OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Усилители, особенно состоящие из нескольких каскадов, могут быть устойчивы или входить в режим автоколебаний. Частота таких колебаний зависит от комбинации используемых компонентов, включая все паразитные индуктивности и емкости. Возможность возникновения колебаний появляется, когда часть выходного сигнала подается обратно на вход.

Цепи обратной связи

На рис. 8.1 показана блок-схема обычного контура обратной связи. Он включает суммирующее звено, в котором входной сигнал v_i складывается с сигналом обратной связи v_f. На самом деле это особый суммирующий узел, он инвертирует фазу сигнала обратной связи, что отражается знаком минус на рисунке. Разность напряжений составляет

v_d = v_i – v_f.

Рис. 8.1. Структурная схема усилителя с обратной связью

Напряжение v_d подается на усилитель с коэффициентом усиления по напряжению А, который создает выходное напряжение

v₀ = Av_d = A(v_i – v_f).

Выходное напряжение возвращается на суммирующее звено через цепь обратной связи, обозначенную как β. Одновременно этим символом обозначается и коэффициент передачи цепи обратной связи β=v_f/v_o, который определяет, какая часть выходного напряжения возвращается на суммирующее звено.

Предполагается, что более подробно вы можете изучить теорию, относящуюся к этому разделу, по другому учебнику. При этом учтите, что некоторые авторы могут обозначать величины, встречающиеся при изложении, другими символами.

В нашем описании коэффициент усиления в петле обратной связи задается как Аβ, то есть как произведение коэффициента усиления и коэффициента передачи в цепи обратной связи. Если принять во внимание инверсию фаз, то коэффициент усиления цепи обратной связи будет равен -Аβ. Нетрудно показать, что коэффициент усиления при замкнутой цепи обратной связи A_f равен

Этот коэффициент характеризует усиление при замкнутой цепи обратной связи, которое является коэффициентом усиления схемы, содержащей цепь обратной связи.

Если пришедший обратно сигнал с учетом инверсии не отличается от входного сигнала, мы можем снять входной сигнал, а сигнал на выходе усилителя будет таким же, как прежде. Это является условием возникновения колебаний, которое названо критерием Баркгаузена. На практике |Аβ| должен быть немного больше единицы. Амплитуда колебаний не будет непрерывно возрастать, как это было бы в идеальной модели, поскольку в практических случаях ее ограничивает нелинейность реальных схемных элементов.

На рис. 8.1 все напряжения могут быть заменены токами, приводя к ситуации, дуальной по отношению к предыдущей. Это означает, что входным сигналом является ток i_i, разностью — ток i_d, выходным сигналом — ток i_o=A_id, а сигнал обратной связи становится равным v_f=βi₀, обеспечивая равенство

i_d =i _i – i_f.

Коэффициент усиления в петле обратной связи по-прежнему равен Аβ или, с учетом инверсии фазы, –Аβ. Коэффициент усиления при замкнутой цепи обратной связи, как и раньше, равен

Генератор на базе моста Вина с начальным запуском

В качестве первого примера исследования генераторов рассмотрим генератор на базе моста Вина (рис. 8.2). Частота колебаний в схеме вычисляется из выражения:

где R=R₁=R₂ и С=С₁=С₂. Примем ее равной f₀=25 кГц. Если выбрать значение С равным 1 нФ, то R=6366 Ом. Для возникновения непрерывных колебаний отношение R_f|R_g должно быть равно 2. Если выбрать R_f=20 кОм, то R_g=10 кОм. Попробуем использовать PSpice, чтобы показать, что колебания произойдут при необходимой частоте. Входной файл для такого анализа:

Wien-Bridge Oscillator

Е 2 0 4 1 2Е5

Ri 4 1 1Е6

Rg 1 0 10k

R1 3 4 6366

R2 4 0 6366

Rf 2 1 20k

C1 2 3 1nF IC=2V; начальный заряд для обеспечения колебаний

С2 4 0 1nF

.PROBE

.TRAN 0.05us 50us UIC

.END

Рис. 8.2. Схема генератора на базе моста Вина

Конденсатору C₁ сообщен начальный заряд (с помощью определенного начального напряжения), чтобы создать условия, требуемые для инициирования колебаний. Если не сделать этого, анализ на PSpice покажет выходное напряжение с устойчивым нулевым значением.

Результаты, полученные в Probe, показаны на рис. 8.3. График показывает выходное напряжение v(2). Обратите внимание, что оно представляет собой гармоническое колебание с частотой f=25 кГц и амплитудой в 6 В.

Рис. 8.3. Выходное напряжение генератора на базе моста Вина

Можно ли ожидать, что и реальный генератор даст амплитуду выходного напряжения в 6 В? Попытайтесь ответить на этот вопрос, выполнив анализ снова при начальном напряжении на конденсаторе IС=1V. Позже в этой главе мы рассмотрим также влияние на работу генератора коэффициента усиления петли обратной связи и фазового сдвига.