Построение переходной характеристики

Переходной характеристикой электрической цепи является временной отклик на выходе схемы в ответ на скачок напряжения на входе схемы.

Для получения переходной характеристики необходимо к входу схемы подключить источник импульсного сигнала VPULSE. Сигнал источника VPULSE показан на рис.19. Перечислим параметры этого источника:

V1 – начальное напряжение

V2 – конечное напряжение

TD – время начала переднего фронта

TR – длительность переднего фронта

TF – длительность заднего фронта

PW – длительность плоской части импульса

PER – период повторения

Какими должны быть численные значения этих параметров будет изложено чуть позже.

Рис.19. Форма сигнала источника напряжения VPULSE

Форма переходной характеристики и длительность переходного процесса однозначно связаны с формой АЧХ. Если у АЧХ есть спад коэффициента усиления на высоких частотах (рис.20а), то у переходной характеристики затянут фронт импульса (рис.20b). Если АЧХ имеет спад коэффициента усиления на низких частотах (рис.20c), то переходная характеристика имеет спад плоской части импульса (рис.20d). Полосовые фильтры (рис.20e) имеют переходную характеристику в виде затухающих колебаний на центральной частоте (рис.20f).

Длительность переходного процесса обратно пропорциональна граничным частотам, а для полосовых фильтров определяется добротностью.

Рис.20. АЧХ и переходные характеристики различных цепей; а), b) – АЧХ и ПХ фильтра нижних частот; c), d) – АЧХ и ПХ фильтра верхних частот;

e), f) – АЧХ и ПХ полосового фильтра

При построении переходной характеристики в PSpice удобней сначала построить АЧХ исследуемой схемы, определить по ней граничные частоты и коэффициент усиления, а затем задать параметры входного импульса.

Вначале следует задать длительность плоской части импульса PW. Длительность PW должна быть примерно равна длительности переходного процесса, которая определяется верхней или нижней граничной частотой для ФНЧ, ФВЧ или широкополосного усилителя, т.е.

где f _гр – верхняя или нижняя граничная частота (подставляется в герцах!!!).

Для полосового фильтра можно задать

где Δ f – полоса пропускания фильтра (подставляется в герцах!!!).

Период импульса PER можно задать в 2 раза больше чем длительность плоской части

PER = 2ּ PW.

Длительности фронтов импульса TF и TR должны быть намного меньше длительности плоской части, но не должны равняться 0. Поэтому можно задать

TF = TR = PW ×10^-3.

Длительность задержки TD удобней задать равной 0,

TD = 0.

Далее необходимо задать значения напряжений V 1 и V 2.

Начальное напряжение удобно брать равным нулю:

V 1 = 0.

Конечное напряжение необходимо задать таким, чтобы на выходе схемы не возникло искажение сигнала в виде ограничения амплитуды. Амплитуда на выходе усилителей на транзисторах, как правило, ограничена несколькими вольтами. Поэтому, можно задаться каким-то напряжением на выходе усилителя, при котором не наступает ограничение, и рассчитать какое при этом должно быть входное напряжение. Если хотим получить на выходе амплитуду напряжения равной 1 В, то напряжение на входе должно быть

где К – коэффициент усиления в полосе пропускания, определенный из АЧХ.

Далее для построения переходной характеристики необходимо задать временной анализ (transient) с конечным временем анализа (final time) равным 1¸ 2 периода сигнала на входе (т.е. равное PER).

Пример.

После построения АЧХ получили для некоторой схемы:

f _гр = 10 кГц, K = 70.

Рассчитаем параметры входного сигнала источника VPULSE для построения ПХ.