Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE
Шрифт:
где В — интересующая нас полоса частот шума, то есть слышимая частотная область. При ширине полосы частот В — 20 кГц, плотности шума Uneff=0.1 мкВ и действующем значении выходного напряжения Uaeff=4 В/v2 (рис. 12.4) отношение сигнал/шум усилителя оказывается равным 106 дБ.
Рис. 12.4. Частотная характеристика и спектральная плотность шума выходного МОП-транзисторного каскада
12.4. Гармонические искажения
В результате моделирования в выходном файле были получены следующие данные о гармонических искажениях при RH=8 Ом, P=60 Вт (что соответствует амплитуде входного напряжения, равной 1.3 В) и f=1 кГц:
В табл. 12.2, значения, полученные при измерении (см. табл. 12.1), сопоставлены с результатами моделирования оригинальной (см. рис. 11.1) и упрощенной схемы (см. рис. 11.2). Конечно, результаты анализа упрощенной схемы немного лучше, ведь в ней некоторые реальные компоненты были заменены идеальным источником напряжения U2=68 В. В целом же результаты моделирования и измерения совпадают.
Табл. 12.2. Данные измерения и моделирования схемы
| Данные измерения | Данные моделирования | ||
|---|---|---|---|
| оригинальной схемы | упрощенной схемы | ||
| Эффективная полоса пропускания при 35 Вт/8 Ом (3-dB-падение мощности) | 1.5 Гц–125 кГц | 1.5 Гц–127 кГц | 1.5 Гц–130 кГц |
| Скорость нарастания фронта | 20 В/мкс | 20 В/мкс | 20 В/мкс |
| Отношение сигнал/шум (при 1 Вт/8 Ом) | >99 дБА [40] | 106 дБ | 106 дБ |
| Гармонические искажения (60 Вт/1 кГц/8 Ом) | 0.003% [40] | 0.0027% [41] | 0.001% [41] |
40
Очевидно, измерительные приборы, с помощью которых в 1993 году измерялись эти значения, еще не обладали достаточной степенью точности. Поэтому в журнале Elektor были опубликованы лишь приблизительные данные по гармоническим искажениям (<0.005%) и отношению сигнал/шум (>99 дБА). Это максимум, на что были способны тогдашние приборы. Сегодня существуют более чувствительные приборы. Поэтому гармонические искажения были измерены заново.
40
Очевидно, измерительные приборы, с помощью которых в 1993 году измерялись эти значения, еще не обладали достаточной степенью точности. Поэтому в журнале Elektor были опубликованы лишь приблизительные данные по гармоническим искажениям (<0.005%) и отношению сигнал/шум (>99 дБА). Это максимум, на что были способны тогдашние приборы. Сегодня существуют более чувствительные приборы. Поэтому гармонические искажения были измерены заново.
41
К этому результату следует относится с осторожностью. Амплитуды высших гармоник настолько малы, что возникает вопрос, под какой границей эти амплитуды потонут в «шуме» неточных вычислении.
41
К этому результату следует относится с осторожностью. Амплитуды высших гармоник настолько малы, что возникает вопрос, под какой границей эти амплитуды потонут в «шуме» неточных вычислении.
12.5. МОП-транзисторный усилитель как усилитель постоянного напряжения
Входной фильтр выходного МОП-транзисторного каскада, состоящий из R3, R4, С2 и С3, образует полосовой фильтр. Он настроен таким образом, что подходит для любых источников низкочастотных сигналов (компакт-диск, виниловая пластинка, магнитофонная пленка), то есть он изначально настроен на наихудший случай. С2 и R4 образуют фильтр верхних частот с граничной частотой 1.52 Гц, R3 и С3 образуют фильтр нижних частот с граничной частотой 159 кГц. Еще несколько лет назад в наиболее качественных усилителях входной фильтр был сконструирован так, что нижняя граница находилась на частоте 0 Гц. Однако в те времена от такой конструкции фильтра пришлось отказаться, так как усилители передавали даже шум вращения винилового диска.
На рис. 12.5 сопоставлены частотная и фазовая характеристики двух вариантов усилителей: с оригинальным входным фильтром и с входным фильтром, в котором конденсатор С2 коротко замкнут, то есть закорочен фильтр верхних частот. Поясним читателям, зачем это сделано.
Рис. 12.5. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристика двух вариантов выходного МОП-транзисторного каскада
Сегодня, когда источники зашумленного низкочастотного сигнала практически уже не используются (проигрыватели вышли из моды, а магнитофонные ленты выпускаются с существенно улучшенными шумовыми характеристиками), наступило время снова задуматься над нижней граничной частотой усилителей. Хотя человеческое ухо и не воспринимает частоты ниже 17 Гц, нижняя граничная частота, тем не менее, создает заметные сдвиги фазы в слышимой частотной области. Как известно, именно фазовые вариации низкочастотного сигнала создают у слушателей ощущение объемного звука. МОП-транзисторный усилитель позволяет без проблем понизить граничную частоту до 0 Гц. Для этого всего лишь нужно, чтобы конденсатор С2 был коротко замкнут.
Глава 13
Возможности применения программы PSPICE
В этой главе описаны возможные варианты исследований некоторых типичных схем из областей силовой полупроводниковой техники, техники связи и автоматического регулирования.
В двух следующих главах будут проведены исследования некоторых типичных схем из областей силовой полупроводниковой техники, техники связи и автоматического регулирования. Каждое исследование будет проводиться для того, чтобы дать ответ на какой-либо сложный вопрос. Это позволит вам познакомиться со специальными возможностями программы PSPICE и откроет перспективу для проведения множества собственных интересных исследований. Однако практически сразу вы столкнетесь с проблемой, возникающей при профессиональной работе со PSPICE: чем специфичнее будут ваши вопросы, тем чаще будут нужны специальные модели (двигатели трехфазного тока, стабилизаторы, регуляторы, модуляторы, смесители, шаговые двигатели), которых нет ни в демонстрационной, ни в полной версиях программы. И тогда вам понадобится помощь специалистов-разработчиков моделей. Для примеров, рассматриваемых в книге, часть специальных моделей была взята из виртуальной лаборатории spicelab, которую я в настоящее время готовлю к публикации.
13.1. Анализ высокочастотных помех при работе мостовой схемы на тиристорах
Полууправляемая мостовая схема на тиристорах В2Н [42] , питающаяся от трансформатора [43] показана на рис. 13.1.
Рис. 13.1. Полууправляемая мостовая схема на тиристорах B2H
В данном разделе исследуется уровень высших гармоник, возникающих при работе мостовой схемы на тиристорах, то есть высокочастотных помех, которые не только мешают соседскому телевизору принимать телевизионные передачи, но даже могут наносить вред здоровью человека, являясь своего рода «электросмогом».
42
К сожалению, демонстрационная версия позволяет устанавливать только два, а в очень простых схемах — три тиристора. Причина в том, что для описания поведения тиристоров в программе PSPICE была использована очень дорогостоящая модель. Для многих исследований в области энерготехники это является существенным ограничением. В spicelab есть упрощенный вариант тиристора, благодаря чему в схемах, моделируемых в демонстрационной версии, можно устанавливать до шести таких элементов.
43
Трансформатор, использованный в этой схеме, находится в библиотеке ANALOG.slb и называется XFRM_LINEAR. Он имеет линейную В-Н-характеристику, то есть без учета насыщения железа сердечника. Атрибутами трансформатора XFRM_LINEAR являются значения индуктивности L1 и L2, а также коэффициент связи Coupling. В энерготехнике коэффициенты связи у трансформаторов имеют значения чуть меньше единицы, например 0.99. Для значений индуктивности действует отношение: L1/L2=N1²/N2². Таким образом, трансформатор, установленный в схеме на рис. 13.1, с заданными значениями L1=576 мГн и L2=16 мГн, имеет передаточное отношение N1/N2²=6/1. Программа PSPICE позволяет включать в схемы также трансформаторы и с нелинейными характеристиками. Чтобы правильно их использовать, необходимо хорошо знать классификацию магнитных сердечников.
Моделирование схемы, изображенной на рис. 13.1, в диапазоне времени от 0 до 100 мс позволило выявить следующую характеристику выходного напряжения (рис. 13.2).
Рис. 13.2. Выходное напряжение (фрагмент) полууправляемой мостовой схемы на тиристорах
После щелчка по кнопке FFT был получен частотный спектр выходного напряжения (рис. 13.3).
Рис. 13.3. Частотный спектр выходного напряжения мостовой схемы на тиристорах
Очевидно, что если не принять особых мер, эта мостовая схема не отвечает ни требованиям TELEKOM по допустимому уровню помех, ни предписаниям стандартов EMV. Возникает вопрос, поможет ли сглаживающий дроссель значительно снизить уровень помех. Установив дроссель индуктивностью 300 мГн, получаем схему, изображенную на рис. 13.4.
Рис. 13.4. Схема полумоста на тиристорах со сглаживающим дросселем
Моделирование (от 0 до 100 мс) дает диаграмму выходного напряжения, приведенную на рис. 13.5.