Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

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 i i , разностью — ток i d, выходным сигналом — ток i o=A id , а сигнал обратной связи становится равным v f =β i 0, обеспечивая равенство

i d=i i – i f .

Коэффициент усиления в петле обратной связи по-прежнему равен А β или, с учетом инверсии фазы, – А β. Коэффициент усиления при замкнутой цепи обратной связи, как и раньше, равен

В качестве первого примера исследования генераторов рассмотрим генератор на базе моста Вина (рис. 8.2). Частота колебаний в схеме вычисляется из выражения:

где R=R 1 =R 2и С = С 1= С 2. Примем ее равной f 0=25 кГц. Если выбрать значение С равным 1 нФ, то R= 6366 Ом. Для возникновения непрерывных колебаний отношение R f|R g должно быть равно 2. Если выбрать R f= 20 кОм, то R g =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 C 1сообщен 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.

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).

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 TV 0и TV i (выходной и входной узел соответственно). Имеются также два ИНУН: EV i и EV 0. Независимый источник напряжения включается в подходящее место разрыва цепи обратной связи генератора. Каждый источник зависимого напряжения нагружен на сопротивление, чтобы узлы V i и V 0не оказались узлами с плавающим потенциалом. Измерительная методика будет проиллюстрирована в последующих примерах.

Рис. 8.6. Измерительная цепь для усилителей

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 | A β|=1. Анализ схемы показывает, что частота колебаний

Рис. 8.7. Генератор со сдвигом фаз

Пусть, например, необходимо получить частоту колебаний f 0=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 R 1= R , это отношение преобразуется в

и, решая его относительно R f , мы найдем, что R f =37,7 кОм. Увеличив это значение на 5%, чтобы учесть ранее упомянутые отклонения, получим R f= 39,58 кОм.