Лекции / lect21

// *** 1.12.04

Лекция 21 Моделирование электронных схем

с применением программы PSPICE (продолжение)

21.1 Моделирование переходных процессов

В случае переходных процессов (динамический режим) все узловые потенциалы изменяются во времени. Динамический режим описывает преобразование сигналов, поступающих на входы схемы. Если в схеме есть емкости, то они учитываются в расчетах, тогда как в статическом режиме каждая емкость считается разрывом соответствующей цепи. В динамическом режиме в схеме есть и переменные, и постоянные источники. Источники питания – это обычно постоянные источники.

Сигналы - это переменные источники, описываемые функциями времени, например, sin (w t) или импульсной функцией. Для импульса за­да­ет­ся функ­ция вре­ме­ни в ви­де PULSE или PWL (с.23 в [1]), на­при­мер,

VE 1 0 PWL( 0 0 1n 2 5n 2 7n 0 9n 0) (21.1)

Здесь PWL – кусочно-линейная функция, т.е. заданные точки (t,y) соединяются прямыми ( линейная интерполяция). В примере (21.1) значения t = 0, 1n, 5n, 7n, 9n – это абсциссы точек в наносекундах, y=0, 2, 2, 0, 0 – ординаты точек в Вольтах.

Для гармонического сигнала имеем, например, следующий оператор:

VE 1 0 SIN ( 0.1 .2 100MEG) (21.2)

Здесь записано колебание с частотой 100 МГц , амплитудой 0.2В и постоянной составляющей 0.1В: VE (t) = 0.1 + 0.2  sin ( 2  1e8  t) .

Для исследования переходных процессов в схеме (динамический режим)

используется оператор .TRAN с параметрами,

т.е. TRAN - это вид анализа (от англ. transient).

Мо­де­ли­ро­ва­ние пе­ре­ход­ных про­цес­сов вы­пол­ня­ет­ся пу­тем чис­лен­но­го ре­ше­ния сис­те­мы обык­но­вен­ных диф­фе­рен­ци­аль­ных урав­не­ний. Не­за­ви­си­мой пе­ре­мен­ной яв­ля­ет­ся вре­мя t и диа­па­зон его из­ме­не­ния дол­жен быть за­дан. Пе­ре­ход­ные про­цес­сы все­гда

рас­счи­ты­ва­ют­ся с мо­мен­та t = 0 до мо­мен­та <ко­неч­ное вре­мя> ,

ука­зан­но­го в опе­ра­то­ре .TRAN . В этом же опе­ра­то­ре за­да­ёт­ся шаг вы­во­да данных

и, если нужно, может быть задано на­чаль­ное вре­мя вы­во­да, ко­то­рое, оче­вид­но, не мо­жет пре­вы­шать па­ра­метр <ко­неч­ное вре­мя> .

По­сле­до­ва­тель­ность па­ра­мет­ров:

.TRAN <шаг вы­во­да> <ко­неч­ное вре­мя> [<нач. вре­мя вы­во­да>] ...

Для схемы рис. 20.1 вместо оператора .DC напишем

.TRAN .1n 20n

и изменим вывод на график

.PROBE V(1) V(2)

Это позволит сравнивать входной и выходной сигналы. Целесообразно изменить емкость CJO в модели диода, например, CJO=1е-12.

В заключение этого раздела отметим, что не­яв­ный ме­тод про­гно­за - кор­рек­ции

с пере­мен­ным ша­гом, ис­поль­зуе­мый в про­грам­ме PSPICE для решения системы ОДУ, позволя­ет ре­гу­ли­ро­вать ско­рость и точ­ность вы­чис­ле­ний. Погрешность оценивается на каждом шаге как разность значений узловых потенциалов, полученных при прогнозе и коррекции, т.е. для контроля используется другой метод вычислений. Ос­нов­ным при

рас­че­тах являет­ся зна­че­ние RELTOL (Reltol=1E-3 по умолчанию), которое на каждом шаге дискретизации оп­ре­де­ля­ет допусти­мую по­греш­ность вы­чис­ле­ния век­то­ра уз­ло­вых по­тен­циа­лов и указывается в операторе .OPTION .

****** Cxeмa с диодом. Динамика.

D1 1 2 Mydiod

RN 2 0 100

CN 2 0 20P ; CN - это ёмкость нагрузки

.MODEL Mydiod D (IS=1e-11 NR=1.2 RS=1 CJO=1P

+ BV=10 IBV=1e-11)

VE 1 0 PWL ( 0 0 1n 2 5n 2 7n 0 9n 0)

* VE 1 0 SIN( 0.1 2 100MEG) ; можно sin

.PROBE V(1) V(2) I(D1)

.TRAN .1n 20n

.END

21.2 О формировании математической модели схемы

Кратко рассмотрим только основные этапы формирования математической

модели схемы (ММС).

1. Все сложные элементы, например, транзисторы, заменяются эквивалентными

схемами, состоящими из двухполюсных элементов: проводимостей g

(линейных и нелинейных) и источников тока J. Назовем эту схему новой.

2. Для каждой проводимости g записывается закон Ома,

т.е. математическая модель элемента, в виде i = u • g(u),

где u - напряжение на элементе, i - ток, g(u) - некоторая заданная функция.

3. Создается массив V, элементы которого равны значениям потенциалов

в узлах новой схемы, причем количество элементов в массиве V равно количеству

узлов N. Значения всех элементов массива, т.е. узловых потенциалов, неизвестны,

и определение их является целью расчетов.

4. Для получения математической модели схемы определяется суммарный ток T

каждого узла. Так как этот ток должен быть равен нулю, то имеем систему уравнений

T_m (V) = 0, (21.3)

где m = 1, 2, 3, . . ., N, т.е. N - количество уравнений в системе, V - массив длины N.

Отметим, что для современных интегральных схем значения N изменяются

от нескольких тысяч до миллионов.

5. Для статического режима полученная система обычно является

системой нелинейных уравнений. Для динамического режима в моделях

элементов появляются производные и поэтому система (21.3) является системой

обык­но­вен­ных диф­фе­рен­ци­альных урав­не­ний. Системы решаются численными

методами ( см. радел 20.1).

21.3 О выполнении лабораторной работы

Каждый студент получает номер схемы из методических указаний. Эту схему

нужно нарисовать в тетради с номерами узлов.

Пусть var – номер вашей схемы.

1. Получить и нарисовать в тетради вольт-амперную характеристику ( ВАХ )

диода для его параметра Is = var * 1e-11.

2. Вывести на экран и нарисовать в тетради два входных сигнала ( PWL, SIN )

и выходные сигналы для них ( с учетом емкости CJO и других емкостей схемы ).

Ра­бо­та на­чинается с соз­да­ния в рабочей папке с программой PSPICE входного фай­ла, содержащего описание схемы. Файл должен иметь расширений .cir. Так как используется одна из младших версий программы, то нужна кодировка DOS. .

После создания файла с описанием схемы вы­пол­няется за­гру­зоч­ный мо­дуль

pspice1.exe

При этом программа PSPICE формирует описание схемы на внутреннем языке и выполняет все необходимые расчеты с применением численных методов

(см. разделы 20.1, 21.2).

После завершения расчетов можно про­смот­реть ре­зуль­та­ты в графиче­ском

ре­жи­ме, запустив про­грам­му гра­фи­че­ской об­ра­бот­ки probe.exe. Эта програм­ма

исполь­зу­ет ре­зуль­та­ты из фай­ла probe.dat. Он соз­да­ет­ся про­грам­мой PSPICE,

ес­ли в за­да­нии есть опе­ра­тор .PROBE.

Кла­ви­ша Esc пре­ры­ва­ет вы­пол­не­ние лю­бо­го эта­па ра­бо­ты PSPICE.

.

21.4 Другие виды анализа схем

При мо­де­ли­ро­ва­нии ана­ло­го­вых уст­ройств воз­мож­ны де­вять ви­дов ана­ли­за: DС, мно­го­ва­ри­ант­ный DС, TRAN, FOUR, SENS, TF, AC, NOISE, MC, см. [1,2]. В OrCAD 9.2 есть также программа параметрической оптимизации ( OrCAD PSPICE Optimizer).

Для ана­ли­за ма­те­ма­ти­че­ских мо­де­лей ком­по­нен­тов мож­но ис­поль­зо­вать про­грам­му PARTS из PSPICE. Для ее вы­зо­ва вве­сти

>parts.exe

и на эк­ра­не по­яв­ля­ет­ся ме­ню. В OrCAD она называется Model Editor.

Кро­ме про­грамм PSPICE, PROBE, PARTS, па­кет при­клад­ных про­грамм (ППП) PSPICE со­дер­жит ре­дак­тор вход­ных сиг­на­лов Stmed (файл stmed.exe) и управ­ляю­щую обо­лоч­ку Control Shell (файл ps.exe).

Воз­мож­но взаи­мо­дей­ст­вие с сис­те­мой P-CAD, а так­же мо­де­ли­ро­ва­ние циф­ро­вых и сме­шан­ных уст­ройств.

В старших версиях PSPICE и OrCAD есть графические редакторы схем. Они позволяют рисовать схему на экране и автоматически формировать ее описание для задания на моделирование.

Отметим, что OrCAD 9.2 позволяет получить через Internet доступ к современным базам данным с параметрами электронных компонентов.

Контрольная работа.

Нарисовать вариант схемы и составить текст с описанием схемы

для анализа динамического режима в случае входного гармонического

сигнала с амплитудой несколько мВ и с частотой несколько МГц.

В файле с описанием cхемы должна быть фамилия автора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ра­зе­виг В.Д. При­ме­не­ние про­грамм P-CAD и PSPICE

для схе­мо­тех­ни­че­ско­го мо­де­ли­ро­ва­ния на ПЭВМ. М., "Ра­дио и связь", 1992. Вып.3. – 120 с. (Есть в студ. абонементе на ТС)

2. Ра­зе­виг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств OrCAD 9.2. М.: Солон-Р, 2001. – 515 с. (Есть в студ. абонементе на ТС)

3. Методические указания к курсовой работе "Моделирование на ЭВМ статических и динамических характеристик интегральных схем” по курсу "Вычислительные методы в радиоэлектронике" для групп Р-51, Р-52. МГИЭМ, 1999. – 22 с.

(Шифр в абонементе на ТС: 621.396.6/М82)

3