=0 Delta=0 Eta=0 Theta=0 Kappa=0

+Vmax =0 Xj=0

+ Tox=100n Uo=600 Phi=.6 Rs=1.624m Kp=20.53u W=.3 L=2u Vto=2.831

+ Rd=1.03m Rds=444.4K Cbd=3.229n Pb=.8 Mj=.5 Fc=.5 Cgso=9.027n

+ Cgdo=1.679n Rg=13.89 Is=194E-18 N=1 Tt=288n)

Int'l Rectifier pid=IRFC150 case=T03

88-08-25 bam creation

.model IRF914 0 PMOS(Level=3 Gamma=0 Delta=0 Eta=0 Theta=0 Kappa=0 +Vmax =0 Xj = 0

+ Tox=100n Uo=3 00 Phi=.6 Rs = 70.6m Kp=10.15u W=1.9 L=2u Vto=-3.67

+ Rd=60.6 6m Rds=444.4K Cbd=2.141n Pb=.8 Mj=.5 Fc=.5 Cgso = 877.2p

+ Cgdo=369.3p Rg=.811 Is=52.23E-1.8 N=2 Tt=140n)

Int'l Rectifier pid=IRFc9140 case=T03

bam creation$

Цифровые компоненты

7400 четыре 2-входовых положительных И-НЕ

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2,1985, Texas Instruments.

.subckt 7400 А В Y

+ . optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 nand(2) DPWR DGND

+ А В Y

+ D_00 IO_3TD MNTYMXDLY= {MNTYMXDLY} IO_LEVEL= {IO_LEVEL}

.ends

.model D_00 ugate (

+ tplhty=Hns tplhmx=22ns

+ tphlty=7ns tphlmx=15ns

+ )

7401 четыре 2-входовых положительных И-НЕ с открытым коллектором

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2,1985, Texas Instruments.

.subckt 7401 А В Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 nand(2) DPWR DGND

+ А В Y

D_01 IO_STD_OC MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL= {IO_LEVEL}

.ends

.model D_01 ugate ( + tplhty=35ns tplhmx=55ns

+ tphlty=8ns tphlmx=15ns

+ )

7402 четыре 2-входовых ИЛИ-НЕ

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7402 А В Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY= 0 IO_LEVEL=0

U1 nor(2) DPWR DGND

+ А В Y

D_02 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL= {IO_LEVEL}

.ends

.model D_02 ugate (

+ tplhty=12ns tplhmx=22ns

+ tphlty=8ns tphlmx=15ns

+ )

7403 четыре 2-входовых положительных И-НЕ с открытым коллектором

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2,1985, Texas Instruments.

.subckt 7403 А В Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 nand(2) DPWR DGND

+ А В Y

+ D_03 IO_STD_OC MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_03 ugate (

+ tplhty=:35ns tplhmx=45ns

+ tphlty=8ns tphlmx=15ns

+ )

7404 шесть инверторов

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2,1985, Texas Instruments.

.subckt 7404 A Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND = $G_DGND

+ params: MNTYMXDLY= 0 IO_LEVEL=0

U1 inv DPWR DGND

+ AY

+ D_04 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_04 ugate(

+ tplhty=12ns tplhmx=22ns

+ tphlty=8ns tphlmx=15ns

+ )

7405 шесть инверторов с открытым коллектором

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2,1985, Texas Instruments.

.subckt 7405 A Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 inv DPWR DGND

+ AY

+ D_05 IO_STD_OC MNTYMXDLY={MNTYMXDLY}

IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_05 ugate (

+ tplhty=40ns tplhmx=55ns

+ tphlty=8ns tphlmx=15ns

+ )

7406 шесть буферов/драйверов с инверсными высоковольтными выходами и открытым коллектором

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7406 A Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IC_LEVEL=0

01 inv DPWR DGND

+ AY

+ D_06 IO_STD_OC MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_06 ugate (

+ tplhty=10ns tplhmx=15ns

+ tphlty=15ns tphlmx=23ns

+ )

7407 шесть буферов/драйверов с высоковольтными выходами и открытым коллектором

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7407 A Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IC_LEVEL=0

U1 buf DPWR DGND

+ A Y

+ D_07 IO_STD_OC MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_07 ugate (

+ tplhty=6ns tplhmx=10ns

+ tphlty=20ns tphlmx=30ns

+ )

7408 четыре 2-входовых положительных И

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7408 А В Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY= 0 IO_LEVEL=0

U1 and(2) DPWR DGND

+ А В Y

+ D_0S IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_08 ugate (

+ tplhty=17.5ns tplhmx=27ns

+ tphlty=12ns tphlmx=19ns +

)

7409 четыре 2-входовых положительных И с открытым коллектором

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7409 А В Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 and (2) DPWR DGND

+ А В Y

+ D_09 IO_STD_OC MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_09 ugate (

+ tplhty=21ns tplhmx=32ns

+ tphlty=16ns tphlmx=24ns +

)

7410 три 3-входовых положительных И-НЕ

Источник: TheTTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7410 А В С Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0 U1

nand(3) DPWR DGND

+ ABC Y

+ D_10 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_10 ugate (

+ tplhty=11ns tplhmx=22ns

+ tphlty=7ns tphlmx=15ns

+ )

7411 три 3-входовых положительных И

Источник: 1989 National Semiconductor.

.subckt 7411 А В С Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 and(3) DPWR DGND

+ ABC Y

+ D_11 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_11 ugate (

+ tplhmx=27ns

+ tphlmx=19ns

+ )

7412 три 3-входовых положительных И-НЕ с открытым коллектором

Источник: TheTTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7412 А В С Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 nand(3) DPWR DGND

+ ABC Y

+ D_12 IO_STD_OC MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_12 ugate (

+ tplhty=35ns tplhmx=45ns

+ tphlty=8ns tphlmx=15ns

+ )

7413 два 4-входовых положительных И-НЕ с триггерами Шмитта

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7413 А В С D Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 nand(4) DPWR DGND

+ А В С D Y

+ D_13 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_13 ugate (

+ tplhty=18ns tplhmx=27ns

+ tphlty=15ns tphlmx=22ns

+ )

Примечание: Эти приборы моделировались просто как схемы И-НЕ. Гистерезис моделировался в интерфейсе AtoD.

7414 шесть инверторов с триггерами Шмитта

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7414 A Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND +

params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 inv DPWR DGND

+ A Y

+ D_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_14 ugate (

+ tplhty=15ns tplhmx=22ns

+ tphlty=15ns tphlmx=22ns

+ )

Примечание: Эти приборы моделировались просто как инверторы. Гистерезис моделировался в интерфейсе AtoD.

7420 два 4-входовых положительных И-НЕ

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7420 А В С D Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 nand (4) DPWR DGND

+ А В С D Y

+ D_2 0 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_20 ugate (

+ tplhty=12ns tplhmx=22ns

+ tphlty=8ns tphlmx=15ns

+ )

7427 три 3-входовых положительных ИЛИ-НЕ

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7427 А В С Y

+ optional DPWR=$G_DPWR DGND= $G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 nor(3) DPWR DGND

+ ABC Y

+ D_27 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_27 ugate (

+ tplhty=10ns tplhmx=15ns

+ tphlty=7ns tphlrax=11ns

+ )

7451И-ИЛИ с инверсным выходом

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

subckt 7451 ABCDY

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 aoi(2,2) DPWR DGND

+ А В С D Y

+ D_51 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

7470 запускаемый фронтом JK-триггер с предустановкой, очисткой и схемой И на входе

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2,1985, Texas Instruments.

.subckt 7470 CLK PREBAR CLRBAR J1 J2 JBAR K1 K2 KBAR Q QBAR

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY= 0 IO_LEVEL=0

U1V inva(3) DPWR DGND

+ CLK JBAR KBAR CLKBAR J3 K3

+ D0_GATE IO_STD IO_LEVEL={IO_LEVEL}

U2A anda(3,2) DPWR DGND

+ J3 J1 J2 K3 K1 K2 J K

+ D0_GATE IO_STD IO_LEVEL={IO_LEVEL}

U3 jkff(1) DPWR DGND

+ PREBAR CLRBAR CLKBAR J K Q QBAR

+ D_7 0 IQ_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

7473 два JK-триггера с очисткой

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7473 CLK CLRBAR J K (

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

UIBUF bufa(3) DPWR DGND

+ CLRBAR J K CLRBAR_BUF J_BUF K_BUF

+ D0_GATE IO_STD IO_LEVEL={IO_LEVEL}

U2BUF buf DPWR DGND

+ CLK CLK_BUF

+ D_73_4 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

U1 inva(3) DPWR DGND

+ CLKJBUF J_BUF K_BUF CLKBAR JB KB

+ D0_GATE IO_STD

U2A ao(3, 2) DPWR DGND

+ J_BUF QBAR_BUFD K_BUF J_BUF KB $D_HI W1

+ D_73_3 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY}

U2B ao(3,2) DPWR DGND

+ J_BUF K_BUF Q_BUFD $D_HI JB K_BUF W2

+ D_73_3 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY}

U3 srff(1) DPWR DGND

+ $D_HI CLRBAR_BUF CLK_BUF W1 W2 Y YB

+ D_73_1 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY}

U4 srff(1) DPWR DGND

$D_HI CLRBAR_BUF CLKBAR Y YB QBUF QBAR_BUF

+ D_73_2 IC_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY}

UOBUF bufa (2) DPWR DGND

+ QBUF QBAR_BUF Q QBAR

+ D_73_3 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

UBUF bufa(2) DPWR DGND

+ QBUF QBAR_BUF Q_BUFD QBAR_BUFD

+ D_73_3 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXDLY}

.ends

7474 два запускаемых фронтом D-триггера с предустановкой и очисткой

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 7474 1CLRBAR ID 1CLK 1PREBAR 1Q 1QBAR

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

UFF1 dff(1) DPWR DGND

+ 1PREBAR 1CLRBAR 1CLK ID 1Q 1QBAR

+ D_7 4 IO_STD MNTYMXDLY={MNTYMXPLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

.model D_74 ueff (

+ twpclmn=30ns twclklmn=37ns

+ twclkhmn=30ns tsudclkmn=20ns

+ thdclkmn=5ns tppcqlhmx=25ns

+ tppcqhlmx=40ns tpclkqlhty=14ns

+ tpclkqlhmx=25ns tpclkqhlty=20ns + tpclkqhlmx=40ns

+ )

Модели ввода-вывода, цифровой источник питания, модели временных зависимостей и другие модели из библиотеки DIG_IO.LIB

Источник: Copyright 1989,1990, 1991, 1992 by MicroSim Corporation.

Параметры в этой образцовой библиотеке были получены из TTL Data Book, vol. 2, 1985, Texas Instruments, 1-21 to 1-28, 3-4 to 3-9 and 3-79 to 3-81.

Подсхемы AtoD и DtoA

Подсхемы этой библиотеки используются, чтобы преобразовать аналоговые сигналы в цифровые (AtoD — ANALOG to DIGITAL) и цифровые сигналы в аналоговые сигналы (DtoA - DIGITAL to ANALOG). Опция цифрового моделирования PSpice автоматически создает компоненты X, которые ссылаются на эти подсхемы каждый раз, когда необходимо преобразовать цифровой или аналоговый сигнал. Обычно вы не должны непосредственно использовать эти подсхемы. Однако если вам необходимо добавить новые подсхемы AtoD или DtoA, то порядок следования узлов и их параметры должны быть такими:

AtoD:

.subckt <имя> <аналоговый узел> <цифровой узел> <узел источника> <узел земли>

+ params: CAPACITANCE = 0

DtoA:

.subckt <имя> <цифровой узел> <аналоговый узел> <узел источника > <узел земли>

+ params: DRVL=0 DRVH=0 CAPACITANCE=0

Модели входов-выходов

Модели входов-выходов (I/O) определяют имена подсхем AtoD и DtoA которые должна использовать программа PSpice, чтобы преобразовать аналоговые сигналы в цифровые или наоборот. (Модели ввода-вывода (I/O) описывают характеристики нагрузки и запуска.) До четырех имен каждой из подсхем AtoD и DtoA может быть определено в модели I/O при использовании параметров от AtoD1 до AtoD4 и от DtoA1 до DtoA4. Подсхема, которая будет фактически использована, зависит от значения параметра IO_LEVEL, приведенного в ссылке на подсхему.

Как принято в этой библиотеке, уровни имеют следующие определения:

IO_LEVEL Описание 1 AtoD генерирует X, R и F в промежутке от VIL max до VTH min 2 AtoD переходит непосредственно от 0 к 1 при уровне Vt 3 Неиспользуемый (такой же, как уровень 1) 4 Неиспользуемый (такой же, как уровень 2)

Отметим, что входы, на которых сигнал поступает на встроенные в микросхему триггеры Шмитта, всегда переходят непосредственно от 0 к 1. Например, чтобы определить базисный интерфейс без промежуточного значения X, необходимо использовать

X1 in out 74LS04 PARAMS: IO_LEVEL=2

Если значение IO_LEVEL для компонента не определено, используется значение, заданное по умолчанию. Заданный по умолчанию уровень управляется параметром DIGIOLVL директивы .OPTION, значение которого по умолчанию равно 1.

Времена переключения

Модели I/O включают параметры времени переключения с низкого уровня на высокий и обратно (TSWLHN и TSWHLN). Имеются различные пары TSWLHN и TSWHLN для каждого значения IO_LEVEL. Эти временные интервалы вычитаются из времени задержки распространения для устройств, которые имеют подсхему DtoA, созданную при их выводе. Под временем переключения понимается время, необходимое DtoA, чтобы изменить выходное напряжение от установившегося состояния до логического порога.

Значения времени переключения выбраны так, чтобы вставка пары DtoA/AtoD на пути логического сигнала не изменяла полную задержку распространения. (Считается, что выход аналогового сигнала не нагружен).

Источники питания

Модели I/O также определяют имя подсхемы источника питания цифровых компонентов. Эти подсхемы вызываются в случае создания любых интерфейсов AtoD/DtoA.

Цифровые источники питания

PSpice автоматически вызывает подсхему источника питания при создании интерфейсов AtoD или DtoA. Возникающие в результате цифровые узлы источника питания используются интерфейсами AtoD/DtoA. Определение имени подсхемы источника питания является частью алгоритма моделей I/O. В настоящее время эти источники питания имеют следующие параметры:

Тип компонента Имя подсхемы Создаваемые узлы ТТЛ DIGIFPWR $G_DPWR $G_DGND

PSpice всегда использует узел 0 как необходимый опорный аналоговый узел «GND» (земля). По умолчанию, узлы, созданные обращением подсхемы — это глобальные узлы ($G_xxx), которые используются всеми библиотеками компонентов данного семейства. Заданное по умолчанию напряжение источника питания для компонентов ТТЛ (и совместимых с ними CMOS) составляет 5,0 В.

Источники питания для TTL/CМОS

.subckt DIGIFPWR AGND

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: VOLTAGE=5.0v REFERENCE=0v

VDPWR DPWR DGND {VOLTAGE}

R1 DPWR AGND 1MEG

VDGND DGND AGND {REFERENCE}

R2 DGND AGND 1MEG

.ends

Форма выходного напряжения для моделей компонентов и подсхем I/O

Форма выходного напряжения моделей I/O

.model IC_STM uio (

+ drvh= 0 drvl = 0

+ DtoA1 = "DtоA_SТМ" DtoA2 = "DtoA_STM"

+ DtoA3 ="DtoA_STM" DtoA4 = "DtoA_STM"

+ DIGPOWER="DIGIFPWR"

.model IO_STM_OC uio (

+ drvh = 1MEG drv1 = 0

+ DtoA1="DtoA_STM_OC"

+ DtoA3 = "DtoA_STM_OC"

+ DIGPOWER= "DIGIFPWR"

DtoA2="DtoA_STM_OC"

DtoA4="DtoA_STM_ОС"

Форма выходного напряжения подсхем DtoA

.subckt DtoA_STM D A DPWR DGND

+ params: DRVL=0 DRVH=0 CAPACITANCE=1

N1 A DGND DPWR DINSTM DGTLNET=D IO_STM

C1 A DGND {CAPACITANCE+0.1pF}

.ends

Форма выходного напряжения подсхем DtoA с открытым коллектором

.subckt DtoA_STM_OC + params: DRVL=0

D A DPWR DGND DRVH=0 CAPACITANCE=1

N1 A DGND DPWR DINSTM_OC DGTLNET = DIO_STM_OC

C1 A DGND {CAPACITANCE + 0.1pF}

.ends

Форма выходного напряжения цифровых моделей I/O

Мы используем по умолчанию сопротивление 0,5 Ом и время переключения 500 пс при условии, что это будет «мощный» источник сигнала с «быстрым» временем переключения для большинства систем, которые используют эту библиотеку. Измените значения параметров tsws, rlow и rhi, если считаете, что они должны быть другими для вашей системы.

.model DINSTM dinput (

+ s0name = "0" s0t s0rlo=.5 s0rhi=1k

+ s1name="1" s1tsw=0.5ns s1rlo=1k s1rhi=.5

+ s2name="X" s2tsw=0.5ns s2rlo=0.429 s2rhi=1.16; 313ohm, 1.35v

+ s3name="R" s3tsw=0.5ns s3rlo=0.429 s3rhi=1.16; 313ohm, 1.35v

+ s4name="F" s4tsw=0.5ns s4rlo=0.429 s4rhi=1.16; 313ohm, 1.35v

+ s5name="Z" s5tsw=0.5ns s5rlo=1MEG s5rhi = 1MEG

+ )

.model DINSTM ОС dinput (

+ s0name="0" s0tsw=0.5ns s0rlo=.5 s0rhi=1k

+ s1name="1" s1tsw=0.5ns s1rlo=1MEG s1rhi=1MEG

+ s2name="X" s2tsw=0.5ns s2rlo=0.429 s2rhi = 1.16; .313ohm, 1.35v

+ s3name="R" s3tsw=0.5ns s3rlo=0.429 s3rhi=1.16; .313ohm, 1.35v

+ s4name="F" s4tsw=0.5ns s4rlo=0.429 s4rhi=1.16; .313ohm, 1.35v

+ s5name="Z" s5tsw=0.5ns s5rlo=1MEG s5rhi=1MEG

+ )

Модели по умолчанию и модели подсхем I/O по умолчанию

.model IO_DFT uio (

+ drvh = 50 drvl = 50

+ AtoD1 = "AtoD_STD" AtoD2 ="AtoD_STD_Nx"

+ AtoD3 = "AtoD_STD" AtoD4="AtoD_STD_fX"

+ DtoA1 = "DtoA_STD" DtoA2="DtoA_STD"

+ DtoA3 = "DtoA_STD" DtoA4="DtoA_STD"

+ DIGPOWER="DIGIFPWR"

.model IO_DFT_OC uio (

+ drvh=1MEG drvl=50

+ AtoD1="AtoD_STD" AtoD2="AtoD_STD

+ AtoD3="AtoD_STD" AtoD4="AtoD_STD"

+ DtoA1 ="DtoA_STD_ОС" DtoA2 = "DtoA_STD_OC"

+ DtoA3 ="DtoA_STD_ОС"

+ DtoA4 = "DtoA_STD_OC"

+ DIGPOWER="DIGIFPWR"

+ )

Форма для подсхемы AtoD по умолчанию

. subckt AtoDDEFAULT A D DPWR DGND

+ params: CAPACITANCE=0

A DGND D074 DGTLNET=D IO_DFT

. ends

Форма для подсхемы DtoA по умолчанию

.subckt DtoADEFAULT D A DPWR DGND params: DRVL=0 DRVH=0 CAPACITANCE=0

N1 A DGND DPWR DIN74 DGTLNET=D IO_DFT

C1 A DGHD {CAPACITANCE=0.1pF}

.ends

Семейство 74/54 (стандартные микросхемы TTL) 7400 модели I/O

.model 10 STD uio (

+ drvh= 96.4 drvl = 104

+ AtoD1 ="AtoD_STD" AtoD2="AtoD_STD_NX"

+ AtoD3="AtoD_STD" AtoD4="AtoD_STD_NX"

+ DtoA1="DtoA_STD" DtoA2 ="DtoA_STD"

+ DtoA3="DtoA_STD" DtoA4="DtoA_STD"

+ tswhl1=1.373ns tswlh1=3.382ns

+ tswhl2=1.346ns tswlh2=3.424ns

+ tswhl3=1.511ns tswlh3=3.517ns

+ tswhl4=1.487ns tswlh4=3.564ns

+ DIGPOWER="DIGIFPWR"

+ )

.model IO_STD_ST uio (

+ drvh=96.4 drvl=104

+ AtoD1="AtoD_STD_ST" AtoD2="AtoD_STD_ST"

+ AtoD3="AtoD_STD_ST" AtoD4="AtoD_STD_ST"

+ DtoA1="DtoA_STD" DtoA2 ="DtoA_STD"

+ DtoA3="DtoA_STD" DtoA4="DtoA_STD"

+ tswhl1=1.373ns tswlh1=3.382ns

+ tswhl2=1.346ns tswlh2=3.424ns

+ tswhl3=1.511ns tswlh3=3.517ns

+ tswhl4=1.487ns tswlh4=3.564ns

+ DIGPOWER="DIGIFPWR"

+ )

.model 10 STD ОС uio (

+ drvh = 1MEG drv1 = 104

+ AtoD1="AtoD_STD" AtoD2="AtoD_STD_NX"

+ AtoD3="AtoD_STD" AtoD4="AtoD_STD_NX"

+ DtoA1="DtoA_STD_OC" DtoA2="DtoA_STD_OC"

+ DtoA3="DtoA_STD_OC" DtoA4="DtoA_STD_OC"

;tsw values measured with 33 0 ohm pull up

+ tswhl1=2.617ns tswlh1=1.432ns

+ tswhl2=2.598ns tswlh2=1.460ns

+ tswhl3=2.747ns tswlh3=1.589ns

+ tswhl4=2.732ns tswlh4=1.615ns

+ DIGPOWER="DIGIFPWR"

+ )

7400 стандартная подсхема AtoD

.subckt AtoD STD A D DPWR DGND params; CAPACITANCES

CO A DGND D074 DGTLHET IO_STD

C1 A DGND {CAPACITANCE=0.1pF}

DO DGND a D74CLMP

D 1 2 D74

D2 2 DGND D74

R1 DPWR 3 4k

Q1 1 3 A 0 Q74 ; substrate should be DGND

.ends

.subckt AtoD_STD_NX A D DPWR DGND params: CAPACITANCE = 0

CO A DGND D074_NX DGTLNET = D IO_STD

C1 A DGND {CAPACITANCE+0.1pF}

D0 DGND a D74CLMP

D1 1 2 D74

D2 2 DGND D74

R1 DPWR 3 4k

Q1 1 3 A 0 Q74 ; substrate should be DGNC

.ends

7400 стандартная подсхема DtoA

.subckt DtoA_STD D A DPWR DGND

+ params: DRVL=0 DRVH=0 CAPACITANCE=0

M1 A DGND DPWR DIH74 DGTLNET=DIO_STD

C1 A DGND {CAPACITANCE=0.1pF}

.ends

7400 подсхема DtoA с открытым коллектором

.subckt DtoA_STD_OC D A DPWR DGND

+ params: DRVL=0 DRVH=0 CAPACITANCE=0

N1 A DGND DPWR DIN74_ОС DGTLNET=D IO_STD_OC

C1 A DGND {CAPACITANCE=0.1pF}

.ends

7400 Модели цифровых входов/выходов (I/O)

.model DIN74 dinput (

+ s0name="0" s0tsw=3.5ns s0rlo=7.13 s0rhi = 389 ; 7ohm, 0.09v

+ s1name ="1" s1tsw=5.5ns s1rlo = 467 s1rhi = 200; 140ohm, 3.5v

+ s2name="X" s2tsw=3.5ns s2rlo=42.9 s2rhi = 116 ;31.3011m, 1.35v

+ s3name="R" s3tsw=3.5ns s3rlo=42.9 s3rhi = 116 ; 31.3ohm, 1.35v

+ s4name="F" s4tsw=3.5ns s4rlo=42.9 s4rhi=116 ; 31.3ohm, 1.35v

+ s5name="Z" s5tsw=3.5ns s5rlo=200K s5rhi=200K

+ )

.model DIN74_OC dinput (

+s0name="0" s0tsw=3.5ns s0rlo=7.13 s0rhi=389 ; 7ohm, 0.09v

+ s1name="l" s1tsw=5.5ns s1rlo=200K s1rhi=200K

+ s2name="X" s2tsw=3.5ns s2rlo=42.9 s2rhi = 116 ;31.3ohm, 1.35v

+ s3name="R" s3tsw = 3.5ns s3rlo = 42.9 s3rhi = 116; 31.3011m, 1,35v

+ s4name="F" s4tsw = 3.5ns s4rlo = 42.9 s4rhi = 116 ; 31.3ohm, 1.35v

+ s5name="Z" s5tsw=5.5ns s5rlo=200K s5rhi=200K

+ )

.model D074 doutput (

+ s0narae="X" s0vlo = 0 .8 s0vhi=2.0

+ s1name="0" s1vlo = -1.5 s1vhi = 0.8

+ s2name="R" s2vlo=0.8 s2vhi = 1.4

+ s3name="R" s3vlo=1.3 s3vhi=2.0

+ s4name="X" s4vlo=0.8 s4vhi=2.0

+ s5name="1" s5vlo=2.0 s5vhi=7.0

+ s6name="F" s6vlo=1.3 s6vhi=2.0

+ s7name="F" s7vlo=0.8 s7vhi=1.4

+ )

.model D074_NX doutput (

+ s0name = "0" s0vlo=-1.5 s0vhi = 1.35

+ s2name = "1" s2vlo=1.35 s2vhi = 7.0

+ )

.model D074_ST doutput (

+ s0name="0" s0vlo=-1.5 s0vhi = 1.7

+ s1name="1" s1vlo=0.9 vhi = 7.0

+ )

Модели компонентов ТТЛ

Эти значения параметров взяты из книги Hodges, David A., and Horace G. Jackson, 1983, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits, New York: McGraw-Hill, p. 301.

model D74 d (

+ is = 1e-16 rs = 25 cjo = 2pf

+ )

-model D74S d (

+ is = 1e-12 vj =.7 rs=25 cjo=2pf

+ )

.model D74CLMP d (

+ is=1e-15 rs = 2 cjo=2pf

+ )

.model D74SCLMP d (

+ is = 1e-11 vj =.7 rs=2 cjo=2pf

+ )

.model Q74 npn (

+ ise = 1e-16 isc = 4e-16

+ bf = 49 br=.03

+ cje=1pf cjc=.5pf

+ cjs=3pf vje=0.9v

+ vjc = 0.8v vjs = 0.7v

+ mje=0.5 mjc = 0.33

+ mjs = 0.33 tf = 0.2ns

+ tr=10ns rb = 50

+ rc = 20

+ )

.model Q74S npn (

+ ise=1e-16 isc=4e-1

+ bf=49 br=33

+ cje=1pf cjc=.5pf

+ cjs=3pf vje = 0.9v

+ vjc=0.8v vjs=0.7v

+ mje=0.5 mjc = 0.33

+ mjs = 0.33 tf=0.2ns

+ tr=10ns rb = 50

+ rc = 20

+ )

74S11 Три 3-входовых положительных И

Источник: The TTL Data Book, Vol. 2, 1985, Texas Instruments.

.subckt 74S11 А В С Y

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

U1 and(3) DPWR DGND

+ А В С Y

+ D_S11 IO_S MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.ends

Примечание: В этом приложении приведены далеко не все устройства, имеющиеся в файле EVAL.LIB.

Примечания

1

К настоящему изданию приложена демонстрационная версии 9-го выпуска программы OrCAD PSpice, которой можно пользоваться свободно. Кроме того, на CD-ROM помещена демо-версия десятого выпуска OrCAD 10.5, с которой можно работать в течение 30 дней после установки на компьютер.

(обратно)

2

Далее автор описывает процесс создания новой папки в программе File Manager. В настоящее время существует несколько программ, управляющих файловой структурой (русифицированная программа Проводник, Windows Commander и другие), в которых алгоритмы создания новой папки будут иными. (Прим. переводчика.)

(обратно)

3

К сожалению, надписи в программе OrCAD PSpice нельзя писать кириллицей. Для того чтобы писать поясняющие надписи на русском языке, предлагаем читателю сделать копию экрана, нажав клавишу Print Screen, и вставить ее в стандартную программу Paint, имеющуюся в Windows. После этого можно воспользоваться всеми возможностями этой программы для редактирования рисунков: ввести надписи на кириллице, инвертировать цвета на экране и так далее. (Прим. переводчика.)

(обратно)

4

В отечественной литературе этот метод называется методом суперпозиции, или наложения. (Прим. переводчика.)

(обратно)

5

Входное сопротивление относительно I1 = 18 Ом

(обратно)

6

Выходное сопротивление относительно V(2) = 9 Ом

(обратно)

7

Фильтрами с постоянным коэффициентом k, или фильтрами типа k, называются устройства, у которых в продольную и поперечные ветви включены взаимно-обратные двухполюсники. При этом произведение сопротивлений Z1·Z2=k² является постоянной величиной на любых частотах, следовательно, постоянен и коэффициент k, имеющий размерность сопротивления. (Прим. переводчика.)

(обратно)

8

Вместо набора пути с клавиатуры можно воспользоваться функцией Browse. (Прим. переводчика.)

(обратно)

9

Лучше всего найти этот файл системой поиска, имеющейся в Windows. Для этого достаточно в графе «Файлы и папки» набрать Capture, и из появившегося списка выбрать Capture\library. (Примеч. переводчика).

(обратно)

10

Описание этой модели помещено на прилагаемом компакт-диске в файле Documents\PSpice_with_Capture\Pspcref.pdf, с. 165-166. (Прим. переводчика.)

(обратно)

Оглавление

Предисловие

Введение

  Предварительные замечания

  Начальные шаги

  Несколько полезных замечаний

  Как это делать

    Создание входного файла

    Просмотр выходного файла

    Изменение входного файла

    Направление тока

  Что еще можно прочесть

Обзор PSpice

  Анализ цепей постоянного тока

  Анализ цепей переменного тока

    Probe

  Анализ транзисторных схем

1. Анализ цепей на постоянном токе

  Вводный пример

  Использование Spice для исследования схем

    Просмотр выходного файла

    Другой пример для анализа

  Основные законы теории цепей

    Что еще можно извлечь из выходного файла

    Направления токов

  С двумя источниками напряжения

  Теорема Тевенина и ее применения

    Spice и теорема Тевенина

    Практические применения теоремы Тевенина

    Замена цепей при применении теоремы Тевенина

  Реальные источники тока или реальные источники напряжения

  Анализ для цепей с источниками тока с помощью Spice

  Теорема Нортона

    Применение теоремы Нортона

    Определение тока короткого замыкания

  Цепи с источниками тока и напряжения

  Максимальная передача мощности

  Зависимые источники в электрических цепях

    Источник напряжения, управляемый напряжением

    Источник напряжения, управляемый током

    Источник тока, управляемый током

    Другие источники тока, управляемые током

    Источник тока, управляемый напряжением

    Другие источники напряжения, управляемые током

  Полиномиальные зависимые источники

    Зависимые источники, управляемые двумя напряжениями

  Метод контурных токов и PSpice

  Вариация параметров на постоянном токе

  Применение команды .PROBE

  Метод узловых потенциалов и PSpice

  Непланарные цепи

  Обзор команд PSpice, применяемых в данной главе

  Команды, начинающиеся с точки, используемые в данной главе

  Задачи 

2. Анализ цепей на переменном токе (для установившихся синусоидальных режимов)

  Последовательная RL-цепочка на переменном токе

  Последовательная RC-цепочка на переменном токе

  Параллельные ветви на переменном токе

  Параллельная RC-цепь

  Максимальная передача мощности в цепях переменного тока

  Резонанс в последовательных RLC-цепях

  Частотный анализ в последовательно-параллельных цепях переменного тока

  Влияние изменения сопротивления катушки

  Параллельные резонансные цепи

    Использование курсора в программе Probe

  Определение полного входного сопротивления в цепях переменного тока

    Полное входное сопротивление в цепях с двумя ветвями

  Фазосдвигающие цепи

    Частотные зависимости полных проводимостей

    Годограф проводимости для последовательного RLC-контура

  Цепи переменного тока с несколькими источниками

  Трансформаторы

  Реакция в частотной области для цепей настройки частоты

  Трехфазные цепи переменного тока

  Исправление коэффициента мощности

  Трехфазный выпрямитель

  Регулировка напряжения в трехфазных системах

  Двухфазные системы

  Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

  Команды, начинающиеся с точки, используемые в данной главе

  Задачи

3. Транзисторные схемы

  Биполярные транзисторы

    Модели, предназначенные для расчета смещения

    Условия насыщения

    Расчет смещения для германиевого транзистора

  Малосигнальная модель с h-параметрами для биполярных транзисторов

    Анализ схем с общим эмиттером, использующий модель с h-параметрами

    Анализ схем с общим коллектором, использующий модель с h-параметрами

    Анализ схем с общей базой, использующий модель с h-параметрами

    Анализ схем для других конфигураций

  Анализ цепей с использованием теоремы Миллера

  Дуальная теорема Миллера

  Схема с общим коллектором, включающая коллекторный резистор

  Усилители с высоким входным сопротивлением

  Двухкаскадные усилители

  Упрощенная модель с h-параметрами

    Анализ усилителя с общим эмиттером, использующий упрощенную модель с h-параметрами

  Транзисторные усилители на полевых транзисторах

    Усилители с общим стоком на полевых транзисторах с внешним резистором стока

    Частотная характеристика усилителя на полевых транзисторах

  Модель биполярного транзистора для высоких частот

  Эмиттерный повторитель при работе на высоких частотах

  Чувствительность по постоянному току

  Чувствительность по току смещения

  Библиотека элементов PSpice

  Чувствительность биполярных транзисторов из библиотеки PSpice

  Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

  Команды, начинающиеся с точки, используемые в данной главе

  Задачи 

4. Многокаскадные усилители, частотные характеристики и цепи обратной связи

  Фильтры низких частот

  Низкочастотная реакция RC-фильтра высоких частот

  Усилитель с общим эмиттером и шунтирующим конденсатором

  Двухкаскадный усилитель на высоких частотах

  Двухкаскадный усилитель с общим эмиттером c последовательной связью по напряжению

  Колебательный контур как модель двухполюсного усилителя с обратными связями

  Усилитель с общим эмиттером с параллельной обратной связью по напряжению

  Параллельная обратная связь по току в двухкаскадном усилителе с общим эмиттером

  Амплитудно-частотные характеристики для трехкаскадного усилителя с общим эмиттером

    Влияние нагрузки на частотную характеристику

    Трехкаскадный усилитель с параллельной обратной связью по напряжению

  Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

    Различные виды задания формы выходного сигнала источников

    Экспоненциальные источники

    Импульсные источники

    Источники с широтно-импульсной модуляцией

    Источники с частотной модуляцией

    Синусоидальные источники

  Задачи 

5. Операционные усилители

  Идеальный операционный усилитель

  Неинвертирующий идеальный операционный усилитель

  Операционный усилитель с дифференциальным входом

  Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя

  Использование подсхем при моделировании операционных усилителей

  Дифференцирующие схемы на базе операционного усилителя

  Интегрирующие схемы ha базе операционных усилителей

  Отклик на единичную функцию

  Цепи c двумя однотипными операционными усилителями

  Активные фильтры

    Низкочастотный фильтр Баттерворта второго порядка

    Низкочастотный фильтр Баттерворта четвертого порядка

  Активный резонансный полосовой фильтр

  Активный RC полосовой фильтр

  Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

  Задачи

6. Переходные процессы и анализ во временной области

  Замыкание ключа в RL-цепях

  Переходной процесс при ненулевых начальных условиях

  Подключение источника постоянного напряжения к RC-цепи 

  Цепи с двумя накопителями энергии

    Апериодический переходной процесс в RLC-цепях

    Критический переходной процесс в RLC-цепях

    Колебательный процесс в RLC-цепях при слабом затухании

  Отклик на ступенчатое воздействие в усилителях

  Отклик на низкочастотное воздействие в усилителях

  Цепи заряда конденсаторов

  LС-цепи при размыкании ключа

  Цепи с источником тока

  Мостовые схемы с ненулевым начальным током

  Звенящий контур

  Задачи 

7. Ряды Фурье и гармонические составляющие

  Основная и вторая гармоники

  Сложение гармоник и разложение на гармонические составляющие

  Искажение по второй гармонике в усилителях

  Интермодуляционные искажения

  Сложение гармоник

  Сложение основной и второй гармоник

  Амплитудная модуляция

  Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

  Задачи

8. Устойчивость и автоколебания

  Цепи обратной связи

  Генератор на базе моста Вина с начальным запуском

  LC-генератор с начальным запуском

  Измерения с помощью измерительной схемы 

  Генератор со смещением фазы

  Генератор на базе моста Вина

    Другой пример исследования генератора на базе моста Вина

  Генератор Колпитца

  Задачи

9. Приборы в PSpice

  Однополупериодные выпрямители

  Встроенная модель для диода

  Фильтрация выходного напряжения в однополупериодных выпрямителях

  Двухполупериодные выпрямители

  Двухполупериодные выпрямители с фильтрами

  Простейший диодный ограничитель

  Двусторонний ограничитель

  Выбор сопротивления нагрузочного резистора для максимальной передаваемой мощности

  Встроенная модель биполярного транзистора

  Выходные характеристики схемы с общим эмиттером

  Входные характеристики схемы с общим эмиттером 

  Другие активные полупроводниковые приборы

  Дифференциальные усилители

    Коэффициент усиления при дифференциальном входе

    Коэффициент усиления при общем входе

    Передаточная характеристика дифференциального усилителя

  Логические схемы

  Микросхема ИЛИ-НЕ 7402

  Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

  Новые команды, начинающиеся с точки

  Задачи 

10. Биполярные транзисторы и их модели 

  Биполярные транзисторы

    Выходные характеристики

    Входные характеристики

  Усилители с общим эмиттером

  Анализ цепей смещения

  Анализ на переменном токе

  Усилитель с общим эмиттером с нешунтированным эмиттерным резистором

    Определение входного сопротивления

  Применение собственных моделей с h-параметрами

    Анализ с помощью h-параметров

  Фазовые соотношения в усилителе с общим эмиттером

    Усилитель без эмиттерного конденсатора

    Усилитель с эмиттерным конденсатором

  Триггер на биполярных транзисторах

    Анализ на PSpice

  Симметричный мультивибратор

  Мультивибратор с эмиттерными связями на биполярных транзисторах

  Задачи

11. Полевые транзисторы

  Выходные характеристики полевых транзисторов

  Входные характеристики усилителя на полевых транзисторах

  Токи смещения полевых транзисторов

  Усилители на полевых транзисторах

    Временные диаграммы усилителей

  Мощные полевые транзисторы MOSFET

    Выходные характеристики

    Входные характеристики

    Усилители на MOSFET

    Временные диаграммы

  Арсенид-галлиевые полевые транзисторы

  Задачи

12. Четырехполюсники и пассивные фильтры

  Параметры четырехполюсников 

  Определение y-параметров

    Использование y-параметров для расчета схем

  Y-параметры для цепей с независимыми источниками

  Полные сопротивления в режиме холостого хода

  Z-параметры для цепей переменного тока

    Использование z-параметров для расчета схем

  Параметры ABCD

  Гибридные параметры

  Другой набор гибридных параметров

  Линии передачи

    Длинные линии

  Фильтры с постоянным коэффициентом k

    Поведение фильтров с постоянным коэффициентом в полосе подавления

    Линии передачи без потерь

    Линии передачи без потерь из нескольких секций

  Входное сопротивление в различных точках линии

    Полосовой фильтр

  Заградительный фильтр

  Задачи 

13. Нелинейные приборы

  Нелинейный резистор

  Дроссель со стальным сердечником

    Кривая В(Н)

  Трансформатор со стальным магнитопроводом

  Использование ключа, управляемого напряжением, для моделирования нелинейного резистора

  Использование ключа, управляемого током, для моделирования нелинейного резистора

  Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

  Новая директива, начинающаяся с точки

  Задачи

14. Программа Capture

  Последовательные цепи на постоянном токе

  Создание схем в программе Сapture

    Анализ схемы

    Исследование выходного файла

    Печать результатов

  Изображение Т-образной цепи

    Запуск моделирования

  Зависимые источники в схемах

    Источник напряжения, управляемый напряжением

    Источник тока, управляемый током

  Цепи переменного тока

    Проведение анализа с вариацией на переменном токе 

    Нахождение более точных значений

    Порядок следования узлов

  Получение синусоидальных временных диаграмм при анализе на переменном токе

    Временные диаграммы тока и напряжений

  Последовательная RC-цепь

  Полное сопротивление нагрузки, обеспечивающее максимальную передаваемую мощность

    Обозначения токов и напряжений в Probe

  Последовательный резонанс

  Цепи переменного тока с несколькими источниками

  Временные диаграммы для цепей переменного тока со многими источниками гармонического сигнала

    Временные диаграммы гармонических токов

  Трансформаторы

15. Транзисторные цепи в Capture

  Выходные характеристики Q2N3904

  Входные характеристики Q2N3904

  Изучение схем с общим эмиттером на биполярных транзисторах

    Анализ на переменном токе

    Анализ переходных процессов

    Изменение параметров транзистора

  Использование моделей с h-параметрами

  Характеристики полевых транзисторов

    Усилители на полевых транзисторах

    Анализ переходных процессов (временные диаграммы для JFET)

  Анализ частотных характеристик биполярного транзистора

    Изменение характеристик транзистора

16. Операционные усилители в Capture

  Неинвертирующие усилители на идеальных операционных усилителях

    Операционные усилители с дифференциальным входом

  Амплитудно-частотная характеристика операционных усилителей

  Активные фильтры

    Активный полосовой резонансный фильтр

  Компонент uA741

    Частотная характеристика uA741

    Обозначение узлов подсхемы

    Использование uA741 в качестве детектора уровня

    Фазосдвигающее устройство на операционном усилителе

    Фазосдвигающее устройство с использованием идеального операционного усилителя

17. Другие темы в Capture

  Редактор Stimulus

  Характеристики при вариации по температуре

  Изменение напряжения зенеровского пробоя

  Другой способ изменения напряжения пробоя зенеровских диодов

  Анализ шума

    Гармонический состав выходного напряжения

  Использование изменяемого параметра

  Использование допусков приборов

    Анализ по методу Монте-Карло

    Анализ на наихудший случай

    Влияние допуска резисторов на анализ наихудшего случая

  Цифровые схемы в Capture

    Схема ИЛИ-НЕ

    Схема полусумматора

    Схема для упрощения с использованием булевых функций

    D-триггер

Приложение A. Краткое описание директив PSpice

Приложение B. Компоненты и директивы PSpice

Приложение С. Установка программного обеспечения, руководства и учебника

Приложение D. Компоненты: параметры моделей PSpice

Приложение E. Стандартные библиотеки компонентов PSpice

Реклама на сайте