Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Biasing Case Study

VCC 2 0 12V

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 4.7k

RE 4 0 220

Q1 3 1 4 Q2N2222

.LIB EVAL.LIB ; this calls in the library file EVAL.LIB

.DC VCC 12V 12V 12V

.PRINT DC I(RC) I(R1) I(R2) I(RE)

.OP

.OPT nopage .END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   Q2N2222

   NPN

IS 14.340000E-15

BF 255.9

NF 1

VAF 74.03

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

VCC       I(RC)     I(R1)     I(R2)     I(RE)

1.200E+01 1.114E-03 2.777E-04 2.707E-04 1.121E-03

**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) .8933  ( 2)  12.0000 ( 3) 6.7651  ( 4) .2466

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -1.391E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.67E-02 WATTS

OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME     Q1

MODEL    Q2N2222

IB       6.96E-06

IС       1.11E-03

VBE      6.47E-01

VBC     -5.87E+00

VCE      6.52E+00

BETADC   1.60E+02

GM       4.29E-02

RPI      4.12E+03

RX       1.00E+01

RO       7.17E+04

CBE      5.40E-11

CBC      3.47E-12

CJS      0.00E+00

BETAAC   1.77Е+02

CBX/CBX2 0.00E+00

FT/FT2   1.19E+08

Рис. 10.8. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 10.7

Анализ на переменном токе

Чтобы показать, как ведет себя эта схема в качестве усилителя ОЭ, добавим несколько компонентов (рис. 10.9). Максимальное значение переменного напряжения равно 10 мВ, внутреннее сопротивление источника Rs=50 Ом, кроме того добавлены конденсаторы Сb и Се. Входной файл принимает вид:

Biasing Case Study Extended

VCC 2 0 12V

Vs 1a 0 ac 10mV

Rs 1a 1b 50

Cb 1b 1 15uF

Ce 4 0 15uF

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 4.7k

RE 4 0 22 0

Q1 3 1 4 Q2N2222

.DC VCC 12V 12V 12V

.PRINT DC I(RC) I(R1) I(R2) I(RE)

.OP

.opt nopage nomod; подавляется вывод баннера и параметров модели

.ас LIN 1 5kHz 5kHz; задается вариация для анализа на переменном токе

.PRINT ас i(RC) i(RE) i(RS)

.PRINT ac v(1) v(1b) v(3) v(4)

.LIB EVAL.LIB

.END

Рис. 10.9. Усилитель ОЭ

В этом входном файле величина Vs идентифицируется как переменная составляющая входного напряжения, и вызывается вариация по переменному току (ас sweep). Без команды .ас LIN выходной файл вообще не будет содержать информации о переменных составляющих.

Проведите анализ и убедитесь, что напряжение смещения и значения токов не изменились по сравнению с предыдущим выходным файлом. Фактически вся информация о рабочей точке осталась прежней. Выходной файл приведен на рис. 10.10. 

Biasing Case Study Extended

VCC 2 0 12V

Vs 1a 0 ас 10mV

Rs 1a 1b 50

Cb 1b 1 15uF

Ce 4 0 15uF

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 4.7k

RE 4 0 220

Q1 3 1 4 Q2N2222

.DC VCC 12V 122V 212V

.PRINT DC I(RC) I(R1) I(R2) I(RE)

.OP

.opt nopage nomod ; suppress banner and model parameters

.ac LIN 1 5kHz 5kHz ; a sweep is necessary for ac analysis

.PRINT ac i(RC) i(RE) I(RS)

.PRINT ac v(1) v(1b) v(3) v(4)

.LIB EVAL.LIB

.END

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

VCC       I(RC)     I(R1)     I(R2)     I(RE)

1.200E+01 1.114Е-03 2.777E-04 2.707E-04 1.121E-03

**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

NODE  VOLTAGE NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1)  .8933   ( 2)  12.0000 ( 3) 6.7651  ( 4) .2466

( 1a) 0.0000  ( 1b) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -1.391E-03

Vs   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 1.67E-02 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME   Q1

MODEL  Q2N2222

IB     6.96E-06

IС     1.11E-03

VBE    6.47E-01

VBC   -5.87E+00

VCE    6.52E+00

BETADC 1.60E+02

BETAAC 1.77E+02

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ       I(RC)     I(RE)     I(RS)

5.000E4-03 3.888E-04 3.772E-06 5.523E-06

FREQ      V(1)      V(1b)     V(3)      V(4)

5.000E+03 9.724E-03 9.725E-03 1.827E+00 8.299E-04

Рис. 10.10. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 10.9

В дополнение к предыдущим результатам мы запросили сведения о переменных составляющих нескольких токов и напряжений. Убедитесь, что v(3)/v(1)=188 и v(3)/vs=182,7. Переменная составляющая выходного тока составляет 0,3888 мА, переменная составляющая входного тока равна 5,523 мкА, что дает для коэффициента усиления по току значение 70,4.

В качестве упражнения включите резистор с сопротивлением RB=0,01 Ом последовательно с базой и выведите значение тока через RB с помощью команды .PRINT ас; затем выполните анализ и найдите коэффициент передачи по току с базы на коллектор. Он не будет таким же, как найденный с использованием Ic/hfe, где hfe — это ВЕТААС. Можете ли вы дать объяснение этому?

Для понимания работы схемы полезно рассмотреть переменные составляющие напряжений в различных точках схемы. Измените входной файл следующим образом:

Biasing Case Study Extended for Probe

VCC 2 0 12V

Vs 1a 0 sin(0 10mV 5kHz)

;аргументы - смещение, максимальное значение и частота

Rs 1a 1b 50

Cb 1b 1 15uF

Ce 4 0 15uF

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 4.7k

RE 4 0 220

Q1 3 1 4 Q2N2222

.opt nopage nomod

.TRAN 0.02ms 0.6ms

.PROBE

.FOUR 5kHz V(3)

.LIB EVAL.LIB

.END

Источник напряжения показан теперь не просто как источник переменного, а как источник именно синусоидального напряжения sin(). Параметрами его являются смещение, амплитуда и частота. Временные диаграммы можно получить путем включения во входной файл команды .PROBE. Проведите анализ, затем получите графики v(3) и v(1), показанные на рис. 10.11. На этом рисунке использовался курсор, чтобы найти максимальное значение напряжения коллектора. Обратите внимание, что напряжение коллектора повернуто на 180° относительно напряжения базы. Используйте курсор, чтобы найти максимум и минимум.

Рис. 10.11. Временные диаграммы напряжений на коллекторе и на базе в схеме на рис. 10.9

Убедитесь, что размах напряжения на базе (удвоенная амплитуда) равен 19,4 мВ, в то время как соответствующее значение на коллекторе равно 3,62 В что дает коэффициент усиления по напряжению Av=187, соответствующий результату предыдущего анализа на переменном токе.

Последние строки выходного файла, показанного на рис 10.12, содержат результаты гармонического анализа выходного напряжения V(3). Постоянная составляющая, равная 6,75 В, в точности совпадает с напряжением смещения на коллекторе. Амплитуда основной гармоники (5 кГц) равна 1,781 В, что соответствует размаху в 3,562 В. График коллекторного напряжения дает размах 3,63 В. Вторая гармоника выходного напряжения составляет 0,134 В, что на порядок меньше основной. Более высокие гармоники имеют еще меньшую величину и дают общее гармоническое искажение приблизительно в 7,5%.

Biasing Case Study Extended for Probe

VCC 2 0 12V

Vs 1a 0 sin(0 10mV 5kHz) ; arguments are offset, peak, and frequency

Rs 1a 1b 50

Cb 1b 1 15uF

Ce 4 0 15uF

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 4.7k

RE 4 0 220

Q1 3 1 4 Q2N2222

.opt nopage nomod

.TRAN 0.02ms 0.6ms

.PROBE

.FOUR 5kHz V(3)

.LIB EVAL.LIB

.END

**** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

NODE  VOLTAGE NODE  VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1)  .8933   ( 2)  12.0000 ( 3) 6.7651  ( 4) .2466

( 1a) 0.0000  ( 1b) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -1.391E-03

Vs   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 1.67E-02 WATTS

**** FOURIER ANALYSIS TEMPERATURE -27.000 DEG С

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(3)

DC COMPONENT = 6.757350Е+00

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE     NORMALIZED

NO       (HZ)      COMPONENT COMPONENT (DEG)      PHASE (DEG)

1        5.000E+03 1.780E+00 1.000E+00 -1.752E+02 0.000E+00

2        1.000E+04 1.343E-01 7.541E-02  1.019E+02 2.771E+02

3        1.500E+04 4.445E-03 2.496E-03 -1.089E+01 1.643E+02

4        2.000E+04 2.902E-03 1.630E-03 -1.114Е+02 6.384E+01

5        2.500E+04 2.710E-03 1.522E-03 -1.204E+02 5.485E+01

6        3.000E+04 2.695E-03 1.514E-03 -1.277B+02 4.750B+01

7        3.500E+04 2.638E-03 1.482E-03 -1.337E+02 4.154Е+01

8        4.000E+04 2.563E-03 1.440E-03 -1.402E+02 3.502E+01

9        4.500E+04 2.430Е-03 1.3651-03 -1.442E+02 3.100Е+01