Самосадный Автоматизированное проектирование устройств систем сбора-обработки Ч2 2015

.LIB ".\rc4.lib"

Также появляются следующие строки:

*Analysis directives:

.TEMP -55 0 27 125

Необходимо отметить отсутствие включения текста модели резистора R2 в текст задания на моделирование. Описание резистора осуществляется в виде строки текста задания

R_R2 0 OUT Rbreak 4.7k

Тот факт, что программа расчетов приняла и правильно поняла описание модели, находит свое отражение в выводе параметров:

**** Resistor MODEL PARAMETERS ****************************

Врезультате расчетов получены следующие данные, как представлено ниже.

***TEMPERATURE-ADJUSTED VALUES TEMPERATURE = -55.000 DEG C

***********************************************************

****RESISTORS

R_R2 <Rbreak>

R4.623E+03

****SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = -55.000 DEG C

***********************************************************

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V_V1 -1.073E-04

TOTAL POWER DISSIPATION 1.07E-04 WATTS

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(OUT)/V_V1 = 4.959E-01

INPUT RESISTANCE AT V_V1 = 9.323E+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(OUT) = 2.331E+03

Аналогичный набор параметров получен для значений температур 0, 27, 125 градусов Цельсия. Величины параметров для номинальной температуры (TNOM=27 ºC) совпадают с величинами, рассчитанными ранее с использованием значения температуры по умолчанию. Другие величины параметров отличаются от номинальных и друг от друга.

Таким образом, мы правильно провели расчеты по постоянному току и получили досто-

верные данные о работе схемы в условиях действия различных температур на компонент схемы R2.

Примечание.

Необходимо отметить, что имя Rbreak не обязательно оставлять без изменения. При использовании нескольких компонентов типа Rbreak в одной схеме это может вызвать сложности и проблемы.

21

Постараемся поменять имя Rbreak на другое, например на Rout. Делать это лучше для имени модели Rbreak в библиотеке rc4.lib. Известным нам способом открываем модель Rbreak для редактирования и изменяем имя Rbreak на Rout.

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

Наблюдаем за изменением имени в списке Model Name редактора PSpice Model Editor и одновременно на схеме в CAPTURE. Если все в порядке, сохраняем изменения, запускаем расчеты и анализируем результаты.

Попытайтесь ввести еще один температурно-зависимый резистор, например RS вместо

R1. Для реализации возможности использования разных резисторов с разными настройками попытайтесь создать еще одну модель в библиотеке rc4.lib для резистора RS. Опишите про-

цесс создания и полученные результаты. При работе с файлами пользователя предлагается создать модифицированный проект RC4, например RC_Mult.

Альтернативным вариантом использования модели резистора, причем в виде подсхемы и

макромодели можно, воспользоваться, вызвав один из терморезисторов, например из библиотеки SIEMENS полной версии OrCAD 9.2.

Краткие итоги.

Таким образом, как показано выше, проблема проведения температурнозависимых расчетов решена одним из возможных способов, а именно с использованием создаваемых пользователем моделей резисторов, учитывающих изменение параметров от изменения температуры. При этом используются резисторы из библиотеки BREAKOUT.

Указанный способ носит универсальный характер, применим не только для анализа Bias Point и может использоваться в рамках других видов анализа, включая получение семейства кривых в качестве выходных результатов расчетов.

Задание начальных условий

В ряде случаев пользователю может быть рекомендовано прямое задание начальных условий работы схемы. При расчете схем по постоянному току (или расчетах рабочих/начальных точек) задание начальных условий имеет целью:

•создание условий для повышения вероятности сходимости решений без существенного изменения схемы и настроек проведения расчетов;

•помощь в выборе и установки требуемого режима в схемах с несколькими стабильными, состояниями;

•сокращение времени проведения расчетов.

Задание начальных условий при проведении PSpice-расчетов осуществляется путем использования следующих 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).

Далее, рассмотрим особенности задания начальных условий.

Команда (оператор, директива) .IC (initial bias point condition)

Этот оператор обеспечивает задание начальных условий расчета рабочих точек для двух видов расчетов:

•рабочей точки анализа Bias Point;

•начальной точки расчета переходных процессов Time Domain (Transient). Задаются напряжения цепей или токи, текущие через индуктивность и только на период

вычисления рабочей точки. Начальные условия задаются для всех или некоторых цепей схе-

22

мы. Программа расчетов обеспечивает подачу напряжения в заданную точку через сопротивление 0,002 Ом. После завершения расчета рабочей точки цепь «освобождается» от этого источника напряжения.

Допускается задание не только потенциалов, но и разности потенциалов двух цепей (voltage between two nodes). При этом возрастает риск некорректного проведения расчетов, с

непредсказуемыми результатами, если к указанным цепям подключены емкости и индуктивности.

Примечания.

1)В случае приложения не нулевого потенциала к индуктивности по команде .IC, нельзя рассчитывать на корректное задание условий, так как при расчете рабочей точки предполагается, что контакты индуктивности закорачиваются (to be short circuits). Тем не менее, ток индуктивности может быть задан.

2)В случае необходимости задания начальных условий при проведения расчетов схемы по постоянному току требуется учитывать, что .IC задает начальные условия для расчета рабочей точки только анализа Bias Point. Эти начальные условия не влияют (не учитываются) при проведении анализа DC Sweep (DC analysis).

Команда (оператор, директива) .NODESET (set approximate node voltage for bias point)

Этот оператор обеспечивает задание приближенных начальных величин напряжений в цепях схемы, а также токов, текущих через индуктивности, при расчете рабочих точек. Оператор .NODESET помогает в трудных случаях рассчитать рабочую точку, задавая начальное приближение для некоторых (или всех) потенциалов цепей и/или токов через индуктивности.

Это может помочь в решении проблем получения нужных условий работы для многостабильных приборов, например, в триггерах [1].

Этот оператор обеспечивает задание начальных условий расчета рабочих точек для двух видов расчетов:

•рабочей точки анализа Bias Point;

•начальной точки расчета переходных процессов Time Domain (Transient);

Помимо этого, оператор .NODESET влияет на первый шаг расчета DC (только на первый шаг).

Этот оператор не влияет на последующие вычисления DS Sweep и основные расчеты для анализа Transient.

Точно так же, как и для оператора .IC, для .NODESET задаются напряжения цепей или токи, текущие через индуктивность и только на период вычисления рабочей точки. Началь-

ные условия задаются для всех или некоторых цепей схемы. Допускается задание не только потенциалов, но и разности потенциалов двух цепей (voltage between two nodes).

В отличие от оператора .IC, оператор .NODESET обеспечивает приближенное задание величин только для начала расчетов.

Внимание!

В случае использования обоих команд .IC и .NODESET для одной и той же цепи или индуктивности, команда . NODESET игнорируется, то есть оператор .IC перекрывает по своему действию (overrides) оператор .NODESET.

Таким образом, можно сделать заключение о том, что, образно говоря, оператор

.NODESET обеспечивает более «мягкое» и гибкое задание начальных условий работы схем, по сравнению с более «жестким» заданием параметров оператором .IC. В дальнейшем пользователям рекомендуется стараться использовать преимущественно оператор .NODESET.

23

Практическая работа 3 со схемой RC

Рассмотрим возможность введения в задание на моделирование схемы команд .IC и

.NODESET. При использовании редактора CAPTURE, «графический» режим ввода указанных операторов обеспечивается путем вызова и размещения в принципиальной схеме так называемых «псевдокомпонентов». Эти псевдокомпоненты находятся в библиотеке SPECIAL, внешний вид этих компонентов представлен на рис.2.5.

+ IC= 0

IC= 0

+-

NODESET= 0

+

NODESET= 0

+-

Рис. 2.5. Внешний вид компонентов IC1, IC2, NODESET1 и NODESET2

Обратите внимание (см. рис.2.5) на существование разновидностей компонентов IC1 и

IC2, а также NODESET1 и NODESET2, обеспечивающих задание параметров для одной цепи и разности потенциалов двух цепей (voltage between two nodes).

Практическое применение компонента NODESET1 в схеме RC4 показано на рис.2.6.

0

Рис. 2.6. Принципиальная схема RC4 с установленным компонентом NODESET1

Всхеме RC4 (см. рис.2.6) осуществляется задание приблизительного начального значения потенциала +2В для цепи Out. Задание величины +2В может осуществляться в окне редактирования свойств компонента или, непосредственно путем введения значения в строку атрибутов NODESET=2.

Врезультате, в задание на моделирование будет вводиться следующая строка, как показано ниже.

Команда (оператор, директива) .SAVEBIAS (save bias point to file)

24

Этот оператор обеспечивает сохранение в файле (bias point file) описания потенциалов цепей и токов индуктивностей при расчете рабочих точек. Сохранение указанных значений в файле предусматривает их последующее использование в операторе загрузки .LOADBIAS.

Только одна из следующих опций выбора вида анализа может быть использована при

вызове оператора .SAVEBIAS: OP, DC или TRAN. При выборе опции OP обеспечивается сохранение параметров рабочей точки (Operating Point) с последующим использованием

операторов .AC или .OP. Опции DC и TRAN позволяют запоминать промежуточные значения вычислений рабочих точек в зависимости от шагов и условий вычислений или хода времени выхода на рабочий режим для последующего расчета режима по постоянному току и анализа переходных процессов, соответственно.

Команда (оператор, директива) .LOADBIAS (load bias point file)

Этот оператор обеспечивает загрузку информации о потенциалах цепей и токах индуктивностей при расчете рабочих точек, сохраненную в файле по команде .SAVEBIAS.

Оператор загружает потенциалы узлов схемы из внешнего текстового файла, который может содержать комментарии и оператор .NODESET или оператор .IC.

Загруженные потенциалы используются, соответственно, как начальное приближение при расчете рабочей точки или как начальная точка для расчета переходных процессов. Внешний файл может быть создан в каком-то из предыдущих расчетов оператором

.SAVEBIAS, а затем при желании может быть видоизменен с помощью любого текстового редактора. В частности, оператор .SAVEBIAS создает файл с оператором .NODESET, а его можно изменить на оператор .IC [3]. Применение этих операторов позволяет решить некоторые проблемы со сходимостью вычислений при расчетах по постоянному току [3].

Для включения содержания загружаемого по команде .LOADBIAS файла в выходной

файл *.OUT результатов расчетов, можно воспользоваться опцией EXPAND оператора

.OPTIONS.

Практическая работа 4 со схемой RC

Далее, попробуем провести сохранение данных режима по постоянному току и ввод значений (Save Bias Point и Load Bias Point). Для этого познакомимся с описанием работы директив .SAVEBIAS и .LOADBIAS. Воспользуемся схемой RC4. Настроим профиль для анализа Bias Point с опцией Save Bias Point и укажем имя файла, например это RC4_Bias. Опцию

.OP и другие опции можно использовать в режиме их выбора. Далее проводим расчеты и изучаем выходной текстовый файл, а также файл RC4_Bias.

В качестве примера ниже приводится содержимое сохраненного файла RC4_Bias.

**********************************************************

**********************************************************

**********************************************************

25

Это обычный текстовый файл, его можно редактировать и устанавливать нужные Вам параметры режима, которые потом можно использовать путем загрузки в другую схему, чтобы избежать расчетов режима по постоянному току с выходом на рабочую точку. К таким методам можно прибегать, чтобы избежать, в ряде случаев, проблем сходимости расчетов.

Наш случай проблем для расчетов не представляет, назначение параметров и величины значений параметров рабочей точки сомнений не вызывают.

Внимание!

Ряд оценочных и демонстрационных версий САПР не поддерживает возможность сохранения

вфайле и загрузки параметров из файла.

Втом случае, если у пользователя имеется только неполная версия, где такие возможности не предусмотрены, практические работы по этой части задания выполнять не нужно, достаточно познакомиться с представленными в пособии материалами и материалами технической документации.

Краткие итоги.

Мы получили исходные сведения о задании начальных условий работы схем, а также освоили простые операции по практической отработке вопросов задания начальных условий. В дальнейшем, в случае возникновения проблем с расчетами, в качестве одной из мер, обеспечения проведения расчетов, можно воспользоваться методами задания начальных условий работы схем.

Для детального анализа результатов расчета, а также при возникновении проблем с осуществлением расчетов можно воспользоваться настройками параметров расчетов с использованием директивы .OPTIONS.

Выбор опций (настройки параметров расчетов)

Выбор дополнительных настроек параметров расчетов и вывода результатов осуществляется с использованием директивы .OPTIONS. Более подробно описание выбора настроек

представлено в Приложении 1.

Внимание!

Выбор дополнительных настроек параметров расчетов и вывода результатов может осуществляться в рамках всех основных видов анализа (а не только Bias Point).

Рекомендуется ознакомиться с материалами Приложений 1 и 2. Настройки параметров расчетов и меры по обеспечению сходимости вычислений наряду с основными правилами PSpice -моделирования электронных схем (см. раздел 7 части 1 учебного пособия) являются основной исходной информацией, а также руководством к действиям по обеспечению проведения расчетов, получению и обработки результатов расчетов.

Необходимо отметить, что точность расчетов определяется в основном опциями ABSTOL, VNTOL, RELTOL. Сходимость процессов расчета определяется помимо этого опциями, ограничивающими число итераций: ITL1, ITL2 для расчета по постоянному току, ITL4, ITL5 для расчета переходных процессов. Увеличение числа итераций повышает сходимость, но и увеличивает время расчета. На сходимость оказывают влияние также опции

PIVREL, PIVTOL, и др., допускающие использование функции SCHEDULE, а также

STEPGMIN.

Подготовьте материалы по выполнению задания 1 для файла отчета.

26

Краткие итоги.

В ходе выполнения задания 1 были изучены материалы, связанные с проведением анализа Bias Point и расчетами рабочих (начальных) точек для разных видов анализа. Также были получены основные сведения и изучен порядок расчетов:

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

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

Кроме того мы познакомились с особенностями проведения температурных расчетов с использованием

директивы (оператора) .TEMP. Далее изучались особенности задания начальных условий и настроек параметров расчетов.

В результате изучения и практической работы с операторами задания начальных условий и выбора опций (настройки параметров расчетов) можно сделать вывод о том, что использование соответствующих директив (операторов) в задании влияет на результаты расчетов:

•Bias Point;

•Основных видов анализа DC, AC, Transient.

2.3.2. Осуществление анализа DC Sweep

Приступите к выполнению задания 2. Изучите основные сведения о порядке и правилах проведения расчетов схемы по постоянному току (DC sweep & other DC calculations), а также

используемых при этом директивах, 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.

Команда (оператор, директива) .DC (DC analysis)

Оператор .DC обеспечивает расчет схемы по постоянному току. При этом осуществляется расчет зависимости режима по постоянному току схемы (circuit’s bias point) от какой-то переменной, принимаемой в качестве аргумента. Этот аргумент или переменная задается в диапазоне значений «начальное значение» - «конечное значение» с линейной или логарифмической вариацией параметров или задается в виде списка значений.

В пределах изменения переменной «начальное значение» может задаваться как больше, так и меньше чем «конечное значение». Тем самым меняется направление изменения аргумента: от меньшего значения к большему или наоборот. При этом «приращение» должно задаваться положительными независимо от направления изменения аргумента.

Перейдем к непосредственным практическим расчетам, проводимым в рамках данного вида анализа.

Практическая работа со схемой ZD1

Для проведения расчетов создаем схему ZD1, как представлено на рис. 2.7.

27

FREQ = 10kHz

0

Рис. 2.7. Принципиальная схема ZD1

Эта схема (см. рис. 2.7) создана на базе схем RC. В схеме используется стабилитрон D1 (диод Зенера). Резистор R1 используется в качестве генератора тока для стабилитрона, резистор RLoad имитирует нагрузку схемы, например щупы осциллографа или мультиметра, подключенные для измерения выходного напряжения. На вход схемы подключен источник переменного сигнала VS. Работа схемы заключается в получении стабильного выходного напряжения V(Out) в цепи Out, начиная с некоторого порогового значения уровня входного напряжения или величины сигнала и в определенном диапазоне токов нагрузки.

Ставится задача изучить параметры схемы и получить требуемые характеристики, подтверждающие ее работоспособность в реальных условиях, например, требуется проверить условия выхода на рабочий режим при включении питания и при изменении тока нагрузки.

Первый (или общий) вид настроек профиля для этой схемы предусматривает вариацию

напряжения источника VS в диапазоне от 0 до 10 В с шагом линейного приращения 0,1 В (см. рис. 2.8).

Рис. 2.8. Настройка профиля схемы ZD1 для анализа DC Sweep

Результаты расчетов схемы ZD1 представлены на рис. 2.9.

28

Рис. 2.9. Зависимость напряжения во входной и выходной цепях схемы ZD1 от линейного

изменения источника VS в диапазоне от 0 до 10 В

Как видно из характеристик схемы, представленных на рис. 2.9, начиная с входного напряжения около 6В, выходное напряжение V(Out) составляет величину до 4,7В.

Файл задания на проведение расчетов в данном случае содержит текст задания на моделирование, как показано ниже.

*Analysis directives:

.DC LIN V_VS 0 10V 0.1

Дополнительные виды анализа

Как видно из рисунка 2.8 настройки профиля допускают дополнение основного расчета DC Sweep следующими видами расчетов:

•Secondary Sweep – сдвоенный анализ DC Sweep или анализ с проведением вложенных расчетов для цепи постоянного тока (Nested Sweep);

•Monte Carlo/Worst Case – статистический анализ с учетом разброса параметров;

•Parametric Sweep - параметрический анализ;

•Temperature (Sweep) – температурный анализ.

Дополнительно можно сохранять и загружать параметры рабочей точки по командам

«Save Bias Point» и «Load Bias Point».

При выполнении расчетов Primary Sweep, Secondary Sweep, а также Parametric Sweep

можно осуществлять вариацию следующих переменных:

•источники напряжений (Voltage Source);

•источники токов (Current Source);

•глобальные параметры (Global Parameter), например величины сопротивлений;

•параметры моделей (Model Parameter), например, варьировать параметр TC1 температурного коэффициента для типа модели RES резистора RBreak;

•температуры (Temperature).

Вариации температуры мы рассматривали ранее. Основные операции при обеспечении температурного анализа для трех основных видов расчета (DC, AC, TRAN) фактически совпадают и могут проводиться по аналогии с анализом Bias Point. Отличие заключается в возможности вывода семейства или набора графиков для графических характеристик соответст-

вующих видов анализа. Также ранее рассматривался и процесс сохранения и загрузки параметров рабочих точек по командам «Save Bias Point» и «Load Bias Point». Основные особен-

ности для оставшихся дополнений, указанных выше, будут рассматриваться при изучении следующих тем.

29

Особое значение имеет возможность проведения сдвоенного анализа с использованием вложенных расчетов для цепи постоянного тока (Nested Sweep). Используя такой вид расче-

тов можно осуществлять вариацию еще одной переменной для каждого текущего значения основной переменной. Например, для первого или основного вида анализа DC Sweep, как показано на рис. 2.9 может проводиться вариация температуры, как вложенный вид расчетов.

Дополнительные настройки профиля моделирования показаны на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Настройка профиля схемы ZD1 для анализа Secondary Sweep

Результаты расчетов схемы ZD1 с использованием анализа Secondary Sweep представлены на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Результаты расчетов Secondary Sweep для ZD1

Зависимость выходного напряжения V(OUT) в данном случае имеет небольшой разброс (семейство кривых) в диапазоне 4-6В (см. рис. 2.11). Это связано с вариацией температуры диода D1 в диапазоне от -10°С до +85°С.

Файл задания на проведение расчетов в данном случае содержит текст задания на моделирование, как показано ниже.

*Analysis directives:

.DC LIN V_VS 0 10V 0.1

+ LIN TEMP -10 +85 1

30