Самосадный Автоматизированное проектирование устройств систем сбора-обработки Ч2 2015

Режим малых сигналов

Режим, при котором внешние сигналы приводят к малым изменениям положения рабочей точки (по току и напряжению) называют режимом малых сигналов [11]. В таком случае, при расчете, нелинейную характеристику устройства схемы допустимо заменить касательной к ней в рабочей точке [11]. При малых сигналах уравнения, описывающие поведение элементов схемы, компонентов или устройств упрощаются. Их решение может сводиться к решению линейных уравнений. Эквивалентные схемы устройств также сильно упрощаются. Например, диод в режиме малых сигналов на низких частотах (0…10кГц) замещается низкочастотной эквивалентной схемой для малых сигналов, состоящей из одного или двух резисторов (в зависимости от величин протекающих токов).

Линейная модель режима малых сигналов получается из нелинейной модели путем ее линеаризации в рабочей точке [11]. Применительно к моделированию работы диода обычно используют две основные модели. Статическая модель режима малых сигналов описывает поведение характеристик этого режима на низкой частоте и поэтому называется также низкочастотной эквивалентной схемой диода в режиме малых сигналов [11]. Динамическая модель режима малых сигналов, или высокочастотная эквивалентная схема диода в режиме малых сигналов, показывает динамические параметры и необходима для расчета частотных зависимостей схем [11].

Малосигнальный анализ

К малосигнальным видам анализа в PSpice-расчетах можно отнести:

•расчет передаточных малосигнальных функций по постоянному току (оператор .TF);

•анализ чувствительности по постоянному току (оператор .SENS) [1];

•частотный анализ (оператор .AC) и анализ шумов (оператор .NOISE). Малосигнальный анализ проводится на схеме, линеаризованной в рабочей точке. При

этом все нелинейные модели элементов заменяются своими дифференциальными проводимостями в рабочей точке [1]. Независимые источники постоянного напряжения (V) и тока (I) влияют на параметры нелинейных элементов в схеме, определяя их режим, но во время частотного анализа источники V считаются короткозамкнутыми, а источники I - разомкнутыми. Сигналы этих источников, определенные для расчета переходных процессов, на схему не действуют [1].

Особенности расчета схемы по постоянному току и рабочие точки

Расчет схемы по постоянному току осуществляется в двух вариантах [1]:

•определение рабочей точки, то есть расчет состояния схемы, являющегося исходным для основных видов анализа;

•расчет зависимости узловых потенциалов и токов компонентов схемы от уровней и изменения уровней выбранного источника напряжения или тока (DC Sweep).

11

При этом следует различать две рабочие точки, которые могут быть разные [1]:

•рабочая точка (Bias Point) рассчитанная в режиме малых сигналов (Small Signal Bias Solution);

•начальная точка расчета переходных процессов Time Domain (Transient).

Расчет рабочей точки (анализ Bias Point) осуществляется всегда, в том числе и в режиме «по умолчанию», так как, не рассчитав режим невозможно проводить никакой другой вид анализа, по крайней мере, для нелинейных схем. При расчете режима по постоянному току в рабочей точке (анализ Bias Point) может не использоваться ни одна из директив задания на моделирование. Расчеты проводятся в любом случае, автоматически после запуска моделирующей программы. По выбору пользователя дополнительно могут использоваться директивы, предназначенные для использования в этом виде анализа. Для расчета этой рабочей точки начальные значения токов и напряжений независимых источников принимают как значения, заданные в описании этих источников по постоянному току (спецификация DC соответствующей директивы).

Начальная точка расчета переходных процессов рассчитывается только в тех случаях, когда используется директива .TRAN и задан расчет переходных процессов. Для расчета этой рабочей точки начальные значения токов и напряжений независимых источников принимают значения, заданные в описании этих источников в нулевой момент времени.

Если сигналы в нулевой момент времени по напряжению или току не совпадают со значениями, заданными для постоянного тока, то будут различаться и эти две рабочие точки.

Примечание [1].

В некоторых случаях возникает необходимость отказаться от расчета начальной точки переходных процессов. Например, это относится к схемам генераторов, работающих в автоколебательном режиме. Практически всегда в таких схемах имеется точка или точки неустойчивого равновесия, из которых реальная схема выходит вследствие любой флуктуации тока или напряжения. Поскольку при проведении PSpice-расчетов практически невозможно учесть и правильно задать все возможные флуктуации, то повышается вероятность изначального попадания в точку равновесия, из которой схема самостоятельно не сможет выйти. В этом случае автогенерация не возникает.

К общему понятию «рабочая точка» можно отнести также результаты анализа по постоянному току, проводимого перед анализом AC Sweep в частотной области по директиве .AC для линеаризации нелинейных компонентов в окрестности точки, задаваемой в независимых источниках тока или напряжения, в описании этих источников по переменному току (спецификация AC соответствующей директивы).

При практическом осуществлении PSpice-расчетов пакетом программ осуществляется следующий порядок проведения основных видов анализа:

•Bias Point (выполняется всегда);

•DC Sweep (является «дополнительным» к Bias Point);

•AC Sweep (является «дополнительным» к Bias Point);

•Time Domain (Transient) (является «дополнительным» к Bias Point).

Как уже известно, расчеты, связанные с Bias Point осуществляются всегда, какой бы ни был выбран «дополняющий» эти расчеты вида анализа. То есть с Bias Point может проводиться еще один вид анализа DC, AC или Transient.

Вэтой связи имеет смысл специально выделить анализ Bias Point и рассмотреть его отдельно от остальных основных видов расчетов, как представлено ниже.

Врамках всех перечисленных видов анализа (расчетов) могут проводиться дополнитель-

ные расчеты, а также выводится или не выводится результаты расчетов, проводимых по умолчанию или по указанию пользователя.

12

2.3.1. Анализ Bias Point

Приступите к выполнению задания 1. Изучите основные сведения о порядке и правилах проведения расчетов режима по постоянному току «в рабочей точке» (Bias Point), а также

используемых при этом операторов, как представлено в данном учебном пособии и в мате-

риалах файлов pspug.pdf, PSpcRef.pdf .

Необходимо познакомиться с предложенными материалами, связанными с настройками параметров расчетов (выбор опций) и рекомендациями по решению проблем сходимости вычислений. В дальнейшем при поведении практических работ необходимо использовать предложенные решения и рекомендации по проведению расчетов.

По ходу изучения материалов раздела необходимо выполнять все действия с представленными схемами, проводить изучение и интерпретацию полученных результатов.

Особенности проведения расчетов и получения результатов

Одной из особенностей анализа Bias Point является проведение этого анализа «по умолчанию», без введения в текст задания на моделирование директив расчета (анализа). При расчете используются значения, заданные в описании независимых источников по постоянному току (спецификация DC). Результаты расчетов выводятся в текстовый выходной файл *.OUT в виде таблицы узловых потенциалов и значений токов.

Вслучае выбора пользователем режима вывода подробной информации о расчете рабочей точки, в задание на моделирование вставляется директива .OP, а в выходном файле осуществляется вывод подробной информации о расчете и параметрах рабочей точки.

Вдополнение к этому, по выбору пользователя, могут проводиться:

•расчет чувствительности в режиме по постоянному току - Perform Sensitivity analysis (по директиве .SENS);

•расчет передаточной функции по постоянному току - Calculate small-signal DC gain (по директиве .TF).

При проведении расчетов может устанавливаться температура, при которой проводятся анализ схемы в рабочей точке. Для этого используется директива (оператор) .TEMP.

В ряде случаев, важное значение имеет возможность исходного задания начальных условий, осуществляемого с использованием операторов:

•.IC (initial bias point condition);

•.NODESET (set approximate node voltage for bias point);

•.SAVEBIAS (save bias point to file);

•.LOADBIAS (load bias point file).

Важную роль в настройке параметров расчетов может играть использование директивы

.OPTIONS и выбор настроек моделирования (задание опций) по выбору пользователя.

Внимание!

Вид анализа Bias Point обеспечивает вывод информации только в тестовый выходной файл и не предназначен для работы с постпроцессором PROBE.

Команда (оператор, директива) .OP (bias point)

Этот оператор обеспечивает вывод в выходной файл *.OUT детальной информации о расчетах рабочей точки. Он обеспечивает управление выдачей результатов в выходной файл *.OUT только для расчета рабочей точки анализа Bias Point. Расчет рабочей точки осуществляется по умолчанию. Оператор .OP задает не сам расчет этой точки, а печать подробной информации о ней и проведенных расчетах в выходном файле.

13

Без оператора .OP выводится следующая информация о рабочей точке (operating point)

анализа Bias Point:

•список напряжений в узлах схемы;

•список токов независимых источников напряжения;

•значения суммарной мощности источников.

При наличии оператора .OP печатаются также таблицы режимов и малосигнальных (линеаризованных) параметров для нелинейных зависимых источников напряжения и тока, а также для всех полупроводниковых приборов схемы.

Внимание!

Следует различать директиву .OP, дополнительный параметр или опцию /OP директивы

.TRAN и директиву .OPTIONS, по их назначению, порядку применения и получаемым результатам.

Команда (оператор, директива) .SENS (sensitivity analysis)

Этот оператор обеспечивает анализ чувствительности по постоянному току (DC sensitivity analysis). Схема линеаризуется в рабочей точке и рассчитывается чувствительность каж-

дой выходной переменной, указанной в списке аргументов, по параметрам элементов и моделей. Форма записи переменных в списке аргументов стандартная (соответствует, например, оператору .PRINT для анализа DC и TRAN). Однако, в данном случае если в качестве выходной переменной задается ток, то это может быть только ток независимого источника напряжения. Это требует в ряде случаев включать в ветвь, ток которой интересует, источник нулевого напряжения и именно его ток задавать в списке выходных величин [3].

Расчет чувствительности компонентов осуществляется только по параметрам следующих элементов схем:

•резисторы;

•независимые источники напряжения и тока;

•ключи, управляемые напряжением и током;

•диоды;

•биполярные транзисторы.

Команда (оператор, директива) .TF (transfer)

Этот оператор обеспечивает расчет передаточной функции (transfer function) по постоянному току, вычисляемой путем линеаризации схемы в рабочей точке. Рассчитывается коэффициент передачи (Gain) от входного источника к выходной переменной, а также входное и выходное сопротивления схемы относительно узлов подключения входного источника и выходной переменной. Расчеты соответствуют нулевой частоте, т.е. приращениям постоянных напряжений и токов [3].

Практическая работа 1 со схемой RC

Перейдем к непосредственным практическим расчетам, проводимым в рамках данного вида анализа. Для проведения расчетов необходимо разработать схему RC3. Эта схема создана на базе схем RC и RC2, известных нам по работам в предыдущих темах части 1 учебного пособия. В целом RC3 повторяет схему RC2. Отличаться они будут только настройками профилей. Схема RC3 представлена на рис. 2.1.

14

0

Рис. 2.1. Принципиальная схема RC3

Общий вид настроек профиля моделирования для схемы RC3 представлен на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Настройка профиля схемы RC3 для анализа Bias Point

Первый вариант настроек профиля схемы RC3

Первый вариант настроек профиля схемы RC3 для анализа Bias Point проводим без выбора опций «Output File Options» (на рис. 2.2 показан вариант с выбором полного набора оп-

ций). После запуска и проведения расчетов может вызываться PROBE с пустым экраном. Нам нужен выходной текстовый файл. После выполнения расчетов этот файл мы можем

вызвать путем выполнения команды View>Output File постпроцессора PROBE, команды PSpice>View Output File в основном окне редактирования принципиальной схемы редактора

CAPTURE или путем вызова файла *.out (например, Profile1.out) в текстовый редактор OC Windows.

Вывод результатов расчета рабочей точки осуществляется в выходной текстовый файл и заключается в указании действующих значений токов, напряжений и рассеиваемой мощности для цепей In и Out схемы.

В частности выходной файл содержит текст задания на моделирование, как показано ниже.

15

****INCLUDING SCHEMATIC1.net ****

*source RC3

Второй вариант настроек профиля схемы RC3

Второй вариант настроек профиля схемы RC3 для анализа Bias Point проводим с выбранной опцией «..detailed bias point..» (.OP). Осуществим расчеты и убедимся, что в выходном файле появилась директива .OP, а сам файл практически не изменился. Для настроек профиля с использованием оператора .OP получен фактически тот же выходной файл с изменениями только в задании на моделирование, в нем добавлен оператор .OP. Для такой простой схемы без полупроводниковых компонентов, очевидно, таким и должен был быть результат.

Постарайтесь при выполнении следующих разделов темы получить результаты расчетов с использованием анализа Bias Point и с выбранной опцией (.OP) для более сложных схем, с

использованием полупроводниковых приборов.

Вернемся к настройкам «Output File Options» анализа Bias Point. Выберем расчет чувствительности в режиме по постоянному току Perform Sensitivity analysis (.SENS). В качестве

выходной переменной выберем напряжение V(Out). Проведем расчеты и получим результаты. Дополнительно к уже известным данным, в выходном файле получены следующие результаты расчетов, как показано ниже.

DC SENSITIVITIES OF OUTPUT V(OUT)

Получите эти результаты, изучите и проанализируйте их. При этом необходимо иметь в виду величины узловых потенциалов, токов через компоненты и рассеиваемую резисторами

мощность (см. рис. 2.1).

Вернемся еще раз к настройкам «Output File Options» анализа Bias Point. Выберем расчет передаточной функции по постоянному току Calculate small-signal DC gain (.TF). В качестве

имени источника выберем V1, а выходной переменной – V(Out). После запуска расчетов могут быть получены характеристики, аналогичные представленным ниже.

16

*** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(OUT)/V_V1 = 5.000E-01

INPUT RESISTANCE AT V_V1 = 9.400E+03 OUTPUT RESISTANCE AT V(OUT) = 2.350E+03

Обратите внимание на передаточную характеристику 0,5 и величины входного и выходного сопротивлений. Подготовьте краткий анализ полученных результатов.

При проведении расчетов анализа Bias Point с тремя выбранными настройкам «Output File Options», как показано на рис.2.2, в тексте задания на моделирование добавлены сле-

дующие строки, как показано ниже.

.OP

.SENS V([OUT])

.TF V([OUT]) V_V1

Краткие итоги.

Мы начали выполнение практических работ по осуществлению анализа Bias Point и изучению результатов расчетов. Результаты представлены в выходном текстовом файле для схемы проекта RC3. Мы провели расчет рабочей точки в режиме по умолчанию, а также с использованием команд .OP, .SENS и .TF.

Команда (оператор, директива) .TEMP (temperature)

Этот оператор обеспечивает задание температуры для различных видов расчета, при которой будет проводиться анализ. Значения температуры приводятся в градусах Цельсия. Если в списке дается несколько значений, то все виды анализа, указанные в задании, проводятся для каждого значения температуры, т.е. осуществляется «упрощенный» многовариантный анализ.

При пересчетах параметров для разных температур предполагается, что параметры всех моделей были рассчитаны при номинальной температуре TNOM (может задаваться опцией

TNOM в операторе .OPTIONS, по умолчанию TNOM=27 ºC) [3].

Если оператор .TEMP в задании отсутствует, то схема рассчитывается при температуре

TNOM.

Примечания.

1)Помимо оператора .TEMP температура может задаваться и изменяться оператором .STEP и .DC.

2)Выбор значений температуры осуществляется во всех видах анализа, а не только для анализа Bias Point.

Внимание!

Наличие в одном задании на моделирование оператора .TEMP и оператора ..STEP, изменяющих температуру, не допускается.

Практическая работа 2 со схемой RC

Вернемся к настройкам Options анализа Bias Point для схемы проекта RC3. Можно отказаться от выбора опций настроек «Output File Options» анализа Bias Point, а можно и оставить

их.

Выберем настройку расчетов вариации температуры Temperature (Sweep), точнее выбор температурных точек для проведения расчетов параметров схемы. Соответствующие настройки для значения температуры 200°C показаны на рис.2.3.

17

Рис. 2.3. Настройка температурного режима схемы RC3 для анализа Bias Point

Настройка температурного режима осуществляется в окне, как показано на рис.2.3, само окно вызывается щелчком левой кнопки мыши по опции Temperature (Sweep) основного окна настроек General Settings анализа Bias Point.

Проведем необходимые расчеты, получим и проанализируем результаты. В задание на моделирование появилась строка:

.TEMP 200

В выходном текстовом файле также появился ряд строк, указывающих на новый температурный режим, например, как представлено ниже.

**TEMPERATURE-ADJUSTED VALUES TEMPERATURE = 200.000 DEG C

**SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 200.000 DEG C

**OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 200.000 DEG C

Сами параметры или отсутствуют или те же, что и для температуры при нормальных условиях. Это ожидаемый результат, ведь мы используем компоненты, параметры которых никак не связаны с изменением их температуры.

Проблема

Мы начали выполнение расчетов, проводимых с учетом вариациями параметров компонентов от температуры. Результаты в виде вариации параметров схемы получены не были. В схеме нет компонентов, использующих описание их поведения в зависимости от изменения температуры.

Возможные решения проблемы

Мы приходим к выводу о необходимости использования специального компонента, например резистора, использующего описания его функционирования в схемах с вариацией параметров в зависимости от температуры. Ранее, в предыдущей теме (см. часть 1 пособия ), мы решали похожую задачу вариации параметров, а точнее разброса параметров пассивных

двухполюсников с использованием свойств компонента и использованием разброса параметров «Tolerance». В данном случае, очевидно, требуются несколько иные решения. Более про-

дуктивным представляется возможность использования специальной модели резистора.

18

В целом, необходимо сказать, что возможность вариации или разброса параметров для

обычного резистора, задаваемой в виде редактирования свойств компонента и вводимой по атрибуту Tolerance, скорее счастливое исключение, чем правило. Больше никаких опций в

соответствии с настройками директивы .MODEL в окне редактирования свойств компонента для обычного резистора ввести нельзя. То есть ввести, конечно, можно, но работать они, скорее всего, не будут. Для правильного введения этих опций так, чтобы это понимала про-

грамма расчетов, фирма CADENCE рекомендует использование специальных компонентов библиотеки BREAKOUT. От обычных компонентов они несколько отличаются по своим свойствам, имеют собственную библиотеку моделей breakout.lib и их использование как раз

и заключается в прямом редактировании библиотечных моделей компонентов, взятых из breakout.lib.

Таким образом, у разработчика есть следующие варианты использования настроек параметров резистора (да и других подобных компонентов):

1.воспользоваться текстовым вводом задания и директивой .MODEL (включая редактирование задания, подготовленного изначально на основе схемы с графическим вводом);

2.ограничиться редактированием только сокращенного набора опций настроек парамет-

ров, типа Tolerance;

3.разработать собственные компоненты и собственную библиотеку моделей .MODEL;

4.разработать собственные компоненты и собственную библиотеку макромоделей

.SUBCKT…ENDS;

5.воспользоваться компонентами и моделями стандартных библиотек (такие компоненты имеются в полной версии САПР), созданных для работы в нужных условиях.

Использование компонента библиотеки BREAKOUT

Создадим схему RC4, где выходной резистор R2 взят из библиотеки BREAKOUT, как представлено на рис. 2.4.

0

Рис. 2.4. Принципиальная схема RC4

Компоненты библиотеки BREAKOUT допускают редактирование модели непосредственно пользователем. Имя компонента Rbreak относится к имени компонента и одновремен-

но к атрибутам, связывающим его с моделью из библиотеки, и вводится как свойство Implementation (Исполнение, реализация). Обратите внимание на то, что позиционное обозначе-

ние R2 существует и также вносит свой вклад в формирование имен (обозначений) компонента в схеме. Особенностью применения компонентов из библиотеки BREAKOUT является редактирование их библиотечных моделей под требования конкретного применения. Такое редактирование осуществляется по команде Edit>PSpice Model для установленного в схему

19

и выделенного мышью компонента библиотеки BREAKOUT. Редактирование должно осуществляться в строгом соответствии с требованиями введения опций директивы .MODEL.

Выделим компонент R2 и приступим к редактированию его модели. Разумеется, библиотеки BREAKOUT и breakout.lib должны быть подключены к проекту, или не отключены

пользователем, если компоненты библиотек использовались ранее. В процессе редактирования для компонента Rbreak должна быть подготовлена и введена, путем редактирования старой, новая версия модели, например, как представлено ниже.

.model Rbreak RES(R=1 TC1=200E-6)

Данная модель описывает поведение резистора типа С2-33 в температурной области с использованием линейного температурного коэффициента сопротивления ТКС=200·10-61/ºС.

Примечание.

Модель резистора типа С2-33 не является достаточно точной и полной, в действительности, на практике, для этих резисторов разделяют температурный диапазон на два участка и ТКС для таких участков составляет следующие величины: для температур от -60ºС до +20ºС ТКС=±300·10-61/ºС и для температур от +20ºС до

+200ºС ТКС=±100·10-61/ºС.

Ранее мы договорились, что редактировать стандартные библиотечные компоненты не будем, однако в данном случае редактирование моделей библиотеки breakout.lib непосредст-

венно в библиотеке фактически не происходит. Для новой версии модели пользователя, именно для этого проекта, создается библиотека rc4.lib, куда и помещается модель или новая

версия модели. Если будет запрос на создание такой библиотеки со стороны среды проектирования, есть смысл согласиться, и сохранить эту библиотеку в рабочей поддиректории Вашего проекта. Обратите внимание на файловую структуру проекта и директорию Model Libraries, там Вы увидите библиотеку rc4.lib. Редактирование модели, создание и сохранение

библиотеки rc4.lib осуществляется специальным редактором PSpice Model Editor в отдельном окне редактирования (OrCAD Lite): rc4 - PSpice Model Editor Lite – [Rbreak].

Внимание!

Проверьте все указанные действия по созданию отдельной библиотеки проекта с редактированием модели компонента для Вашей версии САПР. При отказе программы от создания новой библиотеки, ее лучше создать вручную, не допуская изменения исходных библиотек моделей компонентов.

По окончанию редактирования новой версии модели необходимо сохранить все изменения и вернуться в окно редактора схемы CAPTURE. Работа по настройке библиотеки еще не закончена. В окне редактирования профилей находим опцию меню Libraries и для этой опции, путем просмотра Browse.., выбираем нужный файл новой библиотеки. В нашем случае это rc4.lib. Далее путем выбора кнопок Add as Global (введение во все схемы или проекты)

или Add to Design (введение в конкретную схему) вводим эту библиотеку в состав подключенных к проекту. В окне Library Files должен появиться список библиотек, куда будет входить:

.\rc4.lib

nom.lib*

Оставляем настройки General Settings профиля анализа Bias Point для расчетов вариации температуры Temperature (Sweep) по списку значений -55 0 27 125 градусов Цельсия. При

проведении расчетов рекомендуется отказаться от расчета чувствительности из-за обилия таблиц результатов.

Выполним расчеты и проанализируем данные выходного текстового файла. Обратите внимание на появление в тексте задания строк:

*Libraries:

* Local Libraries :

20