Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE

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 f_min=1.5 Гц, верхняя — на уровне f_max=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 v_a усилителя определяется по минимальному времени t_a, которое необходимо этому усилителю, чтобы изменить выходное напряжение на Du_a в диапазоне от 10% до 90% максимального неискаженного значения. Крутизна фронта определяется отношением v_a=Du_a/t_a. Без ощутимых искажений выходной МОП-транзисторный каскад позволяет модулирование амплитуды входного напряжения до 1.44 В.

При моделировании характеристики формирования фронта управление усилителя будет осуществляться с помощью источника напряжения VPWL (Voltage Source Partwise Linear). Как и все прочие источники напряжения, VPWL находится в библиотеке SOURCE.slb. Используя этот источник, можно заранее определить временную характеристику напряжения, задав пары значений времени и напряжения, которые связываются линейно (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Окно атрибутов источника напряжения VPWL с заданными значениями

Рис. 12.3. Диаграмма выходного напряжения

Чтобы смоделировать характеристику формирования фронта выходного напряжения, были заданы следующие пары значений времени и напряжения:

0с/0В; 1нс/1.44В; 7мкс/1.44В; 7.001мкс/-1.44В; 17мкс/-1.44В; 17.001мкс/1.44В; 21мкс/1.44В

После проведения анализа переходных процессов на экране PROBE была получена диаграмма, изображенная на рис. 12.3, где при R_H=8 Ом происходит нарастание входного напряжения из-за того, что прямоугольное входное напряжение имеет амплитуду 1.44 В. 

Скорость нарастания фронта выходного напряжения составляет 20 В/мкс.

12.3. Отношение сигнал-шум

Следующее, что нам предстоит определить, - отношение сигнал/шум при выходной мощности 1 Вт и сопротивлении нагрузки 8 Ом. Для этого амплитуда выходного напряжения должна составлять 4 В, что соответствует амплитуде входного напряжения, равной примерно 0.17 В.

Отношение сигнал/шум рассчитывается по формуле:

A_n = 20 * log[(U_aeff/(U_neff * vB)],

где В — интересующая нас полоса частот шума, то есть слышимая частотная область. При ширине полосы частот В — 20 кГц, плотности шума U_neff=0.1 мкВ и действующем значении выходного напряжения U_aeff=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 R_H=8 Ом, P=60 Вт (что соответствует амплитуде входного напряжения, равной 1.3 В) и f=1 кГц:

**** FOURIER ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

***********************************

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V($N_0001)

DC COMPONENT = -4.145819E-02

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE      NORMALIZED

NO       (HZ)      COMPONENT COMPONENT  (DEG)      PHASE (DEG)

1        1.000E+03 2.413E+01 1.000E+00 -5.025E-01  0.000E+00

2        2.000E+03 5.052E-04 2.094E-05  1.040E+02  1.045E+02

3        3.000E+03 4.226E-04 1.751E-05 -1.760E+02 -1.755E+02

4        4.000E+03 6.332E-05 2.624E-06  1.166E+02  1.171E+02

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 2.742063E-03 PERCENT

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]

39

Результаты сопоставления данных измерения с данными, полученными при моделировании, вы найдете в табл. 12.2. При желании вы можете пока пропустить страницы с описанием сложных анализов, проведенных с помощью PSPICE, в ходе которых были получены данные для сравнения. Не опасайтесь, что это помешает вашей дальнейшей работе с книгой.

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.