4. ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.1. Модели, средстваиметодикиисследованияаналоговых устройствиихузловспомощьюмоделированиянаПЭВМ

Влабораторном практикуме по исследованию аналоговых устройств

иих узлов на основе системы АЛП УД «Схемотехника аналоговых электронных устройств» в качестве программного средства моделирования используется система автоматизированного проектирования Altium Designer 6 (AD6). Моделирование электронных устройств на ПЭВМ основывается на математических моделях образующих их компонентов. В прил. 2 приведены встроенные в систему AD6 математические Pspice-модели электрорадиоэлементов

иих параметры, которые используются при проведении исследований. Встроенные Pspice-модели являются динамическими моделями большого сигнала, справедливыми для частот ниже СВЧ-диапазона.

Моделирование электронных устройств в системе AD6 осуществляется на основе их эквивалентных схем замещения, которые создаются с помощью схемотехнического редактора Design Explorer. В лабораторном практикуме с целью сокращения непродуктивных затрат времени на выполнение работ пользователю представляются предварительно подготовленные и апробированные файлы проектов с эквивалентными схемами замещения для каждого из исследуемых полупроводниковых приборов и выполняемых лабораторных заданий. Они включают файлы проектов для исследования реостатного каскада на биполярном транзисторе, файлы проектов для исследования параметров и характеристик усилительных устройств и файлы проектов для исследования работы усилителей низкой частоты на переменном токе. Файлы проектов размещены в папке AnalogSchem. Структура каталога для поиска файлов приведена на рис. 4.1.

Каталог RK содержит проекты для исследования реостатного каскада на биполярном транзисторе (всего 8 заданий), каталог RKK содержит проекты для исследования реостатного каскада на биполярном транзисторе с НЧ-

иВЧ-коррекцией (5 заданий). В каталогах UU и UUOC размещены проекты для исследования параметров и характеристик усилительных устройств и усилительных устройств с обратными связями. Каталог UM содержит задания для исследования усилителя мощности, а каталог PS – преобразователей аналоговых сигналов на операционных усилителях.

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-46-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.1.Модели, средства и методики исследования аналоговых устройств и их узлов с помощью моделирования на ПЭВМ

AnalogSchem

Libraries

RK
			ZD1
			ZD2
			ZD3
			ZD4
			ZD5
			ZD6
			ZD7
			ZD8

RKK
			ZD1
			ZD2
			ZD3
			ZD4
			ZD5
UU			ZD1
			ZD2
			ZD3
			ZD4

	UUOC
				ZD1
				ZD2
				ZD3
				ZD4

	UM
				ZD1
				ZD2

	PS
				ZD1
				ZD2
				ZD3
				ZD4
				ZD5
				ZD6

Рис. 4.1. Структура каталогов с исходными файлами проектов

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-47-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.1.Модели, средства и методики исследования аналоговых устройств и их узлов с помощью моделирования на ПЭВМ

Влабораторном практикуме моделирование на ПЭВМ выполняется совместно с экспериментальными исследованиями в соответствии с заданиями, приведенными в указаниях к лабораторным работам в главе 5. Моделирование дополнительно предусматривает исследования температурных зависимостей и статистического разброса ЭРЭ в схемах усилительных устройств, которые не реализуются средствами АПК УД «Схемотехника аналоговых электронных устройств». Содержание и объем проводимых исследований могут также задаваться преподавателем в индивидуальном порядке.

Организация исследований с использованием математического моделирования в сетевой лаборатории описана в главе 5.

При проведении исследований в автономном режиме необходимо:

1)запустить программную оболочку Design Explorer (DXP), обеспечивающую взаимодействие всех приложений, входящих в состав пакета и предоставляющую удобный графический интерфейс пользователя (Пуск – Про-

граммы – Altium Designer 6 – Altium Designer 6);

2)открыть файл проекта, соответствующий проводимым исследованиям (меню File – Open Project). После запуска файла проекта открывается менеджер проекта, который расположен в левой части экрана программной оболочки Design Explorer (рис. 4.2). Можно одновременно открывать несколько проектов, однако активным считается только выделенный в менеджере проектов.

Окно Design Explorer (рис. 4.3) имеет ряд основных элементов. Основной частью окна является рабочий стол системы, на котором открываются различные документы проектов. Здесь же располагаются иконки быстрого вызова основных функций. В верхней части окна расположены системное меню команд

ипанели инструментов, слева и справа – панели управления, которые при необходимости могут быть настроены так, чтобы автоматически убираться с экрана, если ими не пользуются. Переключение между панелями осуществляется с помощью закладок внизу, а вызов нужной панели – с помощью кнопок в нижней части окна.

Проект системы AD6 представляет собой обычный текстовый файл с расширением .PrjPCB, содержащий ссылки на все используемые в проекте документы, а также необходимые установки для работы с ними. Проекты бывают четырех типов: печатных плат (PCB), программируемой логики (FPGA), VHDL-описание и интегрированная библиотека компонентов

(Integrated Library).

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-48-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.1.Модели, средства и методики исследования аналоговых устройств и их узлов с помощью моделирования на ПЭВМ

Рис. 4.2. Окно менеджера проектов

Меню команд

Системное

меню

Свернутые панеПанели ли управления управления

Вкладки переключения панелей управления

Рабочий стол системы AD6

Кнопки вызова панелей управления

Рис. 4.3. Элементы среды Design Explorer

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-49-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.1.Модели, средства и методики исследования аналоговых устройств и их узлов с помощью моделирования на ПЭВМ

Рис. 4.4. Окно редактора страницы принципиальной схемы

Двойной щелчок левой кнопки мыши по имени конкретного файла или по его значку загружает его в соответствующий редактор (при выборе файла схем загружается редактор схем, при выборе текстового файла – встроенный текстовый редактор).

На рис. 4.4 показано окно редактора страницы принципиальной схемы, на которой расположены дополнительные панели инструментов.

4.1.1. Подключениеинтегрированнойбиблиотеки

Прежде чем начать процесс моделирования, необходимо подключить интегрированную библиотеку с математическими моделями исследуемых радиокомпонентов (расширение файла .IntLib).

Последовательность действий при подключении библиотеки следующая:

1.Вызывается панель управления библиотеками нажатием на кнопку Libraries (рис. 4.5) в правой части окна Design Explorer. Если к системе не подключено ни одной библиотеки, то панель будет пустой.

2.Нажимается кнопка Libraries, расположенная в верхней части панели Library. Откроется диалоговое окно Avaliable Librares (доступные библиотеки).

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-50-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.1.Модели, средства и методики исследования аналоговых устройств и их узлов с помощью моделирования на ПЭВМ

3.Нажимается кнопка Install вкладки Installed этого окна и в открывшемся стандартном диалоге выбора файла задается папка для поиска нужной библиотеки компонентов. По умолчанию библиотеки хранятся в подкаталоге Libraries папки AnalogSchem (см. структуру каталогов на рис. 4.1). В каталоге Libraries выбирается файл библио-

теки AnalogSchem.IntLib, который по-

сле нажатия кнопки <Открыть> автоматически подключается к проекту.

4.Подключенная библиотека

отобразится в выпадающем списке в верхней части панели управления библиотеками (см. рис. 4.5).

5. Если необходимо воспользоваться стандартной библиотекой AD6, то при инсталляции системы AD6 в папку по умолчанию библиотеки будут находиться по пути C:\Program Files\Altium Designer 6\Library.

Рис. 4.5. Вызов панели управления библиотекой компонентов

4.1.2.Общиенастройкимоделирования

Впанели главного меню выполняется команда View – Toolbars – Mixed

Sim. В результате панель инструментов Mixed Sim появится в панели задач сверху, которую вы можете перетащить в удобное для вас место. Первая кнопка (Run Mixed-Signal Simulation) панели запускает анализ («горячая» клавиша F9), а вторая (Setup Mixed-Signal Simulation) открывает окно настройки основных параметров моделирования (рис. 4.6). Через главное меню оболочки Design Explorer окно настройки параметров анализа вызывается по команде меню Design – Simulate – Mixed Sim. В списке Analyses/Options

слева показаны доступные в системе AD6 виды анализа, справа – общие настройки программы моделирования.

Переходим на вкладку General Setup.

Проверяем, указан ли в выпадающем списке Collect Data For необхо-

димый нам набор данных Node Voltage, Supply Current, Device Current and Power (напряжения в узлах, ток питания, протекающие через элементы токи и рассеиваемая ими мощность). Это максимальный набор данных, который

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-51-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.1.Модели, средства и методики исследования аналоговых устройств и их узлов с помощью моделирования на ПЭВМ

можно получить при моделировании аналоговой схемы с помощью програм-

мы SPICE.

Проверяем, выбрана ли в выпадающем списке Sheets to Netlist опция Active project, предписывающая генерировать список соединений для всего проекта.

В выпадающем списке SimView Setup выбираем опцию Show Active Signals, предписывающую модулю отображения результатов анализа показывать их по мере выполнения расчета.

Чуть ниже в окне представлены два списка. В первом из них приводятся доступные для отображения сигналы (Available Signals) согласно настройке Collect Data For. Ряд сигналов имеет просто имена цепей (узлов), что соответствует напряжению в них. Другие сигналы имеют имена элементов с суффиксами (i), (p) и (z), что означает ток, мощность и импеданс соответственно. Для многовыводных элементов к суффиксам добавляется обозначение вывода e (эмиттер), b (база) и c (коллектор).

Чтобы результаты моделирования исследуемого сигнала выводились на экран непосредственно после окончания процесса моделирования, они переносятся из списка Available Signals в список Active Signals, для чего выделяются исследуемые сигналы и нажимается расположенная между списками кнопка «>». Выделенные сигналы будут перенесены в правый список

Active Signals.

Рис. 4.6. Основные настройки программы моделирования

Закрывается окно настроек программы моделирования и нажатием кнопки на панели инструментов запускается процесс моделирования (процесс моделирования запустится автоматически, если окно настройки параметров анализа вызывается по команде меню Design – Simulate – Mixed Sim).

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-52-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.1.Модели, средства и методики исследования аналоговых устройств и их узлов с помощью моделирования на ПЭВМ

4.1.3.Визуализациярезультатовмоделирования

После окончания процесса моделирования изменяется содержимое панели Projects. Легко видеть, что в проект добавились две новые категории файлов (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Панель Projects после окончания процесса моделирования

Это Generated Mixed Sim Netlist Files с документом lab1.nsx и Generated ViewSim Data Files с документом lab1.sdf (имена файлов даны для примера),

причем последний автоматически открывается и содержит рассчитанные графики. Вертикальная вкладка переключения открытых документов также дополнилась закладкой с именем файла lab1.sdf (переключение между листом схемы и рассчитанными графиками производится выбором нужной закладки щелчком манипулятора «мышь»).

Наличие нескольких закладок в нижней части окна документа говорит о том, что он состоит из двух страниц, причем, как следует из названия, каждая страница соответствует отдельному типу анализа (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Закладки отдельных типов анализа в документе c результатами моделирования f

Кроме того, при просмотре результатов моделирования панель управления Projects переключается на панель управления Sim Data (рис. 4.9).

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-53-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.1.Модели, средства и методики исследования аналоговых устройств и их узлов с помощью моделирования на ПЭВМ

Первая вкладка на ней Source Data содержит имена доступных для отображения на графиках сигналов. В существующее окно с графиком сигнал из списка добавляем, выделив его манипулятором «мышь» и нажав расположенную внизу кнопку Add Wave to Plot . График выбранного сигнала будет добавлен на экран.

Рис. 4.9. Панель управления

Sim Data

Удалить или изменить отображаемый сигнал можно с помощью команд Edit Wave и Remove Wave из контекстного меню, вызываемого нажатием правой кнопки мыши на странице с отображаемыми графиками.

Однако таким способом добавлять графики сигналов имеет смысл только с одинаковой размерностью по оси Y и добавляются они только к существующей диаграмме. Для создания новой диаграммы необходимо воспользоваться мастером создания диаграмм.

Рассмотрим работу мастера на примере схемы, изображенной на рис. 4.4:

1.Выполним щелчок правой кнопкой мани- пу-лятора «мышь» в любом месте страницы и в появив-шемся контекстном меню выберем команду Add Plot. Запустится мастер создания диаграмм, предлагаю-щий выполнить три последовательных действия.

2.На первом шаге введем имя новой диа-

граммы «АЧХ» и нажмем кнопку Next

(рис. 4.10).

Рис. 4.10. Первый шаг мастера создания диаграмм

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-54-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.1.Модели, средства и методики исследования аналоговых устройств и их узлов с помощью моделирования на ПЭВМ

Рис. 4.11. Второй шаг мастера создания диаграмм

3.На втором шаге (задание внешнего вида графика) оставим все настройки без изменения, при необходимости их можно потом без труда изменить (рис. 4.11). Нажмем кнопку Next.

4.На третьем шаге нам будет предложено выбрать сигнал, который будет отображаться на диаграмме (рис. 4.12). Нажмем кнопку Add, после чего откроется окно Add Wave To Plot (рис. 4.13).

5.Выберем сигнал out, в поле Name добавим имя графика «АЧХ» и нажмем кнопку Create. В списке назначенных на отображение сигналов в окне третьего шага появится указанный сигнал (рис. 4.14). При желании к диаграмме можно добавить неограниченное число сигналов.

Рис. 4.12. Третий шаг мастера создания диаграмм

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-55-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.1.Модели, средства и методики исследования аналоговых устройств и их узлов с помощью моделирования на ПЭВМ

Рис. 4.13. Добавление нового сигнала на диаграмму

Для создания графиков сложных сигналов можно воспользоваться математическими выражениями из вкладки Functions.

Измерим, например, напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1 (рис. 4.4). Для этого:

выделим щелчком левой кнопкой мыши сигнал baza в левом списке

Waveforms;

отметим левой кнопкой мыши значок«минус» в правом списке Functions; отметим левой кнопкой мыши сигнал emitter в списке Waveforms. В по-

ле Expression будет записано выражение baza-emitter;

вполеName вводимтекст«НапряжениеК-БVT1» инажимаемкнопкуCreate; нажимаем кнопку Next.

Рис. 4.14. Третий шаг мастера создания		Рис. 4.15. Завершение работы мастера
диаграмм после добавления графика		создания диаграмм

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-56-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.1.Модели, средства и методики исследования аналоговых устройств и их узлов с помощью моделирования на ПЭВМ

Рис. 4.16. Результат работы мастера создания диаграмм

Последнее, четвертое, окно мастера информирует об окончании процесса создания диаграммы (рис. 4.15). Нажимаем кнопку Finish. На странице отображения результатов появится новая диаграмма (рис. 4.16).

В последующих параграфах будут рассмотрены общие алгоритмы выполнения лабораторных исследований полупроводниковых приборов посредством моделирования на ПЭВМ. Пользователи, имеющие навыки работы в среде AD6, могут выполнять эти задания в соответствии с самостоятельно разработанными методиками.

4.2. Исследования, выполняемые

спомощьюмоделированиянаПЭВМ

Лабораторные работы № 1, 2, 3, 4, 5, 6 по курсу «Схемотехника аналоговых электронных устройств» включают следующие исследования, выполняемые при помощи математического моделирования на ПЭВМ:

режимов работы по постоянному току; АЧХ и ФЧХ;

усилительных свойств в области средних частот; динамического диапазона и нелинейных искажений; переходных и импульсных характеристик; температурных зависимостей; влияния статистического разброса.

Они образуют совокупность лабораторных заданий к конкретным лабораторным работам. Для проведения исследований необходимо запустить файл проекта системы AD6, соответствующий лабораторному заданию (см. подпараграф 4.1.1). При запуске файла проекта выводится эквивалентная схема замещения исследуемого устройства. Далее моделирование ведется в соответствии с лабораторным заданием, при этом руководствуются описанными в параграфе 4.1 правилами работы в среде AD6.

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-57-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примерывыполнениялабораторныхзаданий

Вкачестве примера рассмотрим результаты моделирования отдельных заданий к лабораторным работам по исследованию реостатного каскада на биполярном транзисторе и усилителя низкой частоты.

4.3.1.Исследованиережимаработыпопостоянномутоку

реостатногокаскаданабиполярномтранзисторе

Для проведения исследования режима работы по постоянному току реостатного каскада на биполярном транзисторе необходимо запустить файл проекта Zd1.PrjPcb (каталог RK, рис. 4.1).

Исследование режима работы по постоянному току реостатного каскада на биполярном транзисторе проводится в соответствии с эквивалентной схемой замещения, приведенной на рис. 4.17.

Исследование осуществляется при помощи процедуры многовариантного расчета режима по постоянному току DC Sweep.

VCC

Rk

1K

kollektor

baza

VT1

BC547B

Rcm

VCC

emitter

10K

Re

Ecm

12Vpos

1k

VSRC

GND

GND

Рис. 4.17. Эквивалентная схема замещения для исследования режима работы усилительного каскада по постоянному току

Исследование включает следующие этапы:

1. Нажатием кнопки Setup Mixed-Signal Simulation активируется окно Analyses Setup (см. параграф 4.1), в котором выбирается вид анализа DC Sweep Analysis (многовариантный расчет режима по постоянному току). В качестве варьируемой переменной (Primary Source) указывается источник

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-58-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

ЕДС Vecm и задаются пределы его перестройки в соответствии с заданием на моделирование. В поле Primary Start (рис. 4.18) устанавливается начальное значение Vecm, в поле Primary End – конечное значение, в поле Primary Step – значение приращения Vecm.

Рис. 4.18. Установка параметров анализа усилительного каскада по постоянному току

2. Активизируется процесс моделирования посредством нажатия «горячей» клавиши F9 или через активацию кнопки Run Mixed-Signal Simulation на панели инструментов Design Explorer (см. параграф 4.1).

После окончания процесса моделирования система переключится в режим отображения результатов расчета (файл zd1.sdf на вкладке сверху).

3. Выводятся графики зависимостей напряжений база – эмиттер Uбэ (контрольные точки 3–4), коллектор – эмиттер Uкэ (контрольные точки 4–5) от ЭДС смещения Eсм, для чего запускается мастер построения диаграмм (см. подпараграф 4.1.3).

Вполе Expression (Выражение) вводится выражение kollektor-emitter,

вполе Name (Имя графика) – Uкэ. Затем в поле Expression (Выражение) вводится выражение baza-emitter, в поле Name (Имя графика) – Uбэ, при этом ставится отметка в позиции Add to new Y axis (Добавить новую ось Y).

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-59-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

Рис. 4.19. Результаты моделирования Uкэ и Uбэ

Заданные сигналы выводятся на экран, как это показано на рис. 4.19.

Рис. 4.20. Результаты моделирования Iк и Iб

4.Выводятся графики зависимостей тока базы Iб (контрольная точка 3)

итока коллектора Iк (контрольная точка 4) от ЭДС смещения Eсм, для чего запускается мастер построения диаграмм (см. параграф 4.1.3).

В поле Expression (Выражение) вводится выражение qvt1(ic), в поле Name (Имя графика) – Iк. Затем в поле Expression (Выражение) вводится выражение qvt1(ib), в поле Name (Имя графика) – Iб, при этом ставится отметка в позиции Add to new Y axis (Добавить новую ось Y).

Заданные сигналы выводятся на экран, как это показано на рис. 4.22.

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-60-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

Рис. 4.21. Результаты вычислений Есм

5. Находится значение Есмс использованием полученных графиков токов и напряжений.

Пример получаемых в результате моделирования зависимостей тока коллектора Iк и напряжения Uкэ от напряжения смещения Есм представлен на рис. 4.20 и рис. 4.21. По ним выбирается необходимый режим работы каскада по постоянному току.

4.3.2.ИсследованиеАЧХ, ФЧХрезистивногокаскада

счастотнойкоррекцией

Для проведения исследования АЧХ, ФЧХ резистивного каскада с частотной коррекцией необходимо запустить файл проекта Zd1.PrjPcb (каталог

RKK, см. рис. 4.1).

Исследование АЧХ, ФЧХ и усилительных свойств каскада с отключенной коррекцией проводится в соответствии с эквивалентной схемой замещения, приведенной на рис. 4.22.

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-61-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

		Cf		Rf
	GND				VCC
				1K
		50uF	Rk				VCC
			1K
			kollektor	Cp2			12Vpos
						Out
	Cp1						VSRC
Input		baza	VT1	5uF
Rg	5uF	Rcm	BC547B
			emitter				GND
1K		10K
			Re		Rn
1KHz		Ecm	1k	Ce		Cn
VSIN		VSRC			2k
				500uF
						26nF
			GND

Рис. 4.22. Эквивалентная схема замещения каскада с частотной коррекцией

Рис. 4.23. Установка параметров анализа для исследования АЧХ и ФЧХ

Исследование осуществляется при помощи процедуры AC Small Signal Analysis (анализ частотных характеристик в режиме малого сигнала).

Исследование включает следующие этапы.

1. Нажатием кнопки Setup Mixed-Signal Simulation активируется окно Analyses Setup (см. параграф 4.1), в котором выбирается вид анализа AC Small Signal Analysis (анализ частотных характеристик в режиме малого сигнала) (рис. 4.23) и устанавливаются параметры перестройки частоты. В поле Start

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-62-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

Frequency устанавливается начальная частота анализа, в поле End Frequency

– конечная частота анализа, в поле Test Points – число точек на анализ, способ изменения частоты ( Sweep Type) – логарифмический (Decade).

Рис. 4. 24. Меню установки свойств компонентов

Рис. 4.25. Установка амплитуды источника сигнала Vg

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-63-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

Рис. 4.26. Результаты моделирования АЧХ и ФЧХ

Рис. 4.27. Результаты моделирования ненормированного Kе

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-64-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

2. Задается амплитуда сигнала источника Vg следующим образом:

по двойному щелчку мыши на источнике Vg разворачивается меню свойств компонента Components Properties (рис. 4.24);

на панели Models for g-VSIN в поле Name выделяется имя компонента VSIN, затем следует нажатие кнопки < Edit…>;

в открывшемся окне Sim Models – Voltage Source Sinusoidal переключа-

емся на вкладку Parameters (рис. 4.26) и в поле AC Magnitude выставляется значение амплитуды источника сигнала.

Пример получаемых графиков АЧХ и ФЧХ представлен на рис. 4.26. 3. Активизируется процесс моделирования посредством нажатия «го-

рячей» клавиши F9 или через активацию кнопки Run Mixed-Signal Simulation на панели инструментов Design Explorer (см. параграф 4.1).

После окончания процесса моделирования система переключится в режим отображения результатов расчета (файл zd1.sdf на вкладке сверху) и на экране появится график АЧХ.

4.Выводится график ФЧХ, для чего запускается мастер построения диаграмм (см. подпараграф 4.1.3).

Вполе Expression (Выражение) вводится out, в поле Name (Имя графика) – ФЧХ, на вкладке Complex Functions отмечается пункт Phase(Deg) (фаза

вградусах).

5.Выводится график ненормированного коэффициента усиления Kе, для чего запускается мастер построения диаграмм (см. параграф 4.1.3).

Для построения графика ненормированного коэффициента усиления Kе

вполе Expression (Выражение) вводится выражение out/in, в поле Name (Имя графика) – Kе. Результаты моделирования представлены на рис. 4.27. На вкладке Waveform – Ke в графе Max определяется максимальный коэффициент усиления.

4.3.3. ИсследованиетемпературнойзависимостиАЧХиФЧХ усилителянизкойчастоты

Для проведения исследования температурной зависимости АЧХ и ФЧХ усилителя необходимо запустить файл проекта Zd1.PrjPcb (каталог UU,

см. рис. 4.1).

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-65-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

			GND
			R12	VEE
		5.1K	510k
	Input	R3	1	4		U1
			3		5	UA741	C2
					6	R8
							Output
			2
						510
	Eg1						4.7uF
			R6
	VSIN			7
			5.1K
							R9
			Inv	VCC
							1.1k
			R7	510k
							R10
VCC		VEE		C1			110
			10pF
	V1		V2
	12V		-12V

Рис. 4.28. Эквивалентная схема замещения усилителя

Рис. 4.29. Установка параметров анализа для исследования АЧХ и ФЧХ усилителя

Исследование зависимости температурной зависимости АЧХ и ФЧХ усилителя от температуры проводится в соответствии с эквивалентной схемой замещения, приведенной на рис. 4.28.

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-66-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

Исследование осуществляется при помощи процедуры AC Small Signal Analysis (анализ частотных характеристик в режиме малого сигнала) и процедуры вариации температуры (Temperature Sweep).

Рис. 4.30. Установка параметров анализа для исследования АЧХ и ФЧХ усилителя при вариации температуры

Рис. 4.31. Результаты моделирования ФЧХ и АЧХ при вариации температуры

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-67-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

Исследование включает следующие этапы.

1.Нажатием кнопки Setup Mixed-Signal Simulation активируется окно Analyses Setup (см. параграф 4.1), в котором выбирается вид анализа AC Small Signal Analysis (анализ частотных характеристик в режиме малого сигнала) (рис. 4.29) и устанавливаются параметры перестройки частоты. В поле Start Frequency устанавливается начальная частота анализа, в поле End Frequency

–конечная частота анализа, в поле Test Points – число точек на анализ, способ изменения частоты (Sweep Type) – логарифмический (Decade).

2.Активизируется меню Temperature Sweep (рис. 4.30). В поле Start Temperature указывается начальная температура моделирования, в поле Stop Temperature – конечная, в полеStep Temperature – шаг изменения температуры.

3.Активизируется процесс моделирования посредством нажатия «горячей» клавиши F9 или через активацию кнопки Run Mixed-Signal Simulation на панели инструментов Design Explorer (см. параграф 4.1).

После окончания процесса моделирования система переключится в режим отображения результатов расчета (файл zd1.sdf на вкладке сверху) и на экране появится семейство графиков АЧХ и ФЧХ.

Результаты моделирования представлены на рис. 4.31.

4.3.4. ИсследованиевлияниястатистическогоразбросанаАЧХиФЧХ усилителясобратнойсвязью

Для проведения исследования зависимости АЧХ и ФЧХ усилителя с обратной связью от статистического разброса необходимо запустить файл проекта Zd7.PrjPcb (каталог RK, см. рис. 4.1).

Исследование зависимости АЧХ и ФЧХ усилителя с обратной связью от статистического разброса проводится в соответствии с эквивалентной схемой замещения, приведенной на рис. 4.32.

Исследование осуществляется при помощи процедуры AC Small Signal Analysis (анализ частотных характеристик в режиме малого сигнала) и статистического анализа по методу Монте-Карло (Monte-Carlo).

Исследование включает следующие этапы.

1. Нажатием кнопки Setup Mixed-Signal Simulation активируется окно Analyses Setup (см. параграф 4.1), в котором выбирается вид анализа AC Small Signal Analysis (анализ частотных характеристик в режиме малого сигнала) и устанавливаются параметры перестройки частоты. В поле Start Frequency устанавливается начальная частота анализа, в поле End Frequency – конечная частота анализа, в поле Test Points – число точек на анализ, способ изменения частоты (Sweep Type) – логарифмический (Decade).

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-68-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

			GND
			R16			VEE
R3	5.1K		5.1K	1				U1
					4
							5	UA741
			R17	3
								R8
		R6	5.1K				6
Input				2
								510
									C2
			5.1K
	Eg2								4.7uF
					7
	VSIN								Output
				Inv
						VCC
GND				R7		510k			R13
					100pF				1.1k
				R9C1		R10
				5.1k		5.1K			R14
						R11
	VCC	VEE				510			110
	V1		V2
	12V		-12V

Рис. 4.32. Эквивалентная схема замещения усилительного каскада

Рис. 4.33. Установка параметров анализа зависимости режима работы усилительного каскада от статистического разброса параметров элементов

2. Активизируется меню Monte Carlo Analysis (рис. 4.33). В списке параметров Monte Carlo Analysis задаются следующие: допуски по умолчанию для компонентов различных типов (Default Resistor Tolerance и т. д.), число запусков (Numbers of Runs), вид распределения Distribution (Uniform – равно-

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-69-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

мерное, Gaussian – гауссовское, Worst Case – худший случай), начальное значение генератора случайных чисел (Seed).

Самый последний параметр Specific Tolerances служит для задания специальных видов распределения для отдельных компонентов и групп.

Наиболее неблагоприятный для схемы вариант будет получен, когда значения параметров будут иметь максимальное отклонение от номинала, т. е. примут крайние значения границ диапазонов. Такой вид анализа называется анализом худшего случая. Проведем его. В параметрах анализа вид распределения (Distribution) задается как Worst Case (худший случай), остальные настройки оставляются по умолчанию.

3. Активизируется процесс моделирования посредством нажатия «горячей» клавиши F9 или через активацию кнопки Run Mixed-Signal Simulation на панели инструментов Design Explorer (см. параграф 4.1).

После окончания процесса моделирования система переключится в режим отображения результатов расчета (файл zd7.sdf на вкладке сверху).

Результаты моделирования представлены на рис. 4.34.

Рис. 4.34. Результаты моделирования АЧХ и ФЧХ усилителя с учетом статистического разброса

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-70-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

Точные значения параметров компонентов каждой реализации записываются в файл lab1.swd, расположенный в папке Project Outputs for Lab1. Этот файл содержит блоки данных с указанием имени элемента, заданного для него допуска, вида распределения, номинального и случайного значения параметров. Фрагмент файла приведен на рис. 4.35.

*OP Monte Carlo run 1 of 5 (m1)
vg dev=10% worst	:	0	->	0
vecm dev=10% worst	:	4.68	->	5.14
v12vpos dev=10% worst	:	12	->	13.2
rn dev=10% worst	:	2k	->	2.2k
rk dev=10% worst	:	1k	->	900
re dev=10% worst	:	1k	->	1.1k
rcm dev=10% worst	:	10k	->	9k
qvt1[bf] dev=10% worst :		377	->	414
cp2 dev=10% worst	:	5u	->	5.5u
cp1 dev=10% worst	:	5u	->	4.5u
cn dev=10% worst	:	13n	->	14.3n
ce dev=10% worst	:	500u	->	550u

Рис. 4.35. Фрагмент файла-отчета статистического анализа методом Монте-Карло

4. Выводится график коэффициента усиления Kе, для чего запускается мастер построения диаграмм (см. подпараграф 4.1.3). Результаты моделирования приведены на рис. 4.36.

Рис. 4.36. Результаты моделирования зависимости коэффициента усиления Kе от статистического разброса

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-71-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

Примечание. Система AD6 не имеет средств постобработки результатов статистического анализа. Здесь нет возможности построить гистограммы, показывающие вероятность статистического распределения, например максимума частотной характеристики или полосы пропускания по уровню – 3 дБ. Поэтому рекомендуется выполнить экспорт полученных зависимостей во внешний файл в формате Comma Separated Value (CSV) и продолжить их обработку с помощью специальных программ.

4.3.5.Исследованиенелинейныхискаженийусилителя

снеинвертирующимвходомвустановившемсярежиме

Для проведения исследования нелинейных искажений усилителя необходимо запустить файл проекта Zd2.PrjPcb (каталог UU, см. рис. 4.1).

При исследовании нелинейных искажений усилителя в качестве входного сигнала используется синусоидальный сигнал амплитудой Uвх max и частотой 1 кГц.

Исследование нелинейных искажений усилителя проводится в соответствии с эквивалентной схемой замещения, приведенной на рис. 4.37.

			GND
			R12	VEE
		5.1K	510k
	Input	R3	1	4		U1
			3		5	UA741	C2
					6	R8
							Output
			2
						510
	Eg1						4.7uF
			R6
	VSIN			7
			5.1K
							R9
			Inv	VCC
							1.1k
			R7	510k
							R10
VCC		VEE		C1			110
			10pF
	V1		V2
	12V		-12V

Рис. 4.37. Эквивалентная схема замещения усилителя

1. Нажатием кнопки Setup Mixed-Signal Simulation активируется окно Analyses Setup (см. параграф 4.1), в котором выбирается вид анализа Transient/Fourier Analysis (анализ переходных характеристик) и устанавливаются параметры перестройки времени анализа (рис. 4.38). В настройках анализа снимается отметка с пункта Use Transient Defaults (использовать па-

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-72-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

раметры анализа по умолчанию), после чего появляется возможность ввести параметры анализа. Начальное время анализа (Transient Start Time) оставляется равным 0. Конечное время анализа (Transient Stop Time) подбирается экспериментальным путем. Параметр Transient Step Time (шаг вывода данных) задает временной шаг между точками вывода на экране, а параметр Transient Max Step Time (максимальный шаг интегрирования) задает максимальный временной шаг между точками при анализе переходных процессов (расчет переходных процессов ведется с автоматически выбираемым шагом, который не может превосходить величины Transient Max Step Time). В общем случае эти параметры равны и подбираются экспериментальным путем, исходя из конечного времени анализа.

Рис. 4.38. Настройка параметров анализа

2. Определяется время переходного процесса, для чего в схеме усилителя заменяется источник синусоидального сигнала Еg1 источником импуль-

					1KHz
сов прямоугольной формы VPULSE					VPULSE .

Задаются параметры импульсного источника сигнала VPULSE (рис. 4.39): амплитуда импульсного сигнала (Pulsed Value), длительность переднего (Rise Time) и заднего фронта (Fall Time), период (Period) и длительность импульса (Pulse Width).

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-73-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

Рис. 4.39. Установка параметров импульсного источника сигналов

3.Активизируется процесс моделирования посредством нажатия «горячей» клавиши F9 или через активацию кнопки Run Mixed-Signal Simulation на панели инструментов Design Explorer (см. параграф 4.1).

После окончания процесса моделирования система переключится в режим отображения результатов расчета (файл zd2.sdf на вкладке сверху) и на экране появится график переходной характеристики каскада (рис. 4.40).

4.По графику определяется длительность переходного процесса.

5.Источник прямоугольных импульсов на схеме замещается источником синусоидального сигнала.

6.В параметрах анализа (см. рис. 4.38) параметр начального времени анализа (Transient Start Time) устанавливается равным длительности переходного процесса.

Рис. 4.40. График переходной характеристики каскада

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-74-

4.ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПЭВМ

4.3.Примеры выполнения лабораторных заданий

Рис. 4.41. Результаты Фурье-анализа

7. В настройках Transient/Fourier Analysis отмечается пункт Enable Fourier и задаются центральная частота (Fourier Fundamental Frequency) и количество гармоник (Fourier Numbers of Harmonics).

8. Активизируется процесс моделирования посредством нажатия «горячей» клавиши F9 или через активацию кнопки Run Mixed-Signal Simulation на панели инструментов Design Explorer (см. параграф 4.1).

После окончания процесса моделирования система переключится в режим отображения результатов расчета (файл zd2.sdf на вкладке сверху) (рис. 4.40). Кроме того, на рабочем поле появится вкладка Fourier Analysis (рис. 4.41), на которой отображается диаграмма с результатами Фурьеанализа.

Исследование аналоговых электронных устройств с применением интернет-технологий. Учеб. пособие

-75-