Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Рис. 9.22. Дифференциальный усилитель (режим с дифференциальными входами)

Коэффициент усиления при работе в режиме дифференциального входа найдем, установив V s1=–V s2=V s /2. Коэффициент усиления аппроксимируется выражением:

Для анализа выберем V s= 1 мВ, задав V s1= 0,5 мВ и f =1 кГц. Воспользовавшись встроенной моделью, вычислите ожидаемое значение A d . Чтобы предсказать результаты, примите h fe =100 и h ie =2 кОм. Анализ должен дать значение A d= 33,3. Чтобы получить в выходном файле переменные составляющие, используйте команду .PRINT, как показано во входном файле:

Model for Differential Amplifier VS1 1 0 AC 0.5raV; Vs1 = -Vs2 = Vs/2

VS2 0 8 AC 0.5mV; This gives difference-mode operation

RSI 2 1 1k

RS2 7 8 1k

RE 3 9 5k

RC1 4 5 2k

RC2 5 6 2k

VCC 5 0 12V

VEE 0 9 6V

Q1 4 2 3 BJT

Q2 6 7 3 BJT

.AC LIN 1 1000Hz 1000Hz

.MODEL BJT NPN

.OPT nopage

.PRINT ACV(1) V(2) V(3) V(4) V(5) V(6) V(7) V(8)

.TF V(4) VS1

.END

Проведите анализ и получите распечатку выходного файла. Если вы удалите ненужную информацию, вы уменьшите этот файл до одной страницы объемом менее 60 строк. Проверьте, что A d=V 0| V s1= V(4)/V(1)=33,4. Обратите внимание на порядок следования узлов при описании входных напряжений V s1 и V s2 во входном файле. Кроме того, обратите внимание на то, что в выходном файле под заголовком «SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS» приведено отношение для соответствующих напряжений смещения. Нас же в большей степени интересует отношение переменных составляющих, приведенных в нижней части выходного файла на рис. 9.23.

Model for Differential Amplifier

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS1 1 0 AC 0.5mV ; Vs1 = -Vs2 = Vs/2

VS2 0 8 AC 0.5mV ; This gives difference-mode operation

RS1 2 1 1k

RS2 7 8 1k

RE 3 9 5k

RC1 4 5 2k

RC2 5 6 2k

VCC 5 0 12V

VEE 0 9 6V

Q1 4 2 3 BJT

Q2 6 7 3 BJT

.AC LIN 1 1000Hz 100GHz

.MODEL BJT NPN

.OPT nopage

.PRINT AC V(1) V(2) V(3) V(4) V(5) V(6) V(7) V(8)

.TF V(4) VS1

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

BJT

NPN

IS 100.000000E-18

BF 100

NF 1

BR 1

NR 1

CN 2.42

D .87

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000 ( 2) -.0052 ( 3) -.7624 ( 4) 10.9630

( 5) 12.0000 ( 6) 10.9630 ( 7) -.0052 ( 8) 0.0000

( 9) -6.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS1 -5.186E-06

VS2 5.186E-06

VCC -1.037E-03

VEE -1.048E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.87E-02 WATTS

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/VS1 = -1.680E+01

INPUT RESISTANCE AT VS1 = 1.191E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 2.000E+03

FREQ V(1) V(2) V(3) V(4) V(5)

1.000E+03 5.000E-04 4.165E-04 6.371E-20 1.670E-02 1.000E-30

FREQ V(6) V(1) V(8)

1.000E+03 1.670E-02 4.165E-04 5.000E-04

Рис. 9.23. Выходной файл для режима с дифференциальными входами

При работе в режиме с общим входом (ОВ) необходимо установить V s1=V s2= V s . Коэффициент усиления в этом режиме можно аппроксимировать выражением:

Воспользовавшись известными значениями параметров транзистора, предскажите, каков будет этот коэффициент усиления. Измените входной файл так, чтобы входные напряжения выражались как

VS1 1 0 AC 1mV; Vs1 = Vs2

VS2 8 0 AC 1mV; Это режим работы с общим входом

После этих изменений снова выполните анализ и получите такую же распечатку выходного файла, как и прежде. Убедитесь, что А с =V(4)/V(1)=0,197. Этот выходной файл показан на рис. 9.24.

Model for Differential Amplifier — Common Mode

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS1 1 0 AC 1mV ; Vs1 = Vs2

VS2 8 0 AC 1mV ; This gives common-mode operation

RS1 2 1 1k

RS2 7 8 1k

RE 3 9 5k

RC1 4 5 2k

RC2 5 6 2k

VCC 5 0 12V

VEE 0 9 6V

Q1 4 2 3 BJT

Q2 6 7 3 BJT

.AC LIN 1 1000Hz 1000Hz

.MODEL BJT NPN

.OPT nopage

.PRINT AC V(1) V(2) V(3) V(4) V(5) V(6) V(7) V(8)

.TF V(4) VS1

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

BJT

NPN

IS 100.000000E-18

BF 100

NF 1

BR 1

NR 1

CN 2.42

D .87

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000 ( 2) -.0052 ( 3) -.7624 ( 4) 10.9630

( 5) 12.0000 ( 6) 10.9630 ( 1) -.0052 ( 8) 0.0000

( 9) -6.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS1 -5.186E-06

VS2 -5.186Е-06

VCC -1.037E-03

VEE -1.048E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.87E-02 WATTS

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/VS1 = -1.680E+01

INPUT RESISTANCE AT VS1 = 1.191E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 2.000E+03

Рис. 9.24. Выходной файл для режима с общим входом

Важным аспектом при работе с дифференциальным усилителем является исследование его передаточной характеристики. Использование встроенной модели для транзистора облегчает эту задачу. Поскольку нас интересует режим малых сигналов при дифференциальном входном напряжении, используем вариацию параметров (dc sweep) для входных напряжений в диапазоне от -0,5 В до 0,5 В. Зафиксируем V s2 на уровне 1 мВ; а варьировать будем параметр V s1 . При этом входной файл примет вид:

Transfer Characteristics of Differential Amplifier

VS1 1 0 1mV; это входное напряжение варьирует от -0.5 В до 0.5 В

VS2 8 0 1mV ; это напряжение остается фиксированным

RS1 2 1 1k

RS2 7 8 1k

RE 3 9 5k

RC1 4 5 2k

RC2 5 6 2k

VCC 5 0 12V

VEE 0 9 6V

Q1 4 2 3 BJT

Q2 6 7 3 BJT

.MODEL BJT NPN

.OP

.DC VS1 -0.5 0.5 0.01

.PROBE

.END

Выполните анализ и получите в Probe график -I(RC1). Сравните результаты с полученными ранее в этом разделе характеристиками передачи. Обратите внимание, что передаточная характеристика линейна не во всем диапазоне. Можете вы аппроксимировать линейный участок для V s1 и I RC1 ? Величины по оси X обычно нормализуются по температурному потенциалу V T и задаются как

Вспомним, что при комнатной температуре V T =26 мВ, и поэтому линейная часть кривой ограничена диапазоном 26 мВ. Характеристика передачи приведена на рис. 9.25.

Рис. 9.25. Нормализованная переходная характеристика схемы на рис. 9.22

Дифференциальный усилитель является хорошим ограничителем, и если входное напряжение при комнатной температуре превышает 100 мВ, усилитель переходит в режим насыщения. Проверьте команды входного файла по вашей распечатке для передаточной кривой. Можете ли вы получить зеркальное отображение этой кривой? Оно может быть получено, если сохранять фиксированным V s1 при вариации V s2 .