Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

.ac lin 1 5kHz 5kHz

.PRINT ac i(Rd) v(2) v(3)

.LIB EVAL.LIB

.END

**** MOSFET MODEL PARAMETERS

       IRF150

       NMOS

LEVEL  3

L      2.000000E-06

W      .3

VTO    2.831

KP     20.530000E-06

GAMMA  0

PHI    .6

LAMBDA 0

RD     1.031000E-03

RS     1.624000E-03

RG     13.89

RDS    444.400000E+03

VDD       I(RD)     I(R1)     I(R2)     I(Rs)

1.200E+01 1.781E+00 2.182E-05 2.182E-05 1.781E+00

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 7.2000  ( 3) 7.8271  ( 4) 18.0000

( 5) 2.5432

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VDD -5.086E+00

vi   0.0000+00

TOTAL POWER DISSIPATION 9.16E+01 WATTS

**** MOSFETS

NAME MFET

MODEL IRF150

ID    5.09E+00

VGS   4.66E+00

VDS   5.28EE+00

VBS   0.00E+00

VTH   2.83E+00

VDSAT 1.82E+00

GM    5.60E+00

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(Rd)     V(2)      V(3)

5.000E+03 7.536E-01 4.9998-01 1.507E+00

Рис. 11.5. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 11.4

Анализ переменных составляющих дает входное напряжение vi=0,5 В и выходное напряжение на стоке v(3)=1,5 В, давая коэффициент усиления по напряжению, равный 3. Переменная составляющая выходного тока равна ID=0,7536А. Для всех переменных составляющих приведены максимальные значения.

Временные диаграммы

Чтобы получить временные диаграммы входного и выходного напряжений, необходимо слегка изменить входной файл. Как и в предыдущем примере, будет использовано синусоидальное входное напряжение:

Vi 1 0 sin (0 0. 5V 5kHz)

Наряду с анализом переходных процессов выполним и гармонический анализ. Проведем моделирование и используем Probe, чтобы получить графики v(3), i(Rd) и v(1). Результаты должны совпадать с приведенными на рис. 11.16. Используем режим курсора, чтобы найти максимальное значение выходного напряжения. Хотя значения каждого из максимумов слегка различаются из-за того, что график отражает переходной процесс, третий максимум равен 9,3188 В постоянная составляющая напряжения равна 7,8272 В. Для максимального значения переменной составляющей это дает значение 1,4916 В, которое близко к переменной составляющей, показанной в предыдущем анализе, и подтверждает коэффициент усиления по напряжению, равный 3.

Рис. 11.16. Входные и выходные сигналы для схемы на рис. 11.14

Изменения в схемном файле показаны в выходном файле (рис. 11.17). Обратите внимание, что выходное напряжение содержит небольшую вторую гармонику, общее гармоническое искажение слегка превышает 0,5%. Постоянная составляющая выходного напряжения равна 7,819 В, что лишь ненамного отличается от напряжения покоя для узла 3.

n-Channel Power MOSFET Amplifier, Fourier analysis

VDD 4 0 18V

vi 1 0 sin(0 0.5V 5kHz)

R1 4 2 330k

R2 2 0 220k

Rd 4 3 2

Rs 5 0 0.S

Cb 1 2 15uF

Cs 5 0 15uF

MFET 3 2 5 5 IRF150

.DC VDD 12V 12V 12V

.OP

.OPT nopage nomod

.TRAN 0.02ms 0.6ms

.PROBE

.FOUR 5kHz v(3)

.LIB EVAL.LIB

.END

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 7.2000  ( 3) 7.8271  ( 4) 18.0000

( 5) 2.5432

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VDD -5.086E+00

vi   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 9.16Е+01 WATTS

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

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VDD -5.086E+00

vi   0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION 9.16Е+01 WATTS

**** FOURIER ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(3)

DC COMPONENT = 7.819569E+00

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE     NORMALIZED

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

1        5.000E+03 1.490E+00 1.000E+00 -1.703E+02 0.000E+00

2        1.000E+04 7.816E-03 5.246E-03  1.286E+02 2.989E+02

3        1.500E+04 3.212E-04 2.156E-04 -1.040E+02 6.630E+01

4        2.000E+04 1.882E-04 1.263E-04 -8.023E+01 9.005E+01

5        2.500E+04 1.502E-04 1.008E-04 -7.562E+01 9.465E+01

6        3.000E+04 1.972E-04 1.323E-04 -7.245E+01 9.782E+01

7        3.500E+04 1.758Е-04 1.180Е-04 -1.008E+02 6.944E+01

8        4.000E+04 4.582E-05 3.075E-05 -3.885E+01 1.314E+02

9        4.500E+04 1.703E-04 1.143Е-04 -3.659E+01 1.337E+02

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 5.257215E-01 PERCENT

Рис. 11.17. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 11.14, включая гармонический анализ

Арсенид-галлиевые полевые транзисторы

PSpice включает встроенную модель для арсенид-галлиевого n-канального транзистора (GaAsFET). Имя этого прибора начинается с В. Хотя библиотека демонстрационной версии не содержит никаких входных файлов для этих транзисторов, вы можете определять параметры модели или просто использовать значения по умолчанию, приведенные в приложении D.

Значение по умолчанию для напряжения отсечки Vto=–2,5 В. Пример типового входного файла, используемого для получения выходных характеристик, приведен ниже:

Output Curves for GaAsFET

VOD 2 0 12V

VGS 1 0 0V

BFET 2 1 0 B1; узлы стока, затвора и истока

.MODEL B1 GAsFET (Vto=-2.5 B=0.3 Rg=1 Rd=1 Rs=1 Vbi=0.5V)

.DC VDD 0 12V 0.2V VGS 0 -3V 1V

.PROBE

.END

Выполните моделирование на PSpice, затем используйте Probe, чтобы получить графики ID(BFET), приведенные на рис. 11.18. Убедитесь, что IDSS=429 мА.

Рис. 11.18. Выходные характеристики арсенид-галлиевого транзистора

Задачи

Обратите внимание: в PSpice параметр BETA для JFET определяется как

11.1. Определите с помощью PSpice ток стока ID и напряжение на стоке VDS для схемы с JFET-транзистором, показанной на рис. 11.19, при значениях VPO=2 В и IDSS=5 мА.

Рис. 11.19

11.2. Найдите значения точки покоя ID и VDS для схемы с JFET-транзистором, показанной на рис. 11.20. Транзистор имеет те же характеристики, что и в предыдущей задаче.

Рис. 11.20

11.3. В схеме на рис. 11.21 для МОП-транзистора со встроенным каналом найдите значения ID, VGS и VDS c помощью анализа на PSpice при IDSS=5 мА и VPO=2 B.

Рис. 11.21

11.4. В схеме полевого транзистора JFET, приведенной на рис. 11.22, IDSS=8 мА и VPO=5,0 В. В рабочей точке gd=0,3 мС. С помощью анализа на PSpice найдите коэффициент усиления по напряжению v0|vi для низких частот.

Рис. 11.22

11.5. Усилитель на базе транзистора JFET показан на рис. 11.23. Заданы значения rd=100 кОм и gm=2850 мкС. Используйте PSpice, чтобы найти коэффициент усиления по напряжению v0|vs.

Рис. 11.23

11.6. Параметры усилителя на МОП-транзисторе, показанного на рис. 11.24: VT=2,5 В, (β=0,6 А/В² и rd=120 кОм. Используйте PSpice, чтобы найти коэффициент усиления по напряжению v0|vs.

Рис. 11.24

11.7. Схема прерывателя показана на рис. 11.25. На вход схемы включен источник синусоидального напряжения vi с частотой 1 кГц и амплитудой, меньшей чем VРO. Управляющее напряжение vg имеет прямоугольную форму при частоте 2 кГц. Используйте анализ на PSpice/Probe, чтобы получить выходное напряжение v0.

Рис. 11.25

12. Четырехполюсники и пассивные фильтры

В некоторых случаях схема может быть представлена в виде «черного ящика», имеющего два входных и два выходных полюса. Компоненты внутри могут быть либо неизвестны, либо не нужны для схемотехнического анализа, который необходимо выполнить. Такие схемы называются четырехполюсниками могут представлять собой набор резисторов, линию электропередачи, фильтр и т.п. Они могут даже содержать активные элементы.

Параметры четырехполюсников 

Четырехполюсники имеют два входных полюса со стороны источника сигнала и два выходных полюса со стороны нагрузки. Для анализа этих цепей можно сначала узнать набор параметров, определяющих цепь, а затем использовать уравнения, составленные исходя из этих параметров. Этот метод анализа особенно полезен, когда изменяются источник сигнала и нагрузка, а сам четырехполюсник остается неизменным. Мы рассмотрим различные примеры, применяя для описания четырехполюсников параметры y, z, h и ABCD.