книги / Моделирование аналоговых электронных схем

2.5.9.Спектральный анализ.

Директива имеет вид :

.FOUR < П > < выходная переменная >.

Выполняется после расчёта переходного процесса по директиве

.TRAN, поэтому этот анализ должен следовать после директивы .TRAN во входном списке. Задаётся частота первой гармоники fl. Рассчитывается постоянная составляющая и амплитуда первых девяти гармоник. Разложе­ ние в ряд производится на интервале Т=1/П, который берётся от конца ин­ тервала переходного процесса. Считается, что в конце переходного про­ цесса установился периодический процесс. Это следует учитывать при вы­ боре конечного времени интегрирования tK.

Рассчитывается также коэффициент нелинейных искажений по формуле:

1 •100,

А1

где А| — амплитуда гармоник, i=1...10.

Например, .FOUR 100 kHz V(l) V(2).

Кроме рассмотренных видов анализа и установок, система PSP1CE позволяет производить:

-анализ уровня внутреннего шума

-статистический анализ по методу Монте-Карло

-расчет чувствительности и наихудшего случая.

При этом используются директивы: .NOISE, .MC, .WCASE.

Эти виды анализа здесь не рассматриваются, т.к. представлены в [1]. 2.6.0тображение результатов расчета.

2.6.1. Вывод результатов расчета в виде таблиц. ^

Вывод результатов расчета в табличной форме возможен для сле­ дующих видов анализа: .DC, .АС, .NOISE, .TRAN. Для каждого вида ана­ лиза отводится отдельная строка. Директива имеет вид:

.PRINT [DC] [АС] [NOISE] [TRAN] < выходная переменная >.

Вперво^, столбце таблицы будут указаны:

-постоянное напряжение для режима .DC ;

-время для режима .TRAN ;

- частота для режима .АС ; Количество значащих цифр, выводимых в таблицу, и максимальное

количество строк таблицы определяется опциями NVMDGT и LIMPTS ди­ рективы .OPTIONS ( по умолчанию 4 и 5000 соответственно).

Например,

.PRINT DC V(1)V(2)

.PRINT АС V(3,0)

.PRINT TRAN V(4,3)

.OPTIONS NVMDGT = 3.

2.6.2 Вывод результатов в виде графиков.

Графическое представление результатов выполняется для тех же ви­ дов анализа, что и для директивы .PRINT.

Директива имеет вид:

.PLOT [DC] [АС] [NOISE] [TRAN] <выходная переменная>...

...(<нижняя граница>,<верхняя граница>).

Графики выводятся с помощью буквенно-цифровых символов, до восьми кривых на одном изображении. Диапазон изменения по оси X (область определения) указывается в директиве .DC, .АС, .TRAN, а диапа­ зон изменения по оси Y определяется указанием нижней и верхней границ области значения функции. В случае отсутствия этих параметров диапазон устанавливается автоматически. Например:

.PLOT DC V(1)V(3,0)

.PLOT TRAN V(2,3) (-1V,+l V).

Для построения отдельного графика требуется написать новую стро­ ку задания.

2.6.3.Использование программы PROBE для графического отобра­ жения результатов анализа.

Директива имеет вид:

.PROBE <выходная переменная>...

Если список выходных переменных не указан, то отображаются по­ тенциалы всех узлов схемы. Например,

.PROBE

.PROBE V(1)V(3,0)

фика. Присвоим имя заданию CX5RD. Описание задания на входном языке системы PSPICE:

CX5RD

R 1 0 1 100

R2 12 1000

R3 2 3 100

R4 3 0 1000

R G 04 10

V 2 4 1 0 0

I 3 1 0.1

.DC 10.1 0.5 0.2

.PRINT DC V(2) V(l,3)

.PLOT DC V(2) V(l,3)

.END

При помощи Output Browser считываем следующие значения из таб­

лицы:

0.594.20 -13.84

После таблицы строится график с двумя функциями V(2)[ I ] и V(3fl)[I].

2.9. Пример составления задания на выполнение частотного анализа. Рассмотрим схему на рис.2.2, с параметрами элементов:

R=10 Ом, L1=L2=1 мГн, С = 0.1 мкФ.

Е-источник синусоидальной ЭДС с амплитудой 1В и начальной фа­ зой 45 градусов. Обозначим узлы в схеме и составим задание на получение частотной характеристики. Присвоим имя заданию CX2LC и составим описание задания.

CX2LC

R 1 0 10

L1 23 1.Е-3

L2 3 0 0.001

C 3 00.1V

V 2 1 АС 1 45

A C U N 2 0 10K27K

.PRINT AC VM(1,0) VP(1,0)

.PLOT AC VM(1,0) VP(1,0)

.END

LI

При помощи подпункта Output Browser пункта меню Files получаем табли­ цу и график зависимости амплитуды (VM) и фазы (VP) напряжения на резисторе R между узлами 1 и 0. Определяется, что ре­ зонанс тока имеет место на частоте 15.95 кГц, резонанс напряжения на частоте 22.75кГц.

2.10. Описание синусоидального и импульсного источников ЭДС и

тока.

Источники синусоидального сигнала (ЭДС и тока) в программе PSPICE задаются функцией y=sin( уО, уа, f, td, df, <p).

Аналитическое выражение! функции имеет вид: f y0+ya-sin(2nf-(t-td)+<p), для fètd и df=0.

y ( tH

I yO+ya-exp[-(t-td)-df ]sin[ 2nf *(t-td)+<p], для t> td и df>0. На рис.2.3, представлены 1рафики этих функций

Например, если между узлами 1 и 2 включен синусоидальный ис­ точник ЭДС e=100 sin(2ft-50 t+30), то на входном языке описания будем иметь: V 1 2 sin(0 100 50 0 0 30).

Импульсная функция задается списком параметров PULSE (yl, у2, td, tr, tf, т, T). Описание параметров в таблице:

6)df >0

Рис.2.3. Незатухающая(а) и затухающая(б) синусоидальная функции.

TSTEP-шаг вывода на печать.

TSTOP-конечное время анализа переходного процесса. Эти парамет­ ры задаются в директиве .TRAN.

На рис.2.4, представлен график импульсного сигнала.

Эта функция позволяет получить приближение к прямоугольному Импульсу.

Например, требуется описать на входном языке описания прямо­ угольный импульс длительностью 100 нс с периодом 200 нс и амплитудой 10В. Такой источник импульсного сигнала при включении его между уз­ лами 1 и 2 приближенно можно описать:

VIMP 1 2 PULSE (0 10V 0 Ins Ins 98ns 200ns).

Здесь длительность переднего и заднего фронтов принимается на два порядка меньше длительности импульса, чем достигается приближение к идеальному прямоугольному импульсу.

2.11. Составление задания для расчета переходного процесса.

Необходимо выполнить расчет переходного процесса для схемы (рис.2.5.) с параметрами :

Е = 100 В, R = R1=R2 = R3 = 1 Ом, С = 10 мкФ.

Интегрирование выполним на интервале t=0...T, где Т=4т конечное время инте1рирования, т- постоянная времени цепи, i=CR/2=510-3 с. На­ пряжение на ёмкости в момент t=0 находим из докоммутационного режи­ ма Uc(0)=(E/3R)*2R=66,7B. Начальное значение напряжения на конденса­ торе учтём в строке описания ёмкостного элемента при помощи указателя начального значения 1C.

В директиве .TRAN предусмотрена отмена расчёта статического режима при помощи указателя UIC. Шаг выдачи результатов примем равным 0,1Т=210'3с. Заданию присвоим имя CXRC. Тогда задание на моделирова­

CXRC RI 1 2 1К R2 2 01K

С 2 О 10U 1с=66.7

.TRAN2M20MUIC

.PROBE V(2,0)

.END

Заданием предусмотрен просмотр напряжения на емкостном элемен­ те при помощи программы графической обработки результатов анализа PROBE.

3. Анализ переходных процессов в цепях с транзисторами и опера­ ционными усилителями.

3.1.Включение в заданй 1 на моделирование макромоделей типовых компонентов.

Как указывалось в разделе 1.1 система PSPICE содержит ряд биб­ лиотечных файлов, где помещены параметры макромоделей типовых ком­ понентов электронных схем.

diode.lib - библиотечный файл содержит параметры макромоделей следующих типов диодов и тиристоров:

(D) IN 3063...6701,5283...5314,5139...5476,746...970,4778..S254; MBR 030,040,115...360, 1045..2045 CT, 2520...30045СТ;

MBRL 030...2510; MR2400...251. MVR 2505...2520,1605СТ...1660СТ, 3005РТ...30040РТ, 4100...5020,

10005СТ...20020СТ, R710XPT...714XPT; CRR0240...4300, j500...557, jR135V...240V;

MV 104G...2215; HLL 746...5254.

bipolar.lib - библиотечный файл параметров биполярных транзисто­ ров.

jfet.lib - содержит параметры макромодели полевых транзисторов, pwrmos.lib - содержит параметры МОП-транзисторов.

Параметры линейной модели операционных усилителей находятся в библиотечных файлах с именами :

burr-bm.lib tex-inst.lib lin-tech.lib linear.lib

Отечественные аналоги операционных усилителей приведены в [3]. Для включения библиотечной макромодели типового элемента в за­

дание на моделирование необходимо в строке описания компонента к имени компонента добавить букву, соответствующую типу компонента :

D - к имени диода;

Q - для биполярного транзистора;

М - для полевого МОП-транзистора типа MOSFET;

J для полевого транзистора с управляемым р-n переходом (JFET);

X - для операционного усилителя;

Далее указав узлы подключения макромодели и имя макромодели, под которым её параметры хранятся в библиотеке файла. Кроме того необ­ ходимо записать строку .L1B и далее указываетря полный путь к этой мак­ ромодели.

Пример 1. Пусть необходимо использовать библиотечную макромо­ дель операционного усилителя UA741/TI, параметры которого находятся в библиотеке с именем tex-inst.lib.

Известны узлы подключения операционного усилителя: 0- прямой вход, 3- инверсный вход, 5- питание, 6- “+” питание, 4- выход.

Рассмотрим вариант, когда поддиректория PSP1CE находится в ди­ ректории с именем ELCAD, которая содержится в корневом каталоге дис­ ка С.

Тогда в задании на моделирование следует записать две строки XI 0 3 5 6 4 UA741/TI

.ив C:\ELCAD\PSPICE\tex-inst.lib

Пример 2. Известно, что п-р-п транзистор типа 2Q3115 подключается к узлам 1,2,3 (К-Б-Э) схемы.

Параметры макромодели транзистора находятся в библиотечном файле с именем bipolar.lib.

Отечественные аналоги зарубежных транзисторов приведены в

[4—7].

Тогда в задании следует записать две строки: Q1 1 23 2Q31.15

.LIB C:\ELCAD\PSPICE\bipolar.lib

Необходимо отметить, что параметры макромодели могут поме­ щаться не только в библиотеку, но и непосредственно в текст задания. В этом случае используется оператор .MODEL и для рассмотренного приме­ ра 2 задание будет иметь вид:

Q1 2 3 2Q3115

.MODEL 2Q3115 NPN ( IS=..., и т.д. ), где в круглых скобках пе­ речисляются параметры макромодели транзистора и их значе­ ния. Не обозначенные в этом перечне параметры вводятся по умолчанию.

Перечень параметров моделей типовых компонентов приводится в [1] выпуск 2, 3, где указаны и численные значения параметров^ модели ряда транзисторов.

3.2. Составление задания на моделирование схемы с операционным усилителем.

Составление задания на моделирование процессов в схемах с опера­ ционным усилителем рассматривается для схемы рис.3.1.

Здесь представлена схема сумматора на операционном усилителе типа К140УД7 ( аналог UA741 ), параметры модели которого находятся в библиотечном файле с именем tex-inst.lib. Путь к этому файлу :

C:\ELCAD\PSPICE\tex-inst.lib.

Известны узлы подключения операционного усилителя :

0 - прямой вход, 3 - инверсный вход, 4 - выход, 5 - напряжение пи­ тания (+10В), 6 - напряжение питания (-10В). Параметры схемы:

R1=R2=R3=R4=1KÔM;

el =0,lsin(27clE5+90o)(B),

е2 = 0,2sin(2nlE5(t-5E-6)) (В), при t £ 5Е-6 с; е2 =0, при t < 5Е-6 с.