Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Рис. 3.30. Схема с общим стоком с R s

Рис. 3.31. Схема с общим стоком, содержащая R sи 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 R GD =10 МОм; g m =2 мС; r d= 40 кОм; R L =2 кОм; R S= 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 I L =-950 нА.

На рис. 3.30 приведена схема усилителя с общим стоком, в которой выходной сигнал снимается с резистора R S. Предположим, что R d 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 R 0=506 Ом и I L =394 nA.

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 C gd, C gs, и C ds. Обычно они малы. В нашем примере для них выбраны следующие значения: C gs= 3 пФ; C ds =1 пФ; C gd =2,8 пФ. Другие исходные значения равны: g m =1,6 мС; r d= 44 кОм; R s =1 кОм и R L =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

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.

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: