OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

4.6. Используйте гибридную π-модель для усилителя с обратной связью на полевом транзисторе, показанного на рис. 4.35. Параметры элементов: g_m= 50 мС; r_bb'=100 Ом; r_b'e=1 кОм; С_с=4 пФ; С_е=80 пФ и r_се=80 кОм. При R_s=500 кОм; V_s=1 мВ и R_L=4 кОм, получите амплитудно-частотную характеристику при: a) R_e=300 Ом и б) R_e=500 Ом.

Рис. 4.35 

4.7. На рис. 4.36 приведен пример усилителя с параллельной обратной связью по напряжению. Используйте упрощенную модель в h-параметрах при c_hfe= 100 и h_ie=1,1 кОм. При R_s=500 Ом; R_e=4 кОм и V_s=1 мВ найдите коэффициент усиления по напряжению на средней частоте, входное и выходное сопротивления для случаев: a) R_f=27 кОм и б) R_f=40 кОм.

Рис. 4.36. 

4.8. Для расширения частотного диапазона на входе усилителя ОЭ включена шунтирующая катушка, сглаживающая характеристику на высоких частотах (рис. 4.37, а). Модель, использующая теорему Миллера, показана на рис. 4.37, б. Параметры элементов: R_L=500 Ом; R₁=100 Ом; R_L=1,1 кОм; L=5 мГн; g_w=0,2 мС; r_b=100 Ом; С_с=5пФ и С_e=100 пФ. Убедитесь, что емкость С_i=605 пФ. Создайте входной файл для PSpice, чтобы определить частотную характеристику схемы. Найдите среднечастотный коэффициент усиления. Сравните верхнюю частоту, соответствующую 3 дБ, для случаев со сглаживающей катушкой и без нее.

а

б

Рис. 4.37.

4.9. Соединительные проводники в схеме обладают паразитной индуктивностью, которая влияет на частотную характеристику усилителя. На рис. 4.38 показана упрощенная модель усилителя, включающая последовательную индуктивность L=0,5 мГн, учитывающую этот эффект. Проведите анализ на PSpice, чтобы определить частотную характеристику схемы. Задав v=1 мВ, найдите v₀ для частотного диапазона от 100 Гц до 10 МГц. Для сравнения примите, что L пренебрежимо мала, и выполните анализ снова.

Рис. 4.38.

5. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ), или op amp, представляет собой интегральную схему, широко используемую в электронике. Реальная схема усилителя сложна и нет необходимости отражать все ее свойства в нашей модели. Мы начнем с модели идеального ОУ, содержащей лишь наиболее существенные компоненты.

Идеальный операционный усилитель

Идеальный ОУ будет смоделирован для PSpice как усилитель с высоким входным сопротивлением, нулевым выходным сопротивлением и высоким коэффициентом усиления по напряжению. Типичные значения этих параметров показаны на рис. 5.1, где R_i=1 ГОм; А=200000 и v₀=A(v₂–v₁). Обратите внимание, что напряжение v₁ относится к инвертирующему входу, a v₂ — к неинвертирующему. Эта модель будет служить для анализа на постоянном токе и при низкой частоте. При необходимости мы будем изменять модель, учитывая другие свойства ОУ.

Рис. 5.1. Идеальный операционный усилитель

Хотя в применении PSpice для анализа простых схем на ОУ нет необходимости, желательно посмотреть, какую информацию дает программа даже в этих ситуациях. Имеются также некоторые ограничения, которые заслуживают нашего внимания. 

На рис. 5.2, а показана схема включения ОУ с использованием отрицательной обратной связи по напряжению. Резистор обратной связи R₂ включен между выходом и инвертирующим входом, при этом неинвертирующий вход заземлен. На рис. 5.2, б приведен вариант такой схемы для PSpice.

(а)

(b)

Рис. 5.2. Усилитель с отрицательной обратной связью по напряжению на базе идеального ОУ: а) схема усилителя; б) модель усилителя для PSpice

Входной файл для анализа схемы:

Ideal Operational Amplifier

VS 1 0 1V

E 3 0 0 2 200ЕЗ

R1 2 0 1G

R1 1 2 1k

R2 3 2 10k

.OP

.OPT nopage

.TF V(3) VS

.END

Проведите анализ и рассмотрите результаты, полученные в выходном файле. Убедитесь, что V(3)/VS=-9,999. Коэффициент усиления очень близок к -10 и может быть приближенно аппроксимирован выражением v₀/v_s=–R₂/R₁. Используя метод узловых потенциалов, запишите уравнения, необходимые, чтобы получить значение v₀/v_s. Убедитесь, что результаты зависят от значения А и что аппроксимация верна только тогда, когда А приближается к бесконечному значению.

В результате анализа должно получиться значение входного сопротивления R_in=1 кОм. Можете вы это объяснить? Не забудьте, что мы можем считать оба входа ОУ заземленными, и при этом входное сопротивление оказывается равным R₁.

Неинвертирующий идеальный операционный усилитель

На рис. 5.3 показана другая простая схема на ОУ. В ней напряжение v_s подключено к неинвертирующему (+) входу. На рис. 5.4 показана модель и приведены параметры элементов.

Рис. 5.3. Неинвертирующий усилитель на базе идеального ОУ