Ćwiczenie 1. Podstawy opisu i analizy obwodów w programie SPICE

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 2 0 10p V1 1 0 0.DC V1-10 10 0.01.PROBE.END

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

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 2 0 10p.AC DEC 101 10 1000Meg.probe V(2).end 1) zamieścić odpowiedni wykres

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

2) podać częstotliwość graniczną obwodu dla górnoprzepustowego użyłem funkcji XatNthY dla wartości X=0,707*41,8096=29,5593872 uzyskałem wartość 11,059 khz:

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

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:

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

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 0 2.22p 1.11p V1 0 1 AC 1 0 Rs 1 2 9Meg Cs 1 2 {Cvar} Ro 2 0 1Meg Co 2 0 10p.AC DEC 101 10 1000Meg.probe.end

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.

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 (0 10 0.00005 0 0 0.00005 0.0001) AC 1 0 Rs 1 2 9Meg Cs 1 2 {Cvar} Ro 2 0 1Meg Co 2 0 10p.AC DEC 101 10 1000Meg.probe.end

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 (0 10 0.00005 0 0 0.00005 0.0001) Rs 1 2 9Meg Cs 1 2 {Cvar} Ro 2 0 1Meg Co 2 0 10p.tran 1u 0.0005.probe.end

Dla pojemności c=1,11p; *Obwod RC V1 1 0 pulse (0 10 0.00005 0 0 0.00005 0.0001) Rs 1 2 9Meg Cs 1 2 1.11p Ro 2 0 1Meg Co 2 0 10p.tran 1u 0.0005.end

Zadanie 1.2 - Obwód RCEF Opisać za pomocą instrukcji programu SPICE obwod pokazany na rysunku 1.2.1. 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.

a) ANALIZA DC: Wykreślić napięcie Vout w funkcji napięcia V1 zmieniającego się w zakresie -5V do 10V z krokiem 0,01V. *RCEF Rin1 1 2 100k Rin2 5 6 1k Rout 3 4 10k C1 3 2 1p V0 6 0 0 V1 1 0 0 V2 4 0 10 E1 2 5 3 0 0.01 F1 3 0 V0 100.DC V1-5 10 0.01.PROBE V(3).END

1) zamieścić odpowiedni wykres,

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

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 Rin1 1 2 100k Rin2 5 6 1k Rout 3 4 10k C1 3 2 {Cvar} V0 6 0 0 V1 1 0 0 V2 4 0 10 AC 4 0 E1 2 5 3 0 0.01 F1 3 0 V0 100.AC DEC 101 100 100Meg.PROBE V(3).END

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.

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

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

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.

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

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 V1 3 0 1 R1 3 6 20k R2 2 6 5k R3 5 6 100 R4 6 0 1k 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 V1-5 5 0.05.probe.END

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.

b) PROJEKT I: Wykonać obwód kształtujący napięcie wyjściowe zgodnie z rysunkiem 1.3.2 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.

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 R1 1 2 10 L1 2 3 10u C1 0 1 1n.AC DEC 101 100 1G.probe.end

b) ANALIZA TRAN: Wykonać analizę wielkosygnałową o wymuszeniu zgodnym z rysunkiem 1.4.2. 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) R1 1 2 10 L1 2 3 10u C1 0 1 1n.TRAN 1n 11000n.probe.end

Obwód nr 2 a) ANALIZA AC: *RLC V2 3 0 AC 1 0 R2 0 1 10 L2 1 2 10u C2 2 3 1n.AC DEC 101 100 1G.PROBE.END

b) ANALIZA TRAN: *RLC V2 3 0 PULSE (0 1 10n 10n 20n 5u 10u) R2 0 1 10 L2 1 2 10u C2 2 3 1n.TRAN 1n 11000n.PROBE.END

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 R1 1 2 10 L1 2 3 {Lvar} C1 0 1 1n.STEP PARAM Lvar 10u 30u 10u.AC DEC 101 100 1G.probe.end

-następnie wpływ pojemności; *RLC.PARAM Cvar=10n V4 3 0 AC 1 0 R1 1 2 10 L1 2 3 10u C1 0 1 {Cvar}.STEP PARAM Cvar 1n 3n 1n.AC DEC 101 100 1G.probe.end

-oraz wpływ rezystancji *RLC.PARAM Rvar=10 V4 3 0 AC 1 0 R1 1 2 {Rvar} L1 2 3 10u C1 0 1 1n.STEP PARAM Rvar 10 30 10.AC DEC 101 100 1G.probe.end

Obwód nr 2 -wpływ indukcyjności *RLC.PARAM Lvar=10u V2 3 0 AC 1 0 R2 0 1 10 L2 1 2 {Lvar} C2 2 3 1n.STEP PARAM Lvar 10u 30u 10u.AC DEC 101 100 1G.PROBE.END

-wpływ pojemości *RLC.PARAM Cvar=1n V2 3 0 AC 1 0 R2 0 1 10 L2 1 2 10u C2 2 3 {Cvar}.STEP PARAM Cvar 1n 3n 1n.AC DEC 101 100 1G.PROBE.END

-oraz rezystancji *RLC.PARAM Rvar=10 V2 3 0 AC 1 0 R2 0 1 {Rvar} L2 1 2 10u C2 2 3 1n.STEP PARAM Rvar 10 30 10.AC DEC 101 100 1G.PROBE.END

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.

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

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.

*MOSFET.MODEL MOS1 NMOS + VTO=-1V NSUB=1e15 UO=550 M1 1 0 2 0 MOS1 VDS 1 0 0 VGS 2 0 0.DC VDS 0 20 0.01 VGS 0 5 1.PROBE.END

*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=0.15 + UTRA=0.5 CGSO=1.85e-10 CGDO=1.85e-10 JS=1e-7 VMAX=2.5e4 DELTA=1 M1 1 0 2 0 MOS2 VDS 1 0 0 VGS 2 0 0.DC VDS 0 20 0.01 VGS 0 5 1.PROBE.END5

*MOSFET.MODEL MOS3 NMOS M1 1 0 2 0 MOS3 VDS 1 0 0 VGS 2 0 0.DC VDS 0 20 0.01 VGS 0 5 1.PROBE.END

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

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 M1 3 2 4 0 MOS1 Rin 1 2 10k Rcc 3 5 100k Ree 0 4 20k Vin 1 0 PULSE (-5 5 20n 20n 20n 500n 580n) Ve 5 0 24.DC Vin -5 10 0.02.TRAN 0.000000002 0.000001.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 + UTRA=0.5 CGSO=1.85e-10 CGDO=1.85e-10 JS=1e-7 VMAX=2.5e4 DELTA=1 M1 3 2 4 0 MOS2 Rin 1 2 10k Rcc 3 5 100k Ree 0 4 20k Vin 1 0 PULSE (-5 5 20n 20n 20n 500n 580n) Ve 5 0 24.DC Vin -5 10 0.02.TRAN 0.000000002 0.000001.PROBE.END.MODEL MOS3 NMOS M1 3 2 4 0 MOS3 Rin 1 2 10k Rcc 3 5 100k Ree 0 4 20k Vin 1 0 PULSE (-5 5 20n 20n 20n 500n 580n) Ve 5 0 24.DC Vin -5 10 0.02.TRAN 0.000000002 0.000001.PROBE.END

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 M1 3 2 4 0 MOS1 Rin 1 2 10k Rcc 3 5 100k Ree 0 4 20k Vin 1 0 AC 1 0 Ve 5 0 24.AC DEC 101 100 1G.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

+ UTRA=0.5 CGSO=1.85e-10 CGDO=1.85e-10 JS=1e-7 VMAX=2.5e4 DELTA=1 M1 3 2 4 0 MOS2 Rin 1 2 10k Rcc 3 5 100k Ree 0 4 20k Vin 1 0 AC 1 0 Ve 5 0 24.AC DEC 101 100 1G.PROBE.END.MODEL MOS3 NMOS M1 3 2 4 0 MOS3 Rin 1 2 10k Rcc 3 5 100k Ree 0 4 20k Vin 1 0 AC 1 0 Ve 5 0 24.AC DEC 101 100 1G.PROBE.END