Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Новые команды, начинающиеся с точки

.MODEL <имя модели> <тип>

Например, запись

.MODEL D1 D

используется, чтобы определить модель диода. Запись D показывает, что применяется модель прибора из библиотеки PSpice. Библиотека содержит модели следующих типов приборов:

САР (конденсатор);

IND (катушка индуктивности);

RES (резистор);

D (диод);

NPN (биполярный транзистор типа npn);

PNP (биполярный транзистор типа pnp);

NFJ (n-канальный полевой транзистор);

PFJ (р-канальный полевой транзистор);

NMOS (n-канальный MOSFET);

PMOS (р-канальный MOSFET);

GASFET (n-канальный GaAs MOSFET);

ISWITCH (ключ, управляемый током);

VSWITCH (ключ, управляемый напряжением);

CORE (нелинейный трансформатор с магнитным сердечником).

Более полная форма для команды, описывающей модель:

.MODEL <имя модели> <тип> [(<имя параметра> = <значение>)]*

Например, запись

.MODEL D1 D (IS = 1E-12 N=1.2 VJ=0.9 BV=10)

показывает, что один из 14 параметров диода имеет значение, отличающееся от заданного по умолчанию. Звездочка после скобок означает, что заключенные в них пункты могут повторяться. В приложении D приведен список всех библиотечных приборов, различных параметров их моделей и значения параметров, заданные по умолчанию.

Задачи 

9.1. Однополупериодный выпрямитель, показанный на рис. 9.1, имеет следующие параметры: IS=1Е-9 A, VJ=0,8 В, IBV=1Е-6А и EG=0,72 эВ. Выполните анализ, аналогичный описанному в тексте, и сравните результаты с полученными ранее. Какие различия в результатах можно увидеть?

9.2. Диодная схема, содержащая последовательно включенные источники постоянного и переменного напряжений, показана на рис. 9.29.

Рис. 9.29

Используйте при анализе встроенную модель диода. Задайте значения V=0,8 В и R=1 кОм. Переменное напряжение задано синусоидальной функцией с амплитудой 0,2 В и частотой f=1 кГц.

а) Проведите анализ и получите в Probe графики напряжений v(2,1) и v(3). Проводит ли диод в течение всего периода? Проверьте и объясните результаты.

б) Проведите анализ при V=0,6 В. Объясните результаты.

в) Проведите анализ при V=0,4 В. Объясните результаты.

9.3. На рис. 9.4 приведена ВАХ для встроенной модели диода. Получите характеристику для диода, параметры которого приведены в задаче 9.1. Опишите все различия в двух кривых.

9.4. Двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром, использующим конденсатор с емкостью С=25 мкФ, рассмотрен в тексте. Используйте аналогичный анализ, чтобы определить размах пульсаций и среднее значение выходного напряжения при С = 10 мкФ.

9.5. Схема, показанная на рис. 9.30, подобна схеме на рис. 9.12, за исключением того, что диод включен в обратном направлении. Проведите анализ при максимальном напряжении vi=12 В, частоте f=60 Гц и VR=8 В и получите входное и выходное напряжения. Попробуйте предсказать форму выходного напряжения и сравните предсказанные результаты с полученными в Probe.

Рис. 9.30

9.6. В схеме, приведенной на рис. 9.31, используются те же параметры, что и в задаче 9.5. Выходное напряжение снимается с последовательного соединения R и VR. Предскажите форму выходного напряжения, затем выполните анализ на PSpice и сравните результаты.

Рис. 9.31

9.7. Для схемы на рис. 9.32, содержащей встроенную модель биполярного транзистора, найдите напряжения и токи покоя. Установите hFE=80 (BF=80 в команде .MODEL). Обратите внимание, что схема подобна схеме на рис. 3.1. Сравните результаты, полученные здесь, с приведенными в главе 3. Обратите внимание, что имеются существенные различия в результатах. Напряжение VA (рис. 3.2) составляет 0,7 В, что отражает типичное для реальных транзисторов значение напряжения VBE в активной области. При использовании встроенной модели выходной файл должен показать VBE=0,806 В. Эти различия вызывают изменения в токе базы и других величинах, полученных в обоих случаях. Эта задача показывает одну из причин, по которым собственные модели (подобные рассмотренным в главе 3) часто предпочитают встроенным моделям.

Рис. 9.32

9.8. В схеме, показанной на рис. 9.33, получите стоковые характеристики полевого транзистора. Задайте изменение напряжения сток-исток VDS от 0 до 18 В с шагом в 0,2 В. Используйте встроенную модель для плоскостного полевого транзистора (JFET) с обозначением NJF (полевой транзистор с n-канальным переходом).

а) Используйте напряжение затвор-исток VGS=0 В. Найдите максимальный ток стока и напряжение отсечки.

б) Установите значение VGS=-1 В и снова проведите анализ.

Рис. 9.33

9.9. На рис. 3.7 показана схема усилителя с общим эмиттером на биполярном транзисторе, использующая модель в h-параметрах. Если h-параметры не используются и для анализа выбирается встроенная модель, то на схеме должен быть показан источник питания Vcc и цепи базового смещения. Полная схема может быть, например, такой, как на рис. 9.34. Используйте встроенную модель для биполярных транзисторов (BJT), установив hFF=50 (BF=50) и создав входной файл для определения коэффициента усиления по напряжению для низких частот. Анализ проведите на частоте 5 кГц. Сравните результаты с полученными при использовании модели в h-параметрах. Какой из методов предпочтителен для задач этого типа? Почему?

Рис. 9.34.

10. Биполярные транзисторы и их модели 

Биполярные транзисторы

Эта глава знакомит читателя с использованием библиотечной модели биполярного транзистора (BJT), которая сравнивается с использованными ранее моделями в h-параметрах или с другими упрощенными моделями. В PSpice встроена универсальная модель для BJT, в которой используются параметры, приведенные в разделе «Q — биполярный транзистор» приложения D. Полезно рассмотреть как входную, так и выходную характеристики этой модели. Это позволит нам при необходимости использовать эту модель в различных схемах.

Выходные характеристики

Схема для получения выходных характеристик (рис. 10.1) содержит источник постоянного напряжения VCC с варьируемым выходным напряжением и источник постоянного тока IВ с варьируемым током. Транзистор обозначен как Q1. При использовании встроенной модели BJT обозначение прибора всегда должно начинаться с символа Q. Входной файл при этом имеет вид:

BJT Output Characteristics

VCC 4 0 10V

IB 0 1 2 5uA

RB 1 2 0.01

RC 4 3 0.01

Q1 3 2 0 BJT; the designation BJT is our choice

.MODEL BJT NPN (BF-80)

.dc VCC 0 10V 0.05V 1B 5uA 2 5uA 5uA

.PROBE

.END

Рис. 10.1. Схема для снятия выходных характеристик биполярного транзистора

Команда .MODEL показывает, что выбраны имя BJT для модели и тип NPN для транзистора. Значение по умолчанию для прямого коэффициента передачи BF (hFE) равно 100, но оно изменено на 80 последней записью команды. Подобным образом можно изменить и другие параметры модели, иначе будут использоваться значения, задаваемые по умолчанию. Команда .dc содержит внешний цикл для вариации VCC и внутренний цикл вариации IВ. 

Внимание: Если вы попытаетесь задать значение IВ=0 мкА, вариация по постоянному току (dc sweep) будет выполнена некорректно.

Проведите анализ и получите в Probe график I(RC). Этот график приведен на рис. 10.2. Полезно маркировать различные характеристики соответствующими значениями входного тока. Диапазон по оси Y был изменен, границы его установлены от 0 до 2,1 мА.

Рис. 10.2. Выходные характеристики биполярного транзистора

Обратите внимание, что при IВ=25 мкА и VCC (фактически VCE) выражается в долях вольта, а ток коллектора, показанный на графике как I(RC), равен 2,0 мА, что соответствует значению hFE=80. 

Входные характеристики

Чтобы получить входные характеристики, можно использовать схему, показанную на рис. 10.3. Источник тока IВВ превращается в неидеальный при включении параллельно его выходу резистора Rs. Входной файл: