• Неинвертирующие усилители на идеальных операционных усилителях
  • Операционные усилители с дифференциальным входом
  • Амплитудно-частотная характеристика операционных усилителей
  • Активные фильтры
  • Активный полосовой резонансный фильтр
  • Компонент uA741
  • Частотная характеристика uA741
  • Обозначение узлов подсхемы
  • Использование uA741 в качестве детектора уровня
  • Фазосдвигающее устройство на операционном усилителе
  • Фазосдвигающее устройство с использованием идеального операционного усилителя
  • 16. Операционные усилители в Capture

    Идеальный операционный усилитель был представлен в главе 5 (рис. 5.1). Использование этой модели в Capture почти тривиально, но мы повторим задачу, показанную на рис. 5.4, для введения в более сложные модели.

    Неинвертирующие усилители на идеальных операционных усилителях

    Используйте Capture, чтобы создать новый проект с именем idealop. Схема должна быть такой же, как на рис. 5.4 (неинвертирующий усилитель на идеальном ОУ). Источник напряжения, управляемый напряжение Е имеет в PSpice четыре полюса и подключен, как показано на рис. 16.1. Задайте Vs=1 В, Ri=1 ГОм, R1=1 кОм, R2=1 кОм и коэффициент усиления E1 в 200 000 как в примере в главе 5. Для простоты выберите источник напряжения типа VDC.

    Рис. 16.1. Идеальный ОУ в Capture


    Подготовьте моделирование на PSpice, выбрав анализ параметров смещения в новой конфигурации моделирования с именем idealops. Проверьте поле (.ОР) с детальной информацией о параметрах смещения и поле (.TF) для получения коэффициента передачи в режиме малого сигнала от входного источника V_s на выход (переменная V(3)). Проведите моделирование, проверьте ошибки в выходном файле, затем распечатайте часть выходного файла, показанную на рис. 16.2. Результаты должны быть идентичны полученным в главе 5: V(1)=1,0000 В, V(2)=1,0000 В, V(3)=9,9995 В, через Vs протекает пренебрежимо малый ток в -5,000Е-14 А. Вспомним, что отрицательное значение тока означает, что положительный ток проходит в направлении от положительного полюса источника. Отношение V(3)/V_Vs=1,000Е+01 означает, что напряжение на узле 3 равно 10 В, однако здесь отношение округлено, более точным является приведенное ранее значение.

    **** 10/05/99 15:57:25 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

    ** circuit file for profile: idealops

    *Libraries:

    * Local Libraries :

    * From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

    .lib nom.lib

    *Analysis directives:

    .OP

    .TF V([3]) V_Vs

    .PROBE

    *Netlist File:

    .INC "idealop-SCHEMATIC1.net"

    *Alias File:

    **** INCLUDING idealop-SCHEMATIC1.net ****

    * source IDEALOP

    E_E1 3 0 1 2 200E3

    R_R2 3 2 9k

    R_R1 2 0 1k

    R_Ri 1 2 1G

    V_Vs 1 0 1V

    **** RESUMING idealop-SCHEMATIC1-idealops.sim.cir ****

    .INC "idealop-SCHEMATIC1.als"

    **** INCLUDING idealop-SCHEMATIC1.als

    **** .ALIASES

    E_E1 E1(3=3 4=0 1=1 2=2 )

    R=R2 R2(1=3 2=2 )

    R_R1 R1(1=2 2=0 )

    R_Ri Ri(1=1 2=2 )

    V_Vs Vs(+-1 -=0 )

    _    _(1=1)

    _    _(2=2)

    _    _(3=3)

    _    _(4=4)

    .ENDALIASES

    **** RESUMING idealop-SCHEMATIC1-idealops.sim.cir ****

    .END

    **** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

    ( 1) 1.0000  ( 2) 1.0000  ( 3) 9.9995

    VOLTAGE SOURCE CURRENTS

    NAME  CURRENT

    V_Vs -5.000E-14

    TOTAL POWER DISSIPATION 5.00E-14 WATTS

    **** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

    NAME      E_E1

    V-SOURCE  1.000E+01

    I-SOURCE -1.000Е-03

    **** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

    V(3)/V_Vs = 1.000E+01

    INPUT RESISTANCE AT V_Vs = 2.000E+13

    OUTPUT RESISTANCE AT V(3) = 0.000E+00

    Рис. 16.2. Выходной файл для идеального ОУ


    Необходимо дополнить рис. 16.1, отметив на нем направления токов и согласовав знаки так, чтобы выполнялся закон Кирхгофа. Например, поскольку V2,0=1 В, ток через R1 должен быть равен 1 мА и направлен по стрелке на рис. 16.1. Поскольку V3,2=V(3)–V(2)=9,9995 В–1,0000 В=8,9995 В, ток через R2=1 мА (округленное значение) и проходит в указанном на рис. 16.1 направлении. Отметим также, что V1,2=0 В (округленное значение), поскольку R1=1 ГОм. Как и ожидалось, входное сопротивление очень велико, а выходное сопротивление почти равно нулю.

    Операционные усилители с дифференциальным входом

    Используем модель, приведенную на рис. 5.6, для другого примера, в котором исследуется идеальный ОУ. Назовем этот проект idealdif и используем следующие элементы: Va=3 В, Vb=10 В, R1=5 кОм, Ri=1 ГОм, R2=10 кОм, R3=5 кОм, R4=10 кОм, коэффициент усиления Е1 равен 200 000. Схема с пронумерованными узлами показана на рис. 16.3. Для моделирования используйте имя Idealdf и выполните анализ параметров смещения. Включите команды .ОР и .TF с входным источником Vs и выходной переменной V(3).

    Рис. 16.3. Модель усилителя с дифференциальным входом


    Вспомним, что в этом примере выходное напряжение предполагается равным 2(Vb-Va). Результаты анализа, показанные на рис. 16.4, подтверждают это. Используя значения напряжений, полученные на различных узлах, вычислите ток в каждом резисторе. В качестве упражнения покажите на вашем рисунке напряжение на каждом узле и величины и направления всех токов. 

    **** 09/03/99 09:37:26 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

    ** circuit file for profile: Idealdf

    *Libraries:

    * Local Libraries :

    * From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

    .lib nom.lib

    *Analysis directives:

    .OP

    .PROBE

    *Netlist File:

    .INC "idealdif-SCHEMATIС1.net"

    *Alias File:

    **** INCLUDING idealdif-SCHEMATIC1.net ****

    * source IDEALDIF

    V_Va 1 0 3V

    R_R1 1 2 5k R_Ri 2 3 1G

    R_R3 4 3 5k

    V_Vb 4 0 10V

    R_R2 2 5 10k

    E_E1 5 0 2 3 200E3

    R_R4 3 0 10k

    **** RESUMING idealdif-schematic1-idealdif.sim.cir

    .INC "idealdif-SCHEMATIC1.als"

    **** INCLUDING idealdif-SCHEMATIC1.als

    **** ALIASES

    V_Va Va(+=1 -=0 )

    R_R1 R1(1=1 2=2 )

    R_Ri Ri(1=2 2=3 )

    R_R3 R3(1=4 2=3 )

    V_Vb Vb(+=4 -=0 )

    R_R2 R2(1=2 2=5 )

    E_E1 E1(3=5 4=0 1=2 2=3 )

    R_R4 R4(1=3 2=0 )

    _    _(3=3)

    _    _(5=5)

    _    _(2=2)

    _    _(4=4)

    .ENDALIASES

    **** RESUMING idealdif-schematic1-idealdf.sim.cir ****

    .end

    ** circuit file for profile: Idealdf

    **** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

    ( 1) 3.0000  ( 2) 6.6667  ( 3) 6.6667 ( 4) 10.0000

    ( 5) 14.0000

    VOLTAGE SOURCE CURRENTS

    NAME  CURRENT

    V_Va  7.333E-04

    V_Vb -6.667E-04

    TOTAL POWER DISSIPATION 4.47E-03 WATTS

    **** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

    NAME      E_E1

    V-SOURCE  1.400E+01

    I-SOURCE -7.333Е-04

    Рис. 16.4. Выходной файл усилителя с дифференциальным входом

    Амплитудно-частотная характеристика операционных усилителей

    Модель ОУ на рис. 5.8 достаточно проста, чтобы использовать ее в Capture, но она хороша при изучении ОУ, поскольку при схемотехническом анализе позволяет лучше понять процессы в ОУ. Используем схему на рис. 5.9 в качестве первого примера.

    Создайте схему с именем opampsc, используя компоненты и значения, приведенные на рис. 5.9: источник типа VAC для Vs=1 мВ, EG с коэффициентом усиления 1Е5, Е с коэффициентом усиления 1, С=15,92 мкФ, R1=10 кОм, Rin=1 МОм, Ri1=1 кОм, R2=240 кОм и R0=50 Ом.

    Создайте и сохраните схему, показанную на рис. 16.5, затем используйте PSpice с новой конфигурацией и именем Opamp. Проведите анализ с вариацией частоты от 100 Гц до 1 МГц, используя шаг в 40 точек на декаду. Выполните моделирование и получите график

    20·lg(V(5)/V(2)).

    Рис. 16.5. Модель ОУ для частоты fc=10 Гц


    Полученный результат (рис. 16.6) тождественен графику, показанному на рис. 5.12. Выходной файл, идентифицирующий компоненты и узлы, показан на рис. 16.7. Если вы хотите проверить другие аспекты анализа из главы 5, вы можете, например, удалить резистор обратной связи R2, заменив его резистором RL=22 кОм и действовать далее по методике, описанной в главе 5.

    Рис. 16.6. Частотная характеристика для ОУ с fc = 10 Гц


    **** 11/26/99 21:51:37 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

    ** circuit file for profile: Opamp

    *Libraries:

    * Local Libraries :

    * From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

    .lib "nom.lib"

    *Analysis directives:

    .AC DEC 40 100Hz 1MegHz

    .PROBE

    *Netlist File:

    .INC "opampsc-SCHEMATIC1.net" *Alias File:

    **** INCLUDING opampsc-SCHEMATIC1.net ****

    * source OPAMPSC

    R_R2  1 5 240k

    R_Ri1 3 4 1k

    R_R1  0 1 10k

    C_C   4 0 15.92uF

    E_E   6 0 4 0 1

    E_EG  3 0 1 2 1E5

    V_Vs  2 0 DC OV AC 1mV

    R_Rin 1 2 1Meg

    R_R0  6 5 50

    **** RESUMING opampsc-schematic1-opamp.sim.cir ****

    .INC "opampsc-SCHEMATIC1.als"

    **** INCLUDING opampsc-SCHEMATIC1.als

    **** .ALIASES

    R_R2  R2(1=1 2=5 )

    R=Ri1 Ri1(1=3 2=4 )

    R=R1  R1(1=0 2=1 )

    C_C   C(1=4 2=0 )

    E_E   E(3=6 4=0 1=4 2=0 )

    E_EG  EG(3=3 4=0 1=1 2=2 )

    V_Vs  Vs(+=2 -=0 )

    R_Rin Rin(1=1 2=2 )

    R_R0  R0(1=6 2=5 )

    _     _(1=1)

    _     _(2=2)

    _     _(3=3)

    _     _(4=4)

    _     _(5=5)

    .ENDALIASES

    **** RESUMING opampsc-schematic1-opamp.sim.cir ****

    .END

    Рис. 16.7. Выходной файл для ОУ с f_c = 10 Гц

    Активные фильтры

    Модель ОУ, представленная выше, может использоваться для любой из схем, проанализированных в главе 5. В качестве второго примера обратимся к рис. 5.24, на котором показан низкочастотный фильтр Баттерворта. Анализ проводится для идеального ОУ, содержащего компонент типа Е с коэффициентом усиления А=200 000 и внутренним сопротивлением Rin=1 МОм. Используйте значения компонентов, приведенные на рис. 5.24. Проект с именем butrwrth и соответствующая схема показаны на рис. 16.8. Обратите внимание, что коэффициент усиления для Е1 составляет -200 000. Это произошло потому, что полюсы управления следуют в порядке, обратном показанному на рис. 5.24.

    Рис. 16.8. Низкочастотный фильтр Баттерворта второго порядка


    При анализе на PSpice используйте имя Butrwth1 и выполните вариацию частоты от 1 Гц до 100 кГц с шагом в 40 точек на декаду. Проведите моделирование и в Probe получите график выходного напряжения V(5). Выходное напряжение при низких частотах должно составлять 1,586 мВ. Использовав это значение в качестве опорного, получите график

    20·lg(V(5)/1,586mB).

    График приведен на рис. 16.9 и должен быть таким же, как на рис. 5.26. В выходном файле на рис. 16.10 показаны следующие параметры:

    R_Rin 4 3 1Meg

    Е_Е15 0 4 3 -2Е5

    Рис. 16.9. Частотная характеристика фильтра Баттерворта


    **** 03/02/99 14:31:31 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

    ** circuit file for profile: Butrwth1

    *Libraries:

    * Local Libraries :

    * From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

    .lib nom.lib

    *Analysis directives:

    .AC DEC 401Hz 100kHz

    .PROBE

    *Netlist File:

    .INC "butrwrth-SСНЕМАТIС1.net"

    *Alias File

    **** INCLUDING butrwrth-SCHEMATIC1.net ****

    * source BUTRWRTH

    C_C1  2 5 31.83nF

    R_Rin 4 3 1Meg

    R_R2  4 5 5.86k

    R_R1  0 4 10k

    R_R4  2 3 1k

    R_R3  1 2 1k

    V_Vi  1 0 DC 0V AC 1mV

    E_E1  5 0 4 3 -2E5

    С_C2  3 0 31.83nF

    **** RESUMING butrwrth-SCHEMATIC1-Butrwth1.sim.cir

    **** .INC "butrwrth-SCHEMATIC1.als"

    **** INCLUDING butrwrth-SCHEMATIC1.als ****

    .ALIASES

    С_C1  C1(1=2 2=5 )

    R_Rin Rin(1=4 2=3 )

    R=R2  R2(1=4 2=5 )

    R_R1  R1(1=0 2=4 )

    R=R4  R4(1=2 2=3 )

    R_R3  R3(1=1 2=2 )

    V_Vi  Vi(+=1 -=0 )

    E_E1  E1(3=5 4=0 1=4 2=3 )

    С_C2  C2(1=3 2=0 )

    _     _(1=1)

    _     _(2=2)

    _     _(3=3)

    _     _(4=4)

    _     _(5=5)

    .ENDALIASES

    **** RESUMING butrwrth-SCHEMATIC1-Butrwfth1.sim.cir ****

    .END

    Рис. 16.10. Выходной файл для фильтра Баттерворта


    По упомянутой выше причине коэффициент усиления показан как отрицательное число, а команда псевдонима для Rin показана как

    R_Rin Rin(1=4 2=3)

    Это означает, что полюс 1 Rin является узлом 4, а полюс 2 Rinузлом 3, условное направление тока через этот резистор на рисунке — вниз. Следовательно, при положительном токе через R

    in
    напряжение на полюсе 1 также будет положительным. Если вы получите вместо этого график

    20·lg(V(5)/V(1)·1,586мВ),

    согласно выражению, используемому в главе 5, он будет смещен на 60 дБ по оси Y от ожидаемого результата. 

    Активный полосовой резонансный фильтр

    Используем схему на рис. 5.32 как другой пример активного фильтра. Начните новый проект в Capture с именем actvbpfr. Представьте идеальный ОУ, использовав Е с коэффициентом усиления 200 000 и внутренним сопротивлением Rin=1 МОм. Другие компоненты Vi=1 мВ (используется источник типа VAC), L=0,298 Гн, С=0,724 нФ, R=10 кОм, R1=10 кОм и R2=10 кОм. Сохраните схему, затем сравните ее с показанной на рис. 16.11. Подготовьте моделирование на PSpice с именем Actvbpfi. Предусмотрите вариацию по частоте с шагом в 40 точек на декаду от 1 кГц до 1 МГц. Выполните моделирование и получите график

    20·lg(V(5)/(V(Vi:+)).

    Рис. 16.11. Активный резонансный полосовой фильтр


    Результаты показаны на рис. 16.12. На средней частоте f0=11,22 кГц коэффициент усиления фильтра равен 5,994 дБ. Выходной файл на рис. 16.13 идентифицирует компоненты и номера узлов.

    Рис. 16.12. Частотная характеристика для полосового фильтра


    **** 09/02/99 15:59:54 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998)

    ** circuit file for profile: Actvbpf1

    *Libraries:

    * Local Libraries :

    * From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

    .lib nom.lib

    *Analysis directives:

    .AC DEC 40 1kHz 100kHz

    .PROBE

    *Netlist File:

    .INC "actvbpfr-SCHEMATIC1.net"

    *Alias File:

    **** INCLUDING actvbpfr-SCHEMATIC1.net ****

    * source ACTVBPFR

    R_R1  4 0 10k

    R_Rin 3 4 1Meg

    R_R   3 0 10k

    R_R2  4 5 10k

    C_C   2 3 0.724nF

    L_L   1 2 0.289H

    V_Vi  1 0 DC 0V AC 1mV

    E_E1  5 0 3 4 2E5

    **** RESUMING actvbpfr-SCHEMATIC1-Actvbpfl.sim.cir ****

    .INC "actvbpfr-SCHEMATIC1.als"

    **** INCLUDING actvbpfr-SCHEMATIC1.als ****

    .ALIASES

    R_R1  R1(1=4 2=0 )

    R_Rin Rin(1=3 2=4 )

    R_R   R(1=3 2=0 )

    R_R2  R2(1=4 2=5 )

    C_C   C(1=2 2=3 )

    L_L   L(1=1 2=2 )

    V_Vi  Vi(+=1 -=0 )

    E_E1  E1(3=5 4=0 1=3 2=4 )

    _     _(1=1)

    _     _(2=2)

    _     _(3=3)

    _     _(4=4)

    _     _(5=5)

    .ENDALIASES

    **** RESUMING actvbpfr-SCHEMATIC1-Actvbpf1.sim.cir ****

    .END

    Рис. 16.13. Выходной файл для полосового фильтра

    Компонент uA741

    На рис. 5.9 мы использовали нашу собственную модель для ОУ, чтобы проверить частотную характеристику. Модель очень хороша для изучения частотных характеристик, но она не отражает свойств многочисленных реальных компонентов.

    Схемные решения для реальных ОУ можно найти в подробных описаниях ОУ, таких как у Coughlin и Driscoll. Вы увидите, что было бы непрактично пытаться показать всю схему в Capture. 

    Компонент uA741, имеющийся в PSpice и Capture, является достаточно точной моделью, которую мы могли бы предпочесть нашей собственной модели. При анализе, в дополнение к другим навесным компонентам, необходимо использовать два источника постоянного тока.

    Частотная характеристика uA741

    Используем снова значения из примера в начале этой главы, чтобы можно было сравнить нашу модель с более совершенной моделью uA741.

    Начните в Capture проект с именем opamp. Когда компонент из библиотеки eval появится на рабочем поле, вы обнаружите у него семь уже пронумерованных полюсов. Это несколько необычно при первом знакомстве, но в дальнейшем не вызывает трудностей.

    Обозначение узлов подсхемы

    Ситуация станет яснее, когда мы установим, что эти номера содержатся в подпрограмме и не являются номерами узлов основной схемы. Обратитесь к разделу «Использование подсхем при моделировании операционных усилителей» в главе 5 для подробного ознакомления с этой темой. Обратите также внимание на использование узлов a, b и с в подсхеме на рис. 5.13, но не в распечатке главного файла. Узлы, показанные на обозначении uA741 (узлы от 1 до 7), не будут узлами в схемном файле.

    Продолжите теперь размещать компоненты в схеме, как показано на рис. 16.14. Используйте источник типа VAC для Vs, VDC для V+ и V– и компонент R для R1 и R2. Когда схема будет соединена проводниками, убедитесь, что имеется просто пересечение проводов слева от R2 (у узла 2), а не подключение. Пронумеруйте узлы (с помощью Place, Netlist), как показано на рисунке, сохраните схему и подготовьте моделирование с именем Opamp1. Выполните вариацию по частоте с шагом в 40 точек на декаду от 100 Гц до 1 МГц. Затем получите график

    20·lg(V(UI:OUT)/V(Vs:+)).

    Рис. 16.14. Схема с ОУ uA741


    Результаты показаны на рис. 16.15. Сравните этот график с полученным в предыдущем примере при использовании собственной модели в Capture (рис. 16.9). Убедитесь, что коэффициент усиления на средней частоте равен 27,957 дБ.

    Рис. 16.15. Частотная характеристика ОУ uA741


    **** 09/02/99 17:27:56 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

    ** circuit tile for profile: Opamp1

    *Libraries:

    * Local Libraries :

    * From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

    .lib nom.lib

    *Analysis directives:

    .AC DEC 40 100Hz 1MegHz

    .PROBE

    *Netlist File: .INC "opamp-SCHEMATIC1.net"

    * Alias File:

    **** INCLUDING opamp-SCHEMATIC1.net ****

    * source OPAMP

    X_U1 1 2 3 4 5 uA741

    R_R2 2 5 240k

    R_R1 0 2 10k

    V_V- 0 4 15V

    V_V+ 3 0 15V

    V_Vs 10 DC 0 V AC 1mV

    **** RESUMING opamp-SCHEMATIC1-Opamp1.sim.cir ****

    .INC "opamp-SCHEMATIC1.als"

    **** INCLUDING opamp-SCHEMATIC1.als ****

    .ALIASES

    X_U1 U1(+=1 -=2 V+=3 V-=4 OUT=5 )

    R_R2 R2(1=2 2=5 )

    R_R1 R1(1=0 2=2 )

    V_V- V-(+=0 -=4 )

    V_V+ V+(+=3 -=0 )

    V_Vs Vs(+=1 -=0 )

    _    _(1=1)

    _    _(5=5)

    _    _(4=4)

    _    _(2=2)

    _    _(3=3)

    .ENDALIASES

    **** RESUMING opamp-SСНЕМАTIC-Opamp1.sim.cir ****

    .END

    **** Diode MODEL PARAMETERS

    X_U1.dx

    IS 800.000000E-18

    RS 1

    **** BJT MODEL PARAMETERS

       X_U1.qx

       NPN

    IS 800.000000E-18

    BF 93.75

    NODE VOLTAGE NODE     VOLTAGE   NODE      VOLTAGE NODE      VOLTAGE

    ( 1) 0.0000  ( 2)     20.64E-06 ( 3)      15.0000 ( 4)     -15.0000

    ( 5) .0197   (X_U1.6) 26.12E-06 (X_U1.7) -.0780   (X_U1.8) -.0780

    VOLTAGE SOURCE CURRENTS

    NAME  CURRENT

    V_V- -1.667E-03

    V_V+ -1.667E-03

    V_Vs -7.972E-06

    TOTAL POWER DISSIPATION 5.005-02 WATTS

    Рис. 16.16. Выходной файл для схемы с ОУ uA741


    Рассматривая выходной файл на рис. 16.16, обратите внимание на ссылку, касающуюся uA741, в файле псевдонимов

    X_U1 1 2 3 4 5 uA741

    Необходимо отметить, что узлы от 1 до 5 — это узлы с номерами схемы, а не с теми, что помещены в условном обозначении uA741. Узлы 1 и 2 используются для неинвертирующего и инвертирующего входов, узлы 3 и 4 — для плюса и минуса источника постоянного напряжения соответственно, а узел 5 — для выхода. В конце командной строки приведен символ идентификации uA741. В списке псевдонимов мы находим

    X_U1 U1(+=1 -=2 V+=3 V-=4 OUT=5)

    Запись X обращается к подпрограмме, в которой описана модель для U1, символы «плюс» и «минус» относятся к входным полюсам и так далее. На рис. 16.16 приведена лишь небольшая часть выходного файла, которая показывает, что в модель ОУ включены различные компоненты, такие как диоды, транзисторы и прочие.

    Так как библиотечная модель для ОУ очень сложна, используйте ее только тогда, когда почувствуете, что более простая модель идеального ОУ (рис. 5.2, б) или модель для частотной характеристики (рис. 5.9) не могут обеспечить достаточной точности анализа.

    Использование uA741 в качестве детектора уровня

    Схема на рис. 16.17 используется в качестве детектора уровня входного напряжения V1. Создайте эту схему в Capture с именем leveldet. Используйте VPWL для V1, VDC для Vref=3 В, V+=9 В и V–=9 В. Затем добавьте в схему резистор RL=4,8 кОм и заземление. При двойном щелчке на символе V1 появляется окно (электронная таблица), в которое могут быть введены пары значений напряжение-время (до 10 пар). Так как более поздние времена и соответствующие им напряжения расположены слева, введем сначала V6 и T6 и продолжим, пока не введем все пары напряжения-времени. Значения должны быть следующими: (0V, 1s), (-3V, 0,8s), (-5V, 0,6s), (5V, 0,4s), (3V, 0,2s), (0V, 0s). Сохраните схему после введения всех компонентов и подготовьте PSpice-анализ с именем levels. Проведите анализ переходных процессов с шагом в 1 мс на интервале в 1 с.

    Рис. 16.17. Схема детектора уровня


    Проведите моделирование и получите в Probe графики как входного напряжения V(V1:+), так и выходного напряжения V(U1:OUT). Убедитесь, что график V1 следует за заданным графиком напряжения-времени. Графики, приведенные на рис. 16.18, показывают, что только до момента, когда входное напряжение достигает 3 В, выходное напряжение равно 8,6 В (немного меньше, чем V+=9 В). Когда входное напряжение превышает 3 В, выходное напряжение понижается до -8,6 В и остается на этом уровне, пока входное напряжение не упадет ниже 3 В, затем процесс повторяется. Так как входное напряжение Vi подается на инвертирующий вход ОУ, после достижения порогового напряжения Vref, выходное напряжение снижается.

    Рис. 16.18. Входное и выходное напряжения для детектора уровня


    **** 10/09/99 15:34:48 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

    ** circuit file for profile: levels

    *Libraries:

    * Local Libraries :

    * From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

    .lib nom.lib

    *Analysis directives:

    .TRAN 0 1s 0 1ms

    .PROBE

    *Netlist File:

    .INC "leveldet-SCHEMATIC1.net"

    *Alias Files

    **** INCLUDING leveldet~SCHEMATIC1.net ****

    * source LEVELDET

    R_RL   5 0 4.8k

    X_U1   2 1 3 4 5 uA741

    V_V-   0 4 9V

    V_V+   3 0 9V

    V_Vref 2 0 3V

    V_V1   1 0

    +PWL 0s 0V 0.2s 3V 0.4s 5V 0.6s -5V 0.8s -3V 1s 0V

    **** RESUMING leveldet-SCHEMATIC1-levels.sim.cir ****

    .INC "leveldet-SCHEMATIC1.als"

    **** INCLUDING leveldet-SCHEMATICl.als ****

    .ALIASES

    R_RL   RL(1=5 2=0 )

    X_U1   U1(+=2 -=1 V+=3 V+=4 OUT=5 )

    V_V-   V-(+=0 -=4 )

    V_V+   V+(+=3 -=0 )

    V_Vref Vref(+=2 -=0 )

    V_V1   V1(+=1 -=0 )

    _      _(1=1)

    _      _(2=2)

    _      _(3=3)

    _      _(4=4)

    _      _(5=5)

    .ENDALIASES

    **** RESUMING leveldet-SCHEMATIC1-levels.sim.cir ****

    .END

    ** circuit file for profile: levels **** Diode MODEL PARAMETERS

       X_U1.dx

    IS 800.000000E-18

    RS 1

    **** BJT MODEL PARAMETERS

       X_U1.qx

       NPN

    IS 800.000000E-18

    BF 93.75

    **** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    NODE VOLTAGE NODE     VOLTAGE NODE     VOLTAGE NODE     VOLTAGE

    ( 1) 0.0000 ( 2)      3.0000  ( 3)     9.0000  ( 4)    -9.0000

    ( 5) 8.6136 (X_U1.6) -1.5163  (X_U1.7) 8.7041  (X_U1.8) 8.7041

    VOLTAGE SOURCE CURRENTS

    NAME    CURRENT

    V_V-   -1.006E-03

    V_V+   -9.903E-04

    V_Vref -1.619E-07

    V_V1    9.026E-12

    TOTAL POWER DISSIPATION 1.80E-02 WATTS

    Рис. 16.19. Выходной файл для детектора уровня


    В выходном файле на рис. 16.19 приведена следующая командная строка:

    V_V1 1 0

    +PWL 0s 0V 0.2S 3V 0.4s 5V 0.6s -5V 0.8s -3V 1s 0V

    Согласно этой записи V1 является кусочно-линейным (PWL) источником напряжения с парами время-напряжение, размещаемыми в нормальном порядке, то есть с начальными значениями времени и напряжения слева. При работе непосредственно в PSpice обычно используются круглые скобки, чтобы сгруппировать пару время-напряжение, хотя делать это не обязательно.

    Фазосдвигающее устройство на операционном усилителе

    Фазосдвигающее устройство может быть построено на базе uA741 при использовании резисторов и конденсатора, как показано в рис. 16.20. Создайте проект с именем phshiftr и постройте схему в Capture, воспользовавшись компонентом VSIN для Vi, чтобы получить график переходного процесса в Probe. Фазовый угол задан формулой

    θ = 2 arctan 2πfR3C1.

    Рис. 16.20. Фазосдвигающее устройство на базе ОУ uA741 


    Значение R3 связано другими элементами уравнением

    Для этого примера, желателен сдвиг фазы на -90°, то есть выходное напряжение должно отставать от входного на 90°. При использовании С=0,01 мкФ и f=1 кГц зададим R3=15,9 кОм. Значения для R1 и R2 должны быть одинаковы, выберем приемлемое значение в 100 кОм. После введения и сохранения схемы подготовьте моделирование на PSpice с именем Phshift1. Проведите анализ переходных процессов для двух полных периодов (2 мс) с максимальным шагом в 1 мкс.

    Выполните моделирование и снимите в Probe графики V(Vi: +) и V(RL:1). 

    Результаты показаны на рис. 16.21. Чтобы измерить сдвиг фазы, используйте второй период и обратите внимание, что максимум входного напряжения приходится на время t=1,25 мс, в то время как максимум выходного — на время t=1,5 мс, что соответствует сдвигу в 90°. Поскольку выполнялся анализ переходных процессов, выходное напряжение слегка искажено. Обратите внимание на перерегулирование на первом положительном периоде. Распечатайте выходной файл и сравните ваши результаты с рис. 16.22.

    Рис. 16.21. Временные диаграммы для фазосдвигающего устройства на базе ОУ uA741 


    **** 09/03/99 12:09:25 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) *************

    ** circuit file for profile: Phshift1

    *Libraries:

    * Local Libraries :

    * From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

    .lib nom.lib

    *Analysis directives:

    .TRAN 0 2ms 0 2us

    .PROBE

    *Netlist File:

    .INC "phshiftr-SCHEMATIC1.net"

    *Alias File:

    **** INCLUDING phshiftr-SCHEMATIC1.net ****

    * source PHSHIFTR

    X_U1 4 2 5 6 3 uA741

    С_C1 4 0 0.01uF 

    R_RL 3 0 4.8k

    R_R3 1 4 15.9k

    R_R2 2 3 100k

    R_R1 1 2 100k

    V_Vi 1 0

    +SIN 0 2V 1kHz 0 0 0

    V_V- 0 6 12V

    V_V+ 5 0 12V

    **** RESUMING phshiftr-SCHEMATIC1-Phshift1.sim.cir ****

    .INC "phshiftr-SCHEMATIC1.als"

    **** INCLUDING phshiftr-SCHEMATIC1.als ****

    .ALIASES

    X_U1 U1(+=4 -=2 V+=5 V-=6 OUT=3 )

    C_C1 C1(1=4 2=0 )

    R_RL RL(1=3 2=0 )

    R_R3 R3(1=1 2=4 )

    R_R2 R2(1=2 2=3 )

    R_R1 R1(1=1 2=2 )

    V_Vi Vi(+=1 -=0 )

    V_V- V-(+=0 -=6 )

    V_V+ V+(+=5 -=0 )

    _    _(1=1)

    _    _(2=2)

    _    _(3=3)

    _    _(4=4)

    _    _(5=5)

    _    _(6=6)

    .ENDALIASES

    **** RESUMING phshiftr-SCHEMATIC1-Phshift1.sim.cir ****

    .END

    ** circuit file for profile: Phshift1

    **** Diode MODEL PARAMETERS

    **** BJT MODEL PARAMETERS

    **** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    NODE VOLTAGE NODE  VOLTAGE NODE      VOLTAGE   NODE     VOLTAGE

    ( 1) 0.0000  ( 2) -.0012   ( 3)      .0055     ( 4)    -.0013

    ( 5) 12.0000 ( 6) -12.0000 (X_U1.6) -535.1E-09 (X_U1.7) .0055

    VOLTAGE SOURCE CURRENTS

    NAME  CURRENT

    V_Vi -9.221E-08

    V_V- -1.337E-03

    V_V+ -1.337E-03

    TOTAL POWER DISSIPATION 3.21E-02 WATTS

    Рис. 16.22. Выходной файл для фазосдвигающего устройства на базе ОУ uA741

    Фазосдвигающее устройство с использованием идеального операционного усилителя

    Простая схема фазосдвигающего устройства не требует использования компонента uA741 в Capture. Чтобы не усложнять анализ, предпочтительнее использовать схему на идеальном ОУ, представленную на рис. 5.3. Создайте проект с именем phshidel и используйте компонент VSIN для Vi, как в предыдущем примере. Коэффициент усиления для Е1 равен 200 000. Введите и сохраните схему, затем выполните анализ, аналогичный предыдущему. Получите графики входного напряжения V(1) и выходного V(4) и сравните ваши результаты с полученными при использовании uA741. Результаты должны быть почти идентичны. Эти графики показаны на рис. 16.24, и схема выходной листинг с распечатанными компонентами и псевдонимами показан на рис. 16.25.

    Рис. 16.23. Фазосдвигающее устройство на базе идеального ОУ 


    Рис. 16.24. Временные диаграммы для фазосдвигающего устройства на базе идеального ОУ


    **** 09/03/99 15:47:13 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

    ** circuit file for profile: Phshidel

    *Libraries: * Local Libraries :

    * From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file:

    .lib nom.lib

    *Analysis directives:

    .TRAN 0 2ms 0 1us

    .PROBE

    *Netlist File:

    .INC "phshidel-SCHEMATIC1.net"

    *Alias File:

    **** INCLUDING phshide1-SCHEMATIC1.net ****

    * source PHSHIDEL

    R_RL 4 0 4.8k

    R_R3 1 3 15.9k

    R_R2 2 4 100k

    R_R1 1 2 100k

    V_Vi 1 0

    +SIN 0 2V 1kHz 0 0 0 C_C1 3 0 0.01uF

    R_Ri 3 2 1G

    E_E1 4 0 3 2 200E3

    **** RESUMING phshidel-SCHEMATIC1-Phshid1.sim.cir ****

    .INC "phshidel-SCHEMATIC1.als"

    **** INCLUDING phshide1-SCHEMATIC1.als ****

    .aliases

    R_RL RL(1=4 2=0 )

    R_R3 R3(1=1 2=3 )

    R_R2 R2(1=2 2=4 )

    R_R1 R1(1=1 2=2 )

    V_Vi Vi(+=1 -=0 )

    C_C1 C1(1=3 2=0 )

    R_Ri Ri(1=3 2=2 )

    E_E1 E1(3=4 4=0 1=3 2=2 )

    _    _(1=1)

    _    _(3=3)

    _    _(2=2)

    _    _(4=4)

    .ENDALIASES

    **** RESUMING phshidel-SCHEMATIC1-Phshid1.sim.cir ****

    .END

    Рис. 16.25. Выходной файл для фазосдвигающего устройства на базе идеального ОУ





     

    Главная | В избранное | Наш E-MAIL | Добавить материал | Нашёл ошибку | Наверх