Читать онлайн «Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE». Страница 30

Рис. 9.7. Транзисторный усилитель в схеме с общим эмиттером

Рис. 9.8. Выходное напряжение транзисторного усилителя

После пяти периодов процесс установления импульса завершается. Однако даже невооруженным глазом видно, что верхняя полуволна шире, чем нижняя. Выходное напряжение искажено: усилитель «дребезжит».

Шаг 7 Ограничьте область используемых данных до стационарного состояния, то есть до временного интервала от 5 до 15 мс (последовательность команд Plot→X Axis Settings→Restricted→5ms–15ms) и создайте диаграмму частотного спектра, изображенную на рис. 9.9.

Рис. 9.9. Частотный спектр выходного напряжения схемы с общим эмиттером

На диаграмме вы видите, что только первая верхняя гармоника приводит к искажению выходного напряжения. С помощью курсора PROBE вы можете измерить амплитуду основной гармоники и первой верхней гармоники и вычислить таким образом их действующие значения. Все это можно сделать гораздо проще, если перед моделированием в ходе предварительной установки анализа переходных процессов потребовать, чтобы программа PSPICE дополнительно провела анализ Фурье. И тогда вы без всякого труда сможете получить необходимые значения амплитуды из выходного файла:

DC COMPONENT = -2.698580Е-05

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE      NORMALIZED

NO       (HZ)      COMPONENT COMPONENT  (DEG)      PHASE (DEG)

1        1.000Е+03 1.048E+00 1.000E+00 -1.646E+02  0.000E+00

2        2.000E+03 7.991E-02 7.621E-02  1.179E+02  2.825E+02

3        3.000E+03 3.187E-03 3.040E-03  5.325E+01  1.179E+02

4        4.000E+03 8.811E-05 8.404E-05  4.517E+01  2.098E+02

5        5.000E+03 5.822E-06 5.552E-06  4.206E+01  2.067E+02

6        6.000Е+03 1.132Е-06 1.080Е-06 -1.719Е+02 -7.339Е+00

7        7.000Е+03 7.756Е-07 7.398Е-07  3.489Е+01  1.995Е+02

8        8.000Е+03 4.743Е-07 4.524Е-07 -7.568Е+01  8.893Е+01

9        9.000Е+03 2.368Е-06 2.259Е-06 -1.450Е+02  1.959Е+01

10       1.000Е+04 1.725Е-06 1.645Е-06  1.691Е+02  3.337Е+02

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 7.627497Е+00 PERCENT

В выходном файле вы найдете уже рассчитанное значение общего гармонического искажения (Total Harmonic Distortion). Общее гармоническое искажение — мало употребительная в Европе величина для измерения искажения. Она определяется как отношение действующего значения всех высших гармоник к действующему значению основной гармоники. Пока гармоническое искажение, как во всех хоть сколько-нибудь пригодных усилительных схемах, меньше 10%, коэффициент гармоник и «общее гармоническое искажение» численно почти равны.

Итак, схема с общим эмиттером, изображенная на рис. 9.7, имеет коэффициент гармоник приблизительно 7.6%. Такое сильное искажение звука не пожелаешь даже уху своего злейшего врага. Средство борьбы против искажений, которое электронщики применяют в подобных случаях, называется отрицательная обратная связь (ООС). Если в схеме с общим эмиттером для отрицательной обратной связи (по переменному току) установить эмиттерный резистор (рис. 9.10), то искажения значительно уменьшатся (рис. 9.11, 9.12), хотя при этом уменьшится и коэффициент усиления.

Рис. 9.10. Схема с общим эмиттером, в которой для уменьшения искажений установлена отрицательная обратная связь

Рис. 9.11. Выходное напряжение схемы с общим эмиттером с отрицательной обратной связью

Рис. 9.12. Частотный спектр схемы с общим эмиттером с отрицательной обратной связью

Благодаря установлению отрицательной обратной связи коэффициент искажения уменьшается до 1%, что подтверждается данными выходного файла:

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V($N_0004)

DC COMPONENT = -3.520974E-05

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE      NORMALIZED

NO       (HZ)      COMPONENT COMPONENT  (DEG)      PHASE (DEG)

1        1.000E+03 1.482E-00 1.000E+00 -1.702E+02  0.000E+00

2        2.000E+03 1.534E-03 1.035E-02  1.032E+02  2.735E+02

3        3.000E+03 3.412E-05 2.302E-04 -1.634E+02  6.824E+00

4        4.000E+03 1.288E-06 8.691E-06 -1.536E+02  1.665E+01

5        5.000E+03 1.371E-06 9.254E-06  1.649E+02  3.352E+02

6        6.000E+03 8.473E-07 5.718E-06 -1.710E+02 -7.219E-01

7        7.000E+03 5.626E-07 3.797E-06  1.748E+02  3.450E+02

8        8.000E+03 5.465E-07 3.688E-06 -1.613E+02  8.972E+00

9        9.000E+03 8.091E-07 5.460E-06 -1.717E+02 -1.479E+00

10       1.000E+04 5.062E-07 3.416E-06 -1.701E+02  1.594E-01

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 1.035459E+00 PERCENT

Статистические процессы в полупроводниках и резисторах приводят к возникновению мельчайших напряжений, которые принято называть шумами. Когда шумовые напряжения появляются в усилительных схемах, то, естественно, они тоже усиливаются и могут стать настолько значительными, что, попадая, к примеру, в динамики музыкальной установки, «режут» нам слух. Поэтому одним из наиболее важных критериев качества усилителя является величина отношения полезного сигнала к шумовому сигналу на выходе усилителя. Такое отношение (рассчитываемое логарифмически) обозначают как отношение сигнал/шум. В программе PSPICE анализ шумов называется Noise Analysis и является составной частью анализа AC Sweep.

Чтобы понять, как проводится анализ шумов, исследуем шумовую характеристику транзисторного усилителя в схеме с общим эмиттером.

Шаг 8 Начертите схему с общим эмиттером, изображенную на рис. 9.13, и сохраните ее в папке Projects под именем NOISE1.sch.

Рис. 9.13. Схема с общим эмиттером, где рабочая точка стабилизируется путем установления отрицательной обратной связи по току

Смоделируем поведение этой схемы в диапазоне частот от 10 Гц до 1000 МГц.

Шаг 9 Откройте окно AC Sweep and Noise Analysis (рис. 9.14 и 9.15) и выполните необходимые установки в требуемом частотном диапазоне. Не забудьте установить флажок рядом с кнопкой AC Sweep… в окне Analysis Setup.

Рис. 9.14. Окно AC Sweep and Noise Analysis с установками для проведения анализа AC Sweep

Рис. 9.15. Окно AC Sweep and Noise Analysis с установками для проведения анализа шумов

В нижней части окна AC Sweep and Noise Analysis расположен раздел Noise Analysis. В поле Output Voltage (Выходное напряжение) вы должны указать, в каком месте вашей схемы следует произвести расчет шумов. Допустим, вас интересует шумовая характеристика нагрузочного резистора R4, то есть напряжение V(R4:2). В поле ввода I/V нужно указать источник, для которого PSPICE вычислит эквивалентный входной шум. Это будет то напряжение шумов, какое должен генерировать данный источник, чтобы создавать в идеальной, свободной от шумов схеме такое же шумовое напряжение на выходе, как и в анализируемой схеме. В поле I/V надо обязательно ввести имя источника, иначе на экране появится сообщение об ошибке. В поле ввода Interval вы можете указать, с какими интервалами следует записывать в выходной файл подробные сведения о выходном шуме. Если вы введете в это поле, например, число 100, то в выходной файл будет записываться каждый сотый результат анализа. Это значит, что при расчете 100 контрольных точек на декаду в выходном файле окажется как раз один результат на декаду.

Шаг 10 Завершите установку параметров анализа шумов в окне AC Sweep and Noise Analysis по образцу на рис. 9.15, затем закройте это окно с помощью кнопки OK, запустите процесс моделирования и по его окончании выведите на экран PROBE диаграмму частотной характеристики выходного напряжения V(R4:2) — см. рис. 9.16.

Рис. 9.16. Частотная характеристика схемы с общим эмиттером

Диаграмма, изображенная на рис. 9.16, еще ничего не говорит о шумовой характеристике схемы. Вам еще только предстоит вызвать соответствующую диаграмму из окна Add Traces. С большой долей уверенности можно предположить, что шум будет значительно меньше, чем полезный сигнал. Поэтому вряд ли удастся хорошо рассмотреть их соотношение, представив обе диаграммы на одной оси координат Y, то есть на оси с общим масштабированием.

Создайте на своей диаграмме вторую ось координат Y (команда Plot Add Y Axis), а затем откройте окно Add Traces (рис. 9.17).

Рис. 9.17. Содержание окна Add Traces после проведения анализа AC Sweep, включающего анализ шумов

Теперь в списке диаграмм появился целый ряд новых обозначений, которых раньше, при проведении обычных анализов AC Sweep, вы не встречали. Все эти новые обозначения начинаются с буквы N (то есть Noise, шум). За ними скрываются диаграммы, по которым вы можете выяснить, какой вклад вносят в полный шум отдельные резисторы и параметры транзистора. Под именем V(ONOISE) находится самый важный результат анализа шумов — спектральное распределение шумового напряжения в том месте, которое при предварительной установке было определено вами как выход.