Proiectare Asistata de Calculator

Curs 3

1. Analize de curent continuu

În analiza de curent continuu, se calculează întotdeauna PSF (punctul static de funcţionare - potenţialul fiecărui nod şi curenţii prin fiecare dispozitiv) şi se salvează în fişierul de ieşire. Programul calculează PSF în mod automat înaintea unei analize de semnal mic în curent alternativ (AC), pentru a liniariza circuitul în jurul PSF şi a determina modelele de semnal mic pentru dispozitivele neliniare. De asemenea, programul calculează PSF înaintea unei analize a regimului tranzitoriu de semnal mare (TRAN), pentru a determina condiţiile iniţiale de integrare. În situaţiile în care SPICE nu reuşeşte să determine soluţia de c.c. sau utilizatorul doreşte setarea condiţiile iniţiale de integrare, calculul PSF este inhibat trecându-se direct la simularea regimului tranzitoriu.

1. Analize de curent continuu

În analiza de c.c. PSPICE consideră toate condensatoarele ca întreruperi şi toate bobinele ca scurtcircuite.

Tipul şi forma variabilelor de ieşire depind de tipul analizei de c.c. ce se efectuează.

Implicit, toate analizele se efectuează la temperatura nominală TNOM=270C, setată prin comanda OPTIONS.

1. Analize de curent continuuPentru a configura si rula analize de curent continuu (CC) cativa pasi vor trebui parcursi.

• Introducerea de stimululi DC corespunzatori (DC Stimulus)• Setarea conditiei Punctului Static de Functionare Initial (

Initial Bias Point Condition) (pentru anumite analize de curent continuu)

• Validarea analizei Bias Point Detail• Realizarea analizei de curent continuu (DC Sweep)• Setarea analizei functiei de transfer in CC la semnal mic (

Small-Signal DC Transfer) • Setarea analizei de sensibilitate in curent continuu (

DC Sensitivity)• Selectarea optiunilor (Options)

1. Stimuli de curent continuu

Pentru a rula o analiza DC sweep ( utilizand ca variabila o sursa de tensiune sau de curent ) sau o analiza a functiei de transfer in curent continuu la semnal mic (small-signal DC transfer), trebuie conectate una sau mai multe surse independente si apoi setate valorile de tensiune sau curent pentru fiecare sursa

2. Setarea Punctului Static de Functionare Initial Exista trei posibilitati de simulare a conditiilor initiale

setand:• Salvare si incarcare PSF (Save and Load Bias Point)• Setpoints • Setarea conditiilor initiale (Setting Initial Conditions)

Salvare si incarcare PSFSalvare PSF si incarcare PSF sunt folosite pentru a salva si

incarca rezultatele calculului PSF pentru simulari PSpice A/D succesive. Salvarea si incarcarea calculelor PSF poate reduce timpii de simulare cand circuite mari sunt simulate de multe ori .

Salvarea /Incarcarea PSF afecteaza urmatoarele tipuri de analiza:– CC – CA – Tranzitorie

Setpoints

Setpoints sunt pseudo componente care specifica conditiile initiale de functionare. Acestea se aplica partii analogice din circuit.

In figura de mai sus:

IC1 este un simbol cu un singur pin care permite setarea conditiilor initiale pentru un nod de circuit atat pentru analiza de semnal mic cat si pentru analiza transient bias points IC2 este un simbol cu doi pini care permite setarea conditiilor initiale pentru doua noduri de circuit.

Folosind simboluri IC se pot seta conditiile initiale doar pentru punctul static de functionare. Vor fi afectate doar conditiile initiale pentru analiza tranzitorie. Este o conditie necesara pentru oscilatoare. Nu afecteaza analiza de curent continuu (DC sweep). Daca circuitul contine atat un simbol IC cat si un simbol NODESET pentru acelasi nod, atunci simbolul NODESET este ignorat.

NODESET1 este un simbol cu un singur pin ce ajuta la calcularea PSF prin livrarea unei estimari initiale pentru un nod. NODESET2 este un simbol cu doi pini care ajuta la calcularea PSF intre doua noduri de circuit. O parte sau toate nodurile de circuit pot primi aceste estimari initiale. Simbolurile NODESET sunt eficiente pentru calculul PSF (atat la semnal mic cat si in regim tranzitoriu) si la primul pas in analiza de curent continuu (DC sweep). Se utilizeaza pentru analiza circuitelor bistabile. Nu are efect pentru restul analizai de curent continuu sau in timpul analizei tranzitorii.

Setarea conditiilor initiale

Atribulul IC permite setarea conditiilor initiale pentru condensatoare (tensiune initiala) si bobine (curent initial). Aceste conditii sunt aplicate in timpul calculului PSF. Dar, daca se selecteaza optiunea (•) Skip Initial Transient Solution in fereastra de dialog Transient Analysis Setup, calculul PSF nu este realizat si simularea incepe direct cu analiza tranzitorie de la momentul TIME=0. Dispozitivele cu atribute IC incep simularea cu tensiunile sau curentii specificati; dar toate celelalte dispozitive de acelasi tip incep simularea cu tensiune sau curent zero.

3. Bias (Operating) Point Detail

Punctul static de funcţionare al circuitului se determină în condiţiile în care sunt aplicate numai sursele de alimentare de c.c., condensatoarele fiind considerate întreruperi, iar bobinele scurtcircuite. Soluţia de c.c. furnizeză două seturi de rezultate listate în fişierul de ieşire.

Punctul static de functionare este calculat pentru orice analiza chiar daca Bias Point Detail analysis este setata sau nu in fereastra de dialog Analysis Setup. Cand Bias Point Detail analysis nu este setata, doar tensiunile din nodurile analogice si starile nodurilor digitale sunt raportate in fisierul de iesire.

    Cand Bias Point Detail analysis este setata, urmatoarele informatii sunt raportate in fisierul de iesire:

• SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION

• O lista cu tensiunile nodurilor analogice;

• O lista cu starile nodurilor digitale;

• Curentii si tensiunile surselor si puterile lor.

OPERATING POINT INFORMATION ( for OP )

•Curentii, tensiunile terminale

• O lista cu parametrii de semnal mic pentru toate dispozitivele neliniare.

Dupa calcularea PSF, circuitul este pregatit pentru liniarizare.

Exemplu:

Determinarea punctului static de functionare al unui amplificator cu tranzistor JFET.

0

0

0

V D DV D D

0

R L

1 0 k

R G 2

0 . 6 M E GR S

3 . 5 k

R G 1

1 . 4 M E G

R D5 k

J 1

B F 2 5 6 B

C 3

6 . 8 3 u

C 2

1 uC 1

0 . 0 2 2 u

R I

1 0 0 k

V I

V 22 0 V

.OP

VTO=-2.3V

** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( VDD) 20.0000 (N00021) 6.0000 (N00057) 0.0000 (N00060) 7.1384

(N00088) 0.0000 (N00155) 9.8023 (N000390) 0.0000

 

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME CURRENT

V_VI 0.000E+00

V_V2 -2.050E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 4.10E-02 WATTS

 

** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG **** JFETS

NAME J_J1

MODEL BF256B

ID 2.04E-03

VGS -1.14E+00

VDS 2.66E+00

GM 3.52E-03

GDS 8.47E-06

CGS 1.60E-12

CGD 1.21E-12

4. DC Sweep

În cadrul aceastei analize (DC sweep) în curent continuu cu baleierea unor domenii de valori, PSF al circuitului este calculat pe intervalele de variaţie specificate, în funcţie de:

- valoarea unei surse independente de c.c. de tensiune, V

   - valoarea unei surse independente de c.c. de curent, I

  - valoarea unui parametru global definit cu comanda PARAM

   - valoarea unui parametru de model, specificându-se:

<tip model> <nume model> <nume parametru model>

    - valoarea temperaturii, TEMP.

   

4. DC Sweep

Punctul static de functionare a circuitului se calculeaza la fiecare valoare a parametrului.

Aceasta analiza este utila in determinarea functiei de transfer a unui amplificator, pentru determinarea pragurilor (sus si jos) a unui circuit digital etc.

Pentru calcularea raspunsunlui in curent continuu al unui circuit, programul elimina toate sursele dependente de timp. Acest lucru se realizeaza prin tratarea condensatoarelor ca intreruperi in circuit, a bobinelor ca scurtcircuit si utilizarea doar a valorilor de curent continuu (offset) a surselor de tensiune si de curent.

O abordare asemanatoare se utilizeaza si pentru dispozitivele digitale: toate intarzierile de propagare se considera nule iar generatoarele de stimuli se seteaza la valoarea lor initiala.

   

    Analiza DC Sweep secundara

  Daca se specifica o analiza DC Sweep secundara, programul introduce o bucla suplimentara de analiza. Pentru fiecare valoare a variabilei secundare, variabila principala este variata in tot domeniul acesteia. Valoarea variabilei de ieşire este evaluată prin baleierea variabilelor în următoarea ordine:

val_var2=start2

for ( val_var2 stop2, val_var2(i+1)=val_var2(i)+pas2)

val_var1=start1

for(val_var1 stop, val_var1(j+1)=val_var1(j)+pas1)

out_var=f(val_var1, val_var2)

    Analiza DC Sweep secundara

Variaţia celor două variabile generează o familie de caracteristici de transfer, câte o caracteristică pentru fiecare valoare a variabilei secundare, val_var2, variabila de baleire externă. Fiecare caracteristică de transfer din familie este determinată de valorile variabilei primare, val_var1,variabila de baleiere internă.

Minimum Circuit Design Requirements:

•Swept Variable

Probleme de convergenta:

Cea mai raspandita cauza pentru aparitia erorii in cazul analizei DC Sweep consta in analiza unui circuit cu reactie regenarativa, de ex. a unui trigger Schmidt. Solutie: evitati analiza unor astfel de circuite. Analiza DC Sweep nu este potrivita pentru calculul histerezei. Untilizati analiza tranzitorie.

Setarea variabilei principale

Setarea variabilei secundare

5. Calculul functiei de transfer de semnal mic in curent continuu (Small-Signal DC Transfer)

 

Această analiză este o analiză de semnal mic în c.c. şi nu trebuie confundată cu analiza în c.a.

Circuitele analogice lucrează de multe ori cu semnale de nivel mic în comparaţie cu tensiunile şi curenţii de polarizare. În aceste condiţii, pentru determinarea performanţelor circuitelor se utilizează modelele incrementale sau de semnal mic ale dispozitivelor. Pentru a determina limitările pe care le impune utilizarea analizei de semnal mic, trebuie determinată amplitudinea maximă a semnalului de intrare pentru a nu avea distorsiuni sau pentru ca distorsiunile să se încadreze între anumie limite.

5. Calculul functiei de transfer de semnal mic in curent continuu (Small-Signal DC Transfer)

 

În cazul tranzistorului bipolar, analiza de semnal mic este valabilă ( distorsiunile sunt minime) dacă semnalul aplicat la intrare are amplitudinea Vn,max << VT (TB admite semnale relativ mici la intrare, de ordinul 1mV). Odată

îndeplinită condiţia de semnal mic, se poate trece la determinarea modelelor de semnal mic ale dispozitivelor şi apoi la calculul parametrilor de semnal mic ai circuitului.

Caracteristicile de semnal mic în c.c. ale circuitului liniarizat obţinut după analiza OP pot fi obţinute sub formă alfanumerică în fişierul de ieşire, cu ajutorul comenzii TF. Această analiză se efectuează astfel: se calculează PSF, apoi se determină răspunsul circuitului la un stimul de semnal mic în jurul PSF-ului calculat.

5. Calculul functiei de transfer de semnal mic in curent continuu (Small-Signal DC Transfer)

 

Aceasta analiza calculeaza functia de transfer de semnal mic prin liniarizarea circuitului in jurul punctului static de functionare si calculeaza castigurile de semnal mic (dVout/dVin), (dIout/dIin), (dIout/dVin) sau (dVout/dIin) , rezistenta de

intrare (dVin/dIin),  si rezistenta de iesire (dVout/dIout) .

Cerinte minime de proiectare

•Circuitul trebuie sa contina cel putin o surse de intrare .

Setari ale programului

In fereastra Transfer Function dialog box, se specifica:

•Numele sursei de intrare

•Variabila de iesire

Example 1: Se considera un etaj de amplificare cu tranzistir bipolar. Sa se calculeze parametrii de semnal mic considerand sursa I1 ca sursa de intrare.

CEr

1R

CEr

1R

Rout

πr

2R

πr

2R

Rin

1Rβ

πr

2R

2R

1v(out)/I_I

mgβ

πr

00

V C CV C C

0

R 2

2 0 0 k

R 1

1 k

Q 1

Q 2 N 3 0 1 1I 1

0 A

V 1+5 V

o u t

.TF V([out]) I_I1

.OP

Rezultatele simularii sunt:

BETADC 5.81E+01

GM 4.89E-02

SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(OUT)/I_I1 = -1.173E+05

INPUT RESISTANCE AT I_I1 = 1.239E+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(OUT) = 1.951E+03

6. Analiza de senzitivitate (DC Sensitivity)

Această analiză (SENS) facilitează apecierea efectelor pe care le au variaţiile valorilor elementelor circuitului şi a parametrilor de model asupra unor variabile de ieşire selectate, deci asupra funcţionării circuitului. Astfel, se pot determina acele elemente de circuit a căror variaţie afectează cel mai mult PSF, permitând concentrarea eforturilor în direcţia reducerii senzitivităţii în raport cu acele elemente.

6. Analiza de senzitivitate (DC Sensitivity)

Senzitivitatea circuitului se calculeaza prin liniarizarea tuturor dispozitivelor in jurul punctului static de functionare. Analiza de senzitivitate calculeaza si tipareste in fisierul de iesire senzitivitatea absoluta si relativa a variabilei de iesire fata de fiecare parametru de dispozitiv, pentru urmatoarele dispozitive:

•rezistoare

•Surse independente de tensiune sau curent

•Comutatoare comandate in tensiune sau curent

•diode

•Tranzistoare bipolare

Programul listează pentru fiecare element sau parametru două valori de senzitivitate: senzitivitatea absolută ( ) exprimată în V sau A, raportată la variaţia cu o unitate a valorii elementului şi senzitivitatea relativă

exprimată în V sau A, raportată la variaţia cu 1% a valorii elementului. Aceste valori reflectă senzitivităţile potenţialelor şi curenţilor în c.c. faţă de perturbarea valorilor elementelor de circuit.

ji pV /)100//()/( jji ppV

Setari:

In fereastra Sensitivity Analysis, introducati numele variabilei de iesire dorite.

Example 1: Se considera un amplificator cascoda cu tranzistoare bipolare (CE-CB). Sa se calculeze senzitivitatea curentului IC(Q2).

0

00

0

00

V C CV C C

R E

3 . 3 k

R 3

8 k

R 2

4 k

R 1

1 8 k

R C

6 k

Q 2

Q 2 N 3 9 0 4

Q 1

Q 2 N 3 9 0 4

R S

4 k

V S E N S

V 11 5 V

C 31 0 u

C 2

1 0 u

C 1

1 u

R L

4 k

C 4

1 u

V S

.SENS I(VSENS)

**** DC SENSITIVITY ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG C

DC SENSITIVITIES OF OUTPUT I(V_VSENS)

ELEMENT ELEMENT ELEMENT NORMALIZED

NAME VALUE SENSITIVITY SENSITIVITY

(AMPS/UNIT) (AMPS/PERCENT)

 

R_RE 3.300E+03 -2.869E-07 -9.466E-06

R_R3 8.000E+03 1.044E-07 8.352E-06

R_R2 4.000E+03 -3.847E-08 -1.539E-06

R_R1 1.800E+04 -3.909E-08 -7.036E-06

R_RC 6.000E+03 -1.850E-10 -1.110E-08

R_RS 4.000E+03 0.000E+00 0.000E+00

R_RL 4.000E+03 0.000E+00 0.000E+00

V_VSENS 0.000E+00 -1.901E-07 0.000E+00

V_V1 1.500E+01 7.763E-05 1.164E-05

V_VS 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00

7. Optiuni

Meniul Options se utilizeaza pentru setarea tuturor optiunilor, limitelor si parametrilor de control ale simulatorului