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
9.2. Шумы
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.