Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей
Рис. 3.20. Схема усилителя ОК с резистором в цепи коллектора
Рис. 3.21. Модель усилителя OK с резистором в цепи коллектора для анализа на PSpice
Обращение к формулам утомительно и не слишком способствует пониманию работы схемы. Рассмотрите входной файл, затем сравните результаты выходного файла с полученными для усилителя без RC.
Common-Collector Circuit with Collector Resistor
VS 1 0 1mV
V0 3 3A 0
E 3A 4 5 4 1
P 5 4 V0 -51
RS 1 2 1k
RI 2 3 1.1k
RC 4 0 1k
RO 5 4 40k
RL 5 0 10k .OP
.OPT nopage
.TF V(5) VS
.END
Выполните анализ и сравните результаты с теми, что получены для простого усилителя ОК. Вы увидите, что коэффициент усиления по напряжению почти идентичен в обоих случаях и что входное и выходное сопротивления изменяются также немного. Мы установили, что введение RC в схему почти не влияет на ее работу.
Усилители с высоким входным сопротивлением
Если вам необходим усилитель с высоким входным сопротивлением, можно применить схему Дарлингтона (рис. 3.22). Эта схема состоит из двух транзисторов с объединенными коллекторами, размещаемых часто в одном корпусе. Можно считать, что в цепь эмиттера первого каскада включен бесконечно большой внешний резистор Re1=∞. Использование модели с h-параметрами для каскадов ОК приводит к модели, показанной на рис. 3.23, которой соответствует входной файл:
Darlington-Pair (High-Input-Resistance) Amplifier
VS 1 0 1mV
V01 3 3A 0
V02 5 5A 0
E1 3A 0 4 0 1
Е2 5А 0 6 0 1
F1 4 0 V01 -51
F2 6 0 V02 -51
RS 1 2 1k
RI1 2 3 1.1k
RO1 4 0 40k
RI2 4 5 1.1k
RO2 6 0 40k
RL 6 0 4k
.OP
.OPT nopage
.IF V(6) VS
.END
Рис. 3.22. Применение схемы Дарлингтона для получения высокого входного сопротивления
Рис. 3.23. Модель с h-параметрами для схемы Дарлингтона
Выполните анализ и убедитесь, что коэффициент усиления по напряжению V(6)/VS=0,9929; R'i=1,682 МОм и R'0=22,24 Ом. Из вычислений следует, что R'i=1,681 МОм относительно базы первого транзистора Q1 и что R0=22,36 Ом (без учета RL). Также найдите параметр AI=IL/Ib=417,5, который намного выше, чем для однокаскадного усилителя ОК. В этом анализе мы считали, что h-параметры для обоих каскадов одни и те же. В действительности, токи смещения первого каскада меньше, чем у второго. На рис. 3.24 показан выходной файл.
**** 06/22/99 14:59:01 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************
Darlington-Pair (High-Input Resistance) Amplifier
**** CIRCUIT DESCRIPTION
VS 1 0 1mV
V01 3 3A 0
V02 5 5A 0
E1 3A 0 4 0 1
Е2 5А 0 6 0 1
F1 4 0 V01 -51
F2 6 0 V02 -51
RS 1 2 1k
RI1 2 3 1.1k
RO1 4 0 40k
RI2 4 5 1.1k
RO2 6 0 40k
RL 6 0 4k
.OP
.OPT nopage
.TF V(6) VS
.END
NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE
( 1) .0010 ( 2) 999.4E-06 ( 3) 998.8E-06 ( 4) 998.8E-06
( 5) 992.9E-06 ( 6) 992.9E-06 ( 3A) 998.8E-06 ( 5A) 992.9E-06
VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT
VS -5.946E-10
V01 5.946E-10
V02 5.354E-09
TOTAL POWER DISSIPATION 5.95E-13 WATTS
**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES
NAME E1 E2
V-SOURCE 9.988E-04 9.929E-04
I-SOURCE 5.946E-10 5.354E-09
**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES
NAME F1 F2
I-SOURCE -3.032E-08 -2.730Е-07
**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS
V(6)/VS = 9.929E-01
INPUT RESISTANCE AT VS = 1.682E+06
OUTPUT RESISTANCE AT V(6) = 2.224E+01
Рис. 3.24. Выходной файл при анализе схемы Дарлингтона
Двухкаскадные усилители
При использовании PSpice расчет двухкаскадных усилителей очень прост, и результат получается быстрее, чем при расчете с использованием формул, который утомителен и требует сосредоточенности, чтобы не допустить ошибки. Понимая основные принципы анализа усилителя, вы можете без колебаний использовать PSpice для анализа многокаскадных схем. В качестве иллюстрации рассмотрим двухкаскадный усилитель, содержащий каскады с ОЭ и ОК, показанный на схеме рис. 3.25.
Рис. 3.25. Двухкаскадный усилитель с каскадами ОЭ и ОК
Входной сигнал подается на базу первого транзистора. Выходной сигнал первого каскада подается с коллектора непосредственно на базу транзистора второго каскада, выходной сигнал которого снимается с эмиттерного резистора. На рис. 3.26 показаны h-параметры, которые несколько отличаются от приведенных в предшествующих примерах. Входной файл имеет следующий вид:
Two-Stage Amplifier; СЕ and СС Stages
VS 1 0 1mV
V01 3 3A 0
V02 5 5А 0
E1 3A 0 4 0 6Е-4
F1 4 V01 50
Е2 5А 0 6 0 1
F2 6 0 V02 -51
RS 1 2 1k
RI1 2 3 2k
RO1 4 0 40k
RC1 4 0 5k
RI2 4 5 2k
RO2 6 0 40k
RE 2 6 0 5k
.OP nopage
.ОРТ
.TF V(6) VS
.END
Рис. 3.26. Двухкаскадный усилитель с каскадами ОЭ и ОК
После выполнения анализа убедитесь, что полный коэффициент усиления по напряжению V(6)/VS=-75,31; AI=IL/Ib1=-43,2 и Ri=1,869 кОм (со стороны базы Q1), и R0=130 Ом. На рис. 3.27 показан выходной файл.
**** 09/15/05 17:02:35 ******** Evaluation PSpice (Nov 1999) *********
Two-Stage Amplifier;СЕ and CC Stages
VS 1 0 1mV
V01 3 3A 0
V02 5 5A 0
E1 3A 0 4 0 6E-4
F1 4 0 V01 50
E2 5A 0 6 0 1
F2 6 0 V02 -51
RS 1 2 1k
RI1 2 3 2k
RO1 4 0 40k
RC1 4 0 5k
RI2 4 5 2k
RO2 6 0 40k
RE2 6 0 5k
.OP
.OPT nopage
.TF V(6) VS
.END
NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE
( 1) .0010 ( 2) 651.5E-06 ( 3) -45.58E-06 ( 4) -.0760
( 5) -.0753 ( 6) -.0753 ( 3A) -45.58E-06 ( 5A) -.0753
VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT
VS -3.485E-07
V01 3.485E-07
V02 -3.322E-07
TOTAL POWER DISSIPATION 3.49E-10 WATTS
**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES
NAME E1 E2
V-SOURCE -4.558E-05 -7.531E-02
I-SOURCE 3.485E-07 -3.322E-07
**** CURRENT-CONTROLLED CURRENT SOURCES
NAME F1 F2
I-SOURCE 1.743E-05 1.694E-05
**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS
V(6)/VS = -7.531E+01
INPUT RESISTANCE AT VS = 2.869E+03
OUTPUT RESISTANCE AT V(6) = 1.267E+02
Рис. 3.27. Результаты анализа схемы на рис. 3.26 на PSpice
Упрощенная модель с h-параметрами
Предыдущие примеры были основаны на полной модели в h-параметрах для транзистора, которая обычно используется для анализа при малом низкочастотном сигнале. Для анализа ряда транзисторных схем можно использовать также упрощенную модель в z-параметрах. В этой модели используются только параметры hfe и hie, другие h-параметры опущены. При использовании упрощенной модели на PSpice результаты получаются менее точными. Ошибка часто достигает 10% и более.
Тем не менее приведем анализ с упрощенной моделью для усилителя ОЭ, чтобы показать, что этот инструмент также доступен. Не забудьте, что значения hfe и hie используются для всех трех конфигураций схем с ОЭ, ОБ и ОК.
Анализ усилителя с общим эмиттером, использующий упрощенную модель с h-параметрами
На рис. 3.28 показана упрощенная модель для использования в PSpice, на рис. 3.29 — схема ОЭ, использующая эту модель. Входной файл для анализа приведен далее:
Simplified h-Parameter Analysis
VS 1 0 1mV
VO 3 0 0V
F 4 0 VO 50
RS 1 2 1k
RI 2 3 1.1K
RL 4 0 10K
.OP
.OPT nopage
.TF V(4) VS
.END
Рис. 3.28. Упрощенная модель в z-параметрах
Рис. 3.29. Схема усилителя ОЭ, использующая упрощенную модель в z-параметрах
Вы можете легко предсказать результаты этого анализа, воспользовавшись ручным расчетом. Сравните ваши предсказания с ответами, полученными на PSpice.
Транзисторные усилители на полевых транзисторах
