Ćwiczenie 1. Podstawy opisu i analizy obwodów w programie SPICE

Transkrypt

1 Ćwiczenie 1. Podstawy opisu i analizy obwodów w programie SPICE Zadanie 1.1. Obwód RC a) ANALIZA DC: Wykreślić napięcie Vout w funkcji napięcia V1 zmieniającego się w zakresie -10V do 10V z krokiem 0,01V 1) zamieścić odpowiedni wykres *RC Rs 1 2 9Meg *Cs 1 2 {Cs} Ro 2 0 1Meg Co p V DC V PROBE.END

2

3 2) wyznaczyć graficznie wzmocnienie napięciowe układu kv=vout/v1

4 b) ANALIZA AC: Wykonać analizę amplitudową i fazową w zakresie 10Hz do 1GHz (101 punktów na dekadę) przyjmując Cs=0,1pF i 10pF. Na podstawie wykresów zinterpretować, jaką rolę pełni pojemność Cs. *Obwod RC.Param Cvar=0p.Step LIN PARAM Cvar 1p 10p 9p V1 1 0 AC 1 0 Rs 1 2 9Meg Cs 1 2 {Cvar} Ro 2 0 1Meg Co p.AC DEC Meg.probe V(2).end 1) zamieścić odpowiedni wykres

5

6 Dla C=1pF obwód zachowuje się jak filtr dolnoprzepustowy. Zaś dla C=10pF jak górnoprzepustowy.

7 2) podać częstotliwość graniczną obwodu dla górnoprzepustowego użyłem funkcji XatNthY dla wartości X=0,707*41,8096=29, uzyskałem wartość 11,059 khz:

8 dla dolnoprzepustowego - użyłem funkcji XatNthYpct dla wartości X*29,3% uzyskałem wartość 40,74kHz:

9 3) skorzystać z funkcji wbudowanych programu Probe w celu obliczenia częstotliwości granicznej i porównać z wartością wyznaczoną graficznie. dla górnoprzepustowego użyłem funkcji LPBW; uzyskana wartość 11,036kHz niewiele różni się od wyniku uzyskanego przy pomocy metody graficznej:

10 dla dolnoprzepustowego użyłem funkcji LPBW; uzyskana wartość 40,66 khz niewiele różni się od wyniku uzyskanego przy pomocy metody graficznej:

11 c) PROJEKT I: Wyjaśnić za pomocą odpowiednich przebiegów (analiza AC) znaczenie elementu Cs i na podstawie obliczeń zaproponować jego wartość tak, aby charakterystyka amplitudowa w węźle Vout była płaska w jak największym zakresie. Aby charakterystyka amplitudowa w węźle Vout była płaska jak w największym zakresie należy skompensować układ. Wartość Cs możemy wyznaczyć porównując następujące stałe czasowe: RS-CS i R0-C0 porównanie tych stałych czasowych oznacza kompensacje obwodu. Otrzymujemy: 1) zamieścić obliczenia optymalnej wartości kondensatora Cs. R 0 *C 0 = R s *C s => C s = R 0 *C 0 / R s C s =1MΩ/9 MΩ*10pF=1,11pF PODGLĄD PLIKU *.CIR *Obwod RC.Param Cvar=0p.Step LIN PARAM Cvar p 1.11p V1 0 1 AC 1 0 Rs 1 2 9Meg Cs 1 2 {Cvar} Ro 2 0 1Meg Co p.AC DEC Meg.probe.end

12 Jak widać dla wartości Cs=2,22pF układ zachowuje się jak filtr górnoprzepustowy, dla Cs=0pF jak filtr dolnoprzepustowy. Dla wartości Cs=1,11pF następuje kompensacja.

13 d) ANALIZA TRAN: Podać na wejście obwodu przebieg prostokątny o okresie 100us dla Cs=0,1pF, 10pF i na podstawie obliczeń Projektu I 1) zamieścić odpowiedni wykres analizy AC oraz TRAN jako dowód poprawności obliczeń. Dla Cs=0,1pF mamy do czynienia z filtrem dolnoprzepustowym, zaś dla wartości Cs=10pF filtr ma charakter górnoprzepustowy. Wykres dla analizy AC dla pojemności 0,1pF i 10 pf *Obwod RC.Param Cvar=0.1p.Step LIN PARAM Cvar 0.1p 10p 9.9p V1 1 0 pulse ( ) AC 1 0 Rs 1 2 9Meg Cs 1 2 {Cvar} Ro 2 0 1Meg Co p.AC DEC Meg.probe.end

14 wykres dla analizy TRAN dla pojemności 0,1pF i 10pF *Obwod RC.Param Cvar=0.1p.Step LIN PARAM Cvar 0.1p 10p 9.9p V1 1 0 pulse ( ) Rs 1 2 9Meg Cs 1 2 {Cvar} Ro 2 0 1Meg Co p.tran 1u probe.end

15 Dla pojemności c=1,11p; *Obwod RC V1 1 0 pulse ( ) Rs 1 2 9Meg Cs p Ro 2 0 1Meg Co p.tran 1u end

16

17 Zadanie Obwód RCEF Opisać za pomocą instrukcji programu SPICE obwod pokazany na rysunku Zgodnie z rysunkiem użyć źródła napięciowego sterowanego napięciem i prądowego sterowanego prądem. Na wstępie przyjąć V2=10V, h21=100, h12=0,01, C1=0pF. SCHEMAT OBWODU: Do opisu źródła prądowego sterowanego prądem potrzebne było dołączenie źródła napięciowego pomiędzy węzłem 6. a masą.

18 a) ANALIZA DC: Wykreślić napięcie Vout w funkcji napięcia V1 zmieniającego się w zakresie -5V do 10V z krokiem 0,01V. *RCEF Rin k Rin k Rout k C p V V V E F1 3 0 V0 100.DC V PROBE V(3).END

19 1) zamieścić odpowiedni wykres,

20 2) wyznaczyć graficznie wzmocnienie napięciowe układu kv=vout/v1.

21 b) ANALIZA AC: Wykonać analizę amplitudową i fazową w zakresie 100Hz do 100MegHz (101 punktów na dekadę) przyjmując C1=1pF i 10pF. *RCEF.PARAM Cvar=1pF.STEP LIN PARAM Cvar 1p 10p 9p Rin k Rin k Rout k C1 3 2 {Cvar} V V V AC 4 0 E F1 3 0 V0 100.AC DEC Meg.PROBE V(3).END

22 1) zamieścić odpowiedni wykres Na podstawie wykresów zinterpretować, jaką rolę pełni pojemność C1, powiązać jej działanie z funkcją pełnioną przez napięciowe źródło sterowane i współczynnik h12; Jak widzimy zmniejszenie pojemności powoduje zawężenie pasma przepuszczania, tym samym skutkuje zwiększanie współczynnika h12.

23 2) podać częstotliwość graniczną obwodu (zaznaczyć na wykresie) Częstotliwość graniczną wyznaczyłem przy pomocy wbudowanej funkcji Probe - LPBW, wynosi ona 35,84kHz.

24 Podobny wynik ( 35,76kHz) otrzymałem stosując metodę graficzną;

25 d) PROJEKT I DC: Wykonać obliczenia obwodu: zaproponować zmianę wartości jednego z parametrów (np.: Rout lub h21) tak, aby kv=80. kv=v out /V 1 = (-h21*i in *R out ) / [ (R in1 +R in2 )*I in h 12 *h 21 *I in *R out ] = (-h21*r out )/( R in1 +R in2 h 12 *h 21 *R out ) a więc 80*(100k+1k-0,01*100R out )= -h21*r out i dalej; 8080k -80R out =-100 R out => R out =-8080/20=-404Ω Po podstawieniu tej wartości do pliku *.cir otrzymujemy następujący wykres; Łatwo zauważyć, że iloczyn V(3) /V1 jest stały i równy zadanej wartości 80.

26 Zadanie 1.3. Obwód RD Opisać za pomocą instrukcji programu SPICE obwód pokazany na rysunku;

27 a) ANALIZA DC: Wykreślić napięcie Vout w funkcji napięcia Vin zmieniającego się w zakresie -5V do 5V z krokiem 0,05V. Wyjaśnić sposób działania obwodu i znaczenie poszczególnych elementów w kształtowaniu charakterystyki Vout(Vin). *RD V R k R k R R k D1 3 2 D1N4154 D2 2 3 D1N4154 D3 4 0 D02CZ3_3 D4 4 5 D02CZ3_3.MODEL D1N4154 D + Is=153.4p N=1.487 Rs=.6329 Ikf=3.53m Xti=3 Eg=1.11 Cjo=2.251p + M=.1575 Vj=.5 Fc=.5 Isr=4.763n Nr=2 Bv=35 Ibv=5u Tt=5.771n.MODEL D02CZ3_3 D + Is=9.086p N=1.395 Rs=0 Ikf=.11 Xti=3 Eg=1.11 Cjo=406.2p + M=1.548 Vj=5 Fc=.5 Isr=7.521u Nr=2 Bv=3.328 Ibv=57.48m Tt=5n.DC V probe.END

28 Diody wchodzące w skład obwodu powodują, że prąd płynie przez te przyrządy dopiero po przekroczeniu napięcia progowego w naszym przypadku jest to ok. 17V. Prądy gałęzi rezystancyjnych przyjmują zauważalne wartości dla napięcia V1 > 0,5V. Wartość rezystorów odpowiada za nachylenie powyższej charakterystyki. Po zmianie wartości R1 i R2 odpowiednio na 2kΩ i 25kΩ wykres ten staje się bardziej stromy.

29 b) PROJEKT I: Wykonać obwód kształtujący napięcie wyjściowe zgodnie z rysunkiem z dokładnością +/-5%. Uwaga: Użyć elementów zgodnych z typoszeregiem E6 (elementy o modelach dostępnych w bibliotekach lub modyfikowane za pomocą odpowiednich parametrów), czyli: 1,0, 1,5, 2,2, 3,3, 4,7, 6,8.

30

31

32 Zadanie 1.4. Obwody RLC Opisać za pomocą instrukcji programu SPICE obwody pokazane na rysunku Obwód nr 1 a) ANALIZA AC: Wykreślić charakterystyki amplitudowe i fazowe obwodów w zakresie 100Hz do 1GHz (101 punktow na dekadę). *RLC V4 3 0 AC 1 0 R L u C n.AC DEC G.probe.end

33

34 b) ANALIZA TRAN: Wykonać analizę wielkosygnałową o wymuszeniu zgodnym z rysunkiem Posługując się uzyskanymi wykresami wykazać związek między odpowiedzią w funkcji czasu i częstotliwości. *RLC V4 3 0 PULSE (0 1 10n 10n 20n 5u 10u) R L u C n.TRAN 1n 11000n.probe.end

35 Obwód nr 2 a) ANALIZA AC: *RLC V2 3 0 AC 1 0 R L u C n.AC DEC G.PROBE.END

36 b) ANALIZA TRAN: *RLC V2 3 0 PULSE (0 1 10n 10n 20n 5u 10u) R L u C n.TRAN 1n 11000n.PROBE.END

37

38 c) PROJEKT I: Posługując się odpowiednimi wykresami (po zmianie wartości odpowiednich elementów w poszczególnych obwodach) wyjaśnić pojęcie dobroci obwodu rezonansowego i pojęcia pasma przenoszenia (tłumienia) oraz częstotliwości granicznej filtru. Wykazać różnice w zachowaniu obwodów (wartości napięć i prądów na poszczególnych elementach) z rezonansem szeregowym. Obwód nr 1 będziemy badać wpływ indukcyjności; *RLC.PARAM Lvar=10u V4 3 0 AC 1 0 R L1 2 3 {Lvar} C n.STEP PARAM Lvar 10u 30u 10u.AC DEC G.probe.end

39 -następnie wpływ pojemności; *RLC.PARAM Cvar=10n V4 3 0 AC 1 0 R L u C1 0 1 {Cvar}.STEP PARAM Cvar 1n 3n 1n.AC DEC G.probe.end

40 -oraz wpływ rezystancji *RLC.PARAM Rvar=10 V4 3 0 AC 1 0 R1 1 2 {Rvar} L u C n.STEP PARAM Rvar AC DEC G.probe.end

41 Obwód nr 2 -wpływ indukcyjności *RLC.PARAM Lvar=10u V2 3 0 AC 1 0 R L2 1 2 {Lvar} C n.STEP PARAM Lvar 10u 30u 10u.AC DEC G.PROBE.END

42 -wpływ pojemości *RLC.PARAM Cvar=1n V2 3 0 AC 1 0 R L u C2 2 3 {Cvar}.STEP PARAM Cvar 1n 3n 1n.AC DEC G.PROBE.END

43 -oraz rezystancji *RLC.PARAM Rvar=10 V2 3 0 AC 1 0 R2 0 1 {Rvar} L u C n.STEP PARAM Rvar AC DEC G.PROBE.END

44 Dla ostatniego przypadku wyznaczyłem częstotliwość rezonansową ze wzoru f=1/[2π* (L*C)] f=1592khz, która to wartość nieznacznie różni się od wyznaczonej przy pomocy funkcji XatNthYpct; Jak nietrudno przewidzieć zmiana wartości pojemności bądź indukcyjności ma wpływ na częstotliwość rezonansową. Natomiast poprzez zmianę wartości rezystancji możemy regulować szerokość charakterystyki częstotliwościowej przy tej samej częstotliwości rezonansowej.

45 Dobroć układu: - wielkość charakteryzująca obwód rezonansowy, określająca ile razy amplituda drgań o częstotliwości rezonansowej jest większa od amplitudy w obszarze, dla którego nie zachodzi rezonans. Dla obwodu szeregowego wyraża się wzorem; Q=1/R* (L/C) Możemy wyznaczyć wartości liczbowe dla przypadku gdzie parametrem była pojemność kondensatora; Q 1 =3,16 dla C=1nF Q 2 =2,24 dla C=2nF Q 1 =1,82 dla C=3nF Pasmo przenoszenia: zakres częstotliwości, w którym tłumienie sygnału jest nie większe niż 3dB. Pasmo przenoszenia jest określone poprzez częstotliwości graniczne (górna i dolną). Częstotliwość graniczna: częstotliwość, powyżej której tłumienie jest większe niż 3dB

46 Ćwiczenie 2. Tranzystory Zadanie 2.1. Obwody z tranzystorami FET Charakterystyki wyjściowe tranzystora MOSFET dla trzech różnych wartości parametrów modelu: MOS1, MOS2 oraz MOS3. Napięcie VDS zmienia się od 0 do 20V z krokiem 0,01V. Napięcie VGS zmienia się od 0 do 5V z krokiem 1,0V.

47 *MOSFET.MODEL MOS1 NMOS + VTO=-1V NSUB=1e15 UO=550 M MOS1 VDS VGS DC VDS VGS PROBE.END

48 *MOSFET.MODEL MOS2 NMOS LEVEL=2 + VTO=-1.3 KP=4.64e-5 GAMMA=0.284 PHI=0.6 CJ=1.38e-4 TOX=6.5e-8 + NSUB=6.84e14 XJ=0.5e-6 LD=0.35e-6 UO=875 UCRIT=6.0e4 UEXP= UTRA=0.5 CGSO=1.85e-10 CGDO=1.85e-10 JS=1e-7 VMAX=2.5e4 DELTA=1 M MOS2 VDS VGS DC VDS VGS PROBE.END5

49 *MOSFET.MODEL MOS3 NMOS M MOS3 VDS VGS DC VDS VGS PROBE.END

50

51 Analiza układu zawierającego tranzystor MOSFET. Na rysunku przedstawiono układ elektroniczny zawierający tranzystor MOSFET.

52 Wykonaj następujące symulacje: a) i b) ANALIZA DC i TRAN: Wykreślić na wspólnym rysunku charakterystyki przejściowe trzech tranzystorów MOS (napięcie V(3) w funkcji napięcia VIN). Napięcie VIN zmienia się od -5,0V do 10,0V z krokiem 0,02V. Wykonać analizę TR od 0 do 1,0ms z krokiem 0,02ms przy sygnale wejściowym z rysunku. Analizy powinny być wykonane przy pomocy jednego programu, a krzywe powinny być porównane i skomentowane na wspólnym rysunku. *uklad z tranzystorem mosfet.model MOS1 NMOS + VTO=-1V NSUB=1e15 UO=550 M MOS1 Rin k Rcc k Ree k Vin 1 0 PULSE ( n 20n 20n 500n 580n) Ve DC Vin TRAN PROBE.END

53 .MODEL MOS2 NMOS LEVEL=2 + VTO=-1.3 KP=4.64e-5 GAMMA=0.284 PHI=0.6 CJ=1.38e-4 TOX=6.5e-8 + NSUB=6.84e14 XJ=0.5e-6 LD=0.35e-6 UO=875 UCRIT=6.0e4 UEXP= UTRA=0.5 CGSO=1.85e-10 CGDO=1.85e-10 JS=1e-7 VMAX=2.5e4 DELTA=1 M MOS2 Rin k Rcc k Ree k Vin 1 0 PULSE ( n 20n 20n 500n 580n) Ve DC Vin TRAN PROBE.END.MODEL MOS3 NMOS M MOS3 Rin k Rcc k Ree k Vin 1 0 PULSE ( n 20n 20n 500n 580n) Ve DC Vin TRAN PROBE.END

54

55 b) ANALIZA AC: Wykonać analizę AC od 100Hz do 1GHz w skali logarytmicznej z 101 punktami na dekadę. Analiza powinna być wykonana przy pomocy jednego programu dla wszystkich modeli tranzystorów, a krzywe powinny być porównane i skomentowane na jednym rysunku. *uklad z tranzystorem mosfet.model MOS1 NMOS + VTO=-1V NSUB=1e15 UO=550 M MOS1 Rin k Rcc k Ree k Vin 1 0 AC 1 0 Ve AC DEC G.PROBE.END.MODEL MOS2 NMOS LEVEL=2 + VTO=-1.3 KP=4.64e-5 GAMMA=0.284 PHI=0.6 CJ=1.38e-4 TOX=6.5e-8 + NSUB=6.84e14 XJ=0.5e-6 LD=0.35e-6 UO=875 UCRIT=6.0e4 UEXP=0.15

56 + UTRA=0.5 CGSO=1.85e-10 CGDO=1.85e-10 JS=1e-7 VMAX=2.5e4 DELTA=1 M MOS2 Rin k Rcc k Ree k Vin 1 0 AC 1 0 Ve AC DEC G.PROBE.END.MODEL MOS3 NMOS M MOS3 Rin k Rcc k Ree k Vin 1 0 AC 1 0 Ve AC DEC G.PROBE.END

57