Материал: 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