Основы автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств (часть 2)

31

системы уравнений для схемы с идеальным операционным усилителем изображенной на рисунке 8.1 к параметру G1 .

Составим систему узловых уравнений схемы. Для этого, вместо идеального операционного усилителя, возьмем вначале реальный операционный усилитель, моделируемый источником напряжения управляемым напряжением, с конечным выходным сопротивлением R . Далее, заменим его источником тока управляемым напряжением с выходной проводимостью G 1 / R . После составления узловой системы исключим, в соответствии с соотношениями Гаусса, ток и напряжение выходного узла и

осуществим предельный переход элементов матрицы проводимости, при G .

Узловая матрица проводимости схемы, учитывая, что крутизна источника тока управляемого напряжением равна S K G, запишется

где s j - оператор Лапласа. Исключая напряжение и ток третьего узла, получим матрицу второго порядка

Осуществив предельный переход, при G , и, заменив, источник напряжения на входе источником тока, получим следующую узловую систему уравнений для схемы с идеальным операционным усилителем

Используя соотношение (8.42), вычислим вектор правой части

Чувствительность произвольной выходной функции. В отличие от рассмотренной линейной комбинации вектора решений выходная функция

где - дифференцируемая функция; h - вектор параметров. Дифференцирование (8.54), как сложной функции, по компоненте

вектора h дает

/ h / h ( / X )t T 1 (( T / h ) X W / h ) . (8.56)

Сравнивая полученное соотношение с (8.46), видим, что здесь, вместо d t , используется ( / h )t , и, присоединенная система уравнений, в данном случае, имеет вид

Таким образом, для решения присоединенной системы, вначале необходимо решить исходную систему для определения X . В результате, подставив в (8.56) решение присоединенной системы (8.57), получим

/ h / h Y t ( T / h ) X Y y ( W / h ) . (8.58)

Чувствительность более высокого порядка. Определение чувствительности высокого порядка требует вычисления производных более высокого порядка. Формально вычисление производной более высокого порядка не сложнее вычисления первой производной, однако требует больших затрат машинного времени. Для выяснения понятия чувствительности более высоких порядков получим соотношения для чувствительности второго порядка.

Вначале продифференцируем исходную систему уравнений (8.40) по параметру h1

Для простоты пусть источники не зависят от параметров, т.е. W / hi 0 . Продифференцируем соотношение (8.59) по параметру h2

34

разложение T L U . Требуемые производные вектора X можно получить двумя путями. Если число параметров, по отношению, к которым необходимо определять вторую производную велико (больше размерности матрицы T ), то производные получают повторным применением метода,

параметров, поэтому первые производные будут равны константам при элементах, а вторые производные соответственно равны нулю. Если параметры входят в матрицу коэффициентов функционально, то вторая производная в общем случае не будет равной нулю.

Как видим, определение чувствительности второго порядка требует существенно больших вычислительных затрат, сводящихся к многократному решению исходной системы с разными правыми частями и решению транспонированной системы. Вычисление чувствительностей еще большего порядка потребует существенно больших вычислительных затрат.

Чувствительность второго порядка учитывает влияние на выходную функцию одновременного изменения двух параметров. В реальных условиях число параметров, подверженных изменению в силу различных факторов достаточно велико, что требует вычисления чувствительностей высоких порядков. Разумный объем вычислений заставляет с помощью

35

чувствительностей первого порядка выделять наиболее существенные параметры, дающие основной вклад в изменение характеристик.

8.3 Применение метода присоединенных систем

Рассмотрим наиболее полезные приложения метода присоединенных систем уравнений, позволяющего рассчитывать, как собственно чувствительности различных характеристик, так и ряд других характеристик на их основе.

Чувствительность по частоте. При расчетах в частотной области, вектор свободных членов W , обычно не зависит от частоты, а производная

При машинном формировании уравнений матрица C может существовать неявно. В этом случае чувствительность по частоте можно определить с помощью чувствительностей реактивных элементов

/ (1 / ) [ Ci ( / Ci ) Li ( / Li )] . (8.68) Так как Y и X , в общем случае, комплексные векторы, то выражение (8.67) будет иметь действительную и мнимую части. В соответствии с

выражениями (8.14), (8.15), (8.17), (8.18), (8.19), можем записать

Соотношение (8.69), с точностью до знака определяет групповую задержку , так как

окрестности нуля при изменении параметра h . Следовательно, h можно рассматривать как независимую переменную, а zi - как зависимую

переменную . Дифференцирование сложной функции, как и в случае нуля

полинома (8.20) дает

( / s ) ( s / h )/ s zi ( / h ) 0 ,

откуда с учетом того, что s j и соотношения (8.67), получаем

чувствительность нуля выходной функции, не выражая его алгебраической функцией параметров.

Чувствительность полюсов. Определение чувствительности полюса эквивалентно определению чувствительности нуля знаменателя дробно - рационального представления выходной функции цепи к ее параметру.

- ( n,n )- тый элемент нижней треугольной матрицы L . Так как в полюсе матрица T вырождена, то элемент lnn 0 и правая часть уравнения (8.76)

будет нулевым вектором. (Для обеспечения этого условия может понадобиться преобразование подобия с полным либо частичным выбором элемента равного нулю и установки его на место lnn . Выбор и перестановки

производятся при LU - разложении матрицы T .) Поскольку система (8.76) вырождена, есть возможность произвольного выбора одного компонента вектора Y . Для удобства вычислений положим yn 1 .

Теперь можно показать, что решение уравнений определяющих X и Y , позволяет рассчитать чувствительность полюсов, для чего подставим (8.75)

и (8.76) в (8.74)

37

диагональными элементами uii 1 , т.е.

использовать соотношение lnn ( s,h ) 0 .

Так как полюс является нулем знаменателя дробно - рационального представления выходной функции, то, используя соотношение (8.70), можно определить чувствительность полюса

Используя это уравнение, можно рассчитать чувствительность полюса выходной функции цепи.

чувствительность по отношению к параметрам, не входящим напрямую в матрицу коэффициентов системы, но элементы, которой зависят от этих

38

параметров, можно определить, пользуясь правилом дифференцирования сложных функций. Рассмотрим вопрос об определении чувствительности

выходного напряжения к температуре h t . Допустим, что m- тый элемент цепи имеет температурную зависимость, выражаемую соотношением

Заменим функцию fm несколькими первыми членами разложения ее в ряд Тейлора

Применим правило дифференцирования сложных функций для получения/ t , при условии, что температура действует только на m- тый элемент

Если использовать только линейный член разложения в ряд, то в соответствии с (8.81), получим

Однако если от температуры зависят несколько элементов, то необходимо суммировать парциальные чувствительности по всем элементам

В качестве примера, рассчитаем температурную чувствительность цепи рисунке 8.2.

Температурным коэффициентом емкости пренебрежем. Положим s j . Система узловых уравнений цепи имеет вид

Согласно (8.49), учитывая, что W / t 0 , можно записать

40

Прямое выполнение указанных преобразований неизбежно привело бы, по крайней мере, к двукратным вычислениям по двум различным схемам. Вначале по исходной схеме вычислили бы ток короткого замыкания или напряжение холостого хода, а затем, убрав внутренние независимые источники и, поставив на выделенные зажимы единичный генератор напряжения или тока, определили бы эквивалентную проводимость или сопротивление. Однако использование сопряженной системы уравнений позволяет выполнить необходимые вычисления гораздо эффективнее.

С математической точки зрения, требуемые преобразования можно представить уравнениями

первоначальные источники, а W2 содержит требуемый единичный источник. Предполагается также, что выходная ветвь представлена соответственно

Таким образом, обе требуемые величины - ток или напряжение и эквивалентную проводимость либо сопротивление можно рассчитать, решив