1 / 48

TEHNICI DE SIMULARE

TEHNICI DE SIMULARE. Notiţe de curs Cursul nr. 5 Conf. Dr. Ing. Gheorghe PANĂ gheorghe.pana@unitbv.ro. Cuprinsul cursului. Simularea în timp Analiza tranzitorie – Time Domain (Transient) ;

rana-england
Download Presentation

TEHNICI DE SIMULARE

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. TEHNICI DE SIMULARE Notiţe de curs Cursul nr. 5 Conf. Dr. Ing. Gheorghe PANĂ gheorghe.pana@unitbv.ro

  2. Cuprinsul cursului • Simularea în timp • Analiza tranzitorie – Time Domain (Transient); • Analiza Fourier – Perform Fourier Analysisîn opţiuneaOutput File Options... din analiza tranzitorie; • Simularea de c.a. • Răspunsul în frecvență – AC Sweep; • Analiza de zgomot – Noise Analysis; Cursul nr. 5

  3. ANALIZE SPICESimularea în timp • Prin simularea în domeniul timp, SPICE calculează răspunsul în timp al unui circuit şi ţine cont de toate neliniarităţile circuitului. • Semnalele de intrare pot fi oricare din tipurile de funcţii dependente de timp: • SIN – semnal sinusoidal • PULSE – semnal pulsator (dreptunghiular, triunghiular, trapezoidal etc.) • PWL – semnal compus din segmente de dreaptă • EXP – semnal exponențial • SFFM – semnal sinusoidal modulat în frecvență de un semnal sinusoidal Cursul nr. 5

  4. Simularea în timp • Analiza tranzitorie Spice calculeazăformele de undă ale tensiunilorşicurenţilorpe un interval de timpspecificat de utilizator .TRANTPAS TSTOP <TSTART <TMAX>> <UIC> • TPASreprezintăpasul de timp cu care declaraţiile .PRINT/.PLOT afişeazărezultateleanalizei; • TSTOPreprezintă timpul final de analiză; • Momentul de început al analizei, TSTART, poate fi zero sau diferit de zero; • TMAXreprezintă valoarea maximă a pasului de timp. Observații: OpţiuneaUIC face ca valorilepotenţialelorşicurenţilor, iniţializateprinfolosirealuiIC, să fie diferite de zero, spredeosebire de celelaltevalori care, iniţial, se considerăegale cu zero. Cursul nr. 5

  5. Simularea în timp Exemplul 1 • se lansează componenta OrCAD – ; • se defineşte un fişier: File -> Newsau clic pe iconiţa ; • se descrie circuitul; • se salvează cu extensia .cir; • deşi fişierul este în ecranul de lucru Pspice A/D, butonul Run Spice nu este activ; • Pentru a-l face activ se reîncarcă fişierul, selectând la Files of type – cir. Cursul nr. 5

  6. Simularea în timp • Descrierea tip text a circuitului: test V1 1 0 sin(0 10 1k) R1 1 0 1k .tran 0 5ms 0 1us .probe .end • Se observă că primul parametru - pasul de timp, TPAS, se poate lua egal cu 0 (zero) • Este foarte IMPORTANT să fie precizată valoarea maximă a pasului de timp - TMAX Cursul nr. 5

  7. Simularea în timp • Este foarte IMPORTANT să fie precizată valoarea maximă a pasului de timp – TMAX • Se recomandă ca TMAX să fie mai mic sau cel mult egal cu a 100 parte din perioada T a semnalului: Cursul nr. 5

  8. Simularea în timp • Dacă nu se precizează valoarea parametrului TMAX, semnalul poate să apară construit din segmente de dreaptă: Cursul nr. 5

  9. Simularea în timp • Analiza Fourier .FOURfrecvenţa IESIRE_var1 <IESIRE_var2…> unde • frecvenţareprezintăfrecvenţafundamentală (în Capture este denumităCenter Frequency); • IESIRE_var1 <IESIRE_var2…>suntvariabilele de ieşire, tensiunesaucurent, ale cărorcomponentespectraleurmează a fi calculate. Observații: • Analiza Fourier se folosește împreună cu declarația .TRAN; • Numărul implicit de armoniciesteegal cu 9 iar maxim ≤100; • Se raporteză şivaloarea de c.c. a variabilei/variabilelor de ieşire; • Se raportează şidistorsiunilearmonicetotale (THD – Total Harmonic Distortion). Cursul nr. 5

  10. Simularea în timp Exemplul 2 • Să se determine răspunsul în timp al circuitului din figură și componentele spectrale ale semnalului de ieșire dacă la intrare se aplică un semnal cu amplitudinea de 200 mV. Să se compare parametrul THD pentru 2 valori ale amplitudinii semnalului de intrare: 20mV, respectiv 200mV. Cursul nr. 5

  11. Simularea în timp Rezolvare: fișierul de intrare este de forma Amplificator de semnal mic realizat cu TEC-J RG 0 2 1Meg RS 0 4 1.3k RD 3 6 10k RL 0 5 10k C1 2 1 1uF C2 3 5 10uF C3 4 0 220uF J1 3 2 4 BF256A .LIB JFET.LIB VDD 6 0 12V V1 1 0 SIN(0V 200mV 1kHz) .TRAN 10us 5ms010us .FOUR 1kHz V(5) .PROBE .END Cursul nr. 5

  12. Simularea în timp Răspunsul în timp pentru semnal cu amplitudinea de 200 mV Se observă o distorsionare a formei de undă: alternanța negativă are amplitudinea mai mare decât alternanța pozitivă. Cursul nr. 5

  13. Simularea în timp Analiza Fourier se extrage din fișierul de ieșire: FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(5) DC COMPONENT = -1.402312E-01 HARMONIC FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZED NO (HZ) COMPONENT COMPONENT (DEG) PHASE (DEG) 1 1.000E+03 1.915E+00 1.000E+00 -1.799E+02 0.000E+00 2 2.000E+03 1.535E-01 8.013E-02 9.032E+01 4.500E+02 3 3.000E+03 1.356E-03 7.083E-04 1.783E+02 7.179E+02 4 4.000E+03 1.734E-04 9.054E-05 1.670E+02 8.865E+02 5 5.000E+03 1.196E-04 6.244E-05 -1.755E+02 7.238E+02 6 6.000E+03 9.669E-05 5.049E-05 1.782E+02 1.257E+03 7 7.000E+03 9.175E-05 4.791E-05 -1.798E+02 1.079E+03 8 8.000E+03 7.689E-05 4.015E-05 -1.743E+02 1.265E+03 9 9.000E+03 6.388E-05 3.336E-05 -1.771E+02 1.442E+03 TOTAL HARMONIC DISTORTION = 8.013777E+00 PERCENT THD=8,01% Cursul nr. 5

  14. Simularea în timp Răspunsul în timp pentru semnal cu amplitudinea de 20 mV TOTAL HARMONIC DISTORTION = 7.904535E-01 PERCENT THD=0,79% Cursul nr. 5

  15. Simularea în timp • Pentru semnal cu amplitudinea de 20mV, analiza Fourier prezintă un THD=0,79%, valoare care este de 10 ori mai mică decât cea obținută pentru un semnal de intrare având amplitudinea egală cu 200mV, caz în care THD=8%. • Concluzie importantă: • În cazul semnalului cu amplitudinea de 20mV se respectă condiția de semnal mic și din această cauză distorsiunile armonice totale (THD) au valoare mică! Cursul nr. 5

  16. Simularea în timp • Conditia de semnal mic la TEC-J: VGS=-753,5mV Tensiunea de prag, conform catalogului VP=-0,5V Conditia de semnal mic Amplit.(vgs)<<2(VP-VGS) vgs =VAMPL=20mV 2(VP-VGS)=2(-0,5+0.7535)==507mV şi 20mV<<507mV (de aprox. 25 ori) IMPORTANT: “mult mai mic” în electronică se poate considera de la o valoare de 10 ori mai mică decât cea de referinţă! Cursul nr. 5

  17. Simularea în timp Exemplul 3 -utilizarea condițiilor inițiale • Circuitul din figură reprezintă un oscilator în punte WIEN. • Din cauza idealității componentelor, circuitul nu începe săoscileze decât printr-o ”forțare”, utilizând condițiiinițiale la unul dintre condensatoare. Istoric: • Circuitul oscilator în punte wien a fost descoperit în anul 1891 de către fizicianul german Max Wien. • Primul circuit fizic modern, bazat pe descoperirea lui Max Wien, a fost realizat în anul 1939 de către William Hewlett la lucrarea de disertaţie. • William Hewlett a fondat împreună cu David Packard firma Hewlett-Packard (HP), primul produs fiind un oscilator RC de audiofrecventa, bazat pe puntea Wien (HP 200A). Cursul nr. 5

  18. Simularea în timp • Schema oscilatorului în punte WIEN Condiţia iniţială Cursul nr. 5

  19. Simularea în timp • Descrierea circuitului oscilator WIEN R1 2 0 10k R2 1 2 20k R3 1 5 10k R4 3 0 10k C1 5 3 10n IC=1V C23 0 10n XU1A 3 2 4 11 1 LM324 .lib opamp.lib V1 4 0 15V V2 11 0 -15V .tran 1u 5m 0 1u UIC .probe .end Cursul nr. 5

  20. Simularea în timp • În absența condițiilor inițiale, tensiunea de ieșire este egală cu zero. Cursul nr. 5

  21. Simularea în timp • Considerând inițial (t=0) condensatorul C1 încărcat cu 1V, rezultă, la ieșire, un semnal sinusoidal: Cursul nr. 5

  22. Simularea în timp • Observaţii: la descrierea grafică a circuitului (OrCAD Capture), condiţiile iniţiale se introduc astfel: • dublu clic pe simbolul condensatorului, • modificare în cocloana IC cu valoarea dorităşi • clic pe meniul Display, unde se bifeaza la “Name and Value” Cursul nr. 5

  23. Simularea în timp • Amplificarea trebuie să fie exact =3 (A=1+R2/R1) • Pentru A=1+20,2k/10k=3,02rezultă un semnal cu amplitudine crescătoare: Cursul nr. 5

  24. Simularea în timp • Pentru A=1+19,8k/10k=2,98rezultă un semnal cu amplitudine descrescătoare: Cursul nr. 5

  25. ANALIZE SPICESimularea de c.a. • În modul de simulare de curent alternativ se calculează răspunsul în frecvenţă al circuitelor liniare şi al circuitelor echivalente de semnal mic corespunzătoare circuitelor neliniare dar liniarizate în jurul punctului static de funcţionare. • Tipuri de analize de semnal mic: • .AC - analiză de curent alternativ cu baleierea frecvenţei (parcurgerea unui domeniu de frecvenţă specificat de utilizator) şi • .NOISE - analiză pentru determinarea zgomotului la intrare şi ieşire. Cursul nr. 5

  26. ANALIZE SPICESimularea de c.a. Observații • La TB se consideră semnal mic atunci când amplitudinea semnalului de intrare în tranzistor (amplit. vbe) este mai mult mai mică decât tensiunea termică UT=(kT/q)≅26 mV • Amplitudine “mult mai mică“ se poate considera, de exemplu, o valoare de 10 ori mai mică decât 26mV, adică aproximativ 2 mV. • La TEC-J se consideră semnal mic atunci când amplitudinea semnalului de intrare în tranzistor (amplit. vgs) este mai mică decât dublul diferenței dintre tensiunea de prag și tensiunea poartă-sursă din PSF [Amplit.(vgs)<<2(VP-VGS)]. Cursul nr. 5

  27. Simularea de c.a. • Analiza de c.a. cu baleierea frecvenţei • Spice determină potenţialele din noduri şi curenţii din laturi pentru un număr de valori specificate ale frecvenţei. .ACinterval nr_puncte fstart fstop unde parametrul intervalarată modul de variaţie a frecvenţei între valoarea iniţială fstart şi valoarea finală fstop şi poate fi: LIN, OCT, DEC. Cursul nr. 5

  28. .ACinterval nr_puncte fstart fstop Simularea de c.a. • LIN- variaţie liniară a frecvenţei; • OCT - variaţie în octave (1 octavă = intervalul dintre f1 şi f2, f2>f1 şi f2=2f1); • DEC - variaţie în decade (1 decadă = intervalul dintre f1 şi f2, f2>f1 şi f2=10f1). nr_puncteindică: • numărul de frecvenţe pentru un interval de o octavă (OCT), dacă s-a cerut analiza pe octave sau • numărul de frecvenţe pentru un interval de o decadă (DEC) dacă s-a cerut analiza pe decade sau • numărul de valori ale frecvenţei cuprins între fstart şi fstopla variaţie liniară a frecvenţei (LIN). Cursul nr. 5

  29. Simularea de c.a. Vizualizarea rezultatelorse poate face în 3 moduri: • tabelar în fişierul de ieşire .PRINTAC AC_IESIRE_var1 < AC_IESIRE_var2...> • grafic cu caractere alfanumerice în fişierul de ieşire .PLOTAC AC_IESIRE_var1 < AC_IESIRE_var2...> • grafic în urma postprocesării grafice .PROBE Cursul nr. 5

  30. Simularea de c.a. • Variabilele de ieşire AC_IESIRE_var conţin în afară de tipul variabilei şi anume V (tensiune) sau I (curent) şi de numele nodurilor şi date suplimentare: • VR sau IR - partea reală a numărului complex; • VI sau II - partea imaginară a numărului complex; • VM sau IM - modulul numărului complex,|V| sau |I|; • VP sau IP - argumentul (faza) numărului complex; • VDB sau IDB - modulul numărului complex exprimat în decibeli (dB), 20log10|V| sau 20log10|I|. Cursul nr. 5

  31. Simularea de c.a. Exemplul 4 • Să se determine banda de frecvență a amplificatorului de semnal mic din figură. Cursul nr. 5

  32. Simularea de c.a. • Fișierul de intrare este de forma: Amplificator de semnal mic realizat cu TB R1 6 2 100k R2 2 0 12k R3 4 0 470 R4 6 3 5.1k R5 5 0 10k C1 1 2 10uF C2 3 5 10uF C3 4 0 220uF Vcc 6 0 DC 12 V1 1 0 AC 1mV Q1 3 2 4 Q2N2222 .LIB BIPOLAR.LIB .AC DEC 10 1Hz 1GHz .PROBE .END Cursul nr. 5

  33. Simularea de c.a. Frecvențele de tăiere se determină la 0,707xVmax Răspunsul în frecvență: Vmax=145,549mV 0,707xVmax=102,9mV fi=37,2Hz fs=9,05MHz Cursul nr. 5

  34. Simularea de c.a. Frecvențele de tăiere se determină la Amax-3dB Răspunsul în frecvență exprimat în dB: Frecvenţe la -3dB Cursul nr. 5

  35. Simularea de c.a. Exemplul 5 • Circuitul din figură reprezintă un amplificator neinversor realizat cu amplificator operațional (AO). Să se determine prin analiză de c.a. răspunsul modulului în frecvență și răspunsul fazei în frecvență. Ambele curbe se reprezintă pe același grafic. Cursul nr. 5

  36. Simularea de c.a. • Descrierea circuitului este: amplificator neinversor realizat cu AO X1 3 2 4 11 1 LM324 .lib opamp.lib R1 0 2 1k R2 2 1 1Meg V+ 4 0 dc 15V V- 11 0 dc -15V Vin 3 0 ac 0.01 .ac dec 10 1Hz 1Meg .probe .end Cursul nr. 5

  37. Simularea de c.a. • Răspunsurile în frecvență sunt: Modulul în dB DB(V(1))-DB(V(3)) Faza (Phase) P(V(1))-P(V(3)) Câștigul maxim La MAXIM-3dB pe caracteristica de amplitudine corespunde faza=-45° de pe caracteristica de fază. Cursul nr. 5

  38. Simularea de c.a. Exemplul 6 • Considerând circuitul din exemplul 4, să se vizualizeze rezultatele în fișierul de ieșire tabelar și grafic cu caractere alfanumerice. • Răspuns: In descrierea circuitului, înainte de instrucţiunea de încheiere .END, se adaugă liniile: .print ac V(1) .plot acVDB(1) VP(1) .end Cursul nr. 5

  39. Simularea de c.a. • Vizualizare în modul tabelar: **** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG C ****************************************************************************** FREQ V(3) 1.000E+00 9.907E+00 1.259E+00 9.907E+00 1.585E+00 9.907E+00 1.995E+00 9.907E+00 2.512E+00 9.907E+00 3.162E+00 9.907E+00 3.981E+00 9.907E+00 5.012E+00 9.907E+00 6.310E+00 9.907E+00 7.943E+00 9.907E+00 1.000E+01 9.907E+00 10 valori pe decadă, conform descrierii din declarația de control .ac (.ac dec 10 1 1Meg) Numărul de valori de frecvenţă pe fiecare decadă Cursul nr. 5

  40. Simularea de c.a. • Vizualizare în modulgrafic cu caractere alfanumerice: Cursul nr. 5

  41. Simularea de c.a. • Analiza de zgomot Rezistoarele produc: • Zgomot termic (thermal noise) Dispozitivele semiconductoare produc: • Zgomot de alice (shot noise); • Zgomot de licărire (flicker noise); • Zgomot de rafale (burst noise). Cursul nr. 5

  42. Simularea de c.a. Observații: • Generatoarele de curent de zgomotsau de tensiune de zgomotasociatediferitelorelemente de circuit suntcaracterizateprinvaloareapătraticămedie sau . • Valorilesurselor de zgomotsuntproporţionale cu banda de frecvenţăf în care se face măsurarea. • Sursele de zgomotsuntcaracterizateprindensitateaspectrală de putere sau, exprimatăînV2/HzsauA2/Hz. Cursul nr. 5

  43. Simularea de c.a. Declarația de control .NOISEV(nod1, <nod2>) V/I_numenumar • V(nod1, <nod2>)şi V/I_numedefinescmodul de conectare ca diport a circuituluipentrucalculul de zgomot; • V(nod1, <nod2>)estemărimea de ieşire; • V/I_numeeste o sursăindependentă de tensiune/curent care trebuiesă se regăseascăîndescrierea circuitului; • Parametrul numararată căînraportulrecapitulativ din fişierul de ieşire se listeazăvaloareacontribuţieifiecăreisurse de zgomot din numarîn numar de valori ale frecvenţelorpentru care s-a realizatanaliza. Frecvenţele se determinăpebazaspecificaţiilor din declaraţia.AC. Tipărireaînraportulrecapitulativîncepe cu fstart. Cursul nr. 5

  44. Simularea de c.a. Exemplul 7 • Să se determine zgomotul generat de elementele circuitului din figură: Cursul nr. 5

  45. Simularea de c.a. • Descrierea tip text a circuitului este: Asm - analiza de zgomot RB 5 2 1.5Meg RC 5 3 5k RL 4 0 10k C1 1 2 10uF C2 3 4 10uF Q1 3 2 0 Q2N2222 .lib eval.lib Vcc 5 0 dc 10 Vin 1 0 ac 1mV .acdec 10 1Hz 100kHz .NOISE V(4) Vin 10 .end Observații: Cuadripolul pe care se face analiza de zgomot este definit de V(4) – ieșirea și Vin – intrarea; Raportarea în fișierul de ieșire se face pentru 1Hz, 10Hz, 100Hz, 1kHz, 10kHz și 100kHz, adică pornind de la 1Hz (f start) pentru frecvențe din 10 în 10, lucru posibil deoarece în declarația .ac s-au considerat 10 puncte/decadă. Cursul nr. 5

  46. Simularea de c.a. Rezultatele analizei de zgomot • Influența rezistențelor din circuit – tensiune de zgomot exprimată în Cursul nr. 5

  47. Simularea de c.a. • Zgomotul total la ieșire și zgomotul referit la intrare Cursul nr. 5

  48. Simularea de c.a. Observații: • Tensiunea de zgomot este mai mare la frecvențe mici ale semnalului prelucrat; • Influența cea mai mare, la frecvenţe joase, o are rezistorul conectat în baza TB – RB. Cursul nr. 5

More Related