OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей - [42]
>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 V>s, R>s, и R>L. В эту модель введен дополнительный узел В', чтобы отразить поведение транзистора на высоких частотах. Элементы, используемые в этой модели: резисторы r>ce, r>bb', r>b'e и r>b'c и конденсаторы С>с и С>е. Коэффициент усиления представляется источником тока, управляемым напряжением (ИТУН), g>mV>b'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 Z>L, состоящее из R>L и C>L. 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.