Читать онлайн «OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей». Страница 57

Рис. 10.2. Выходные характеристики биполярного транзистора

Обратите внимание, что при IВ=25 мкА и VCC (фактически VCE) выражается в долях вольта, а ток коллектора, показанный на графике как I(RC), равен 2,0 мА, что соответствует значению hFE=80. 

Чтобы получить входные характеристики, можно использовать схему, показанную на рис. 10.3. Источник тока IВВ превращается в неидеальный при включении параллельно его выходу резистора Rs. Входной файл:

BJT Input Characteristics

IBB 0 1 100uA

Rs 1 0 1000k

RL 2 3 0.01

Q1 2 1 0 BJT

VCC 3 0 10V

.MODEL BJT NPN(BF=80)

.dc IBB 0 100uA 1uA VCC 0V 10V 2V

.PROBE

.END

Рис. 10.3. Схема для снятия входных характеристик биполярного транзистора

После проведения анализа измените разметку оси X чтобы показать и V(1), и график тока I(IBB). Вы получите график, который показывает только две кривые. Первая, расположенная ближе к началу координат, получена для VCE=0 В, другая — для всех остальных значений VCE (см. рис. 10.4). Если выполнить анализ, исключив нулевое значение VCC, то первая кривая на графике исчезнет. Обратите внимание, что при использовании встроенной модели для Q напряжение VBE будет приблизительно равно 0,8 В для типичных значений базового тока.

Рис. 10.4 Входные характеристики биполярного транзистора

Простая схема каскада с ОЭ показана на рис. 10.5. Входной контур получен путем преобразования более сложной цепи с помощью теоремы Тевенина. Мы проводим анализ при частоте 5 кГц, при которой конденсаторы могут рассматриваться просто как короткое замыкание, поэтому конденсатор связи в схеме отсутствует. Зададим значение hFE=50. Входной файл:

Рис. 10.5. Усилитель ОЭ на биполярном транзисторе 

СЕ Amplifier, BJT Model

VCC 5 0 18V

VBB 3 2 0.8V

RS 1 2 1k

RL 4 5 10k

Q1 4 3 0 BJT

.MODEL BJT NPN(BF=50)

.TF V(4) VS .OP

.OPT nopage

vs 1 0 ac 1mV

.AC lin 1 5kHz 5kHz

.PRINT ас I(RS) I(RL) V(3) V(4)

.END

В команде .АС задана частота 5 кГц. Команда .PRINT ас позволяет нам находить определенные токи и напряжения. Выходной файл PSpice анализа показан на рис. 10.6. Различные формулы могли бы использоваться, чтобы вычислить коэффициент усиления по напряжению V(4)/V(3), например,

если использовать принятое значение hie=1,1 кОм. Затем при использовании отношения для делителя напряжений между RL и hie можно определить коэффициент усиления по напряжению V(4)/VS=-238. В выходном файле, полученном на PSpice согласно малосигнальным характеристикам, показано значение V(4)/VS, равное -233, что достаточно близко к вычисленному значению. Входное сопротивление относительно VS, также выведенное в выходном файле, равно 2,144 кОм. Вычитая из него внутреннее сопротивление источника Rs (1 кОм), получим hie=1,144 кОм, что также близко к принятому значению. Выходное сопротивление составляет 10 кОм. В практических случаях схема замещения выходного сопротивления представляет собой параллельное соединение RL и hoe. Но если мы примем, что hoe>RL, то выходное сопротивление будет близко к RL. Обратите внимание, что при включении во входную цепь конденсатора этот метод нахождения малосигнальных характеристик не даст полезных результатов.

СЕ Amplifier, BJT Model

VCC 5 0 18V

VBB 3 2 0.8V

RS 1 2 1K

RL 4 5 10k

Q1 4 3 0 BJT

.MODEL BJT NPN(F=50)

.TF V(4) VS

.OP

.OPT nopage

vs 1 0 ac 1mV

.AC lin 1 5kHz 5kHz

.PRINT ac I(RS) I(RL) V(3) V(4)

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   BJT

   NPN

IS 100.000000E-18

BF 50

NF 1

BR 1

NR 1

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) -.0226  ( 3) .7774   ( 4) 6.6929

( 5) 18.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

VCC -1.131E-03

VBB -2.261E-05

VS  -2.261E-05

TOTAL POWER DISSIPATION 2.04E-02 WATTS

**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME   Q1

MODEL  BJT

IB     2.26E-05

IС     1.13E-03

VBE    7.77E-01

VBC   -5.92E+00

VCE    6.69E+00

BETADC 5.00E+01

BETAAC 5.00E+01

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(4)/VS = -2.332E+02

INPUT RESISTANCE AT VS = 2.144Е+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(4) = 1.000E+04

**** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQ      I(RS)     I(RL)     V(3)      V(4)

5.000E+03 4.665E-07 2.332E-05 5.335E-04 2.332E-01

Рис. 10.6. Выходной файл с результатами анализа схемы на рис. 10.5

Последние строки выходного файла содержат результаты анализа на переменном токе. Частота составляет 5 кГц, ток базы равен 0,46665 мкА, а ток коллектора составляет 23,32 мкА. Чтобы проверить эти значения с помощью стандартного схемотехнического анализа мы должны найти переменную составляющую тока базы. Она равна

Переменная составляющая тока коллектора

Ic = hfeIb = 50 (0,476 мкА) = 23,37 мкА.

Эти значения близки к результатам, полученным в PSpice.

Возвратимся к анализу на постоянном токе и вычислим постоянную составляющую тока базы:

Это предварительное значение, так как VBE получено из результатов PSpice. Теперь становится очевидно, что эта схема применима скорее для иллюстрации, чем для практических целей, так как даже незначительные изменения VBB или VBE вызовут большие изменения в IВ. Вычислим теперь постоянную составляющую тока коллектора, найденную как hfeIb, что даст нам значение 1,13 мА и напряжение коллектора

VC = VCC – RLIC = 18 В – (10 кОм) (1,13 мА) = 6,7 В.

Общая рассеиваемая мощность, показанная в PSpice как произведение тока на напряжение источника питания, равна 20,4 мВт. 

На рис. 10.6 приведена распечатка выходного файла нашего анализа на PSpice. Для выбранного нами транзистора с именем Q1 и модели с именем BJT в выходном файле приведен список из 16 параметров (на рис. 10.6 показана лишь часть из них). Эти значения справедливы для конкретных условий смещения схемы. Они изменятся при изменении токов и напряжений покоя. Например, если транзистор войдет в режим насыщения, значение BETADC будет намного ниже. После изучения результатов обратимся к практической схеме и проведем расширенный анализ.

Схема с более устойчивой точкой покоя, чем в предыдущем случае, показана на рис. 10.7. Она называется схемой с эмиттерным или автоматическим смещением. Входной файл:

Biasing Case Study

VCC 2 0 12V

R1 2 1 40k

R2 1 0 3.3k

RC 2 3 4.7k

RE 4 0 220

Q1 3 1 4 Q2N2222

.LIB EVAL.LIB; команда вызывает библиотечный файл EVAL.LIB

.DC VCC 12V 12V 12V

.PRINT DC I(RC) I(R1) I(R2) I(RE)

.OP

.OPT nopage

.END

Рис. 10.7. Схема с цепями смещения

В этом входном файле отсутствует команда .MODEL. Вместо этого транзистор определяется как Q2N2222 (npn). Это — обозначение для одного из транзисторов, который смоделирован в рабочей версии PSpice.

Другими библиотечными типами транзисторов BJT, приведенными в приложении Е, являются Q2N2907A (pnp), Q2N3904 (npn), Q2N3906 (pnp). Чтобы использовать ресурсы библиотеки, входной файл должен включать строку, начинающуюся с .LIB. Промышленная версия PSpice содержит намного больше транзисторов, чем перечислено здесь. Библиотека находится в файле, названном eval.lib. Найдите листинг .model Q2N2222 в приложении Е, который начинается со строк

.model QN2222 NPN(Is=14.34f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=255.9....)

В этой команде задаются различные параметры модели. Так, величина Is представляет собой ток насыщения pn-перехода и т.д. Полная распечатка параметров BJT дана в приложении D (раздел «Q — биполярный транзистор»). Проведите моделирование и проверьте напряжения и токи в рабочей точке. Убедитесь, что VCE=6,5185 В и что ток коллектора IС=1,114 мА. Обратите внимание на то, что, хотя Q1 имеет максимальный прямой коэффициент передачи hFE=255,9, в информации о рабочей точке задано значение BETADC, равное 160 при токе базы IВ=6,96 мА. Выходной файл приведен на рис. 10.8 (показаны не все параметры модели).