OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Усилитель на полевом транзисторе (FET) зачастую достаточно прост и не требует компьютерного анализа. Однако в тех случаях, когда в схеме имеются дополнительные резисторы (R_d или R_s), расчет усложняется. Наш первый пример относится к усилителю с общим истоком на FET с выходным сигналом, снимаемым с резистора R_d, включенного в цепь стока. В цепь истока включено дополнительное сопротивление — R_s. На рис. 3.30 показана схема усилителя, на рис. 3.31 — модель. На основе сведений о полевых транзисторах, полученных в теоретическом курсе, предскажите, какими будут коэффициент усиления по напряжению и ток нагрузки.

Рис. 3.30. Схема с общим стоком с R_s

Рис. 3.31. Схема с общим стоком, содержащая R_s и модель на PSpice

Часто в моделях имеется «висящий» вход (управляющий электрод не подключен), но такие схемы не могут анализироваться на PSpice. Выход состоит в том, чтобы подключить высокоомный резистор между управляющим электродом и стоком. В нашем примере R_GD=10 МОм; g_m=2 мС; r_d=40 кОм; R_L=2 кОм; R_S=500 Ом, входное напряжение составляет 1 мВ. Входной файл принимает вид:

Common-Source FET with RS

VI 1 0 1mV

G 2 3 1 3 2mS

RD 2 3 40K

RL 2 0 2K

RS 3 0 500

RG 1 2 10 MEG

.OP

.OPT nopage

.TF V (2) VI

.END

После выполнения анализа убедитесь, что V(2)/VI=-1,939 и R'₀=1,95 кОм. С помощью вычислений покажите, что R'₀=79,6 кОм и I_L=-950 нА.

Усилители с общим стоком на полевых транзисторах с внешним резистором стока

На рис. 3.30 приведена схема усилителя с общим стоком, в которой выходной сигнал снимается с резистора R_S. Предположим, что R_d все еще включен в схему. Модель для PSpice, показанная в рис. 3.32, отражается следующим входным файлом:

Common-Drain FET with Drain Resistor

VI 1 0 1mV

G 3 2 1 2 2mS

RD 2 3 40KБ

RD1 3 0 1k

RS 2 0 2KБ

RG 1 3 10MEG

.OP

.OPT nopage

.TF V(2) VI

.END

Рис. 3.32. Схема усилителя на полевом транзисторе с общим стоком и резистором в цепи стока

Попробуйте с помощью теоретического анализа предсказать величину коэффициента усиления, затем выполните анализ на PSpice и убедитесь, что V(2)/VI=0,7882 и R'₀=403,9 Ом. Вычислите R₀=506 Ом и I_L=394 nA. 

Частотная характеристика усилителя на полевых транзисторах

При использовании усилителя на полевом транзисторе в широком диапазоне частот необходимо учитывать внутренние емкости транзисторов. На рис. 3.33 приведена модель усилителя с общим истоком (ОИ), включающая емкости C_gd, C_gs, и C_ds. Обычно они малы. В нашем примере для них выбраны следующие значения: C_gs=3 пФ; C_ds=1 пФ; C_gd=2,8 пФ. Другие исходные значения равны: g_m=1,6 мС; r_d=44 кОм; R_s=1 кОм и R_L=100 кГц. Для анализа на PSpice выберем частотный диапазон от 100 Гц до 100 кГц. Емкости будут влиять на процессы только на высоких частотах. Входной файл имеет следующий вид:

Common-Source Amplifier; High-Frequency Model

VI 1 0 AC 1mV

G 3 0 2 0 1.6mS

RD 3 0 44k

RL 3 0 100k

RS 1 2 1k

CGS 2 0 3pF

CGD 2 3 2.8pF

CDS 3 0 1pF

.AC DEC 2 0 100 10MEG

.PROBE

.END

Рис. 3.33. Высокочастотная модель усилителя ОИ 

Выполните анализ и получите распечатку результатов, проведите частотный анализ в Probe, использовав логарифмическую шкалу частот по оси X и выведя V(3) на оси Y. Можете ли вы установить, при какой частоте выходное напряжение существенно снижается? Поскольку это не график Боде, эту частоту трудно определить. Удалите этот график и получите новый, логарифмический, график, соответствующий уравнению 

20·lg(V(3)/49мВ).

Теперь мы получили график Боде в стандартной форме. В формуле значение 49 мВ представляет собой коэффициент усиления на средних частотах, показанный на первом графике. Мы использовали это значение, чтобы нормализовать график. Вертикальная ось теперь имеет начальную отметку в верхней части шкалы и диапазон от -5 до -30. Измените шкалу по оси X, чтобы показать частотный диапазон от 100 Гц до 5 МГц. Используйте курсор, чтобы убедиться, что ослабление в 3 дБ достигается при частоте f=619 кГц. Получите распечатку и проведите касательные к обеим линейным частям кривой. Координата точки, где эти линии пересекутся, будет соответствовать значению 3 дБ. График приведен на рис. 3.34.

Рис. 3.34. Выходной файл при анализе схемы на рис. 3.33