Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей
Несколько иная ситуация для более сложной схемы с ИТУТ часто возникает при анализе электронных цепей, когда управляющий ток проходит в ветви, не содержащей независимых источников напряжения V. На рис. 1.26, а представлена типовая схема. В ней управляющий ток проходит через резистор R3. Именно этот ток, умноженный на k, определяет ток источника F.
Напомним, что в строке описания источника F присутствует независимый источник напряжения типа V. Как же быть? Просто введите источник напряжения с нулевым значением в ветвь, в которой протекает управляющий ток, как показано на рис. 1.26, б. Обозначьте этот источник как R0, чтобы это напоминало вам о его нулевом значении. Входной файл будет иметь вид:
Another CDCS Example
V 1 0 35V
V0 2А 2 0V
F 3 0 V0 -3
R1 1 2 100
R2 2 0 500
R3 2A 0 500
R4 3 0 500
R5 3 0 500
.OP
.ОРТ nopage
.TF V(3) V
.END
Рис. 1.26. Введение источника нулевого напряжения:
а) другая схема с источником тока, управляемым током
б) схема с введенным источником нулевого напряжения
Рассмотрим строку, описывающую F. Она следует за описанием независимого источника V0, поскольку он находится в ветви, где протекает управляющий ток I. Сравним строки, описывающие F в этом и в предыдущем примерах, чтобы увидеть разницу. Отметим дополнительную строку, описывающую V0. В ней указаны два узла 2А и 2. Заметим, что положительный узел (всегда первый) показывает направление, приведенное на рисунке. Это соответствует соглашениям, использованным в предыдущих примерах, где ток также выходит из положительного узла источника.
Ранее мы не использовали буквы для обозначения узлов, но это успешно можно делать. На самом деле могут быть использованы комбинации из букв и цифр. Узлы могут быть, например, обозначены как a1, b12, 1с и так далее. Итак, в действительности нулевое значение напряжения означает, что оно не влияет на процессы в схеме. Строка, описывающая R3, изменена, чтобы показать наличие нового узла 24.
Запустите моделирование и проверьте результат. Значения равны: V(2)=25 В, V(3)=-37,5 В, и, как ожидалось, V(2A) также равно 25 В. Нетрудно проверить, что I=50 мА, обеспечивая 3I=150 мА, как показано в выходном файле; это и есть ток через F. Этот ток делится поровну между R4 и R5, давая ток 75 мА в каждом из них. Таким образом, потенциал V(3)=-75 В. Входное и выходное сопротивления уже проверены.
В качестве дополнительного упражнения посмотрите, что произойдет, если изменить две строки входного файла следующим образом:
V0 2А 2 0V
F 3 0 V0 3
Это просто другой способ описания отношения между управляющим током и ИТУТ (CDCS). Попытайтесь установить, что оба способа равноценны, и применяйте тот, который удобен для вас.
Источник тока, управляемый напряжением
Строка описания источника тока, управляемого напряжением в Spice, начинается буквой G. На рис. 1.27 показан пример такой схемы. Эта цепь легко анализируется с помощью ручного расчета. Напряжение n2 получается на выходе делителя напряжения и равно 9 В. Ток через зависимый источник равен, таким образом: 0,02·9=180 мА. Коэффициент к имеет размерность проводимости 1/Ом. Этот ток делится поровну между R3 и R4, обеспечивая ток 90 мА через каждый резистор. Это дает напряжение
V30 = -0,09·200 = -18 В.
Рис. 1.27. Схема с источником тока, управляемым напряжением
Входной файл для этого случая:
Voltage-Dependent Current Source
V 1 0 12V
G 3 0 2 0 0.02
R1 1 2 200
R2 2 0 900
R3 3 0 200
R4 3 0 200
.OP
.ОРТ nopage
.TF V(3) V
.END
В строке описания источника тока G приведены сначала два узла: 3 и 0. Они соответствуют началу и концу стрелки в обозначении источника. Следующие два узла (2 и 0) соответствуют плюсу и минусу управляющего напряжения n2.
Запустите моделирование на PSpice и проверьте полученные значения величин: V(2)=9 В, V(3)=-18 В, V(2)=25 В, RIN=1200 Ом и ROUT=100 Ом.
Отношение V(3)/V=-1,5 представляет собой коэффициент усиления схемы. В дальнейшем вы увидите, как эта величина может использоваться для анализа различных транзисторных и интегральных схем.
Другие источники напряжения, управляемые током
Вспомним, что источники напряжения, управляемые токами в какой-либо ветви, называются управляемыми током (ИНУТ) или зависимыми от тока (CCVS или CDVS). На рис. 1.28 приведена типовая схема такого источника, отличная от предшествующей. Управляющим током в этом примере является ток i2, протекающий через резистор R3 (к узлу 0). ИНУТ обозначается символом Н. Значение k в этом случае составляет 400. Рассчитаем ток источника V, получим IS=15/(50 + 250) = 50 мА. Этот ток делится поровну между резисторами R2 и R3, обеспечивая протекание управляющего тока I2=25 мА. Напряжение источника Н составляет при этом 400·25 мА=10 В. Ток в правом контуре схемы равен 10/200=50 мА.
Рис. 1.28. Схема с источником напряжения, управляемым током
Входной файл PSpice имеет вид:
Current-Controlled Voltage Source
V 1 0 15V
V0 2A 2 0V
H 3 0 V0 -400
R1 1 2 50
R2 2 0 500
R3 2A 0 500
R3 3 4 50
R4 4 0 150
.OP
.OPT nopage
.TF V(4) V
.END
Запустите моделирование на PSpice и убедитесь, что величины V(2)=2,5 В, V(3)=10 В и V(4)=7,5 В. Команда PSpice, вводящая H, дает узлы 3 и 0 в качестве плюса и минуса управляющего напряжения. На рисунке приведен также источник V0 в цепи управляющего тока i2. Полярность этого источника дает направление тока i2, показанное на рис. 1.28. Последнее значение в командной строке, вводящей H, дает –400 для множителя k. Знак минус необходим, как и в предыдущем примере, чтобы обеспечить правильное направление тока через источник.
Отметим, что выходной файл дает для тока через источник -50 мА, что означает протекание тока от положительного полюса V, и -25 мА для управляющего тока, протекающего от положительного полюса V0. Под строкой заголовка Current-Controlled Voltage Source в выходном файле приведено значение 10 В, показанное как источник напряжения V. Значение -50 мА, показанное как источник тока I представляет собой ток источника Н. И снова знак минус означает, что ток внутри H течет от минуса к плюсу.
Итак, мы рассмотрели зависимые источники четырех типов E (VCVS или ИНУН — источник напряжения, управляемый напряжением), F (CCCS или ИТУТ — источник тока, управляемый током), G (VCCS или ИТУН — источник тока, управляемый напряжением) и H (CCVS или ИНУТ — источник напряжения, управляемый током). Зависимые источники играют важную роль при анализе большинства схем с активными приборами, такими как транзисторы. Они дают возможность достаточно просто рассчитывать такие схемы, открывая путь к пониманию работы сложных устройств. При этом основные идеи лучше всего можно понять при исследовании цепей постоянного тока, которое проводится в данной главе.
Полиномиальные зависимые источники
Материал этой главы обычно не включается в общие программы обучения. Если полиномиальные источники не интересуют вас в настоящий момент, вы можете пропустить этот раздел, перейдя сразу к разделу, посвященному методу контурных токов.
Возможности применения для анализа нелинейных зависимых источников лучше всего рассмотреть на конкретном примере, приведенном на рис. 1.29. На нем показан источник напряжения V, питающий два последовательно включенных резистора R1=R2=1 кОм. Источник ИНУН обозначен как Е, но в нашем случае напряжение Е связано с управляющим напряжением не просто постоянным коэффициентом k. Предполагается, что Е связано с напряжением V20 нелинейной зависимостью, задаваемой полиномом
