9.1.2. Частотный спектр выходного напряжения
9.1.2. Частотный спектр выходного напряжения
Частотный спектр прямоугольного напряжения прекрасно известен в электротехнике, и, чтобы его определить, вовсе не требуется прибегать к помощи PSPICE. Использовать удивительные возможности опции Fourier Analysis имеет смысл только тогда, когда требуется установить частотный спектр напряжения, характеристика которого не описывается одним законченным математическим выражением, например спектр (искаженного) выходного напряжения усилительного каскада.
Мерой искажений напряжения является коэффициент гармоник. Он определяется как соотношение действующего значения высших гармоник напряжения к действующему значению собственно напряжения. Анализ Фурье позволяет рассчитать коэффициент гармоник усилителя. В следующем разделе мы выявим коэффициент гармоник усилительного каскада.
Шаг 6 Начертите в редакторе SCHEMATICS усилительный каскад, изображенный на рис. 9.7, используя в нем источник напряжения типа VSIN. Сохраните свой чертеж в папке Projects под именем FOURIER2.sch. Проведите моделирование этой схемы во временном интервале при f=1 кГц, чтобы рассмотреть пятнадцать периодов повторения синусоиды, и выведите на экран PROBE диаграмму, представленную на рис. 9.8.
Рис. 9.7. Транзисторный усилитель в схеме с общим эмиттером
Рис. 9.8. Выходное напряжение транзисторного усилителя
После пяти периодов процесс установления импульса завершается. Однако даже невооруженным глазом видно, что верхняя полуволна шире, чем нижняя. Выходное напряжение искажено: усилитель «дребезжит».
Шаг 7 Ограничьте область используемых данных до стационарного состояния, то есть до временного интервала от 5 до 15 мс (последовательность команд Plot?X Axis Settings?Restricted?5ms–15ms) и создайте диаграмму частотного спектра, изображенную на рис. 9.9.
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