Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

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 =ω 0 L/R. В таком фильтре В = f 0/ Q=R /2π L. Например, выберем добротность Q=2, f 0=11 кГц и R= 10 кОм. При этом L =0,289 Гн и С =0,724 нФ. В завершение выберем R 1=10 кОм, чтобы обеспечить необходимое значение A v 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

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 A 0=50, f 0=160 Гц и В= 16 Гц. Для удобства примем С 1= С 2=0,1 мкФ. Выражение для добротности Q=f 0 /B. Теперь найдите R 1, R 2и R 3. 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 А 0=50 при f 0=158 Гц. Удалите этот график и постройте новый в логарифмическом масштабе, чтобы найти полосу пропускания. Убедитесь, что f 1=151 Гц и f 2=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

Х[name] []*

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.

5.1. Идеальный инвертирующий ОУ, показанный на рис. 5.2, имеет следующие параметры элементов: R 1=2 кОм; R 2=15 кОм; А =100000 и R i =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 R i =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 R 1и R 2 , и выполните PSpice анализ, чтобы проверить ваш расчет.