Курсовая работа: Визуальное моделирование электронных схем
2.1.5 Transfer Function – передаточные функции по постоянному току
При работе с управляющей оболочкой Schematics определение передаточных функций задаётся в диалоговом окне, открывающемся после нажатия на кнопку Transfer Function в меню выбора директив моделирования (рис. 12). В нём указываются имена входной и выходной переменной.
Рис. 12 - Определение передаточной функции
В этом случае рассчитывается передаточная функция dV(OUT1)/dV(V1). Кроме того, всегда рассчитываются входное и выходное сопротивления.
Результаты расчёта выводятся в выходной файл и могут быть просмотрены только в текстовом виде при выполнении команд Analysis/Examine Output.
2.1.6 Transient – расчёт переходных процессов
Определение параметров расчёта переходных процессов задаётся в диалоговом окне (рис. 13), открывающемся после нажатия на кнопку Transient в меню выбора директив моделирования.
Рис. 13 - Задание параметров расчёта переходных процессов
Переходные процессы всегда рассчитываются с момента времени t=0 до момента, указанного в строке Final Time, – конечное время. Перед началом расчёта переходных процессов рассчитывается режим по постоянному току. Шаг интегрирования выбирается автоматически <Step Ceiling>=<Final Time>/50. Иногда для повышения точности расчётов целесообразно уменьшить это время, например, в 10 раз. Тогда в строке Step Ceiling необходимо указать значение времени.
Если будет установлен флаг в окошке Skip initial transient solution, то расчёт режима по постоянному току отменяется. Это бывает необходимо при исследовании работы различных генераторов [11, 17].
В режиме Transient можно провести спектральный анализ. Для этого необходимо установить флаг в окне Enable Fourier и указать частоту первой гармоники Center Frequency, количество гармоник Number of harmonics и выходной узел Output Vars. В программе рассчитываются амплитуды постоянных составляющих всех указанных гармоник. Спектральному анализу подвергается последний период колебаний в конце интервала анализа. Для повышения точности расчёта рекомендуется шаг интегрирования, как это было указано выше.
Результаты спектрального анализа выводятся в выходной файл Examine Output в виде таблицы.
2.1.7 Sensitivit – анализ чувствительности выходного напряжения цепи постоянного тока к разбросам параметров компонентов
Анализ чувствительности позволяет установить, какое влияние оказывают изменения отдельных параметров компонентов схемы на узловые напряжения схемы, в частности, на выходное напряжение. Таким образом можно выяснить, какие компоненты необходимо выбирать с как можно меньшими допусками на отклонение, чтобы гарантированно обеспечить работоспособность схемы при её изготовлении в виде серийной продукции.
Результат анализа чувствительности будет помещён в выходной файл Examine Output в текстовом виде под заголовком DC Sensitivity Analysis.
Рассмотрим в качестве примера достаточно простую схему установления статического режима для одиночного транзистора (рис. 14).
Рис. 14 - Установление статического режима для одиночного транзистора
Чтобы провести анализ чувствительности, необходимо выполнить следующие действия: в открытом окне Analysis Setup установить флажок рядом с кнопкой Sensitivity и, щёлкнув по этой кнопке, открыть окно Sensitivity Analysis (рис. 15).
В этом окне необходимо установить обозначение напряжения, чувствительность которого к изменению значений компонентов схемы необходимо исследовать. Если таких напряжений несколько, их можно разделить в поле ввода с помощью пробела.
Следует отметить, что выходной файл в этом случае может оказаться огромным, особенно если схема содержит много транзисторов. Поэтому, если такого рода процедуры с различными схемами проводятся достаточно часто, необходимо периодически проводить «чистку» дискового пространства.
Рис. 15 - Окно Sensitivity Analysis с установкой для проведения анализа чувствительности напряжения в узле 2
Далее необходимо закрыть окно Sensitivity Analysis, щёлкнув по кнопке OK, и окно Analysis Setup, щёлкнув по кнопке Close.
Запустив процесс моделирования, по его окончанию результат анализа можно найти в выходном файле под заголовком DC Sensitivity Analysis:
DC SENSITIVITIES OF OUTPUT V(2)
ELEMENT ELEMENT ELEMENT NORMALIZED
NAME VALUE SENSITIVITY SENSITIVITY
(VOLTS/UNIT) (VOLTS/PERCENT)
R_R2 1.000E+03 -2.162E-03 -2.162E-02
R_R1 1.980E+03 1.085E-03 2.149E-02
V_V1 5.000E+00 9.997E-01 4.999E-02
V_V2 5.000E+00 -5.000E-01 -2.500E-02
Q_Q1
RB 1.300E+02 3.765E-06 4.894E-06
RC 1.120E+00 6.231E-07 6.978E-09
RE 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00
BF 3.000E+02 -2.551E-05 -7.652E-05
ISE 4.335E-08 6.845E+03 2.967E-06
BR 3.201E+00 3.770E-13 1.207E-14
ISC 5.500E-12 -1.065E+03 -5.856E-11
IS 3.628E-15 -3.576E+12 -1.298E-04
NE 1.347E+01 -5.119E-05 -6.895E-06
NC 2.000E+00 2.928E-09 5.856E-11
IKF 9.635E-02 -4.628E-03 -4.459E-06
IKR 1.000E-01 7.163E-15 7.163E-18
VAF 7.200E+01 1.134E-05 8.168E-06
VAR 3.000E+01 -1.616E-05 -4.849E-06
Смысл параметров в выходном файле следующий.
В первой колонке указано имя компонента, по вариации которого определяется чувствительность узлового напряжения V(2). Если это транзистор, то чувствительность оценивается по вариации основных параметров модели. (Физический смысл параметров модели транзистора приведён в [3].)
Во второй колонке приводится номинальное значение соответствующего компонента или параметров его модели.
В третьей колонке под именем (VOLTS/UNIT) представлено не что иное, как производная напряжения в узле 2 по соответствующему параметру компонента. Например, в первой строке представлена производная:
.
В третьей колонке чувствительность представлена следующим образом (для первой строки):
. (1)
программа моделирование pspice запуск
Как правило, при исследовании чувствительности нас интересует относительное изменение выходного напряжения при относительном изменении номинала соответствующего параметра, поэтому классическое определение чувствительности [4] выглядит следующим образом:
, (2)
откуда
. (3)
Чтобы из выражения (1) получить выражение, аналогичное (3), необходимо провести вычисления по следующей формуле:
. (4)
Естественно, что выражения типа (4) должны быть получены для каждой переменной. Однако и так очевидно, что чем больше S2, тем выше чувствительность схемы к изменению номинального значения данного компонента.
2.1.8 Monte Carlo – вероятностный анализ
Вероятностный анализ по методу Монте-Карло – это своего рода «высший пилотаж» схемотехнического моделирования. Возможно, для предлагаемого изучения элементарных схемотехнических «кирпичиков» такой вид анализа может и не потребоваться. Однако зачастую искусство проектирования радиоэлектронных схем как раз и заключается в умении создать такую схему, которая будет функционировать не только в лабораторных условиях, со специально подобранными вручную компонентами, но и в условиях серийного или мелкосерийного производства со случайным разбросом параметров компонентов.
До сих пор в процессе моделирования мы исходили из того, что компоненты проектируемых схем действительно имеют те значения, которые установлены индикатором значения: то есть если рядом с резистором стоит индикатор 1k, на самом деле резистор имеет сопротивление в 1k. Однако это предположение далеко от истины: все компоненты, используемые в электронных схемах, имеют допуски на номинальное значение.
Программа PSpice позволяет присваивать допуски параметров компонентов. Тогда в ходе одного анализа Монте-Карло одна и та же схема может моделироваться («прогоняться») до двадцати тысяч раз: каждый раз с новым набором параметров, заданных по принципу случайной выборки. Затем отдельные результаты оцениваются программой по тем критериям, которые заранее оговорены во время предварительной установки анализа.
Программа PSpice позволяет проводить анализ Монте-Карло в сочетании с анализами DC Sweep, AC Sweep и Transient. В ходе моделирования первый прогон анализа Монте-Карло всегда является «номинальным», то есть при этом все компоненты имеют свои номинальные значения.
Разброс значений компонентов может быть задан пользователем как выбором функции распределения, так и диапазоном разброса. Так, по умолчанию программа PSpice предлагает равномерное распределение (опция Uniform) в рамках заданного диапазона допуска. Возможно также и Гауссово распределение (опция Gaussian) или любое другое, определяемое пользователем (опция User Defined). Это предоставляет широчайшие возможности профессиональным разработчикам, занимающимся проектированием схем для массового производства. Однако здесь мы ограничимся только равномерным распределением параметров разброса, уже установленного в программе PSpice по умолчанию.
В качестве примера исследуем с помощью вероятностного анализа схему активного фильтра на операционных усилителях типа μA741 с высокой крутизной фронта амплитудно-частотной характеристики (рис. 16). Такие схемы чрезвычайно чувствительны к разбросам параметров резисторов и конденсаторов.
