Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

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 v 0для частотного диапазона от 100 Гц до 10 МГц. Для сравнения примите, что L пренебрежимо мала, и выполните анализ снова.

Рис. 4.38.

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 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 R i =1 ГОм; А =200000 и v 0= A ( v 2– v 1). Обратите внимание, что напряжение v 1относится к инвертирующему входу, a v 2— 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 R 2включен 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 v 0/ v s=–R 2/ R 1. Используя метод узловых потенциалов, запишите уравнения, необходимые, чтобы получить значение v 0/ v s. 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 R in =1 кОм. Можете вы это объяснить? Не забудьте, что мы можем считать оба входа ОУ заземленными, и при этом входное сопротивление оказывается равным R 1.

На рис. 5.3 показана другая простая схема на ОУ. В ней напряжение v s 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 v 0/ v s=-R 2/ R 1и R in =2,0Е13. Почему настолько велико входное сопротивление? Так как идеальный ОУ почти не потребляет тока, источник сигнала v s работает практически в режиме холостого хода.

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 R i = R 3=5 кОм и R 2= R 4=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 v b 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 R 1и R 2. 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