Самосадный Автоматизированное проектирование устройств систем сбора-обработки Ч2 2015

Внимание!

Ряд оценочных и демонстрационных версий САПР не поддерживает возможность проведения вложенных расчетов.

В том 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.

Задача 1

Для схемы ZD1 требуется обеспечить введение температурно-зависимых резисторов и получить характеристики схемы ZD1 в ходе основного вида анализа DC Sweep, как показано на рис. 2.9 вместе с вариацией температуры, как вложенного вида расчетов.

Задача 2

Для схемы ZD1 требуется дополнительно получить следующие зависимости:

•токов стабилизации через резистор R1 в зависимости от вариации входных напряжений;

•напряжения во входной и выходной цепях схемы ZD1 при изменении RLoad: 1K, 10K, 100K;

•токов стабилизации через резистор R1 в зависимости от вариации входных напряже-

ний и при изменении RLoad как указано выше.

Также требуется оценить максимальную мощность рассеиваемую резисторами R1 и

RLoad.

Пример графиков требуемых зависимостей приводится на рис.2.12.

Рис. 2.12. Графики характеристик схемы ZD1 при проведении DC-анализа

На основании данных, полученных из характеристик схемы ZD1 при проведении DCанализа (см. рис. 2.12) можно, например, оценить мощность, рассеиваемую компонентами схемы и осуществить проверку выбора стабилитрона и выбор типа резистора по требуемой номинальной мощности.

Практическая работа со схемой ZD2

Как видно из полученных характеристик схема ZD1 не лишена недостатков, одними из которых является сильная зависимость тока стабилитрона от тока нагрузки и необходимость выбирать стабилитрон с большой мощностью рассеяния. Усовершенствуем схему ZD1, до-

31

бавив эмиттерный повторитель. Рассмотрим работу этой новой схемы ZD2, как представлено на рис. 2.13.

IN

VS

0

Рис. 2.13. Принципиальная схема ZD2

Увеличим диапазон входного напряжения до 12 В. Результаты расчетов представлены на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Графики характеристик схемы ZD2 при проведении DC-анализа

Как видно из характеристик схемы, представленных на рис. 2.14, ток стабилитрона относительно независим от тока нагрузки. По сравнению со схемой ZD1 появляется возможность работы на относительно низкоомную нагрузку.

Еще одним видом схем, требующим изучения характеристик и подтверждения параметров с использованием DC-анализа, являются схемы детектирования подачи и снижения уровня питания. Схемы с использованием компараторов и стабилизаторов напряжения также могут требовать подтверждения работоспособности с использованием анализа DC Sweep.

Практическая работа со схемой ZD3

Рассмотрим работу простейшей схемы, обеспечивающей детектирование уровня входного напряжения, как представлено на рис. 2.15.

32

0

Рис. 2.15. Принципиальная схема ZD3

Результаты расчетов схемы ZD3 представлены на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Графики характеристик схемы ZD3 при проведении DC-анализа

Как видно из характеристик схемы ZD3, представленных на рис. 2.16, в работе схемы прослеживается ярко выраженный пороговый характер зависимости выходного напряжения от нарастания входного. Перепад выходного напряжения можно использовать для управления работой различных блоков питания или стабилизаторов напряжения схем, а также как сигнал сброса или разрешения работы микропроцессорной техники (с определенными ограничениями в применении).

Задача 3

Для дальнейшего изучения параметров работы схемы ZD3 требуется провести расчеты и дополнительно получить следующие зависимости:

•токов стабилизации через резистор R1 в зависимости от вариации входных напряжений;

•порогового выходного напряжения от тока нагрузки при изменении RLoad: 100, 1K, 10K, 100K;

•токов стабилизации через резистор R1 в зависимости от вариации входных напряжений и при изменении RLoad как указано выше.

Практическая работа со схемой ZD4

Как видно из полученных характеристик схема ZD3 не лишена некоторых недостатков, связанных, например, с ростом выходного напряжения в области выше пороговых величин.

33

Рис. 2.18. Графики характеристик схемы ZD4 для 1-го варианта расчетов

Рис. 2.19. Графики характеристик схемы ZD4 для 2-го варианта расчетов

Как видно из рис. 2.18, 2.19 в первом случае перепад выходного напряжения наблюдается при V(AC)~5,5В..5,6В, тогда как во втором – при V(AC)~5,4В..5,5В. Второй график (рис.2.19) обработан и представлен в PROBE в режиме «по умолчанию», когда считается, что напряжение входного источника меняется «справа-налево», а отображается как представлено на графике.

В постпроцессоре PROBE для графика, выделенного указателем SEL>>, можно изменить направление вариации напряжений на противоположное, использовав команду: Plot>Axis

Settings..

По этой команде появляется окно редактирования параметров осей координат Axis Settings, как показано на рис. 2.20.

35

Рис. 2.20. Окно редактирования Axis Settings

В окне редактирования Axis Settings нужно переключить флаг настроек Data Range на User Defined и указать требуемый диапазон значений: 10V to 0V. Измененные таким образом графики представлены на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Графики характеристик схемы ZD4 при проведении 2-го варианта анализа и изме-

ненным диапазоном значений по оси X

Внимание!

В схемах, подобных ZD4, с использованием компонентов, основанных на эффекте «сравнениепереключение» могут возникать проблемы с проведением DC-анализа [5]. К таким компонентам относятся компараторы и триггеры Шмитта. Для них не всегда удается правильно и в полном объеме проанализировать поведение схемы вблизи неустойчивого равновесия. Для таких схем рекомендуется вместо, или в дополнение к анализу DC Sweep, проводить расчет переходных процессов, вводя источники медленно нарастающего и спадающего напряжения или тока [5].

36

Подготовьте материалы по выполнению задания 2 для файла отчета.

Краткие итоги.

В ходе выполнения задания 2 были изучены материалы, связанные с проведением анализа DC Sweep. В ходе практических работ были осуществлены расчеты и получены результаты расчетов нескольких типичных схем, требующих проведения данного вида анализа для изучения параметров и подтверждения их работоспособности. При проектировании реальных схем анализ DC Sweep позволяет, в частности, изучать поведение схем при подаче и снижении уровней питания.

2.3.3. Осуществление анализа AC Sweep

Приступите к выполнению задания 3. Изучите основные сведения о порядке и правилах проведения расчетов частотных характеристик (AC Analysis) и уровня внутреннего шума (Noise Analysis) схем, а также используемых при этом директивах, как представлено в учебном пособии и в материалах файлов pspug.pdf, PSpcRef.pdf.

По ходу изучения материалов раздела необходимо выполнять все действия с представленными схемами, проводить изучение и интерпретацию полученных результатов. При выполнении задания 3 воспользуемся схемой активного фильтра проекта A_Filt и порядком проведения расчетов, как представлено в приложении 3.

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

Оператор .AC обеспечивает расчет частотных характеристик (frequency response) схемы (или поведения схемы в частотной области) в заданном диапазоне частот и с заданным количеством точек в рассчитываемой характеристике. Задается также тип характеристики или, точнее, характер изменения частоты в заданном для проведения расчетов диапазоне.

Диапазон частот указывается от Fmin до Fmax. Границы задаваемого диапазона частот Fmin

и Fmax должны удовлетворять соотношению Fmin ≤ Fmax, кроме того Fmin>0, Fmax>0. Задаваемый диапазон может состоять всего из одной точки, если Fmin=Fmax.

Расчет на нулевой частоте невозможен. Если это все-таки требуется, то надо или задать

очень низкую частоту (например, доли герца), или воспользоваться другим оператором - .TF [3].

Количество точек в рассчитываемой характеристике (points in the sweep) N связано с выбранным типом характеристики.

Типы характеристик.

• LIN – линейное изменение частоты (linear sweep). Частота меняется с постоянным шагом

(Fmax-Fmin)/(N-1) [3].

• OCT – логарифмическое изменение частоты по октавам (sweep by octaves). При этом N -

число точек на октаву. Частоты в соседних точках отличаются друг от друга в постоянное число раз, равное 81/(N-1) [3].

• DEC – логарифмическое изменение частоты по декадам (sweep by decades). При этом N -

число точек на декаду. Частоты в соседних точках отличаются друг от друга в постоянное число раз, равное 101/(N-1) [3].

Если в качестве результатов интересуют групповые задержки, то надо обеспечить достаточно малый шаг по частоте, чтобы фаза в интересующей точке схемы изменялась плавно от одной частоты к другой. Дело в том, что групповая задержка вычисляется как разность фаз в соседних точках по частоте, деленная на приращение частоты. При большом шаге это может дать недопустимые погрешности [3].

По умолчанию никаких результатов частотного анализа на печать или в виде графиков не выдается. Для получения результатов можно использовать операторы .PROBE, .PRINT,

.PLOT, обеспечить вывод результатов средствами постпроцессора PROBE или с помощью маркеров.

37

Частотный анализ проводится на схеме, линеаризованной в рабочей точке (linearizing the circuit around the bias point). При AC-расчетах к схеме подключаются и учитываются в расче-

тах независимые источники тока и напряжения, имеющие спецификацию AC и ненулевые величины (nonzero amplitudes).

Для изучения работы нелинейных схем, таких как преобразователи частот, умножители

частот, схемы автоматической регулировки усиления (АРУ), рекомендуется воспользоваться анализом переходных процессов (transient analysis).

Команда (оператор, директива) .NOISE (noise analysis)

Оператор .NOISE обеспечивает расчет уровней шумов схемы. Расчет шумов проводится совместно с AC-анализом и требует наличия оператора .AC в задании на моделирование.

Задаются:

•выходной источник или источники напряжения, для которых рассчитываются шумы

(Output Voltage);

•независимые источники тока или напряжения, используемые для того, чтобы указать,

к каким точкам схемы и в какой форме рассчитывается эквивалентный шум на входе

(I/V Source);

•может указываться интервал (Interval) вывода в выходной текстовый файл детальных

результатов расчетов о вкладе каждого источника шума в выходной шум ONOISE. При использовании оператора .NOISE данные о расчетах шумов для каждой частоты в

AC-анализе помещаются в выходной файл *.DAT для последующего представления и обработки в постпроцессоре PROBE.

Источниками шумов, принимаемых во внимание при расчетах, являются:

•все резисторы схемы;

•все полупроводниковые приборы схемы.

•Программа осуществляет расчет:

•собственных шумов всех полупроводниковых приборов и резисторов схемы с учетом условий их подключения к указанной выходной цепи;

•итоговые уровни входного INOISE и выходного ONOISE шума.

Таким образом, рассчитываются величины шумов от входа к выходу. Место схемы для получения итоговых уровней шумов указывается как выходной источник или источники напряжения, для которых рассчитываются шумы. Входные независимые источники тока и напряжения, указываемые в настройках расчетов, сами по себе не являются источниками шума. Они задаются в операторе .NOISE для того, чтобы указать, к каким точкам схемы и в какой форме программа должна пересчитывать эквивалентный шум на входе.

Для каждой частоты, заданной в операторе .AC, определяется вклад каждого источника, и спектральная плотность его шума пересчитывается к выходному напряжению схемы. Все источники шума считаются статистически независимыми. Поэтому спектральная плотность напряжения шума на выходе (обозначается как ONOISE, размерность - В/Гц1/2 ) определяется как корень квадратный из суммы квадратов спектральных плотностей отдельных источников. Одновременно рассчитывается коэффициент передачи схемы с входа на выход и с его помощью выходной шум пересчитывается к входу (спектральная плотность эквивалентного шума на входе обозначается как INOISE) [3].

Если независимый источник в операторе .NOISE является источником напряжения, то его размерность В/Гц1/2 (т.е. это напряжение шума). Если же источник в операторе .NOISE является источником тока, то его размерность А/ Гц1/2 (т.е. это ток шума).

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

38

Рис. 2.24 Настройки профиля Save Bias Point анализа AC Sweep/Noise схемы фильтра A_Filt

В соответствии с настройками профиля файл задания на проведение расчетов в данном случае содержит текст задания на моделирование, как показано ниже.

*Analysis directives:

.AC DEC 201 0.1 1000MEG

.NOISE V([OUT]) V_VSig 100

.OP

.SAVEBIAS "C:\Works\Work1\A_Filt\Filt_Bias" OP

.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)

.INC ".\a_filt-SCHEMATIC1.net"

Проведите расчеты. Получите выходные характеристики как представлено в приложении 3. Подтвердите на основе полученных расчетных данных основные параметры фильтра,

а именно: частоту среза, ослабление сигнала (крутизну характеристики), коэффициент усиления на низких частотах. Постарайтесь объяснить ход кривых АЧХ и ФЧХ для V(Out), осо-

бенно вблизи частоты среза. Объясните также характер АЧХ для V(V1).

Анализ шумов

Особенностью PSpice-расчета шумов является получение суммарных спектральных

плотностей шумов ONOISE (выходных) и INOISE (эквивалентных входных). Различают напряжение шума и ток шума, например, V(ONOISE) = V(f) – спектральная плотность суммар-

ного напряжения шума на выходе схемы, представленной как четырехполюсник. Спектральная плотность напряжения шума V(ONOISE) на выходе четырехполюсника рассчитывается как корень квадратный из суммы квадратов спектральных плотностей отдельных (парциальных) источников шума, его размерность [В/Гц1/2]. Проводится расчет передаточной функции или коэффициента передачи схемы со входа на выход и с его помощью выходной шум пересчитывается ко входу (INOISE). Все учитываемые источники шума считаются некоррелированными и статистически независимыми. Учитываются резисторы, являющиеся источниками теплового шума, причем это касается как явно заданных отдельных компонентов цепи, так и внутренних сопротивлений компонентов, а также сопротивлений ключей. Для полупроводников учитываются дробовой шум и фликкер-шум pn-перехода.

40