Instrukcja do ćwiczenia: Badania symulacyjne wybranych układów elektronicznych Materiał do samodzielnego opracowania: podstawowe układy pracy tranzystora, wzmacniacze operacyjne, układy pracy wzmacniaczy operacyjnych, prostowniki, filtry, stabilizatory. Podczas zajęć należy posiadać instrukcję do ćwiczenia: Badanie wzmacniaczy tranzystorowych. 1. Program LTspiceIV Ze względu na duże koszty wykonywania kolejnych prototypów obecnie przy projektowaniu nowych urządzeń używa się komputerowych programów symulacyjnych. Najbardziej rozpowszechnione są programy klasy SPICE (ang. Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) wywodzące się od programu stworzonego przez Laurence Nagel a w Electronics Research Laboratory na Uniwersytecie Kalifornijskim (Berkeley) w latach 70 XX w. Jednym z takich programów jest LTspice IV udostępniony przez firmę Linear Technology, producenta podzespołów półprzewodnikowych. Można go pobrać ze strony: http://www.linear.com/designtools/software/#ltspice. Program nie ma żadnych ograniczeń czasowych i wielkości obwodu, może być wykorzystywany do symulacji układów wykorzystujących podzespoły firmy Linear Technology jak również innych firm. Może być również wykorzystywany do celów dydaktycznych. 2. Posługiwanie się programem symulacyjnym Program uruchamia się za pomocą skrótu LTspiceIV w menu Start Programy. Następnie należy otworzyć nowy schemat za pomocą pierwszej, od lewej, ikony (rys. 1) lub menu: File New Schematic. Po utworzeniu nowego schematu należy wprowadzić odpowiednie elementy posługując się ikonami (rys. 2). Rys. 1 Rys. 2
Do wstawienia elementu innego niż rezystor, cewka, kondensator czy dioda służy ikona wstawienia podzespołu. Następnie należy wybrać rodzaj podzespołu (rys. 3): dioda Zenera zener, źródło napięcia voltage, tranzystor bipolarny - npn lub pnp, wzmacniacze operacyjne - [Opamps], komparatory [Comparators], tyrystor [Misc] SCR, triak [Misc] TRIAC. Do wprowadzania elementów schematu można użyć poleceń menu Edit lub skrótów klawiaturowych (rys.4). Wstawiany element można obracać wykorzystując skrót CTRL+r. Po zaakceptowaniu pozycji elementu obrót jest możliwy po wcześniejszym wybraniu komendy przesuwania lub przeciągania. Rys. 3 Elementy należy połączyć elektrycznie po wciśnięciu odpowiedniej ikony z paska ikon (rys. 2). Co najmniej jeden węzeł obwodu musi być połączony z symbolem masy elektrycznej (GND rys. 5), w innym przypadku obliczenia symulacyjne nie zostaną wykonane. Następnie należy nadać parametry poszczególnym elementom obwodu. Można je zmienić po kliknięciu prawym przyciskiem myszki na wskazanym elemencie (rys. 6). Litera k bezpośrednio po wartości liczbowej oznacza kilo, m mili, meg lub MEG mega, n nano, u μ(mikro), p - piko. Właściwości diody i tranzystora można zmieniać wybierając typ rzeczywistego elementu - przycisk Pick New (rys. 7). Zaleca się wybór tranzystorów: npn - BC 547B, pnp - BC557B, diod: prostownicza ES1D, przełączająca małej mocy 1N4148. Właściwości (Advanced) źródła napięcia są przedstawione na rys. 8 i 9. W trybie analizy stanów nieustalonych (Transient) źródło może generować przebieg okresowy napięcia o kształcie prostokąta (rys. 8) i napięcia sinusoidalnie zmiennego (rys. 9). W pierwszym przypadku parametr Vinitial oznacza początkową (dla t = 0) wartość napięcia (zwykle 0 V), Ton amplituda napięcia, Tdelay opóźnienie czasowe od chwili t = 0 (zwykle 0 s), Trise, Tfall czas narastania / opadania impulsu (zwykle maks. 0,001-0,1 okresu), Ton czas 2
występowania pełnej amplitudy napięcia, Tperiod okres (=1/f), Ncycles liczba okresów (pozostawić puste). Rys. 4 Rys. 5 Rys. 6 3
Rys. 7 Rys. 8 Rys. 9 4
W drugim przypadku (przebieg sinusoidalny) DC offset to wartość składowej stałej (zwykle 0 V), następnie dwa parametry to amplituda i częstotliwość, Tdelay opóźnienie czasowe od chwili t = 0 (zwykle 0 s), Theta współczynnik tłumienia (zwykle 0), Phi faza [ ](zwykle 0 ), Ncycles liczba okresów (pozostawić puste). Parametr czasowy wyrażony liczbą bez jednostki oznacza wartość w sekundach, z literką m ms (0,001 s), z literką u μs (10-6 s). Jeżeli wymagane jest źródło napięcia stałego, wartość napięcia wpisuje się w polu DC Value po prawej stronie (rys. 8, 9). Wartość rezystancji szeregowej źródła podaje się w polu Parasitic Properties SeriesResistance. Ostatnim krokiem przed uruchomieniem obliczeń symulacyjnych jest wybór trybu symulacji i ustawienie parametrów symulacji w menu: Simulate Edit Simulation Cmd. Tryb Transient pozwala na obserwację przebiegów napięć, prądów i mocy w wybranych punktach (elementach) obwodu w funkcji czasu podobnie jak na ekranie oscyloskopu. Tryb AC Analysis pozwala analizować przebieg charakterystyk amplitudowej i fazowej badanego obwodu w funkcji częstotliwości. W takim przypadku amplitudę i fazę sygnału należy wpisać w pole Small signal AC Analysis (patrz rys. 9) źródła napięcia wykorzystywanego jako źródło sygnału wejściowego. Na rys. 10 pokazano parametry symulacji w trybie Transient. Rys. 10 Parametr Stop Time to czas zakończenia obliczeń (tutaj 10 ms). Przebiegi będą generowane domyślnie dla okresu czasowego 0 10 ms. Zakres ten można ograniczyć z dołu podając wartość Time to Start Saving Data większą od zera. Maximum Timestep to krok całkowania równań różniczkowych, które opisują badany obwód zwykle powinien być 10 1000 razy mniejszy od przedziału czasowego obliczeń symulacyjnych. Parametry symulacji w trybie AC Analysis pokazano na rys. 11. Poza wyborem trybu przemiatania częstotliwości Type of Sweep Decade, należy podać liczbę punktów obliczeniowych w ramach jednej dekady (dekada to pewien zakres częstotliwości w którym wartość końcowa częstotliwości jest 10 razy większa od wartości początkowej) Number of points per decade, oraz częstotliwość początkową i końcową (Start / Stop Frequency, np. 10 Hz i 100kHz). Po ustaleniu parametrów symulacji na schemacie pojawi się dyrektywa:.tran lub.ac zawierająca wprowadzone ustawienia. Uruchomienie symulacji następuje po kliknięciu piątej 5
ikonki od lewej strony na pasku ikon (rys. 2). Rys. 11 Okno programu automatycznie podzieli się na 2 części. Na części o czarnym tle kreślone są przebiegi w funkcji czasu (rys. 12). Rys. 12 Zbliżenie kursora myszki do połączenia elektrycznego lub węzła obwodu zmienia kształt kursora na sondę o barwie czerwonej. Kliknięcie lewym przyciskiem myszki spowoduje wykreślenie przebiegu napięcia w tym punkcie obwodu w stosunku do masy układu (węzła połączonego z symbolem GND). Można również wygenerować przebieg napięcia w węźle A w stosunku do napięcia w węźle B obwodu (pomiar różnicowy). Należy wskazać węzeł A, 6
wcisnąć lewy przycisk myszki i przesunąć kursor myszki do węzła B barwa kursora zmienia się z czerwonej na czarną. W celu narysowania przebiegu prądu płynącego przez element obwodu należy ustawić kursor na tym elemencie kształt kursora zostaje zmieniony na cęgi prądowe. Wciśnięcie klawisza Alt umożliwia narysowanie przebiegu mocy elemencie kursor przybiera kształt termometru. Przebieg można usunąć wciskając klawisz Del i wskazując jego etykietę. Jednocześnie można obserwować do pięciu przebiegów. Kliknięcie prawego przycisku myszki, jeśli jej kursor znajduje się na polu wykresów pozwala zmieniać powiększenie wykresu i wybierać interesujące fragmenty (rys. 13): Zoom Area, Zoom Back, Zoom to Fit. Opcje Visible Traces i Add Trace pozwalają ręcznie wybrać przebiegi do pokazania na polu wykresów. Rys. 13 Obliczenie wartości średniej i skutecznej (rys. 14) wybranego przebiegu uzyskuje się wskazując etykietę tego przebiegu (taka sama barwa) znajdującą się tuż pod górną krawędzią okna z wykresami, wciskając klawisz Ctrl i klikając lewym przyciskiem myszki. Rys. 14 Klikając prawym przyciskiem myszki na etykietce przebiegu można włączyć lub wyłączyć funkcję kursora (rys. 15. Pojedynczy kursor 1st lub 2nd pozwala płynnie śledzić wartość chwilową przebiegu (rys. 16). Kursor można przesuwać za pomocą strzałek lewo i prawo lub myszką: jej kursor przyjmuje wtedy kształt cyfry odpowiednio: 1 lub 2. Włączenie opcji obu kursorów 1st & 2nd, lub obu pojedynczych kursorów dwa dwóch różnych przebiegów pozwala wyznaczyć przedział czasu, zmianę wartości chwilowej przebiegu, częstotliwość i nachylenie krzywej (rys. 17). Parametry te są obliczane na podstawie różnicy 7
położenia kursora 2 względem kursora 1: Diff (Cursor 2 Cursor1). Rys. 15 Rys. 16 Rys. 17 3. Zadania do wykonania W ramach zajęć należy wykonać badania symulacyjne układów o parametrach wskazanych przez prowadzącego. W celu poznania zasad obsługi programu symulacyjnego wstępnie należy wykonać symulację układu prostownika pełnookresowego w układzie Graetz a (w trybie Transient). Czas zatrzymania obliczeń powinien być równy dwóm okresom napięcia zasilającego o częstotliwości 50 Hz i amplitudzie 12V. Obciążeniem powinien być rezystor o wartości od 10 do 100 Ω. Zaobserwować przebiegi napięć i prądów wejściowego i na obciążeniu, oraz poszczególnych diod. Następnie wykonać symulację układu wzmacniaczy WE i WK wg schematów podanych na rys. 18 i 19. W trybie Transient zbadać przebiegi napięć: wejściowego i wyjściowego dla C i = C o = 10 μf, R o = 10 kω, Do wejścia podać sygnał sinusoidalnie zmienny o amplitudzie 100 mv i częstotliwości 1 khz. Wyznaczyć współczynnik wzmocnienia i przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałem wyjściowym a wejściowym. W trybie AC Analysis wyznaczyć charakterystykę przenoszenia wzmacniaczy, określić górną i dolną częstotliwość graniczną. Określić wpływ na te parametry wartości pojemności sprzęgających C i i C o (z przedziału: 1 100 μf). W ramach ostatniego zadania należy zaprojektować układ wzmacniacza odwracającego 8
fazę i układ nieodwracający fazy z użyciem wzmacniacza operacyjnego o parametrach podanych przez prowadzącego. Zweryfikować symulacyjnie spełnienie założeń projektowych. Rys.18 Rys. 19 4. Literatura [1] scad3.pdf, Linear Technology, 2010, www.linear.com, [2] LTspiceGettingStartedGuide.pdf, Linear Technology, 2010, www.linear.com. wersja 23.05.2011 r. 9