Реализация базовой схемы подключения

Micro-CAP - система, основанная на математическом синтезе электронных объектов и их анализа различными методами. Данная система содержит в себе множество вариантов и разновидностей алгоритмов обработки электрических схем. Возникла она в связи с необходимостью перехода при данном моделировании на вычислительные ресурсы в макромасштабе (ранее при помощи ЭВМ производился расчет отдельных компонентов схем, сейчас требуется расчет модулей, блоков и подсистем). Причем в последние годы все более актуальными являются вопросы решения схемотехнических задач в таких многокритериальных нелинейных областях, как СВЧ техника (с частотами до нескольких гигагерц), учет теплового воздействия на компоненты электронных устройств, помехозащищенность и др., в которых проектировщики систем анализа электронных схем еще не добились желаемого результата.

Пакет Micro-CAP является универсальным средством для выполнения большинства из решаемых задач. Он позволяет выполнять расчет как аналоговых, так и цифровых схем в широком диапазоне влияющих параметров. В сущности, это - система, ориентированная на решение конкретной задачи. Таким образом, она «подстраивается» под конкретную задачу через математическое описание объектов, присутствующих в схеме. Например, если необходимо выполнить расчет схемы по постоянному (переменному) току, но не ставится задача теплового учета компонентов цепи, то нет и необходимости вводить в описание элементов цепи функции их тепловой зависимости.

После того как в редакторе программы Micro-Cap была нарисована принципиальная схема устройства, переходим к расчету характеристик (анализу), выбирая в разделе главного меню Analysis > AC - расчет малосигнальных частотных характеристик (анализ в частотной области).

Ко входу схемы должен быть подключен источник синусоидального SIN сигнала задается пользователем. Этот источник в данном режиме (AC) задает место подключения гармонического возмущения с частотой, значение которой варьируется согласно заданию на моделирование.

При расчете частотных характеристик комплексная амплитуда этого сигнала автоматически полагается равной 1 В, начальная фаза нулевая (независимо от того, какие заданы значения параметров модели источника сигнала), а частота меняется в пределах, задаваемых в параметрах диалогового окна AC Analysis Limits. Возможно также подключение независимых источников напряжения V или тока I в формате языка SPICE, для которых значения амплитуды и фазы могут быть заданы пользователем.

В режиме моделирования АС производится расчет малосигнальных частотных характеристик исследуемой цепи. Чаще всего в данном режиме проводят расчет коэффициента передачи цепи:

(2.1)

в виде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) |K(f)| и фазо-частотной характеристики (ФЧХ) Ф(f) = arg K(f); группового времени запаздывания (ГВЗ) GD = - dФ/df - данная характеристика показывает скорость изменения ФЧХ (для линейной зависимости фазы от частоты график ГВЗ представляет собой прямую линию); зависимости входного Zin(f) и выходного сопротивлений Zout(f) от частоты, а также шумовые характеристики схемы (шумовое напряжение VNOISE или шумовой ток INOISE).

Для начала расчета частотных характеристик задаем параметры расчета (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3. Параметры расчета частотных характеристик

На рисунке 2.4. представлены полученные характеристики.

Рисунок 2.4. Частотные характеристики АЧХ, ФЧХ и ГВЗ усилительного каскада

Как видно из графика амплитудно-частотных характеристик представленного на рисунке 2.4 можно определить: максимальное значение коэффициента усиления 39,638 дБ, полосу пропускания (нижняя и верхняя граничные частоты полосы пропускания обычно измеряются на уровне -3 дБ от максимального значения АЧХ) 27,397 МГц, а также неравномерность АЧХ в заданной полосе частот. В заданной полосе частот АЧХ равномерная.

Далее исследуем влияние конденсаторов C2 (начальное значение 1n, конечное значение 1u, шаг 50n) и CE (начальное значение 1u, конечное значение 50u, шаг 5u) на частотные характеристики схемы, используя процедуру Stepping… Результат моделирования приведен на рисунке 2.5.

Как видим из рисунка 2.5 с уменьшением емкостей конденсаторов, уменьшается и полоса пропускания.

Рисунок 2.5. Влияние емкостей С2 и CE на АЧХ и ФЧХ 2.3 Анализ переходных процессов (режим Transient)

На первом этапе получим вид переходных процессов на входе и выходе каскада при подключении ко входу источника синусоидального напряжения с параметрами: частота F = 5 кГц; амплитуда сигнала A = 0,01 В; уровень постоянной составляющей DC = 0 В; внутреннее сопротивление источника RG = 1 кОм.

Перед началом моделирования необходимо задать входной источник (или источники) сигнала, в нашем примере это генератор гармонических сигналов MY_SIN. При входе в режим анализа переходных процессов на экран выводится диалоговое окна Transient Analysis Limits для задания параметров моделирования (см. рис. 2.6).

Рисунок 2.6. Диалоговое окно параметров моделирования в режиме Transient

Результаты моделирования усилительного каскада в режиме Transient представлены на рисунке 2.17. Здесь приведены напряжения на входе V(in) каскада, напряжение источника сигнала V(V1), напряжение на выходе каскада V(out), а также ток коллектора транзистора Ic(Q1).

Рисунок 2.7. Вид переходных процессов в усилительном каскаде при гармоническом воздействии (источник сигнала MY_SIN)

Так как реальный источник сигнала всегда имеет некоторое внутреннее сопротивление, которое представлено на схеме резистором RG = 1k, то напряжение на входе усилителя V(in) отличается от напряжения V(V1), выдаваемого источником сигнала V1.

Далее изменим тип воздействия на схему. Вместо источника гармонического сигнала подключим источник импульсного сигнала, параметры которого приведены на рисунке 2.8.

При моделировании переходных процессов теперь в окне Transient Analysis Limits нужно ввести новые параметры моделирования с учетом параметров входного сигнала (например, время моделирования следует выбирать таким образом, чтобы на экране помещалось 5…6 импульсов, т.е. значение Tmax в поле Time Range должно быть равным 5…6 периодов повторения импульсов источника STEP).

Результаты моделирования показаны на рисунке 2.9. Здесь приведены графики напряжений на входе и выходе каскада. Следует обратить внимание на то, что сопротивление источника сигнала теперь мало RG = 0!

По графику временных зависимостей напряжения на выходе каскада можно определить время нарастания переходного процесса (обычно измеряется от уровня 0.1 до 0.9 относительно установившегося значения), число и величину выбросов (переколебаний), время затухания выбросов и др. Для примера на рисунке 2.20 показано измерение времени переднего фронта импульса на выходе усилителя.

Рисунок 2.8. Ввод параметров импульсного источника STEP

Рисунок 2.9. Вид переходных процессов в усилительном каскаде при подключении импульсного источника STEP

2.4 Многовариантный анализ (Stepping…) в режие Transient