Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей Страница 54

Q1 3 2 0 BJT

Рис. 9.19. Схема для снятия выходных характеристик усилителя ОЭ на биполярном транзисторе

Узлы приводятся в последовательности коллектор, база, эмиттер. Команда ввода модели:

.MODEL BJT NPN

где запись BJT выбрана в соответствии с нашим обозначением Q1, a NPN — тип модели для npn-транзистора. Получится следующий входной файл:

BJT PSpice Model Characteristics

VBB 1 0 1V

RS 1 2 10k

RL 3 4 0.01

Q1 3 2 0 BJT; 3=collector, 2=base, 1=emitter

VCE 4 0 5V

.MODEL BJT NPN

.DC VCE 0 15V 0.1V

.PROBE

.END 

Проведите анализ и получите график -I(RL). Знак минус правилен относительно команды ввода RL, показанной в файле. Используйте режим курсора, чтобы найти ICmax. Вы должны получить ICmax=2,07 мА. Характеристика показана на рис. 9.20. Удалите эту кривую и получите график I(RS), чтобы посмотреть входной ток IB. Проверьте, что его максимальное значение IВ=20,7 мкА. Из двух полученных значений можно вычислить hFE=100, что соответствует параметру BF, приведенному в модели. При необходимости вы можете задавать другие значения для BF в некоторых моделях транзистора (см. список всех параметров транзистора в разделе «Q — биполярный транзистор» приложения D).

Рис. 9.20. Выходная характеристика для схемы на рис. 9.19

Входные характеристики схемы с общим эмиттером 

Входные характеристики могут быть получены из входного файла, который ссылается на встроенную модель следующим образом:

BJT Input Characteristics

IBB 0 1 100uA

Rs 1 0 1000k

RL 2 3 1k

Q1 2 1 0 BJT

VCC 3 0 12V

.MODEL BJT NPN

.DC IBB 0 100uA 1uA

.PROBE

.END

Из рис. 9.21 видно, что для этой модели npn-транзистора значение VBE в активной области составляет около 0,8 В. Поскольку оно приблизительно на 0,1 В выше, чем то же значение в применявшейся нами ранее собственной модели для BJT, стандартная модель даст результаты, которые несколько отличаются от полученных ранее.

Рис. 9.21. Входная характеристика для схемы на рис. 9.19

Другие активные полупроводниковые приборы

Приложения А, В и D содержат распечатки моделей для других активных устройств, включая «В— GaAsFET» и «М — MOSFET». С точки зрения обучения вам полезнее использовать собственные модели для транзисторов и других устройств. Это позволит вам решать, какая из моделей более всего соответствует ситуации. Применение встроенных моделей в более сложных случаях позволит вам устанавливать параметры, которые в простых моделях не могут учитываться.

Дифференциальные усилители

Дифференциальный усилитель используется в качестве первого каскада ОУ. В простейшем случае он напоминает схему на рис. 9.22. Для анализа мы используем встроенную модель для npn-транзистора, применив согласованную пару для Q1 и Q2, выбрав Rs1=Rs2=1 кОм и Rc1=Rc2=2 кОм.

Рис. 9.22. Дифференциальный усилитель (режим с дифференциальными входами)

Коэффициент усиления при дифференциальном входе

Коэффициент усиления при работе в режиме дифференциального входа найдем, установив Vs1=–Vs2=Vs/2. Коэффициент усиления аппроксимируется выражением:

Для анализа выберем Vs=1 мВ, задав Vs1=0,5 мВ и f=1 кГц. Воспользовавшись встроенной моделью, вычислите ожидаемое значение Ad. Чтобы предсказать результаты, примите hfe=100 и hie=2 кОм. Анализ должен дать значение Ad=33,3. Чтобы получить в выходном файле переменные составляющие, используйте команду .PRINT, как показано во входном файле:

Model for Differential Amplifier VS1 1 0 AC 0.5raV; Vs1 = -Vs2 = Vs/2

VS2 0 8 AC 0.5mV; This gives difference-mode operation

RSI 2 1 1k

RS2 7 8 1k

RE 3 9 5k

RC1 4 5 2k

RC2 5 6 2k

VCC 5 0 12V

VEE 0 9 6V

Q1 4 2 3 BJT

Q2 6 7 3 BJT

.AC LIN 1 1000Hz 1000Hz

.MODEL BJT NPN

.OPT nopage

.PRINT ACV(1) V(2) V(3) V(4) V(5) V(6) V(7) V(8)

.TF V(4) VS1

.END

Проведите анализ и получите распечатку выходного файла. Если вы удалите ненужную информацию, вы уменьшите этот файл до одной страницы объемом менее 60 строк. Проверьте, что Ad=V0|Vs1=V(4)/V(1)=33,4. Обратите внимание на порядок следования узлов при описании входных напряжений Vs1 и Vs2 во входном файле. Кроме того, обратите внимание на то, что в выходном файле под заголовком «SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS» приведено отношение для соответствующих напряжений смещения. Нас же в большей степени интересует отношение переменных составляющих, приведенных в нижней части выходного файла на рис. 9.23.

Model for Differential Amplifier

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS1 1 0 AC 0.5mV ; Vs1 = -Vs2 = Vs/2

VS2 0 8 AC 0.5mV ; This gives difference-mode operation

RS1 2 1 1k

RS2 7 8 1k

RE 3 9 5k

RC1 4 5 2k

RC2 5 6 2k

VCC 5 0 12V

VEE 0 9 6V

Q1 4 2 3 BJT

Q2 6 7 3 BJT

.AC LIN 1 1000Hz 100GHz

.MODEL BJT NPN

.OPT nopage

.PRINT AC V(1) V(2) V(3) V(4) V(5) V(6) V(7) V(8)

.TF V(4) VS1

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   BJT

   NPN

IS 100.000000E-18

BF 100

NF 1

BR 1

NR 1

CN 2.42

D  .87

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) -.0052  ( 3) -.7624  ( 4) 10.9630

( 5) 12.0000 ( 6) 10.9630 ( 7) -.0052  ( 8) 0.0000

( 9) -6.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS1 -5.186E-06

VS2  5.186E-06

VCC -1.037E-03

VEE -1.048E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.87E-02 WATTS

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/VS1 = -1.680E+01

INPUT RESISTANCE AT VS1 = 1.191E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 2.000E+03

FREQ      V(1)      V(2)      V(3)      V(4)      V(5)

1.000E+03 5.000E-04 4.165E-04 6.371E-20 1.670E-02 1.000E-30

FREQ      V(6)      V(1)      V(8)

1.000E+03 1.670E-02 4.165E-04 5.000E-04

Рис. 9.23. Выходной файл для режима с дифференциальными входами

Коэффициент усиления при общем входе

При работе в режиме с общим входом (ОВ) необходимо установить Vs1=Vs2= Vs. Коэффициент усиления в этом режиме можно аппроксимировать выражением:

Воспользовавшись известными значениями параметров транзистора, предскажите, каков будет этот коэффициент усиления. Измените входной файл так, чтобы входные напряжения выражались как

VS1 1 0 AC 1mV; Vs1 = Vs2

VS2 8 0 AC 1mV; Это режим работы с общим входом

После этих изменений снова выполните анализ и получите такую же распечатку выходного файла, как и прежде. Убедитесь, что Ас=V(4)/V(1)=0,197. Этот выходной файл показан на рис. 9.24.

Model for Differential Amplifier — Common Mode

**** CIRCUIT DESCRIPTION

VS1 1 0 AC 1mV ; Vs1 = Vs2

VS2 8 0 AC 1mV ; This gives common-mode operation

RS1 2 1 1k

RS2 7 8 1k

RE 3 9 5k

RC1 4 5 2k

RC2 5 6 2k

VCC 5 0 12V

VEE 0 9 6V

Q1 4 2 3 BJT

Q2 6 7 3 BJT

.AC LIN 1 1000Hz 1000Hz

.MODEL BJT NPN

.OPT nopage

.PRINT AC V(1) V(2) V(3) V(4) V(5) V(6) V(7) V(8)

.TF V(4) VS1

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   BJT

   NPN

IS 100.000000E-18

BF 100

NF 1

BR 1

NR 1

CN 2.42

D  .87

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) -.0052  ( 3) -.7624  ( 4) 10.9630

( 5) 12.0000 ( 6) 10.9630 ( 1) -.0052  ( 8) 0.0000

( 9) -6.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VS1 -5.186E-06

VS2 -5.186Е-06

VCC -1.037E-03

VEE -1.048E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.87E-02 WATTS

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/VS1 = -1.680E+01

INPUT RESISTANCE AT VS1 = 1.191E+04

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 2.000E+03

Рис. 9.24. Выходной файл для режима с общим входом

Передаточная характеристика дифференциального усилителя

Важным аспектом при работе с дифференциальным усилителем является исследование его передаточной характеристики. Использование встроенной модели для транзистора облегчает эту задачу. Поскольку нас интересует режим малых сигналов при дифференциальном входном напряжении, используем вариацию параметров (dc sweep) для входных напряжений в диапазоне от -0,5 В до 0,5 В. Зафиксируем Vs2 на уровне 1 мВ; а варьировать будем параметр Vs1. При этом входной файл примет вид: