Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Задачи 

4.1. В качестве модификации фильтра нижних частот (показанного на рис. 4.1) на рис. 4.31 приведена схема с двумя резисторами и двумя конденсаторами. При использовании PSpice анализа получите график, показывающий частотные зависимости амплитуды и фазы выходного напряжения. Идентифицируйте частоту, соответствующую амплитуде в 3 дБ.

Рис. 4.31

4.2. Проведите анализ усилителя ОЭ, приведенного на рис. 4.5, пользуясь упрощенной моделью в h-параметрах. Сравните результаты с полученными при использовании полной модели в h-параметрах.

Рис. 4.32 

4.3. Воспользуйтесь упрощенной моделью в h-параметрах при hie=1,1 кОм и hfe=80 для каждого из двух каскадов усилителя, показанного на рис. 4.32. 

Обратите внимание, что первый каскад представлен усилителем ОЭ, а второй — усилителем с общим коллектором ОК. Параметры элементов: Rs=100 Ом; Rc=4 Ом; Re=2 кОм; Vs=2 мВ. Найдите выходное напряжение на средних частотах.

4.4. Каскадный усилитель часто используется для высокочастотных устройств. Для схемы на рис. 4.33, примите, что оба полевых транзистора имеют gm=5 мС; rd=50 кОм; Cgs=5 пФ; Cgd=4 пФ; Cds=0,5 пФ; С1=C2=С3=С4=50 мкФ; R1=470 кОм; R2=100 кОм; R3=180 кОм; Rs=800 Ом и Rd=4 кОм. Найдите коэффициент усиления на средних частотах и большее из значений частоты, соответствующей 3 дБ, проведя анализ на PSpice.

Рис. 4.33

4.5. Используйте высокочастотную модель полевого транзистора при Cgs=5 пФ; Cgd=3 пФ; Cds=0,4 пФ; gm=6 мС и rd=500 кОм. Исходный повторитель показан на рис. 4.34. При использовании Vs=1 мВ, получите график частоты, показывающий верхнюю отметку снижения на 3 дБ при: a) Rs=2 кОм и б) Rs=10 кОм.

Рис. 4.34. 

4.6. Используйте гибридную π-модель для усилителя с обратной связью на полевом транзисторе, показанного на рис. 4.35. Параметры элементов: gm= 50 мС; rbb'=100 Ом; rb'e=1 кОм; Сс=4 пФ; Се=80 пФ и rсе=80 кОм. При Rs=500 кОм; Vs=1 мВ и RL=4 кОм, получите амплитудно-частотную характеристику при: a) Re=300 Ом и б) Re=500 Ом.

Рис. 4.35 

4.7. На рис. 4.36 приведен пример усилителя с параллельной обратной связью по напряжению. Используйте упрощенную модель в h-параметрах при chfe= 100 и hie=1,1 кОм. При Rs=500 Ом; Re=4 кОм и Vs=1 мВ найдите коэффициент усиления по напряжению на средней частоте, входное и выходное сопротивления для случаев: a) Rf=27 кОм и б) Rf=40 кОм.

Рис. 4.36. 

4.8. Для расширения частотного диапазона на входе усилителя ОЭ включена шунтирующая катушка, сглаживающая характеристику на высоких частотах (рис. 4.37, а). Модель, использующая теорему Миллера, показана на рис. 4.37, б. Параметры элементов: RL=500 Ом; R1=100 Ом; RL=1,1 кОм; L=5 мГн; gw=0,2 мС; rb=100 Ом; Сс=5пФ и Сe=100 пФ. Убедитесь, что емкость Сi=605 пФ. Создайте входной файл для PSpice, чтобы определить частотную характеристику схемы. Найдите среднечастотный коэффициент усиления. Сравните верхнюю частоту, соответствующую 3 дБ, для случаев со сглаживающей катушкой и без нее.

а

б

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 v0 для частотного диапазона от 100 Гц до 10 МГц. Для сравнения примите, что L пренебрежимо мала, и выполните анализ снова.

Рис. 4.38.

5. Операционные усилители

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 операционный усилитель

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 Ri=1 ГОм; А=200000 и v0=A(v2–v1). Обратите внимание, что напряжение v1 относится к инвертирующему входу, a v2 — 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 R2 включен 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 v0/vs=–R2/R1. Используя метод узловых потенциалов, запишите уравнения, необходимые, чтобы получить значение v0/vs. 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 Rin=1 кОм. Можете вы это объяснить? Не забудьте, что мы можем считать оба входа ОУ заземленными, и при этом входное сопротивление оказывается равным R1.

Неинвертирующий идеальный операционный усилитель

На рис. 5.3 показана другая простая схема на ОУ. В ней напряжение vs 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 v0/vs=-R2/R1 и Rin=2,0Е13. Почему настолько велико входное сопротивление? Так как идеальный ОУ почти не потребляет тока, источник сигнала vs работает практически в режиме холостого хода.

Операционный усилитель с дифференциальным входом

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 Ri=R3=5 кОм и R2=R4=10 кОм. Модель PSpice для идеального ОУ с внешними элементами приведена на рис. 5.6. Входной файл имеет вид: