Symulacje komputerowe. Laboratorium III semestr EiT

Transkrypt

1 Symulacje komputerowe Laboratorium III semestr EiT

2 SPIS TRECI 1. Wprowadzenie 2. Edytor schematów formułowanie prostych układów elektronicznych i wyznaczanie ich charakterystyk statycznych, czstotliwociowych oraz czasowych 3. Niezalene i sterowane ródła napiciowe i prdowe 4. Modelowanie elementów indukcyjnych w programie PSPICE 5. Modelowanie diod półprzewodnikowych w programie PSPICE 6. Wyznaczanie wartoci parametrów modelu diody w programie PARTS 7. Modelowanie układów cyfrowych w programie PSPICE 8. Analiza wybranych układów analogowych za pomoc programu PSPICE 9. Analiza wybranych układów cyfrowych za pomoc programu PSPICE 10. Interpretacja opisu tekstowego makromodelu układu scalonego 11. Tworzenie symbolu graficznego modelu elementu w edytorze schematów 12. Formułowanie makromodeli elementów elektronicznych przy wykorzystaniu ródeł sterowanych Literatura Dodatek

3 1. Wprowadzenie 3 1. WPROWADZENIE Pakiet MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8 firmy MicroSim jest kolejn wersj, pracujc w rodowisku Windows 98/2000/XP, popularnego pakietu do symulacji układów elektronicznych PSpice. Pojawiajce si na rynku coraz nowsze wersje tego programu zawieraj nowe funkcje ułatwiajce modelowanie elementów i układów. Na rys. 1.1 [10, 20] przedstawiono schemat blokowy ilustrujcy współdziałanie poszczególnych programów tego pakietu. Rys.1.1. Schemat blokowy pakietu MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8 Pakiet MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8 zawiera narzdzia umoliwiajce narysowanie schematu (MicroSim Schematics), symulacj analogow i cyfrow (MicroSim Pspice A/D), optymalizacj parametrów układów (MicroSim Pspice Optimizer) i wizualizacj wyników oblicze całego procesu projektowego (MicroSim Probe). Wykorzystane s przy tym wszystkie zalety rodowiska Windows, co ułatwia prac z pakietem. Program Schematics pozwala narysowa schemat analizowanego układu, wybra typ i wartoci elementów, zdefiniowa parametry do optymalizacji oraz wybra rodzaje analiz, które maj by wykonane i ustali wartoci parametrów tych analiz. Opcje edycyjne umoliwiaj zapisywanie przygotowanego projektu, umieszczenie wybranych elementów w układzie, ich usuwanie, przenoszenie, zmian orientacji, wywietlanie właciwoci danego elementu, parametrów jego modelu i znajdowanie elementów na schemacie. Za pomoc znaczników mona na schemacie wybra wzły, w których maj by, po wykonaniu oblicze, wywietlone przebiegi napi oraz gałzie, dla których maj by wywietlone przebiegi prdów. Specjalne opcje umoliwiaj przejcie do edycji symboli, w których mona stworzy graficzny symbol elementu, opisa jego kocówki, okreli nazw elementu, nazw modelu, zdefiniowa symbol i jego obudow. W konfiguracji edytora mona równie doda now bibliotek elementów elektronicznych.

4 4 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania PSpice A/D umoliwia wykonanie analiz analogowych i cyfrowych układów elektronicznych. Wykonuje on analiz stałoprdow, zmiennoprdow, czasow, wraliwociow, Fouriera, tolerancji i temperaturow. Przed przystpieniem do wykonywania oblicze program sprawdza poprawno formaln przygotowanego obwodu i informuje uytkownika o ewentualnych błdach formalnych, wynikajcych np. z nieprawidłowego połczenia elementów układu, z braku zdefiniowanych modeli elementów lub błdnych ustawie analiz. Probe jest post-procesorem graficznym i umoliwia analiz wyników symulacji w postaci wykresów. Program ten umoliwia interaktywny podgld charakterystyk w wybranych przez uytkownika wzłach i gałziach. Program wizualizuje przebiegi napi i prdów w układzie, jak równie pozwala przygotowa wykresy funkcji wyraonych przy uyciu funkcji arytmetycznych i funkcji specjalnych wprowadzonych przez uytkownika. W oknach dialogowych mona zamieni zmienne na poszczególnych osiach, zmieni zakresy ich wartoci i skale, doda dodatkowe osie, doda w oknie nowe wykresy. Opcje analizy przebiegu pozwalaj powiksza i zmniejsza wykres lub jego fragmenty. Wykorzystanie kursora umoliwia dokładne odczytanie współrzdnych wybranych punktów na wykresach, wyznaczenie parametrów uzyskanego przebiegu, takich jak warto maksymalna, minimalna, okres sygnału. Opcje graficzne pozwalaj doda na wykresie tekst, linie, strzałki, punkty charakterystyczne, elipsy itp. Program PSpice Optimizer umoliwia optymalizacj analogowych układów elektronicznych. Realizuje on algorytm minimalizacji i algorytm najmniejszych kwadratów według ustawie zadanych w programie Schematics lub umoliwia deklaracj zmiennych bezporednio w platformie PSpice Optimizer. Procesowi optymalizacji mog podlega układy z zadeklarowanymi analizami zmiennoprdowymi, stałoprdowymi i czasowymi. Funkcje optymalizowane mog by zapisane w formie analitycznej w PSpice Optimizer lub mog by zapisane w formie tabelarycznej w pliku zewntrznym. Cały proces optymalizacji jest procesem iteracyjnym, w którym w PSpice Optimizer deklarowane s zakresy zmian wybranego parametru oraz minimalizowana funkcja, a w programie PSpice A/D wykonywane s obliczenia. Parts (MODEL EDITOR) jest programem słucym do wyznaczenia wartoci parametrów modeli elementów półprzewodnikowych i układów scalonych na podstawie ich charakterystyk. Definiowanie elementu nastpuje po podaniu jego podstawowych danych na bazie, których wygenerowany zostaje jego model. Model ten moe by wykorzystywany przez program Schematics przy formułowaniu obwodu. PCBoards umoliwia projektowanie płytki drukowanej wybranego układu. Podczas jej projektowania uwzgldniane s zadeklarowane przez uytkownika komponenty, które maj by uwzgldnione w procesie projektowania. cieki na płytce prowadzone s przez projektanta zgodnie ze schematem połcze układu. Po uzyskaniu mozaiki mona j wydrukowa na folii. PLSyn pozwala na projektowanie i analiz programowalnych matryc logicznych. Jest to szeroko pojta synteza logiczna układów swobodnie

5 1. Wprowadzenie 5 programowalnych. Program ten bazuje równie na programie Schematics, w którym deklarowany jest cały układ połcze, nastpnie jest on analizowany, a jego sygnały przetwarzane s na map przełcze, odpowiadajc strukturze wybranego elementu programowalnego. Ten sam układ moe by przetwarzany na struktur rónych układów programowalnych. W procesie modelowania i analizy układów elektronicznych niezbdne s modele elementów elektronicznych w postaci równa matematycznych opisujcych charakterystyki statyczne i dynamiczne poszczególnych elementów wraz z wartociami parametrów tych modeli zawartych w bibliotekach modeli (pliki LIB), symboli graficznych elementów zawartych w bibliotekach symboli (pliki SLB) oraz rysunków obudów tych elementów zawartych w bibliotekach obudów (pliki PLB). Producenci oprogramowania dostarczaj wiele bibliotek elementów, a równie producenci elementów udostpniaj na swoich stronach internetowych biblioteki modeli produkowanych przez siebie elementów. Biblioteki takie moe równie tworzy uytkownik. Celem niniejszego podrcznika jest praktyczne zapoznanie czytelnika z pakietem oprogramowania MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8, a w szczególnoci z programem PSPICE A/D stanowicym podstawow cz tego pakietu. Zapezentowano sposób formułowania obwodu w edytorze schematów oraz zadawania parametrów podstawowych analiz obwodu. Dalej opisano wbudowane w programie SPICE modele wybranych elementów półprzewodnikowych i biernych oraz niezalenych i sterowanych ródeł napiciowych i prdowych. Omówiony został sposób modelowania układów analogowych i cyfrowych oraz program PARTS do wyznaczania wartoci parametrów modeli elementów półprzewodnikowych w oparciu o ich dane katalogowe. Podsumowanie podrcznika stanowi wiczenia ilustrujce sposób formułowania własnych modeli elementów elektronicznych i układów scalonych, zarówno w postaci makromodeli, jak równie symboli tych modeli do edytora schematów. W poszczególnych rozdziałach znajduje si wstp teoretyczny opisujcy sposób realizacji rozwaanego zagadnienia oraz przykładowe zadania do samodzielnego rozwizania przez uczestnika zaj, pozwalajce oceni stopie opanowania rozwaanych w rozdziale zagadnie. Przedstawione w niniejszym podrczniku informacje zostały opracowane na podstawie literatury, której wykaz podano na kocu podrcznika [1 20] oraz dowiadczenia autora w zakresie modelowania i analizy elementów i układów elektronicznych. Podrcznik ten moe by przydatny dla studentów kierunku elektronika i telekomunikacja oraz elektrotechnika, a take dla innych osób pragncych rozszerzy sw wiedz z zakresu metod modelowania i analizy układów elektronicznych za pomoc programu Pspice.

6 6 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania 2. EDYTOR SCHEMATÓW FORMUŁOWANIE PROSTYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH I WYZNACZANIE ICH CHARAKTERYSTYK STATYCZNYCH, ORAZ CZASOWYCH CZSTOTLIWOCIOWYCH W niniejszym rozdziale opisano sposób formułowania schematu układu elektronicznego, który ma by poddany analizie oraz opisano sposób zadawania parametrów podstawowych analiz dostpnych w programie SPICE, tzn. wyznaczania punktu pracy, analizy stałoprdowej, małosygnałowej analizy czstotliwociowej oraz analizy stanów przejciowych. W celu uruchomienia programu Schematics naley z menu Start systemu Windows wybra zakładk DesignLab Eval8, w której znajduje si program Schematics i dwukrotnie klikn myszk na nazwie tego programu. W wyniku tego pojawi si na ekranie główne okno programu, w którego górnej czci znajduje si pasek menu, a pozostał cz okna zajmuje obszar roboczy. Poniej opisano sposób rysowania schematu analizowanego układu na przykładzie prostego wzmacniacza jednotranzystorowego, pokazanego na rys Rys.2.1. Schemat analizowanego wzmacniacza jednotranzystorowego Najpierw w menu programu Schematics naley wybra Draw, a po rozwiniciu menu - Get New Part (Ctrl+G). W wyniku tych czynnoci na ekranie pokae si okno zawierajce list dostpnych elementów (rys.2.2). Okno to mona równie otworzy klikajc mysz na ikon. Symbol potrzebnego elementu mona wybra z listy (z lewej strony okna) lub wpisa nazw w oknie Part Name. Po wybraniu elementu naley klikn przycisk Place i umieci wybrany element w wybranym fragmencie obszaru roboczego przez dwukrotne kliknicie lewym przyciskiem myszy. Po rozmieszczeniu wszystkich elementów danego typu naley klikn prawym przyciskiem myszy i wybra kolejny element. Dla rozwaanego układu z rys.2.1

7 2. Edytor schematów formułowanie prostych układów elektronicznych i 7 naley kolejno wybiera elementy o nastpujcych nazwach: - VDC - ródło napicia stałego, - R rezystor, - Q2N2222 tranzystor bipolarny typu 2N2222, - GND_ANALOG masa. Rys.2.2. Widok okna z list dostpnych elementów Po umieszczeniu wszystkich elementów w obszarze roboczym naley wcisn przycisk Close. Wówczas pole robocze powinno wyglda tak, jak na rys.2.3. Rys.2.3. Widok pola roboczego po umieszczeniu wszystkich elementów analizowanego układu Kolejnym etapem rysowania schematu jest połczenie poszczególnych kocówek elementów. W tym celu naley z menu wybra Draw, a po rozwiniciu menu - Draw Wire, wybra na klawiaturze (Ctrl+W) lub klikn mysz na ikon. Wówczas kursor przyjmie kształt ołówka. Naley najecha kursorem na wybran kocówk jednego z elementów, klikn lewy przycisk myszy i narysowa ciek do odpowiedniej kocówki innego elementu, klikajc na koniec lewym przyciskiem myszy. W ten sposób naley narysowa wszystkie potrzebne połczenia midzy elementami w rozwaanym układzie. Na koniec naley klikn prawy przycisk myszy.

8 8 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania Wystpujce na rysunku elementy maj tzw. domylne nazwy oraz wartoci. W celu edycji tych nazw lub wartoci naley dwukrotnie klikn nazw lub warto elementu. Wówczas pojawi si okno dialogowe, pokazane na rys.2.4. W oknie tym naley wpisa podan warto lub nazw elementu. a) b) Rys.2.4. Okna dialogowe do edycji wartoci (a) lub nazwy (b) elementu Po wykonaniu powyszych czynnoci uzyskuje si schemat układu z rys.2.1. Plik ze schematem mona zapisa wybierajc w menu polecenie File a po rozwiniciu menu - Save lub wciskajc na klawiaturze (Ctrl+S), albo klikajc mysz na ikon. W typowym oknie dialogowym systemu Windows uytkownik zostanie poproszony o podanie nazwy pliku oraz jego lokalizacji na dysku. Po narysowaniu schematu mona sprawdzi, czy nie zawiera on błdów formalnych przez wybranie w menu Analysis a po rozwiniciu menu - Create Netlist. Jeeli przygotowany schemat zawiera błdy formalne, to uytkownik otrzyma opis błdów w nowym oknie MicroSim Message Viewer. Wówczas naley poprawi błdy wystpujce na schemacie. Po narysowaniu poprawnego schematu mona przeprowadzi jego analizy komputerowe. Najprostsz analiz jest wyznaczenie punktu pracy analizowanego układu. Aby przeprowadzi taka analiz naley wybra w menu Analysis, a po rozwiniciu menu Simulate lub wcisn przycisk F11, albo klikn mysz ikon napi w wzłach klikajc mysz przycisk. Po wykonaniu oblicze mona odczyta wartoci, a prdy w poszczególnych gałziach - klikajc mysz przycisk. Jeeli po wciniciu tych przycisków na ekranie nie pojawi si współrzdne punktu pracy, naley wybra w menu Analysis a po rozwiniciu menu - Display Results on Schematic i zaznaczy warto Enable. Aby wyznaczy charakterystyki statyczne badanego układu naley przeprowadzi analiz stałoprdow. W charakterze przykładu pokazany zostanie sposób wyznaczenia zalenoci prdu kolektora tranzystora i C od napicia na ródłe napiciowym E C. W celu przeprowadzenia tej analizy naley wybra w menu Analysis a po rozwiniciu menu Setup lub klikn mysz na ikon. Wówczas pojawi si okno dialogowe pokazane na rys.2.5.

9 2. Edytor schematów formułowanie prostych układów elektronicznych i 9 Rys.2.5. Okno dialogowe do wyboru rodzaju analizy Na rysunku tym wystpuj białe kwadraty, w których zaznacza si, przy wykorzystaniu symbolu, rodzaj analizy, który ma by wykonany. Poszczególne przyciski oznaczaj: - AC Sweep małosygnałow analiz czstotliwociow, - Load Bias Point wprowadzenie współrzdnych punktu pracy z zewntrznego pliku, - Save Bias Point zapis współrzdnych punktu pracy do zewntrznego pliku, - DC Sweep analiz stałoprdow, - Monte Carlo/Worst Case analiz Monte Carlo lub analiz najgorszego przypadku przy załoonej tolerancji wartoci poszczególnych elementów układu, - Bias Point Detail wyznaczenie punktu pracy układu, - Digital Setup ustawienia analizy układów cyfrowych, - Options opcje analizy, np. dokładno, ilo dopuszczalnych iteracji, - Parametric analiza parametryczna, - Sensitivity analiza czułociowa, - Temperature zadawanie wartoci temperatury (wyraonej w stopniach Celsjusza), dla których maj by przeprowadzone analizy, - Transfer Function wyznaczanie wzmocnienia układu, - Transient analiza stanów przejciowych. Wybrane rodzaje analiz zostan omówione szczegółowo w dalszej czci podrcznika. Aby przeprowadzi wybran analiz stłoprdow naley w oknie z rys.2.5 wybra DC Sweep i klikajc na przycisku o tej nazwie ustawi parametry tej analizy w oknie dialogowym, pokazanym na rys W oknie tym, z lewej strony wybiera si rodzaj zmiennej przemiatanej. Moe nim by ródło napiciowe, temperatura, ródło prdowe, parametr modelu lub parametr globalny. W rozwaanym przypadku wybrano ródło napiciowe. Z prawej strony naley wpisa nazw tego ródła w rozwaanym przypadku EC. Nastpnie w lewej, dolnej czci okna okrela si sposób zmian wartoci napicia na wybranym ródle. Wybrano przemiatanie liniowe. W prawej dolnej czci okna podaje si 3 liczby: pocztek zakresu przemiatania, koniec tego zakresu, oraz krok zmian wartoci przemiatanej. W rozwaanym przykładzie liczby te wynosz odpowiednio 0, 20 V oraz 0,1 V. Przy wprowadzaniu liczb w rónych oknach dialogowych naley pamita, e separatorem dziesitnym jest kropka, a nie przecinek.

10 10 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania Rys.2.6. Okno dialogowe do ustalania parametrów analizy stałoprdowej Po wprowadzeniu wymienionych danych naley klikn na przycisk OK i zamkn okno dialogowe. Nastpnie naley uruchomi analiz w sposób opisany przy wyznaczaniu punktu pracy, np. wcisn przycisk F11. Na ekranie pojawi si okno programu Pspice A/D, a nastpnie, jeeli uytkownik nie popełnił błdów, pojawi si okno programu Probe. W górnej czci tego okna znajduje si pasek menu, poniej pasek z przyciskami skrótu, a reszt okna zajmuje obszar wykresu. W celu uzyskania na ekranie wykresu i ( E C C ), ilustrujcego wyniki przeprowadzonych analiz naley: a) na pasku narzdziowym klikn Trace i wybra Add (Insert), b) Po pojawieniu si okna dialogowego, pokazanego na rys.2.7, naley zaznaczy mysz IC(Q1), c) Wybór naley potwierdzi klikajc na przycisk OK Rys.2.7. Okno dialogowe umoliwiajce wybór zmiennych wykrelanych na wykresie W oknie dialogowym z rys.2.7 z lewej strony wystpuj prdy wszystkich elementów zawartych w analizowanym układzie oraz napicia we wszystkich wzłach układu. Prdy oznaczone s liter I, po której nastpuje ewentualnie

11 2. Edytor schematów formułowanie prostych układów elektronicznych i 11 litera oznaczajca kocówk elementu, a dalej w nawiasie podana jest nazwa elementu. Przykładowo, prd kolektora tranzystora Q1 jest oznaczony symbolem IC(Q1), a prd rezystora R3 symbolem I(R3). Z kolei, napicia oznaczane s liter V, po której w nawiasie podana jest nazwa wzła lub nazwa kocówki elementu. Przykładowo napicie na bazie tranzystora Q1 jest oznaczone symbolem V(Q1:b), napicie w wle 1 symbolem V(1). Z prawej strony okna dialogowego wystpuj funkcje, które mog by wykorzystane w zalenociach algebraicznych opisujcych zmienn wykrelan na osi pionowej. W oknie Trace Expression wpisuje si z klawiatury lub odpowiednio wybiera mysz funkcje i zmienne, opisujce wykrelan zaleno. W wyniki uzyskuje si wykres przedstawiony na rys.2.8. Osie wykresu s skalowane automatycznie w taki sposób, aby uzyska na ekranie obraz rozwaanej zalenoci w całym zakresie zmian zmiennej przemiatanej. Automatycznie zmienna przemiatana jest wybierana jako zmienna wykrelana na osi poziomej, a skale na obu osiach s liniowe. Rys.2.8. Okno programu PROBE z wykresem i C(E C) Oczywicie uytkownik moe zmieni zmienn wykrelan na osi poziomej. Przykładowo, w celu uzyskania, w oparciu o wyniki poprzednio przeprowadzonej analizy, wykresu charakterystyki i C ( u CE ) tranzystora Q1 naley: a) W menu programu PROBE wybra Plot, a po rozwiniciu menu wybra X Axis Settings, b) Wówczas pojawi si okno dialogowe, pokazane na rys.2.9. W oknie tym naley klikn mysz na przycisk Axis Variable, a nastpnie z listy, która si pojawi wybra napicie na kolektorze tranzystora V(Q1:c) i zaakceptowa wybór wciskajc Ok. W wyniku uzyska si wykres pokazany na rys Zmiennymi przemiatanymi w analizie DC mog by nie tylko wydajnoci ródeł napiciowych lub prdowych, ale take tzw. parametry globalne. Poniej przedstawiono sposób przeprowadzenia analizy stałoprdowej prowadzcej do

12 12 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania uzyskania zalenoci prdu kolektora od rezystancji rezystora RC. Rys.2.9. Okno dialogowe programu PROBE do zmian ustawie osi X W celu przeprowadzenia takiej analizy naley przej do programu Schematics i zmodyfikowa schemat pokazany na rys.2.1, dodajc na nim pseudo-element PARAM oraz parametryzujc warto rezystancji rezystora RC. Wykonanie wymienionych modyfikacji wymaga przeprowadzenia nastpujcych czynnoci: a) Na schemacie naley podda edycji rezystancj rezystora RC, wpisujc {RC} zamiast 1k, b) Wybra z listy elementów i umieci na schemacie element PARAM. Rys Okno programu PROBE z wykresem i C(u CE) W wyniku uzyska si schemat układu pokazany na rys Po dwukrotnym klikniciu mysz elementu PARAMETERS otworzy si okno dialogowe, pokazane na rys W oknie tym naley wprowadzi nazw parametru globalnego (NAME1) w rozwaanym przypadku RC oraz domyln warto tego parametru (VALUE1) w rozwaanym przypadku 1K. Nastpnym krokiem jest ustawienie odpowiednich parametrów analizy. W celu przeprowadzenia parametrycznej analizy stałoprdowej naley wybra w Setupie DC Sweep, a w oknie dialogowym pokazanym na rys.2.6 wybra nastpujce ustawienia: - Swept Var. Type - Global Parameter,

13 2. Edytor schematów formułowanie prostych układów elektronicznych i 13 - Name RC - Sweep Type Decade - Start Value 1 - End Value 10meg - Pts/Decade 20 Rys Zmodyfikowany schemat analizowanego układu Rys Okno dialogowe programu Schematics do deklaracji parametrów globalnych Ustawienia powysze oznaczaj, e przeprowadzona zostanie analiza stałoprdowa, w której przemiatana bdzie warto parametru globalnego RC w zakresie od 1 Ω do 1 MΩ, przy czym przemiatanie bdzie realizowane logarytmicznie, a obliczenia bd wykonywane w kadej dekadzie dla 20 wartoci tego parametru. Po wykonaniu oblicze pojawi si okno programu PROBE. W celu uzyskania wykresu zalenoci i C (RC) naley: a) Wybra jako zmienn wykrelan na osi pionowej IC(Q1), b) W oknie dialogowym, pokazanym na rys.2.9 zaznaczy Scale Log, dziki czemu uzyska si skal logaryczniczn na osi X. Parametryzacja wartoci elementów układu moe by równie wykorzystana do wyznaczania rodzin charakterystyk układów elektronicznych. Przykładowo, dla rozwaanego układu z rys.2.11 mona wyznaczy charakterystyki i ( E C C ) dla wybranych wartoci rezystancji RC. W celu przeprowadzenia takiej analizy naley w Setupie zaznaczy 2 rodzaje analiz DC Sweep oraz Parametric. Potem naley ustawi nastpujce parametry analizy stałoprdowej (DC Sweep) w oknie dialogowym pokazanym na rys. 2.6: - Swept Var. Type Voltage Source,

14 14 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania - Name EC - Sweep Type Linear - Start Value 0 - End Value 30 - Increment 0.01 Ustawienia te oznaczaj, e analiza stałoprdowa bdzie przeprowadzona wzgldem wydajnoci ródła napiciowego EC. Wydajno ta bdzie zmieniana liniowo od 0 do 30 V z krokiem 0,01 V. Nastpnie naley w oknie dialogowym analizy parametrycznej, pokazanym na rys.2.13, wprowadzi nastpujce ustawienia: Rys Okno dialogowe programu Schematics do deklaracji parametrów analizy parametrycznej - Swept Var. Type Global Parameter, - Name RC - Sweep Type Value List - Values 100, 1k, 10k, 100k Ustawienia te oznaczaj, e analizy stałoprdowe, zdefiniowane w oknie DC Sweep bd przeprowadzone przy rónych wartociach parametru globalnego RC. Parametr ten bdzie kolejno przyjmował wartoci równe 100 Ω, 1 kω, 10 kω oraz 100 kω. Po zamkniciu okna Setup oraz uruchomieniu oblicze, np. przyciskiem F11 zostan przeprowadzone 4 analizy stałoprdowe. Po zakoczeniu oblicze zostanie uruchomiony program PROBE, który wywietli okno dialogowe pokazane na rys W oknie tym podana jest lista wykonanych analiz. Uytkownik moe obejrze wyniki wszystkich analiz, wówczas wybiera tylko przycisk OK, lub pozostawia (klikajc mysz) zaznaczone na licie tylko te analizy, których wyniki chce wywietli i klikn przycisk OK. Dalej pojawi si standardowe okno programu PROBE, na którym naley wybra wykres prdu IC(Q1). Na ekranie pojawi si 4 krzywe oznaczone rónymi kolorami, a pod wykresem znajd si markery o takich samych kolorach. Klikajc dwukrotnie na marker uzyskuje si okno z informacj na temat ustawie analizy, której dotyczy dana krzywa na wykresie. Zilustrowano to na rys.2.15.

15 2. Edytor schematów formułowanie prostych układów elektronicznych i 15 Rys Okno dialogowe wyboru analizy w programie PROBE Rys Okno programu PROBE z wykresem i C(E C) dla rónych rezystancji RC Domylnie analizy w programie SPICE wykonywane s dla temperatury równej 27 o C. Wartoci tej temperatury uytkownik moe zmienia. Przykładowo, w celu wyznaczenia charakterystyk i E ) dla trzech C ( C temperatur, równych 27 C, 100 C, 150 C naley w Setupie zaznaczy 2 rodzaje analiz DC Sweep oraz Temperature. Nastpnie naley ustawi parametry analizy stałoprdowej (DC Sweep) identyczne jak w poprzednim przykładzie. Nastpnie w oknie dialogowym, pokazanym na rys.2.16, naley wprowadzi list wartoci temperatury (w stopniach Celsjusza), dla których maj by wykonane analizy. Po uruchomieniu symulacji SPICE wykona obliczenia zdefiniowane w oknie DC Sweep kolejno dla kadej wartoci temperatury zdefiniowanej w oknie Temperature Analysis. Po wykonaniu oblicze pojawi si okno dialogowe

16 16 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania programu PROBE, podobnie jak na rys.2.14, z list wykonanych analiz, których wyniki mona obejrze. Rys Okno dialogowe programu Schematics do zadawania temperatur analizy Oprócz charakterystyk statycznych, uzyskiwanych za pomoc analizy DC Sweep, program SPICE umoliwia równie wyznaczenie małosygnałowych charakterystyk czstotliwociowych przy wykorzystaniu analizy AC Sweep. Przy realizacja takiej analizy w obwodzie powinno znajdowa si co najmniej jedno ródło VAC lub IAC. Aby przeprowadzi analiz czstotliwociow naley w oknie Setup zaznaczy analiz AC Sweep i wypełni okno dialogowe pokazane na rys Rys Okno dialogowe programu Schematics do zadawania parametrów analizy czstotliwociowej W oknie tym wybiera si sposób przemiatania czstotliwoci (Linear, Octave lub Decade), ilo punktów w kadej dekadzie czstotliwoci oraz pocztek i koniec przedziału zmian czstotliwoci. W oknie tym mona równie zada parametry analizy szumowej (Noise Analysis). Przykładowo, w celu wyznaczenia rodziny charakterystyk czstotliwociowych rozwaanego układu tranzystorowego przy rónych wartociach rezystancji RC naley najpierw zmodyfikowa schemat analizowanego układu do postaci pokazanej na rys Dla wprowadzonego na schemacie ródła napiciowego VAC o nazwie EB naley poda niezerow warto amplitudy składowej zmiennej (ACMAG) oraz warto składowej stałej (DC) zapewniajc prac tranzystora Q1 w zakresie aktywnym normalnym. W rozwaanym przykładzie przyjto DC=0,6V oraz ACMAG=1V. Na schemacie wprowadzono równie etykiety wzłów wejciowego (we) i wyjciowego (wy). Etykiety te wprowadza si klikajc dwukrotnie na wybrany wzeł i wpisujc z klawiatury, po pojawieniu si okna dialogowego, wybran nazw wzła.

17 2. Edytor schematów formułowanie prostych układów elektronicznych i 17 Rys Schemat rozwaanego układu do analizy czstotliwociowej Kolejnym krokiem jest wybranie w Setupie dwóch analiz: AC Sweep oraz Parametric oraz wypełnienie odpowiednich okien dialogowych w sposób pokazany na rys.2.17 oraz Po uruchomieniu symulacji program SPICE wykona czterokrotnie analiz AC w zakresie od 10 Hz do 1000 MHz dla poszczególnych wartoci rezystancji RC. Po zakoczeniu analiz pojawi si na ekranie okno dialogowe programu PROBE umoliwiajce wybór wyników analiz, które bd stanowiły dane dla tworzonych wykresów. Wynikiem analizy AC Sweep s zalenoci amplitud oraz faz napi i prdów od czstotliwoci. W celu wykrelenia charakterystyki amplitudowej naley w programie PROBE wybra z menu Trace i po jego rozwiniciu klikn mysz Add. Wówczas pojawi si okno dialogowe o postaci pokazanej na rys.2.7. Naley wówczas przy wykorzystaniu myszy lub klawiatury wpisa w oknie Trace Expression wyraenie V(wy)/V(we) i klikn na przycisk OK. Aby jednoczenie móc oglda charakterystyk fazow układu naley w menu wybra Plot i po jego rozwiniciu klikn mysz Add Plot. Wówczas pojawi si dodatkowo puste pole wykresu. Znów naley wybra z menu Trace i po jego rozwiniciu klikn mysz Add. Po pojawieniu si okna dialogowego o postaci pokazanej na rys.2.7 naley wpisa w oknie Trace Expression wyraenie P(V(wy)/V(we)) i klikn na przycisk OK. W wyniku tych operacji uzyskuje si wykresy pokazane na rys Na górze wykrelona jest charakterystyka fazowa a na dole - charakterystyka amplitudowa. Jak mona zauway na charakterystyce fazowej, transmitancja rozwaanego układu posiada 3 bieguny, powodujce zmian przesunicia fazowego wnoszonego przez badany układ od 180 o do -90 o. Czsto istotne jest wyznaczenie czasowych przebiegów wystpujcych w analizowanym układzie elektronicznym. W tym celu wykorzystuje si analiz stanów przejciowych (Transient). Przy realizacji tej analizy w układzie powinno by co najmniej jedno ródło napiciowe lub prdowe, którego wydajno zmienia si w funkcji czasu. Sposób realizacji analizy stanów przejciowych zostanie zilustrowany poniej na przykładzie wzmacniacza jednotranzystorowego pobudzanego sygnałem trapezoidalnym. Celem analizy jest wyznaczenie czasowego przebiegu oraz widma prdu kolektora. Aby zrealizowa t analiz naley zmodyfikowa schemat rozwaanego układu do postaci pokazanej na rys.2.20.

18 18 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania Rys Wynik analizy czstotliwociowej układu z rys.2.18 Rys Schemat rozwaanego układu do analizy stanów przejciowych Rozwaany układ pobudzany jest sygnałem trapezoidalnym ze ródła napiciowego EB typu VPULSE. Po klikniciu na symbol ródła VPULSE pojawi si okno dialogowe, w którym naley wprowadzi nastpujce wartoci parametrów tego ródła: - poziom niski napicia V1 = -2 V, - poziom wysoki napicia V2 = 5 V, - czas opónienia TD = 0, - czas narastania impulsu TR = 100 ns, - czas opadania impulsu TF = 100 ns, - czas trwania impulsu PW = 5 µs, - okres powtarzania impulsu PER = 10 µs.

19 2. Edytor schematów formułowanie prostych układów elektronicznych i 19 W Setupie naley wybra analiz Transient. Wówczas pojawi si okno dialogowe, pokazane na rys Rys Okno dialogowe programu Schematics do zadawania parametrów analizy stanów przejciowych W górnej czci tego okna zadawane s parametry analizy stanów przejciowych. Parametr Print Step oznacza krok wydruku wyników oblicze w wyjciowym pliku tekstowym (*.out). Warto tego parametru musi by dodatnia i mniejsza od wartoci parametru Final Time oznaczajcego czas zakoczenia oblicze. Obliczenia realizowane s ze zmiennym krokiem czasowym, zalenym od szybkoci zmian napi i prdów w analizowanym układzie. Jeeli uytkownik chce zmniejszy wielko pliku wynikowego i nie s dla niego istotne wyniki oblicze z przedziału czasowego od zera do pewnej wartoci t max, to wówczas wpisuje w oknie dialogowym No-Print Delay = t max. Ostatni parametr Step Ceiling oznacza maksymalny krok oblicze. Warto tego parametru podaje si, gdy wystpuj problemy ze zbienoci oblicze lub wtedy, gdy uzyskiwane przebiegi czasowe nie s gładkie. Zwykle podaje si tylko wartoci Print Step oraz Final Time. Z kolei, w dolnej czci okna dialogowego podawane s parametry analizy widmowej. Jeeli analiza ta ma by realizowana, to naley zaznaczy kwadrat Enable Fourier, poda warto czstotliwoci podstawowej (Center Frequency), liczb harmonicznych (Number of harmonics) oraz list zmiennych, dla której maj by wyznaczone wartoci poszczególnych harmonicznych (Output Vars). Czstotliwo podstawowa musi by wysza od odwrotnoci czasowego zakresu analizy, a liczba harmonicznych nie moe przekroczy 100. Wyniki analizy widmowej podawane s w formie tekstowej w pliku *.out. Przy ustawieniach analizy stanów przejciowych podanych na rys.2.21 czasowy zakres analizy wynosi 50 µs. Po wykonaniu oblicze naley w programie PROBE wybra z menu Trace i klikn mysz Add. W oknie dialogowym naley wybra IC(Q1) i potwierdzi wybór przyciskiem Ok. W wyniku uzyska si czasowy przebieg prdu kolektora tranzystora Q1 pokazany na rys.2.22.

20 20 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania Rys Czasowy przebieg prdu kolektora tranzystora Q1 uzyskany z analizy stanów przejciowych W celu wyznaczenia widma prdu kolektora tranzystora Q1 naley klikn mysz ikon. W wyniku uzyska si wykres pokazany na rys Rys Widmo prdu kolektora tranzystora Q1 uzyskane z analizy stanów przejciowych Zadania do samodzielnego wykonania 1. Narysowa schemat układu przedstawionego na rysunku 2.24 i przeprowadzi nastpujce analizy: a) wyznaczenie punktu pracy układu, b) wyznaczenie stałoprdowej zalenoci prdu kolektora tranzystora Q1 od napicia midzy jego zaciskami wyjciowymi przy 4

21 2. Edytor schematów formułowanie prostych układów elektronicznych i 21 wartociach napicia na ródle V1 równych kolejno 0,6 V, 1 V, 1,5 V, 2 V. Przyj zakres zmian napicia na ródle EC od zera do 50 V. Rys Schemat układu rozwaanego w zadaniu 1 c) wyznaczenie zalenoci prdu rezystora RC od rezystancji rezystora RE (zmienianej w zakresie od 0,1 Ω do 10 kω) przy 3 wartociach temperatury równych kolejno 0, 30 oraz 100 o C. d) wyznaczenie charakterystyki amplitudowej i fazowej rozwaanego układu w zakresie czstotliwoci od 1 Hz do 1 GHz przy 2 wartociach składowej stałej napicia na ródle V1 równych kolejno 1 V oraz 2 V. Przyj, e napiciem wejciowym jest napicie na ródle V1, a napiciem wyjciowym napicie na kolektorze tranzystora Q1. e) wyznaczenie czasowego przebiegu i widma napicia midzy kolektorem a emiterem tranzystora Q1 przy pobudzeniu sygnałem ze ródła V1 w postaci przebiegu trapezoidalnego o poziomach równych -2 V oraz 4 V, czasach narastania i opadania równych 50 ns, czasie trwania impulsu 4 µs oraz okresie 10 µs. 2. Narysowa schemat układu przedstawionego na rysunku 2.25 i przeprowadzi nastpujce analizy: Rys Schemat układu rozwaanego w zadaniu 2 a) wyznaczy punkt pracy układu, b) wyznaczy przejciow charakterystyk amplitudow i fazow układu uwy/uwe dla wartoci R1 równych 1 kω, 100 Ω, 10 Ω,

22 22 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania c) wykona analiz stanów przejciowych układu dla pobudzenia sygnałem trapezoidalnym o poziomach - 2 V oraz 5 V, czasie opónienia TD = 0, czasie narastania i opadania równym 100 ns, czasie trwania impulsu równym 5 µs oraz okresie równym 10 µs. Wyznaczy przebieg czasowy oraz widmo napicia wyjciowego uwy. d) powtórzy obliczenia z punktu c) dla pobudzenia sygnałem trójktnym o identycznym okresie oraz wartoci maksymalnej i minimalnej jak dla sygnału trapezoidalnego, zdefiniowanego w punkcie c). Uwaga: 1. Jeeli w czasie rysowania schematu trzeba odwróci element, to po zaznaczeniu go mysz (ma wówczas kolor czerwony) naley nacisn przyciski Ctrl+R (obrót o 90 o ) lub Ctrl+F (lustrzne odbicie w poziomie). 2. W kadym analizowanym układzie musi wystpi wzeł masy, traktowany jako punkt odniesienia w układzie. 3. Midzy kadym wzłem obwodu a mas musi istnie połczenie o skoczonej rezystancji. 4. Do kadego wzła musz by podłczone kocówki co najmniej dwóch elementów. 5. Niespełnienie warunków 2-4 uniemoliwi wykonanie jakichkolwiek analiz.

23 3. Niezalene i sterowane ródła napiciowe i prdowe NIEZALENE I STEROWANE RÓDŁA NAPICIOWE I PRDOWE W programie PSPICE mona wykorzystywa ródła napiciowe i prdowe. Nazwy niezalenych ródeł napiciowych rozpoczynaj si od litery V, a nazwy niezalenych ródeł prdowych od litery I. Poniewa sygnały generowane przez ródła napiciowe i prdowe mog mie identyczny kształt, w dalszych rozwaaniach opisano szczegółowo tylko niezalene ródła napiciowe. W przypadku potrzeby zastosowania ródła prdowego generujcego przebieg o okrelonym kształcie naley wykorzysta ródło, w którego nazwie bdzie zastpiona tylko pierwsza litera V liter I. Oczywicie wszystkie parametry majce sens napi maj w takich ródłach sens prdów. W poprzednim rozdziale stosowane było ródło napicia stałego Vdc, którego jedynym parametrem jest warto napicia stałego wytwarzanego na jego zaciskach. W rozdziale 2 wykorzystywane było równie ródło Vac dedykowane do zastosowania w analizie czstotliwociowej. ródło Vac ma 3 parametry: - składow stał DC, - amplitud składowej zmiennej ACMAG, - faz pocztkow składowej zmiennej ACPHASE. Jeeli uytkownik nie poda wartoci którego z wymienionych parametrów, to program przyjmie domyln warto tego parametru równ zero. W programie PSPICE jest kilka rodzajów ródeł niezalenych wytwarzajcych napicia o przebiegach zmiennych w czasie. Poniej scharakteryzowano najwaniejsze z nich. ródło sygnału sinusoidalnego (VSIN) wytwarza na swoich zaciskach przebieg charakteryzowany przez nastpujce parametry: - VOFF warto rednia, - VAMPL amplituda, - FREQ czstotliwo, - TD czas opónienia (do tego czasu, liczc od pocztku analizy TRAN, napicie wyjciowe ródła ma warto równ VOFF), - DF współczynnik tłumienia napicia wyjciowego, - PHASE faza pocztkowa napicia wyjciowego. ródło sygnału trapezoidalnego (VPULSE) wytwarza na swoich zaciskach przebieg charakteryzowany przez nastpujce parametry: - V1 poziom pocztkowy napicia wyjciowego, - V2 poziom napicia wyjciowego po przełczeniu, - TD czas opónienia (do tego czasu, liczc od pocztku analizy TRAN, napicia wyjciowe ródła ma warto równ V1), - TR czas narastania, - TF czas opadania, - PW czas trwania impulsu, - PER okres powtarzania impulsów.

24 24 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania ródło sygnału opisanego łaman (VPWL) wytwarza na swoich zaciskach przebieg charakteryzowany przez pary liczb Ti, Vi (i = 1, 2, 3,, n) okrelajcych odpowiednio współrzdn czasow i napiciow punktu, bdcego wzłem łamanej opisujcej czasowy przebieg napicia wyjciowego ródła. Jeeli czas T1 > 0, to dla czasów mniejszych od T1 napicie wyjciowe ródła równe jest V1. Dla czasów wikszych od najwikszego czasu Tn przebieg napicia wyjciowego jest funkcj stał równ Vn. Oprócz ródeł niezalenych dostpne s równie w programie PSPICE 4 rodzaje ródeł sterowanych: a) ródło napiciowe sterowane napiciem, którego nazwa rozpoczyna si od litery E, b) ródło napiciowe sterowane prdem, którego nazwa rozpoczyna si od litery H, c) ródło prdowe sterowane napiciem, którego nazwa rozpoczyna si od litery G, d) ródło prdowe sterowane prdem, którego nazwa rozpoczyna si od litery F. O ile ródła niezalene s dwójnikami, to ródła sterowane s czwórnikami. Symbole, stosowane w programie Schematics, wybranych ródeł niezalenych pokazano na rys.3.1, a symbole wybranych ródeł sterowanych na rys.3.2. W ródłach sterowanych wystpuj zaciski wyjciowe (z prawej strony symbolu) oraz zaciski sterujce (z lewej strony symbolu). Rys.3.1. Symbole wybranych ródeł niezalenych w programie Schematics Rys.3.2. Symbole wybranych ródeł sterowanych w programie Schematics ródła sterowane mog by ródłami liniowymi, w których relacja midzy wielkoci wejciow i wyjciow jest liniowa, lub ródłami nieliniowymi, w których zaleno ta jest nieliniowa. W ródłach liniowych wystpuje tylko jeden parametr GAIN opisujcy iloraz wielkoci wyjciowej przez wejciow. W ródłach E ma on sens wzmocnienia napiciowego, w ródłach F wzmocnienia prdowego, w ródłach G transkonduktancji, a w ródłach H transrezystancji. Relacja midzy wielkoci wyjciow a wejciow moe by równie

25 3. Niezalene i sterowane ródła napiciowe i prdowe 25 opisana za pomoc wielomianu. W nazwie takich ródeł po pierwszej literze wystpuje POLY. Przykładowo w ródle napiciowym sterowanym napiciem (EPOLY) napicie wyjciowe Uwy ródła opisane jest wielomianem napicia sterujcego Uwe. W opisie ródła naley poda liczby, stanowice współczynniki przy kolejnych potgach wielomianu, poczwszy od najniszej do najwyszej. Poszczególne współczynniki naley oddzieli od siebie spacjami. Jeeli który współczynnik wielomianu jest równy zero, to naley wpisa na licie wartoci parametrów w odpowiednim miejscu zero, np. w przypadku wielomianu o postaci x 4 + x 2 naley wpisa COEFF = ródła sterowane napiciem (E oraz G) mog by opisane take za pomoc funkcji odcinkami liniowej (ródła ETABLE oraz GTABLE) lub za pomoc złoenia funkcji elementarnych (EVALUE oraz GVALUE). Tabela 3.1. Funkcje elementarne, które mog by uyte w opisie wydajnoci ródła EVALUE FUNKCJA ZNACZENIE OPIS ABS(X),M(X) x warto bezwzgldna z x ACOS(X) cos -1 (x) arcus cosinus z x [rad] ARCTAN(X), ATAN(X) tan -1 (x) arcus tangens z x [rad] ASIN(X) sin -1 (x) arcus sinus z x [rad] ATAN2(Y,X) tan -1 (y/x) arcus tangens z y/x [rad] COS(X) cos(x) cosinus z x [rad] COSH(X) cosh(x) cosinus hiperboliczny z x [rad] DDT(X) dx/dt pochodna dx/dt EXP(X) e x eksponenta z x IF(T,X,Y) zwraca x jeli spełniony warunek t; zwraca y jeli nie jest spełniony funkcja warunkowa if warunek t zwraca min jeli x<min; zwraca LIMIT max jeli x>max; zwraca x w (X,MIN,MAX) pozostałych LOG(X) ln(x) logarytm naturalny z x MAX(X,Y) zwraca wiksz sporód wartoci x oraz y maksimum x i y MIN(X,Y) zwraca mniejsz sporód wartoci minimum x i y x oraz y PWR(X,Y) x y funkcja potgowa PWRS(X,Y) + x y gdy x>0; x y gdy x<0 funkcja potgowa ze znakiem SDT(X) x dt całka z x SGN(X) zwraca + 1 gdy x>0; zwraca 1 gdy x<0 Znak wyraenia x SIN(X) sin(x) sinus z x [rad] SINH(X) sinh(x) sinus hiperboliczny z x [rad] STP(X) zwraca + 1 gdy x>0.0; zwraca 1 gdy x<0.0 SQRT(X) x 1/2 pierwiastek kwadratowy z x TAN(X) tan(x) tangens z x [rad] TANH(X) tanh(x) tangens hiperboliczny z x [rad]

26 26 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania Przykładowo, w opisie ródła ETABLE naley poda nazw wielkoci sterujcej (domylnie jest to napicie wejciowe Uwe) oraz współrzdne punktów (Uwei, Uwyi), gdzie i = 1, 2, n, stanowicych wzły łamanej, bdcej wykresem rozwaanej funkcji odcinkami liniowej. Dla napi wejciowych mniejszych od Uwe1 wartoci napicia wyjciowego wynosz Uwy1, za dla napi wejciowych wikszych od Uwen, napicie wyjciowe wynosi Uwyn. Z kolei, w ródle sterowanym EVALUE zaleno napicia wyjciowego od wielkoci sterujcej dane jest złoeniem funkcji elementarnych (dozwolone funkcje wymienione s w tabeli 3.1). W opisie wydajnoci ródła wpisuje si posta funkcji opisujcej wydajno ródła. Przykładowo, jeeli ródło sterowane jest napiciem w wle 1, a funkcja opisujca stanowi sum funkcji wykładniczej (ekspotencjalnej) i liniowej, to naley w opisie ródła wpisa EXPR=exp(v(1))+v(1). Zadania do samodzielnego wykonania 1. Wybra odpowiedni typ ródła napiciowego i rodzaj analizy, zapewniajcy uzyskanie czasowego przebiegu sinusoidalnego o czstotliwoci 1 khz, amplitudzie 2 V oraz wartoci redniej 3 V. 2. Wybra odpowiedni typ ródła napiciowego i rodzaj analizy, zapewniajcy uzyskanie czasowego tłumionego przebiegu cosinusoidalnego o czstotliwoci 1 khz, amplitudzie 2 V, wartoci redniej 3 V oraz współczynniku tłumienia Wybra odpowiedni typ ródła napiciowego i rodzaj analizy, zapewniajcy uzyskanie czasowego przebiegu trapezoidalnego o poziomach równych odpowiednio 1 V oraz 5 V, czasie narastania i opadania równych 1 µs, czasie trwania impulsu 10 µs oraz czstotliwoci 50 khz. Generacja przebiegu powinna rozpocz si po upływie 15 µs od chwili rozpoczcia analizy. 4. Wybra odpowiedni typ ródła napiciowego i rodzaj analizy, zapewniajcy uzyskanie czasowego przebiegu trójktnego o wartoci minimalnej i maksymalnej równych odpowiednio 1 V i 5 V oraz czstotliwoci 20 khz. Generacja przebiegu powinna rozpocz si po upływie 18 µs od chwili rozpoczcia analizy. 5. Wybra odpowiedni typ ródła napiciowego i rodzaj analizy, zapewniajcy uzyskanie czasowego przebiegu napicia o kształcie pokazanym na rys W układzie z rys.3.4 opisa wydajno ródła E1 w taki sposób, aby na jego zaciskach uzyska napicie opisane zalenoci 2 U wy = uwe + uwe + (3.1) ( ) 2 Wykreli charakterystyk przejciow ródła E1 przy zmianach wartoci uwe w zakresie od 0 do 10V. 7. W układzie z rys.3.5 opisa wydajno ródła E6 w taki sposób, aby spełniało ono rol ogranicznika napicia wyjciowego w zakresie od -2 V do 3 V. Wystpujce na tym rysunku ródło V1 wytwarza napicie

27 3. Niezalene i sterowane ródła napiciowe i prdowe 27 sinusoidalne o wartoci redniej równej zero, amplitudzie 5 V i czstotliwoci 10 khz. Przedstawi przebiegi na zaciskach obu ródeł dla czasu od 0 do 200 µs U[V] t[ms] Rys.3.3. Przebieg napicia do wygenerowania w punkcie 5 Rys.3.4. Układ rozwaany w punkcie 6 Rys.3.5. Układ rozwaany w punkcie 7 8. W układzie z rys.3.6 opisa wydajno ródła E1 w taki sposób, aby na jego zaciskach uzyska napicie opisane zalenoci 2 uwe U wy = ( uwe) + exp + 2 (3.2) 3 Wykreli charakterystyk ródła E1 przy zmianach wartoci uwe w zakresie od 0 do 10 V.

28 28 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania Rys.3.6. Układ rozwaany w punkcie 8

29 4. Modelowanie elementów indukcyjnych w programie SPICE MODELOWANIE ELEMENTÓW INDUKCYJNYCH W PROGRAMIE PSPICE Elementy bierne, do których nale rezystory, kondensatory i cewki s typowo opisywane w programie PSPICE za pomoc modeli liniowych, opisywanych za pomoc jednego parametru. W przypadku cewek jest to indukcyjno L. Istniej równie nieliniowe modele wymienionych elementów. W modelach tych typowo wykorzystuje si wielomian drugiego stopnia, opisujcy zaleno indukcyjnoci od prdu i oraz temperatury T dany wzorem 2 2 [ 1+ TC1 ( T T ) + TC2 ( T T ) + IL1 i + IL ] L( i, T ) = L i (4.1) We wzorze tym L oznacza indukcyjnoc cewki przy prdzie i = 0 oraz temperaturze T równej temperaturze odniesienia T 0 (domylnie T 0 = 27 o C), TC1 i TC2 oznaczaj liniowy oraz kwadratowy współczynnik temperaturowych zmian indukcyjnoci, za IL1 i IL2 - liniowy oraz kwadratowy współczynnik prdowych zmian indukcyjnoci. Opis indukcyjnoci za pomoc wzoru (4.1) dotyczy cewek, które w programie Schematics nosz nazw Lbreak. Cewki o nazwie L s elementami liniowymi. Parametrami modelu cewki Lbreak s: L, TC1, TC2, IL1, IL2. Oprócz tego uytkownik wprowadza dla tego elementu parametr Value. Indukcyjno cewki stanowi iloczyn parametru Value oraz wartoci uzyskanej ze wzoru (4.1). W praktyce czsto wykorzystuje si cewki z rdzeniem ferromagnetycznym. Ze wzgldu na nieliniowo tego rdzenia obserwuje si silnie nieliniowe charakterystyki cewki. W programie PSPICE modeluje si cewki z rdzeniem przy wykorzystaniu modelu Jilesa-Athertona, który opisuje właciwoci rdzenia ferromagnetycznego. Model ten opisuj nastpujce równania [9, 20] dm M a M C dm a = + (4.2) dh 1+ C δ K 1 + C ( ) dh H M a = M S (4.3) H + A W powyszych równaniach H oznacza natnie pola magnetycznego w rdzeniu, M magnetyzacj rdzenia, M a magnetyzacj na krzywej pierwotnego magnesowania, pozostałe wielkoci to parametry modelu. Maj one nastpujcy sens: C współczynnik elastycznych odkształce cian domen magnetycznych, K współczynnik nieelastycznych odkształce cian domen, A parametr pola magnetycznego, M S magnetyzacja nasycenia, δ - współczynnik równy 1, gdy natenie pola magnetycznego ronie oraz -1, gdy natenie to maleje. Model Jilesa-Athertona charakteryzuje właciwoci materiału ferromagnetycznego, ale na właciwoci rdzenia maj istotny wpływ równie jego wymiary definiowane przez parametry PATH długo drogi magnetycznej [cm], GAP długo szczeliny powietrznej w rdzeniu [cm], AREA pole przekroju czynnego rdzenia [cm 2 ].

30 30 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania Sprzenie cewki z rdzeniem zapewnia element Kbreak, który zawiera w sobie nieliniowy model rdzenia, a przy jego deklaracji podaje si nazw cewki, która współpracuje z tym rdzeniem. Cewka ta musi by opisana modelem liniowym, a jej warto jest interpretowana przez program nie jako indukcyjno, ale jako ilo zwojów nawinitych na rdzeniu. Oczywicie indukcyjno tej cewki jest zalena od wartoci prdu. Niestety, stosujc nieliniowy model rdzenia nie mona uwzgldni zalenoci indukcyjnoci od temperatury. Aby wyznaczy zaleno indukcyjnoci cewki od prdu naley wykorzysta układ pokazany na rys.4.1. W układzie tym badana cewka L1 zasilana jest ze ródła prdowego Iwe generujcego przebieg trapezoidalny. Rezystor R1 wystpuje w układzie ze wzgldów formalnych, poniewa w PSPICE niedopuszczalne jest tworzenie oczek zawierajcych tylko cewk i ródło prdowe. W parametrach ródła prdowego przyjmuje si zerow warto poziomu niskiego I1, a warto poziomu wysokiego I2 równa jest wartoci maksymalnej prdu, dla której ma by wyznaczona zaleno L(i). Naley przyj zerow warto czasu opónienia TD, a czas narastania impulsu TR powinien wynosi około 1 ms. Dla rozwaanego układu naley przeprowadzi analiz stanów przejciowych, przyjmujc warto Final Time równ wartoci czasu TR. Wówczas, w całym rozwaanym zakresie analizy, prd jest liniowo narastajc funkcj czasu. Rys.4.1. Układ do wyznaczania zalenoci L(i) Jak wiadomo, podstawowe równanie cewki ma posta dil ul = L (4.4) dt gdzie u L oznacza napicie na cewce, za i L prd płyncy przez t cewk. A zatem po wykonaniu analizy stanów przejciowych naley w programie u PROBE wykreli na osi pionowej wyraenie o postaci L, a na osi I 2 TR I1 poziomej wybra prd cewki i(l1). Aby mona było zbada wpływ parametrów modelu cewki na uzyskiwan zaleno L(i) naley wprowadzi do modelu cewki Lbreak wybrane wartoci parametrów L, TC1, TC2, IL1 oraz IL2. Po narysowaniu schematu pokazanego na rys.4.1 naley dwukrotnie klikn

31 4. Modelowanie elementów indukcyjnych w programie SPICE 31 na symbolu cewki. Wówczas pojawi si okno dialogowe pokazane na rys.4.2. Rys.4.2. Okno dialogowe do wprowadzania wartoci parametrów cewki W oknie tym trzeba wprowadzi warto parametru VALUE, który jest mnonikiem indukcyjnoci obliczonej ze wzoru (4.1). Mona równie poda warto parametru IC, majcego sens warunku pocztkowego prdu cewki. W celu wprowadzenia lub modyfikacji wartoci parametrów nieliniowego modelu cewki naley zaznaczy cewk na schemacie (jej symbol stanie si wówczas czerwony), a nastpnie z menu programu Schematics wybra Edit, a po rozwiniciu tego menu Model. Wówczas pojawi si okno dialogowe pokazane na rys.4.3. Rys.4.3. Okno dialogowe Edit Model Przyciski znajdujce si z prawej strony okna umoliwiaj kolejno: - zmian nazwy modelu, - edycj tekstow wartoci parametrów modelu, - edycj lub estymacj parametrów modelu w programie PARTS. Po wybraniu rodkowego przycisku pojawia si okno dialogowe, pokazane na rys.4.4, umoliwiajce edycj wartoci parametrów modelu Lbreak. Rys.4.4. Okno dialogowe umoliwiajce edycj wartoci parametrów modelu Lbreak W lewym górnym rogu tego okna znajduje si informacja o nazwie modelu oraz bibliotece ródłowej (w tym przypadku BREAKOUT.LIB). W prawym górnym rogu podana jest cieka dostpu i nazwa pliku, w którym zostanie zapisany zmodyfikowany model. W głównej czci okna znajduje si deklaracja modelu Lbreak, która składa si ze słowa kluczowego model (poprzedzonego kropk), nazwy modelu (Lbreak), rodzaju opisywanego elementu (IND) oraz

32 32 Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania listy parametrów modelu wraz z ich wartociami. Opis modelu koczy znak *$. Jak wida, w pokazanej deklaracji wystpuje tylko jeden parametr L. Pozostałe parametry modelu maj wartoci domylne (w tym przypadku zerowe). W celu wprowadzenia wartoci innych parametrów modelu naley wpisa ich nazwy i wartoci w obszarze midzy rodzajem modelu a znakiem koca opisu modelu. W przypadku cewki z rdzeniem ferromagnetycznym układ do wyznaczania zalenoci L(i) ma posta pokazan na rys.4.5. Rys.4.5. Układ do wyznaczania zalenoci L(i) dla cewki z rdzeniem W układzie tym cewka L1 jest opisana modelem liniowym, a jej warto oznacza liczb zwojów. Rdze jest reprezentowany przez element K typu Kbreak. Po dwukrotnym klikniciu mysz na symbolu K otwiera si okno dialogowe, pokazane na rys.4.6, umoliwiajce deklaracj cewek sprzonych przez ten rdze. Rys.4.6. Okno dialogowe umoliwiajce deklaracj elementów sprzonych magnetycznie przez rdze W oknie tym podaje si kolejno nazwy cewek sprzonych przez rozwaany rdze (w rozwaanym przypadku jest to tylko jedna cewka L1) oraz warto współczynnika sprzenia (COUPLING), która musi by zawarta w przedziale od 0 do 1. Wartoci parametrów modelu rdzenia (AREA, GAP, PATH, MS, A, C, K) wprowadza si analogicznie jak dla modelu cewki Lbreak, przy czym przed wejciem do menu naley zaznaczy element K. Analizujc układy zawierajce rdze ferromagnetyczny uzyskuje si w wyniku, oprócz przebiegów napi i prdów, take przebiegi natenia pola magnetycznego H oraz indukcji pola magnetycznego B. Naley pamita, e w programie PROBE jednostkami tych wielkoci nie s jednostki układu SI, ale jednostki układu cgs, odpowiednio Oe oraz Ga. Relacje midzy tymi jednostkami, a jednostkami układu SI s nastpujce: 1 A/m = 79,6 Oe, za 1