Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей
Точной моделью для биполярных транзисторов, широко используемой при анализе на малых сигналах, является модель в h-параметрах, показанная на рис. 3.5. Эта модель с соответствующими значениями используется для анализа схем с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) или общей базой (ОБ). Наша задача состоит в том, чтобы разработать версию этой модели, пригодную для использования в PSpice. Эта модель содержит ИТУТ для использования с hf и управляемого напряжением источника напряжения (ИНУН) для использования с hr. В модель на рис. 3.6 введен резистор RI для моделирования hi, E, чтобы определить hr, RO в качестве 1/h0, и F, чтобы определить hf.
Рис. 3.5. Модель в h-параметрах для транзистора
Рис. 3.6. Модель схемы с ОЭ, пригодная для анализа на PSpice
Анализ схем с общим эмиттером, использующий модель с h-параметрами
На рис. 3.7 приведена типовая схема усилителя с общим эмиттером (ОЭ), предназначенная для анализа. Более сложные схемы можно часто привести к этой форме, используя различные теоремы и методы упрощения. Заданы параметры элементов схемы: VS=1 мВ, RS=1 Ом, Ri=1,1 кОм (hie), hr=2,5·10-4 (коэффициент используется в Е), hf=50 (коэффициент используется в F), R0=40 кОм=1/h0, и RL=10 кОм. Источник V0=0 В необходим, чтобы создать независимый источник для команды ввода F.
Рис. 3.7. Модель схемы с общим эмиттером в h-параметрах, включающая источник питания и нагрузку
Хотя нас интересуют свойства схемы на малых сигналах, мы не будем использовать анализ для переменного тока. Причина состоит в том, что пока мы имеем дело с установившимися состояниями для малых сигналов переменного тока и в схеме отсутствуют реактивные элементы, мы можем использовать анализ PSpice на постоянном токе относительно амплитуд или действующих значений токов и напряжений. Программа PSpice не воспринимает разницы! В то же время вы должны понимать, что программа дает результаты для малых сигналов переменного тока и никак не учитывает постоянных напряжений и токов смещения.
Конечно, мы полагаем, что рабочая точка была выбрана правильно и работа происходит в активной области. Входной файл для анализа имеет вид:
Small Signal Analysis of Transistor Circuit Using h Parameters
VS 1 0 1mV
V0 3 3A 0
E 3A 0 4 0 2.5E-4
F 4 0 V0 50
RS 1 2 1k
R1 2 3 1.1k
R0 4 0 40k
RL 4 0 10k
.OP
.OPT nopage
.TF V(4) VS
.END
Выполните анализ и распечатайте выходной файл для дальнейшего изучения. Убедитесь, что Ib=0,5 мкА; Iс=20 мкА (вычисляется как (V)4/RL); полный коэффициент усиления по напряжению -200 (вычисляется как V(4)/VS); Ri=2 кОм и R0=8,4 кОм.
Поскольку Ri включает RS, каково входное сопротивление со стороны базы транзистора? Это Ri-Rs=1 кОм. Также, поскольку R0, включает RL, что является выходным сопротивлением со стороны коллектора (не включая RL)? Найдем его, используя проводимости: 1/R0=1,1905×10-4; вычтем из этой величины 1/RL=1×10-4, что даст 1/R'0=0,1905×10-4. Таким образом, R'0=52,5 кОм.
Коэффициент передачи по напряжению от базы на коллектор V(4)/V(2)=–400. Коэффициент усиления по току Ai=IL/IB=-20μkА/0,5μkА=-40. Выходной файл приведен на рис. 3.8.
Small-Signal Analysis of Transistor Circuit Using h Parameters
**** CIRCUIT DESCRIPTION
VS 1 0 1mV
V0 3 3A 0
E 3A 0 4 0 2,5E-4
F 4 0 V0 50
RS 1 2 1k
RI 2 3 1.1k
R0 4 0 40k
RL 4 0 10k
.OP
.OPT nopage
.TF V(4) VS
.END
SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С
NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE
( 1) .0010 ( 2) 500.0E-06 ( 3) -50.00E-06 ( 4) -.2000
( 3A) -50.00E-06
VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT
VS -5.000E-07
V0 5.000E-07
TOTAL POWER DISSIPATION 5.00E-10 WATTS
**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С
**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES
NAME E
V-SOURCE -5.000E-05
I-SOURCE 5.000E-07
**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES
NAME F
I-SOURCE 2.500E-05
**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS
V(4)/ VS = -2.000E+02
INPUT RESISTANCE AT VS = 2.000E+03
OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 8.400E+03
Рис. 3.8. Выходной файл анализа для схемы на рис. 3.7
Подводя итог, заметим, что анализ PSpice избавил вас от ряда вычислений, но без понимания направлений токов и полярностей напряжений ваше решение будет не завершено. Вы должны понимать, что теория h-параметров сочетается здесь с моделью PSpice, которую мы разработали. Необходимо помнить, что определение h-параметров зависит от конфигурации схемы.
Некоторые авторы используют другие модели, не основанные на h-параметрах. Часто они являются более простыми, но менее точными. Однако у вас будет меньше проблем при анализе, чем в рассмотренном и в ряде последующих примеров.
В задаче на рис. 3.14 принят именно такой упрощенный вариант модели, и она служит введением в эту тему. Относительно просто разработать модели для схем ОБ и ОК.
Анализ схем с общим коллектором, использующий модель с h-параметрами
Другой широко используемой схемой является схема с общим коллектором (ОК), показанная на рис. 3.9. Снова, как и в предыдущем примере, мы рассматриваем базовую схему, к которой с помощью теоремы Тевенина и других методов упрощения схем могут быть сведены более сложные задачи. Входной сигнал подан через RS на базу транзистора, а выходной снимается с эмиттера. На рис. 3.10 показана схема с моделью транзистора в h-параметрах. Схема почти идентична модели на рис. 3.7, но в ней должны использоваться h-параметры для схемы ОК. Это обеспечивается следующим входным файлом:
Common-Collector Circuit Analysis with h Parameters
VS 1 0 1mV
V0 3 3A 0
E 3A 0 4 0 1
F 4 0 V0 -51
RS 1 2 1k
RI 2 3 1.1k
RO 4 0 40k
RL 4 0 10k
.OP
.OPT nopage
.TF V (4) VS
.END
Рис. 3.9. Транзисторный усилитель с общим коллектором
Рис. 3.10. Модель схемы с общим коллектором в h-параметрах, включающая источник питания и нагрузку
Выполните анализ на PSpice и убедитесь, что V(4)/VS=0,9949; IL=0.949Е-8; Ib=2.438Е-9; AI=IL/Ib=40,8; R'0=40,97 Ом (включая RL) и R'i=410 кОм (включая Rs). Определите входное сопротивление со стороны базы и выходное сопротивление без учета RL. Они должны быть следующими: Ri=409,1 кОм и R0=41,14 Ом. Покажите направления токов на схеме и отметьте точки для определения входного и выходного сопротивлений. Обратите внимание, что коэффициент усиления по напряжению почти равен 1 без инвертирования фазы. Коэффициент усиления по току также не показывает инвертирования фазы.
Анализ схем с общей базой, использующий модель с h-параметрами
В схеме с общей базой, показанной на рис. 3.11, используются те же значения для навесных компонентов, что и в предыдущих примерах. На рис. 3.12 приведена схема с h-параметрами. При использовании типичных h-параметров для схемы ОБ, входной файл примет вид:
Common-Base Circuit Analysis with h Parameters
VS 1 0 1mV
V0 3 3A 0
E 3A 0 4 0 2.9Е-4
F 4 0 V0 -0.98
RS 1 2 1k
RI 2 3 21.6
RO 4 0 2.0 4MEG
RL 4 0 10k
.OP
.OPT nopage .TF V(4) VS
.END
Рис. 3.11. Схема транзисторного усилителя с общей базой
Рис. 3.12. Модель схемы с общей базой в h-параметрах, включающая источник питания и нагрузку
Выполните анализ и убедитесь, что AI=9,52; IL=0,95 мкА; Ie=0,976 мкА; R'i=1024 Ом и R'0=9,924 Ом. Определите Ri со стороны эмиттера и R0 без учета RL. Они должны быть Ri=24 Ом и R0=1,3 МОм. Покажите, что коэффициент передачи напряжения с эмиттера на коллектор равен AV=406.
