Курсовая работа: Визуальное моделирование электронных схем

4. Примеры моделирования аналоговых устройств

Система сквозного проектирования DesignLab – мощный и во многом универсальный инструмент в руках разработчика радиоэлектронных схем, своего рода «паяльник» и набор различных измерительных приборов. Но хорошо оснащённая «лаборатория» без хороших схемотехников – это потраченные впустую средства. К сожалению, очень часто исследуемые с помощью программы Schematics схемы «не работают» из-за низкой квалификации пользователя. Основных причин здесь три:

-  неграмотно спроектированная или неправильно «спаянная» схема;

-  неверно осуществлённый параметрический синтез элементов;

-  неумение «заставить» работать радиоэлектронную схему при моделировании из-за незнания некоторых особенностей работы программы PSpice, а также не вполне адекватные условия моделирования.

Отбросив две первых причины, рассмотрим третью.

4.1 Моделирование схемы по постоянному току (DC Sweep)

Режим по постоянному току рассчитывается всегда в начале моделирования перед выполнением других видов анализа без указания специальных директив. Результаты расчётов выводятся в текстовый файл с расширением.out в виде таблицы узловых потенциалов.

В программе PSpice режим по постоянному току рассчитывается методом Ньютона-Рафсона. В отсутствии сходимости рекомендуется по директиве Option в меню Setup Analysis увеличить максимальное количество итераций ILT1 (по умолчанию ILT1=40). Для повышения скорости сходимости рекомендуется по команде Nodeset устанавливать начальные значения узловых потенциалов по постоянному току наиболее близкими к ожидаемым. Приближённое значение узловых потенциалов по команде Nodeset необходимо устанавливать при анализе схем, имеющих несколько устойчивых состояний.

Смысл применения этой команды заключается в том, что перед расчётом режима по постоянному току к выделенным узлам подключаются источники ЭДС с небольшим внутренним сопротивлением. После окончания расчёта эти источники отключаются и выполняется задание на моделирование. Включение команды Nodeset осуществляется из меню библиотеки стандартных компонентов.

Приведём пример применения команды Nodeset. Так, из рассмотрения схемы стабилизатора напряжения (рис. 36а) видно, что для нормальной её работы необходима цепь запуска. Действительно, для того чтобы выходное напряжение стабилизатора приняло заданное значение, необходимо появление тока коллектора транзистора Q2. Этот ток появится только после отпирания транзистора Q4, а он не откроется, пока напряжение на выходе стабилизатора равно нулю. То есть налицо триггерный эффект: схема имеет два устойчивых состояния.

Рис. 36 - Схема стабилизатора напряжения а) и меню задания на моделирование в режиме DC Sweep б)

Предполагаемые узловые напряжения в некоторых случаях очевидны, в других случаях требуют проведения некоторых инженерных расчётов.

Напряжение в узле 7:

V(7) = V(1) – UБЭ2 = 9,3 В,

а напряжение в узле 5 после выхода схемы в режим стабилизации:

V(5) = V(1) – UБЭ2 – UБЭ3 - UСТ1 = 1,8 В,

если начальное напряжение источника питания V1 = 10 В, а напряжение стабилизации стабилитрона D1 UСТ1 =6,8 В.

Напряжение в узле 2 будет определяться типом выбранного стабилитрона D2 и параметрами резисторов R3, R4:

V(2) = (UСТ2 + UБЭ5 ) (1+R4 /R3 ) = 8 В,

где UСТ2 = 3.3 В – напряжение стабилизации стабилитрона; R3 = R4 = 1k.

Тогда установка начальных приближений будет заключаться в установке атрибута VALUE=xxV.

Заметим, что чем в большем количестве узлов и чем точнее заданы начальные приближения, тем быстрее будет проведён анализ схемы на этапе расчёта статического режима.

Ещё одно замечание, касающееся проведения анализа на постоянном токе. Обратите внимание, что источник тока, включённый на выходе стабилизатора, может быть линейным независимым (I) или источником тока, управляемым напряжением (G) [16, 17]. С по-мощью линейного источника тока можно исследовать нагрузочную способность стабилизатора напряжения, используя в качестве варьируемой переменной ток через него. Однако, ввиду идеальности этого источника тока (выходное сопротивление стремится к бесконечности), при изменении тока нагрузки не будет изменяться сопротивление нагрузки и, как следствие, практически не будет изменяться петлевое усиление схемы, охваченной глубокой отрицательной обратной связью. Такая ситуация неадекватна реальности. Поэтому в программе Schematic с помощью источников напряжения (Е), управляемых собственным током, и источников тока (G), управляемых собственным напряжением, можно имитировать резистор, то есть источник тока приобретает конечное внутреннее сопротивление. Формат для записи нелинейных передаточных функций в текстовом файле выглядит следующим образом:

E<имя><+узел><-узел>VALUE={<выражение>}

G<имя><+узел><-узел>VALUE={<выражение>}.

После ключевого слова VALUE в фигурных скобках приводится алгебраическое выражение, зависящее от узловых потенциалов, разности узловых потенциалов, токов через независимые источники напряжения и тока. Например, для исследования нагрузочной способности стабилизатора напряжения процедура имитации активного сопротивления нагрузки (переменного резистора) в текстовом файле с расширением *.cir выглядит следующим образом:

G1 2 0 VALUE={V(2)*V(10)*0.0125}.

Независимый источник напряжения V2 включён между узлами 10 и 0, начальное значение напряжения которого – 0 В. В процессе выполнения анализа его напряжение меняется от 0 до 1 В с шагом 10 мВ (рис. 36б); таким образом осуществляется управление током зависимого источника тока G1. Ток зависимого источника есть функция напряжения в узле 2 (выход СН) и управляющего напряжения источника напряжения V1. С помощью масштабного коэффициента (0,0125) выбирается абсолютное значение тока зависимого источника тока G1. Например, если V(2) = 8,5 В, максимальное напряжение источника V2 составляет 1 В, максимальный ток на выходе G1 составит 106 мА.

При установке источника тока типа G в схему в его атрибутах в строке Template существует запись:

G^@REFDES %3 %4 %1 %2 @GAIN.

Символы %3 %4 обозначают узлы выхода этого источника и указывают на то, что программа Schematics автоматически пронумерует эти узлы. Далее на место текста %1 %2 @GAIN необходимо записать текст в формате *.cir. В результате строка Template будет выглядеть следующим образом:

G^@REFDES %3 %4 VALUE={V(2)*V(10)*0.0125}.

Далее приступают к моделированию. Задав вариацию напряжения источника V1, убеждаются в работоспособности СН, проверив его статический режим при начальных условиях, затем приступают к построению графиков в программе Probe.

На рисунке 37 приведены графики выходного напряжения и коэффициента стабилизации СН при добавлении дополнительной оси Y с другим масштабом. Выражение для коэффициента стабилизации записывается «по определению».

Далее, задав вариацию источника V2, можно построить график зависимости выходного напряжения СН от изменения напряжения в узле 10, а затем произвести замену переменных – по оси Х будет откладываться ток через зависимый источник тока G1 (рис. 38).

Обратите внимание: выходное сопротивление имеет отрицательное значение. Это означает, что с ростом тока нагрузки напряжение на выходе СН снижается. Но это и означает, что выходное сопротивление СН на самом деле имеет положительный знак.

Рис. 37 - Зависимость выходного напряжения СН при изменении входного () и коэффициент стабилизации ()

Рис. 38 - Зависимость выходного напряжения при изменении тока нагрузки () и выходное сопротивление () СН

4.2 Моделирование схемы по переменному току (AC Sweep)

Особенности моделирования схемы на переменном токе приведём на примере исследования усилителя напряжения на операционном усилителе μА741 (рис. 39).

Рис. 39 - Схема исследуемого усилителя а) и задание на моделирование в режиме AC Sweep б)

Результаты моделирования схемы рисунка 39 приведены на рисунке 40.

Обратите внимание на то, что характеристики построены в логарифмическом масштабе. В этом случае выражение DB(V(out)) означает, что на экран выведен график АЧХ усилителя (кривая, отмеченная знаком), охваченного ООС АЗ = 20lg[V(out)/V(in+)], поскольку напряжение V(in+) = 1 В. На этой же оси построен график ЛАЧХ усилителя без обратной связи (кривая, отмеченная знаком ◊), который представляет собой следующее математическое выражение:

,

поскольку ОУ усиливает разность напряжений между входами.

На другой оси построена фазовая характеристика разомкнутого усилителя как разность фаз между фазами выходного напряжения и разностью входных (кривая ■). Если бы была указана трасса P(V(out), был бы построен график фазовой характеристики замкнутого усилителя по отношению к генератору напряжения входного сигнала V3!

Рис. 40 - Результаты моделирования усилителя напряжения схемы рисунка 39

4.3 Моделирование переходных процессов (Transient)

Переходные процессы всегда рассчитываются с момента времени t = 0 до момента <конечное время>, заданного в режиме Transient. Если анализ схем, в которых используются внешние сигналы, обычно не представляет трудностей, то исследование генераторных схем не всегда завершается успешно.

Рассмотрим в качестве конкретного примера особенности расчёта переходного процесса в генераторе пилообразного напряжения (рис. 41) [18].

Период колебаний этого генератора ориентировочно можно оценить из выражения:

T » (U0 + UБЭ2)R3 C1 /(U0 – UБЭ6),

где U0 = ER2/(R2+R1);

E – напряжение источника питания V1.

Амплитуду UП пилообразного напряжения, снимаемого с конденсатора С1, можно представить как:

UП @ (U0 + UБЭ2) – UОСТ,

где UОСТ – остаточное напряжение на открытых и насыщенных транзисторах Q2–Q4.

Рис. 41 - Генератор пилообразного напряжения на основе аналога однопереходного транзистора

Сначала рассчитываем режим генератора по постоянному току в соответствии с заданием, предварительно определив параметры элементов для частоты колебаний 6–10 кГц и амплитуды пилообразного напряжения 5 В (ток коллектора транзистора Q1 выберем около 1 мА).

В результате расчёта в выходном файле (*.out) создаётся таблица узловых потенциалов. Нажатие на пиктограмму  вызывает появление карты потенциалов на экране (рис. 41):

V(1)=10, V(2)=5.25, V(3)=4.575, V(4)=9.325,

V(5)=0.67697, V(6)=3.9.

Если после расчёта режима по постоянному току сразу перейти к расчёту переходных процессов, то генератор, находящийся в одном из устойчивых состояний равновесия, не возбудится. Можно предложить два способа запуска математической модели генератора пилообразного напряжения (и любых других генераторов).

1. Перед началом анализа в режиме Transient с помощью стандартного символа IC задаются начальные значения узловых потенциалов и(или) начальные значения напряжений на конденсаторах (и токи через индуктивности при их наличии в схеме), отличные от значений в состоянии равновесия. Далее в задании указывается директива расчёта переходного процесса, при этом нужно отменить расчёт по постоянному току, так как он уже задан с помощью стандартных символов IC.

Если автоколебания не возникли, рекомендуется уменьшить шаг интегрирования, например, в десять раз, указав его конкретное значение в соответствующем пункте меню Analysis/Transient.

2. Имитируя включение напряжения питания, задавать источник напряжения в виде либо кусочно-линейной функции (единичного скачка), либо импульсной функции с линейным передним фронтом и длительностью в несколько наносекунд и длительностью плоской вершины, больше или равной конечному времени анализа.

Кроме того, если генератор симметричен (например симметричный мультивибратор), необходимо ввести незначительную асимметрию плеч (достаточно 1 %), так как математическая модель такого мультивибратора абсолютно симметрична!

Результаты моделирования схемы генератора пилообразного напряжения, приведённые на рисунке 42, довольно хорошо согласуются с расчётными аналитическими выкладками.

Рис. 42 - Выходное напряжение генератора пилообразного напряжения

Естественно, приводимые примеры не исчерпывают многообразия вопросов, которые могут возникнуть при использовании программы PSPICE. Абсолютно не затронуты вопросы моделирования цифровых схем.

Библиографический список

1.  Активные RC-фильтры на операционных усилителях / пер. с англ.; под ред. Г.Н. Алексакова. – М.: Энергия, 1974. – 64 с.

2.  Алексенко А.Г. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. – М.: Радио и связь, 1985. – 256 c.

3.  Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: справ. пособие / Н.А. Барканов [и др.]; под ред С.В. Якубовского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1984. – 432 с.

4.  Анисимов В.И. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В.И. Анисимов, М.В. Капитонов, Ю.М. Соколов, Н.Н. Прокопенко. – Л.: Энергия, 1979. – 168 с.

5.  Источники вторичного электропитания / под ред. Ю.И. Конева. – М.: Радио и связь, 1983. – 280 с., ил. (Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).

6.  Model of BD329. Philips Semiconductor. Product specification (электронный ресурс). – URL: http://www.philips.com/_Models.

7.  Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства: учеб. пособие для вузов / В.Н. Ногин. – М.: Радио и связь, 2010. – 304 с.

8.  Полупрововодниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: cправочник / под общ. ред. Н.Н. Горюнова. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 2008. – 744 с.

9.  Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и Pspise для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. В 4 вып. Вып. 2. Модели компонентов аналоговых устройств / В.Д. Разевиг. – М.: Радио и связь, 2009. – 70 с.

10.  Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0 / В.Д. Разевиг. – М.: СОЛОН-Р, 2008. – 704 с.

11.  Синтез активных RC-цепей. Современное состояние и проблемы / под ред. А.А. Ланнэ. – М.: Связь, 2010. – 296 с.

12.  Соклофф С. Аналоговые интегральные схемы: пер. с англ. / С. Соклофф. – М.: Мир, 2008. – 583 с.

13.  Старченко Е.И. PSpice пользователю: пособие / Е.И. Старченко. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2009. – 37 с.

14.  Старченко Е.И. Базовые матричные кристаллы. Схемотехника типовых аналоговых микроэлектронных устройств: пособие по изучению теоретической части дисциплины «Аналоговые электронные устройства» / Е.И. Старченко, В.Г. Манжула. – Шахты: ШТИБО, 2010. – 61 с.

15.  Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко. – М.: Энергия, 2007. – 615 с.

16.  Титце У. Полупроводниковая схемотехника: пер. с нем. / У. Титце, К. Шенк. – М.: Мир, 2008. – 586 с.

17.  Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре / В.Л. Шило. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Советское радио, 2009. – 386 с.

18.  Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике: пер. с нем. / П. Шкритек. – М.: Мир,2010. – 446 с.

19.  Старченко Е.И. Принципы проектирования низковольтных прецизионных аналоговых перемножителей напряжения / Е.И. Старченко // Альтернативные естественно возобновляющиеся источники энергии и энергосберегающие технологии, экологическая безопасность регионов: Выездная сессия Секции энергетики Отделения энергетики, машиностроения и процессов управления РАН: материалы сессии, Ессентуки, 12–15 апреля 2008. В 2 ч. Ч. 2 / под ред. Я.Б. Данилевича. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2008. – С. 155–163.

20.  Pat. 4,322,688 US. Cascode Fid-Forward amplifier / G. Kennet Schltzhauer, 2010.

21.  Карелин В.С. Проектирование рычажных и зубчато-рычажных механизмов: справочник / В.С. Карелин. – М.: Машиностроение, 2009. – 184 с.

22.  Пат. № 2287892. Российская Федерация, МПК 7 H0 3А 3/45. Преобразователь напряжение-ток / Старченко Е.И., Гавлицкий А.И.; заявитель и патентообладатель Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса. №2005114551/09; заявл. 13.05.09 г.; опубл. 20.11.09, Бюл. № 32. – 6 с.

23.  Пат. № 2287892. Российская Федерация, МПК 7 H0 3А 3/45. Преобразователь напряжение-ток / Старченко Е.И., Гавлицкий А.И.; заявитель и патентообладатель Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса. № 2006109624/09; заявл. 27.03.08 г.; опубл. 27.09.08, Бюл. № 27. – 6 с.

24.  Хайнеман, Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE: пер. с нем. / Р. Хайнеман. – М.: ДМК Пресс, 2008. – 336 с.

25.  Старченко Е.И. Аналоговые перемножители напряжения: монография / Е.И. Старченко. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2009. – 57 с.