При проектировании этой схемы вы трижды столкнетесь с ограничениями демонстрационной версии:
1) схема содержит компоненты, которых нет в демонстрационной версии (нет, например, ни одного нужного транзистора);
2) схема содержит тринадцать транзисторов, в то время как демонстрационная версия позволяет моделировать только схемы, включающие не более десяти таких элементов;
3) схема содержит в общей сложности шестьдесят один компонент, но демонстрационная версия позволяет моделировать схемы не более чем из пятидесяти компонентов.
В принципе, есть только одно разумное решение этой проблемы. Вы или руководство должны в срочном порядке позаботиться о том, чтобы ваше предприятие, школа, институт или учебный центр в срочном порядке приобрели полную версию программы PSPICE. И тогда для вас уже не будет существовать никаких ограничений и станут доступны все необходимые компоненты для проектирования абсолютно любых схем. Для профессиональных пользователей стоимость PSPICE составляет около 20.000 DM, однако, когда программа приобретается исключительно в учебных целях для студентов технических специальностей, то компания CADENCE предоставляет настолько большие скидки, что даже скудные бюджеты образовательных учреждений могут позволить себе это приобретение. В Германии программный пакет CADENCE-PSPICE можно приобрести через фирму Hoschar. К сожалению, электронщики-любители, не являющиеся сотрудниками какой-либо школы, колледжа или университета, не могут воспользоваться скидками, предоставляемыми образовательным учреждениям. Поэтому далее мы покажем, как, приложив немного старания и сообразительности, исследовать выходной МОП-транзисторный каскад даже с помощью демонстрационной версии, несмотря на ее ограниченные возможности.
Симметричная конструкция выходного каскада позволит, не изменяя при этом принципа работы схемы, сократить число используемых компонентов, в частности транзисторов. Чтобы понять, за счет чего происходит такое «чудо», внимательно изучите схему, приведенную на рис. 11.1. Проанализировав, из каких компонентов она состоит и как они соединены друг с другом, вы уясните себе принцип работы выходного каскада с двумя комплементарными самозапирающимися МОП-транзисторами.
Рис. 11.1. Выходной каскад с двумя комплементарными выходными транзисторами на МОП-структурах
Компоненты V1, V2, V6 и V8 образуют дифференциальный усилитель с источником стабилизированного тока. Для нормального функционирования такого источника необходимо, чтобы потенциал базы транзистора V6 источника стабилизированного тока был максимально стабильным. Обычно это достигается за счет низкоомного делителя, обеспечивающего базовое напряжение, но в данной схеме мы используем весьма стабильное постоянное прямое напряжение светодиода V8 (около 1.7 В). Потенциал коллектора V1 управляет V9.
Аналогичную функцию имеют и V3, V4, V5 и V7. Коллектор V3 управляет коллектором V11.
Как и во всех двухтактных усилителях, потенциалы баз двух комплементарных транзисторов V9 и V11 отличаются только на константное постоянное напряжение. В рассматриваемой схеме ровно на 68 В. Обычно потенциал двух названных баз передвигается одним единственным активным транзистором, причем тогда несколько диодов или один стабилитрон должны обеспечивать имеющуюся разницу между базами V9 и V11. В рассматриваемой схеме для этого используются два (сдвинутых по потенциалу) формирователя, а именно два дифференциальных усилителя.
Теперь стало ясно, каким образом сокращается количество используемых компонентов: один из двух дифференциальных усилителей заменяется источником постоянного напряжения значением 68 В. В результате получается схема, изображенная на рис. 11.2.
Рис. 11.2. Выходной МОП-транзисторный каскад с источником напряжения значением 68 В
Напряжение смещения на выходе упрощенной схемы легко регулируется, так как теперь потенциометр Rpot должен обеспечивать питанием всего лишь один единственный транзистор. Поэтому значение R было изменено на SET=0.35. Это соответствует разделению сопротивления потенциометра в соотношении RO/RU=650 Ом/350 Ом.
Для новой схемы понадобилось всего десять транзисторов и в общей сложности пятьдесят компонентов. Таким образом, эта схема остается в пределах допустимых границ демонстрационной версии. Итак, основная проблема, стоявшая перед вами при моделировании в демонстрационной версии, устранена.
Теперь остается только решить вопрос, как заполучить недостающие компоненты, то есть транзисторы и светоизлучающие диоды. Однако эту проблему вы решили еще при установке программы PSPICE на жесткий диск своего компьютера: перед тем как начать работу с книгой, вы, четко следуя инструкции по инсталляции, дополнительно установили файлы, содержащие недостающие компоненты. (Как вы помните, эти компоненты находятся в библиотеках схемных обозначений MISC.slb и библиотеке моделей SAMPLE.lib.) Затем, следуя руководству в начале третьей части, подключили эти файлы к программе PSPICE. Убедитесь, что теперь все необходимые компоненты можно найти в окнах просмотра компонентов.
В следующей главе мы проведем моделирование этой схемы. Для того чтобы вы могли проверить, насколько упрощенный вариант способен к воспроизведению рабочих характеристик оригинальной схемы, описанные в книге анализы были проведены с помощью полной версии программы PSPICE. Если у вас возникнет желание, вы можете дополнительно провести моделирование упрощенной схемы и убедиться в идентичности полученных результатов.
Глава 12
Моделирование и изменение схем
Эта глава посвящена анализу схемы МОП-транзисторного усилителя. Особое внимание уделено тому, насколько похожи результаты измерения и моделирования схемы и чем обусловлены различия.
В табл. 12.1 приведены наиболее важные результаты измерения МОП-транзисторного усилителя, изображенного на рис. 11.1.
Таблица 12.1. Результаты измерения МОП-транзисторного усилителя
Атрибут Описание Эффективная полоса пропускания (3 дБ) при 35 Вт/8 Ом 1.5 Гц–125 кГц Скорость нарастания фронта с входным фильтром 20 В/мкс Отношение сигнал/шум (при 1 Вт/8 Ом) > 99 дБА Гармонические искажения (60 Вт/1 кГц/8 Ом) < 0.005%
В этой главе аналогичные данные будут получены путем моделирования, а затем сопоставлены с результатами измерения.[39]
12.1. Эффективная полоса пропускания
Прежде всего, используя указанные в журнале Elektor значения, определим путем моделирования эффективную 3-dB-полосу пропускания при выходной мощности 35 Вт и сопротивлении нагрузки RH равном 8 Ом.
Возможно, некоторым незнакомо понятие 3-dB-полоса пропускания. Однако речь здесь идет не о чем ином, как о прекрасно известной любому электронщику «нормальной» полосе частот, на границах которой выходное напряжение падает до 70.7%. Разница состоит лишь в том, что 3-dB-падение напряжения соответствует падению напряжения до 70.7% от максимального значения, в то время как 3-dB-падение мощности означает падение мощности до 50% от ее максимального значения. Согласно известному отношению между напряжением и мощностью Р=U²/R, при заданном значении сопротивления мощность падает ровно до 50% тогда, когда напряжение падает до 70.7%.
По данным журнала Elektor, ширина полосы частот измерялась при мощности равной 35 Вт. 35 Вт выходной мощности преобразуются на нагрузочном резисторе сопротивлением 8 Ом, когда действующее значение выходного напряжения составляет 16.7 В, то есть когда его амплитуда составляет 24 В. Для этого в выходных МОП-транзисторных каскадах требуется, чтобы амплитуда входного напряжения составляла 1 В. На рис. 12.1 изображена частотная характеристика выходного напряжения. Нижняя граничная частота находится на уровне fmin=1.5 Гц, верхняя — на уровне fmax=127 кГц.
Рис. 12.1. Частотная характеристика выходного напряжения МОП-транзисторного усилителя
Установленная с помощью моделирования эффективная полоса пропускания составляет от 1.5 Гц до 127 кГц.
12.2. Скорость нарастания фронта
Крутизна фронта va усилителя определяется по минимальному времени ta, которое необходимо этому усилителю, чтобы изменить выходное напряжение на Dua в диапазоне от 10% до 90% максимального неискаженного значения. Крутизна фронта определяется отношением va=Dua/ta. Без ощутимых искажений выходной МОП-транзисторный каскад позволяет модулирование амплитуды входного напряжения до 1.44 В.
