7. Виды анализа электронных принципиальных схем: временной, частотный, по постоянному току, по переменному току, тепловой, Монте-Карло и др.

Временной (Transient Analysis)

Transient Analysis – анализ переходных процессов (анализ схемы во временной области при воздействии сигналов любой формы и амплитуды). Это наиболее распространенный вид анализа.

Как правило, для проведения этого вида анализа к принципиальной схеме устройства должен быть подключен источник сигнала (управляющего воздействия). Частным случаем расчета переходных процессов можно считать процесс включения устройства, когда внешним воздействием является подача напряжения питания. Выходными графиками для этого вида анализа, как правило, являются зависимости токов и напряжений схемы от времени, однако возможен вывод зависимости какого-либо параметра схемы от другого параметра схемы или параметра компонента. Например, можно вывести зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н — петлю гистерезиса магнитного материала. Расчет всегда начинается с нулевого момента времени, однако начало графика может быть как с нулевого, так и с любого другого момента времени.

Частотный (AC Analysis)

АС Analysis – малосигнальный частотный анализ (анализ в частотной области эквивалентной линеаризованной схемы замещения для малых сигналов). Этот вид анализа позволяет построить зависимость параметров электрической схемы от частоты при малых возмущениях в окрестности рабочей точки — амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазочастотные характеристики (ФЧХ). Кроме того, можно построить зависимость комплексного коэффициента усиления от частоты (диаграмму Боде). Чаще всего используется при анализе работы фильтров, усилителей, а также при анализе устойчивости систем с обратной связью.

При проведении этого анализа считается, что величина возмущения очень мала и нелинейность характеристик при таких малых возмущениях еще не проявляется. Поэтому для проведения этого анализа схема предварительно условно линеаризуется (пользователь этого не видит). Нелинейные модели компонентов автоматически заменяются линейными моделями, параметры которых рассчитываются программой в зависимости от начального положения рабочей точки (режима по постоянному току). В результате получается линейная малосигнальная схема замещения всего устройства. Эта модель - «внутренняя», ни в какие окна она не выводится.

По постоянному току (DC Analysis)

DC Analysis – анализ передаточных функций эквивалентной схемы замещения для постоянных составляющих токов и напряжений. Используется в основном для построения вольтамперных характеристик полупроводниковых и электронных приборов. В этом режиме к входам цепи подключаются один или два независимых источника постоянного напряжения или тока. В качестве выходного сигнала может рассматриваться разность узловых потенциалов или ток через ветвь, в которую включен резистор. При выполнении расчета программа автоматически создает схему замещения — закорачивает индуктивности, исключает из схемы конденсаторы, а затем рассчитывает режим по постоянному току при нескольких значениях входных сигналов. Например, при подключении одного источника постоянного напряжения можно построить график передаточной функции усилителя или вольтамперную характеристику диода, а при подключении двух источников — семейство статических выходных характеристик транзистора.

Динамический анализ схем по постоянному току (Dynamic DC Analysis)

Dynamic DC Analysis – динамический анализ эквивалентной схемы замещения для постоянных составляющих токов и напряжений. При выполнении этого вида анализа напряжения в узлах схемы, токи компонентов и состояния полупроводниковых приборов (ON, OFF, SAT, LIN, и т.д.) выводятся непосредственно на схему устройства. Никаких графиков для этого режима не строится, поскольку не производится расчета каких-либо зависимостей. При модификации схемы программа сразу же рассчитывает результат изменений. Используется для расчета рабочей точки усилителей, анализа режима работы стабилизаторов напряжения или тока и т.п.

В этом режиме производится расчет установившегося режима работы схемы. Программа вычисляет, какие величины токов и напряжений установятся в схеме, когда все переходные процессы закончатся (т.е. в момент времени, стремящейся к бесконечности). При этом принципиальная схема устройства условно подвергается определенной модификации: удаляются все реактивные компоненты. Конденсаторы заменяются разрывом (резисторами с бесконечным сопротивлением), индуктивности закорачиваются (заменяются резисторами с нулевым сопротивлением), а источники переменных сигналов заменяются постоянными величинами (постоянными составляющими этих сигналов, либо иными величинами, заданными непосредственно в модели источника сигнала).

В этом режиме менять значения пассивных компонентов и значения источников постоянного тока или напряжения можно не только непосредственных их заданием в соответствующем окне, но и нажатием стрелок на клавиатуре (Т или 4) при выбранном компоненте. При этом номинальное значение выбранного компонента (выделяется на схеме цветом) меняется в большую или меньшую сторону с заданным шагом (например, на 10% при каждом нажатии). Таким способом можно оценить влияние тех или иных компонентов на работу схемы или подобрать необходимый режим. Кроме того, в этом режиме можно включить движки (слайдеры) для всех пассивных компонентов и перемещая их при помощи мыши также менять номинальные значения. В восьмой версии можно было включить слайдеры только сразу для всех пассивных компонентов. В девятой это можно сделать для любых выбранных пассивных компонентов и не только в этом режиме, но и при проведении других видов анализа.

По переменному току (Dynamic АС Analysis)

Dynamic АС Analysis – динамический анализ малосигнальных передаточных функций в частотной области (динамический анализ передаточных функций эквивалентной линеаризованной схемы замещения для малых сигналов). Позволяет проводить расчет малосигнальных передаточных функций при ряде значений частот и изменении параметров схемы. Внешне анализ аналогичен динамическому анализу по постоянному току, но при его выполнении при изменении значений компонентов схемы (R, L, С, Battery) в ее узлах динамически отображаются малосигнальные коэффициенты передачи по напряжению в разах (или децибелах) по отношению к входному узлу (узлу, к которому подключен источник сигнала). Также для динамического отображения малосигнальных характеристик может быть задан ряд частот и ряд температур.

Monte Carlo

Monte Carlo – это вид анализа, в ходе которого проводится серии вычислений для статистической обработки полученных результатов. При этом параметры компонентов схемы меняются по случайному закону в пределах заданного допуска. Таким образом исследуется влияние разброса параметров, который всегда существует у реальных компонентов, на характеристики схемы. Кроме этого анализ Монте-Карло предназначен для обнаружения сочетаний параметров компонентов схемы, при которых характеристики схемы выходят за заданные пределы. Все такие комбинация параметров записываются в файл числового вывода и в дальнейшем могут быть подробно проанализированы.

Поскольку при анализе Монте-Карло необходимо производить очень много вариантов расчетов с разными комбинациями параметров, он занимает весьма продолжительное время.

Stepping

В каждом из перечисленных выше основных видов анализа возможна организация серии расчетов при изменении одного или нескольких параметров компонентов. Этот режим анализа называется Stepping. Окно задания параметров степинга вызывается из основного окна параметров анализа. Там задаются минимальные и максимальные значения изменяемого параметра, шаг изменения и закон, по которому осуществляется изменения параметра (линейный, логарифмический или заданный списком).

Анализ Фурье

Этот вид анализа основан на использовании аппарата быстрого преобразования Фурье (Fast Fourier Transform — FFT). Он предназначен для исследования гармонического состава сигналов (данных), полученных в ходе анализа переходных процессов или частотного анализа. Анализ Фурье осуществляется вызовом специальных функций обработки сигналов (FFT-функций) либо в окно Transient Analysis Limits, либо в окно FFT Windows после выполнения соответствующей команды (все эти действия проводятся в рамках анализа переходных процессов Transient). В перечисленных окнах можно выбирать функции быстрого преобразования Фурье из имеющегося набора и на их основе создавать достаточно сложные выражения для вычислений. В частности, совместное использование анализа Фурье и функций Performance позволяют организовать расчет нелинейных и интермодуляционных искажений усилителей, а также строить графики их зависимостей от каких-либо параметров.

Закладка FFT диалогового окна Plot Properties задает параметры спектрального анализа.

Функции Performance

Это не самостоятельный вид анализа, а набор дополнительных возможностей для обработки результатов, полученных в ходе одного из основных видов анализа. Функций Performance позволяют по графику зависимости вычислить некоторые характеристики этой зависимости. С их помощью можно измерять такие характеристики как, время нарастания и спада импульса, длительность импульса, частоту, период и многое другое.

Кроме того, использование функций Performance при обработке результатов серий расчетов позволяет строить опосредованные зависимости. Flaпример, при помощи этих функций можно построить график зависимости длительности фронта импульса от сопротивления резистора в цепи базы транзисторного ключа или зависимость амплитуды пульсаций на выходе фильтра выпрямителя от емкости этого фильтра.

Функции Performance задаются командой Performance Windows меню соответствующего анализа или Go to Performance меню SCOPE во время проведения одного из основных видов анализа.

Sensitivity Analysis

Sensitivity Analysis – анализ чувствительности эквивалентной схемы замещения для постоянных составляющих токов и напряжений к изменению параметров компонентов. Позволяет оценить влияние того или иного параметра компонента схемы на стационарный (установившийся) режим работы устройства.

Transfer Function Analysis

Transfer Function Analysis – анализ малосигнальных передаточных функций эквивалентной схемы замещения для постоянных составляющих токов и напряжений.

Этот тип анализа позволяет рассчитать малосигнальную передаточную функцию для указанного выходного выражения по отношению к указанному входному источнику. В зависимости от вида входного источника и выходного выражения производится расчет следующих малосигнальных параметров: коэффициент передачи по напряжению, коэффициент передачи по току, передаточную проводимость и передаточное сопротивление. При проведении данного вида анализа автоматически рассчитываются также малосигнальные входные и выходные сопротивления для постоянных составляющих токов и напряжений.

Для измерения передаточных функций программа дает очень малое приращение величине напряжения (тока) входного источника (или тестового источника) и измеряет вызванное этим возмущением изменение выходного выражения.

Distortion Analysis (МС9), Harmonic Distortion (MC10)

Distortion Analysis и Harmonic Distortion – расчет нелинейных искажений с использованием аппарата спектрального Фурье анализа. Представляет собой разновидность анализа переходных процессов. При этом виде анализа к входам схемы обязательно должен быть подключен источник синусоидального напряжения (тока). При этом если схема не является абсолютно линейной, на выходе появятся сигналы с частотами, кратными частоте входного синусоидального сигнала. В результате выходной сигнал обогатится высшими гармониками. Это и есть проявление нелинейных искажений, вносимых схемой в передаваемый сигнал. Выделение гармоник сигнала и дальнейшая их обработка (в частности, расчет нелинейных искажений) осуществляется при помощи функций спектрального анализа (IHD, THD и HARM). При помощи этих функций возможно также организовать анализ интермодуляционных искажений, но для этого еще потребуется использование функций Performance (информация о них будет изложена в соответствующем разделе книги).

Версия МС10 в рамках этого вида анализа позволяет рассчитать также отношение сигнал-шум усилителя (SNR).

Intermodulation Distortion (МС10)

Анализ Intermodulation Distortion позволяет рассчитать интермодуляционные искажения усилителя по одной из 3-х методик: SMPTE, CCIF, DIN.