Режим моделирования Transient
Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» С. Ю. Кругликов, А. В. Печаткин Компьютерное моделирование Конспект лекций Направление подготовки 11.03.03. «Конструирование и технология ЭС» Рыбинск 2015 УДК 621.3 Кругликов С.Ю., Печаткин А.В: Компьютерное моделирование: Конспект лекций. Направление подготовки 11.03.03. «Конструирование и технология ЭС» – Рыбинск: РГАТУ имени П.А. Соловьева, 2015 – 80 с. ОБСУЖДЕНО на заседании методического совета кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем ã С.Ю. Кругликов, 2015 ã А.В. Печаткин А 2015 ã РГАТУ, 2015 Оглавление 1 Основы моделирования в схемотехнических САПР. 5 1.1 Режим моделирования Transient 5 1.2 AC Frequency. 8 1.3 Fourier 9 1.4 Noise. 11 1.5 Distortion. 12 1.6 Parameter sweep. 13 1.7 Temperature sweep. 14 1.8 Worst Case. 14 1.9 Monte Carlo. 15 1.10 Pole-Zero. 16 1.11 Transfer function. 17 1.12 Sensitivity. 18 1.13 DC Sweep. 19 1.14 Другие режимы моделирования. 20 2 Модели компонентов РЭС.. 21 2.1 Независимые источники. 21 2.1.1 Источник переменного напряжения. 21 2.1.2 Источник постоянного напряжения. 23 2.1.3 Источник сигналов прямоугольной формы Clock. 23 2.1.4 Источник сигналов произвольной формы PWL Source. 24 2.2 Пассивные компоненты RLC.. 25 2.3 Биполярные транзисторы.. 26 2.3.1 Зависимость выходной проводимости hoe(Ic) от тока коллектора (Output Admittance) 27 2.3.2 Зависимость граничной частоты передачи тока fT(Ic) от тока коллектора (Current-gain bandwidth) и коэффициента усиления переменного тока h21Э. 28 2.3.3 Зависимость времени рассасывания заряда ts(Ic) от тока коллектора (Storage Time) 29 2.3.4 Зависимость барьерной емкости перехода коллектор-база Cobo(Vcb) (C-B Capacitance) и эмиттер-база Cibo(Veb) (E-B Capacitance) 30 2.3.5 Зависимость статического коэффициента усиления транзистора от тока коллектораhFE(Ic) 31 2.4 Модели цифровых элементов. 32 3 Моделирование апериодических усилителей на биполярном транзисторе. 35 3.1 Физическая модель биполярного транзистора по постоянному току 35 3.2 Нагрузочная характеристика усилителя. 36 3.3 Задание положения исходной рабочей точки. 37 3.4 Стабилизация параметров транзисторных усилителей с помощью цепей обратной связи. 38 3.5 Статическая проходная характеристика усилителя. 39 3.6 Физическая модель биполярного транзистора по переменному току 41 3.7 Схема с общим эмиттером.. 44 3.8 Отрицательная обратная связь по току. 49 3.9 Отрицательная обратная связь по напряжению.. 51 3.10 Схема с общей базой. 54 3.11 Сравнительный анализ схемы с общей базой и общим эмиттером 59 3.12 Схема с общим коллектором.. 60 3.13 Эмиттерный повторитель. 64 4 Моделирование резонансных усилителей на биполярном транзисторе. 66 4.1 Добротность резонансной цепи и полоса пропускания. 66 4.2 Включение резонансной цепи в транзисторный усилитель. 68 5 Моделирование апериодических усилителей на полевом транзисторе. 69 5.1 Физическая модель полевого транзистора по постоянному току. . 69 5.2 Задание положения исходной рабочей точки. 69 5.3 Стабилизация рабочей точки. 72 5.4 Физическая модель полевого транзистора по переменному току. 73 5.5 Схема с общим истоком.. 74 5.6 Схема с общим затвором.. 75 5.7 Схема с общим стоком.. 78 Список источников, рекомендуемых для изучения 80
|
|
|
|
|
|
Основы моделирования в схемотехнических САПР
Существует достаточно много схемотехнических САПР, которые могут использоваться для моделирования радиоэлектронных узлов. Наиболее известные среди них Electronics Workbench (EWB), MultiSim, MicroCAP, OrCAD, Altium Designer. MultiSim является наиболее простым в освоении. Данный САПР содержит виртуальные измерительные приборы и, таким образом, методически правильно начинать с него. Другие САПР в первом приближении дополняют MultiSim. Так EWB, OrCAD или MicroCAP могут использоваться для построения новых моделей элементов, построения дополнительных характеристик, которые в MultiSim строить невозможно или не удобно. При правильном изучении MultiSim другие схемотехнические САПР осваиваются быстро и эффективно.
|
|
|
Важно отметить, что во всех САПР на принципиальной схеме обязательно должна присутствовать «земля». В MultiSim земля имеет имя «GROUND» и извлекается с панели инструментов «Sources» – источников энергии и сигналов.
Составление принципиальной схемы в MultiSim максимально упрощено и может быть сделано даже интуитивно. В связи с этим, главным предметом изучения являются инструменты моделирования и свойства моделей компонентов.
Режим моделирования Transient
Хотя инструментов моделирования несколько, один из них является основным. Он напоминает работу инженера с макетом радиоэлектронного узла и поэтому его следует выделить из всех. Это инструмент Transient – расчет переходных характеристик (временных диаграмм сигналов в заданном узле схемы). Особенность MultiSim состоит в многоальтернативности реализации этого режима. Прежде всего, временную диаграмму сигнала можно получить с помощью виртуального осциллографа (Рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 Простейшее подключение виртуального прибора «Осциллограф»
Осциллограф извлекается с панели «Instruments» – виртуальных приборов. Как показано на рисунке 1.1, к осциллографу достаточно подвести одну линию на вход A или B. Общий провод осциллографа, по умолчанию, подключен к «земле». Если необходимо изменить подключение общего провода (самый верхний боковой контакт), то нужно подвести к нему цепь, относительно которой анализируется напряжение на входах. У осциллографа есть также вход синхронизации (второй сверху боковой контакт).
|
|
|
В качестве органов управления отклонением луча в виртуальном осциллографе используются поля «Х position» и «Y position».
Для удобства пользования индикатором применяется «расширенный» режим. В него можно перейти нажатием на кнопку «Expand» (возврат назад – кнопка «Reduce»).
Второй способ получить временную диаграмму сигнала – использовать один из режимов анализа. Он так и называется «Transient» и извлекается из меню «Simulate/Analyses». Появляется окно диалога, которое настраивается в соответствии с рисунками 1.2, 1.3. После настройки нажимается кнопка «Simulate» и появляется окно результата анализа. Обратите внимание, что это окно содержит результаты всех видов анализа, в том числе с помощью осциллографа. Открыть окно можно в любой момент работы, даже без предварительного моделирования, кнопкой «Grapher» на главной панели инструментов.
Рисунок 1.2 Окно параметров моделирования «Transient»
Моделирование производится численным решением системы ДУ, поэтому шаг моделирования (шаг расчета временной диаграммы по оси времени) задается автоматически, но можно задать минимальное количество точек на диаграмму: Minimum number of time points. На индикаторе происходит кусочно-линейная интерполяция сигнала между точками.
Рисунок 1.3 Окно узлов (элементов) «Transient»
AC Frequency
Второй часто используемый режим моделирования называется «AC Frequency» – частотный анализ электрической цепи. Он применяется для построения АЧХ и ФЧХ. Обязательно на входе цепи должен быть установлен источник переменного напряжения. По его положению определяется вход анализируемой цепи и действующее значение сигнала. Для получения АЧХ действующее значение следует установить равным 1 или не учитывать индицируемую размерность по оси Y. Моделирование осуществляется через меню Analyses/AC Frequency. Окно настройки параметров (Рисунок 1.4) аналогично соответствующему окну режима «Transient», но, естественно, имеет особые настройки параметров.
Рисунок 1.4 Окно параметров моделирования «AC Frequency»
Fourier
Близкий к «AC Frequency» режим называется «Fourier»– спектральный анализ сигналов. Существенное отличие данного режима состоит в том, что осуществляется анализ сигнала, а не схемы. Если на вход электрической цепи подать широкополосное воздействие (например, достаточно короткий импульс), то на выходе получим импульсную характеристику. Ее преобразование Фурье есть комплексный коэффициент передачи, модуль которого равен АЧХ, а фаза – ФЧХ. Отсюда вытекает родственность двух указанных режимов.
Спектральный анализ позволяет оценить не только амплитудный спектр сигнала, но и вычислить коэффициент нелинейных искажений гармонического колебания. Естественно, в этом случае на вход цепи следует подать переменное напряжение синусоидальной формы. При отсутствии нелинейных искажений спектр будет содержать только одну гармонику на частоте входного сигнала. При нелинейных искажениях появляются дополнительные гармоники. Их можно оценить через коэффициент нелинейных искажений:
где 
– амплитуда n-ой гармоники напряжения.
Коэффициент рассчитывается данным режимом, как total harmonic distortion (THD) (%).
Основные настройки выполняются в окне параметров, изображенном на рисунок 1.5. Важно отметить, что частота напряжения источника на входе цепи и частота первой гармоники Fundamental Frequency должны совпадать.
Рисунок 1.5 Окно параметров моделирования «Fourier»
Noise
Следующий инструмент называется «Noise»– анализ спектра внутренних шумов. В математических моделях компонентов учитываются тепловые, дробовые и низкочастотные фликкер-шумы. Спектральные плотности шума (СПШ) от отдельных источников суммируются. В качестве спектральной плотности выходного шума (размерность В2/Гц) рассчитывается спектральная плотность напряжения между узлами схемы, указанными в окне параметров (Рисунок 1.6), поля – Output node, Reference node. Если в качестве источника входного сигнала включается источник напряжения, то на вход пересчитывается спектральная плотность напряжения, а если источник тока, то спектральная плотность тока. Кроме выходного шума между узлами Output node и Reference node строится график шума пересчитанного ко входу, к месту подключения источника сигнала. График показывает, какой должен быть шум на входе без внутренних шумов, чтобы на выходе получить рассчитанный шум.
Рисунок 1.6 Окно параметров моделирования «Noise»
Distortion
«Distortion»– анализ нелинейных и интермодуляционных искажений. Режим предназначен для анализа 2-ой и 3-й гармоник сигнала во всем указанном диапазоне частот. Обычно первые гармоники вносят наибольший вклад в нелинейные искажения, поэтому выбраны только они. Интермодуляционные искажения анализируются при включенной опции F2/F1 (F1 – основная частота, F2 – дополнительная частота) и выбирается отношение этих частот (Рисунок 1.7). Результат анализа – уровень сигнала на суммарной и разностной частоте, т. е. тестируется факт наличия амплитудной модуляции одного сигнала другим. Дополнительно рассчитывается график для частоты 2×F1-F2 (второй гармоники первой частоты минус первой гармоники второй частоты).
Данный режим дополняет расчет коэффициента нелинейных искажений в режиме «Fourier». Он позволяет проанализировать весь диапазон частот, а не отдельную частоту, однако, только для 2-ой и 3-й гармоник.
Рисунок 1.7 Окно параметров режима моделирования «Distortion»
Parameter sweep
Следующий инструмент называется «Parameter sweep» – вариация параметров. В нижней части окна параметров (Рисунок 1.8) устанавливается инструмент моделирования, для которого проводится многовариантный анализ. В правом нижнем углу находятся кнопка для установки параметров этого инструмента.
Например, можно исследовать изменения АЧХ и ФЧХ при вариации емкости конденсатора цепи. При определении значения емкости конденсатора, для которого получена та или иная кривая, необходимо курсор мыши подвести к соответствующей кривой, при этом значение емкости будет показано в левом нижнем углу окна.
Рисунок 1.8 Окно параметров моделирования «Parameter sweep»
Temperature sweep
Режим моделирования «Temperature sweep» осуществляет температурные испытания моделируемой схемы. Диалоговое окно для установки параметров моделирования особых пояснений не требует, поскольку оно, за исключением температурного диапазона и отсутствия параметров компонента, не отличается от окна других режимов.
Рисунок 1.9 Окно параметров режима моделирования «Temperature sweep»
Worst Case
Worst Case – расчет режима по постоянному току или частотных характеристик при предельных отклонениях параметров компонентов схемы (расчет на наихудший случай). Отклонение параметров задается для каждого компонента индивидуально в индивидуальном окне параметров компонента. Но можно при этом задать отклонение (tolerance) равным Global, что будет означать глобальное значение отклонения. Это значение устанавливается в окне параметров данного режима (Рисунок 1.10). Collating function – целевая функция (выбираются из предлагаемого списка), при котором: устанавливается максимальное и минимальное значение напряжения в заданном узле (Max, Min), частота при определенном напряжении (Frequency), максимальное значение частоты пересечения заданного уровня порогового напряжения Threshold снизу-вверх или сверху-вн (Rise edge, Fall edge).
Рисунок 1.10 Окно параметров режима моделирования «Worst Case»
Monte Carlo
Monte Carlo – статистический анализ по методу Монте-Карло. В отличие от расчета на наихудший случай в данном режиме расчеты производятся при случайном значении параметров. Однако, эти значения выбираются в пределах заданного отклонения – tolerance. Закон распределения случайных значений и tolerance выбирается на вкладке Model tolerance List для каждого компонента. Uniform — равновероятное распределение и Gaussian — гауссовское распределение.
Режим эффективен при большом количестве параметров, когда расчет на наихудший случай дает результаты сложные для анализа.
Рисунок 1.11 Окно параметров режима моделирования «Monte Carlo»
Pole-Zero
Следующий режим называется «Pole-Zero» – расчет карты нулей и полюсов передаточной характеристики моделируемой схемы. Передаточная характеристика может быть представлена в виде отношения полиномов. В качестве переменной используется оператор Лапласа, который обозначается p (при анализе систем автоматики принято обозначать s). Коэффициент передачи, таким образом, равен:
.
Нуль есть корень полинома числителя, а полюс – корень полинома знаменателя данного выражения. Количество полюсов и нулей, следовательно, зависит от степени полиномов.
Коэффициент передачи может быть двух видов:
1. Коэффициент передачи по напряжению;
2. Коэффициент передачи выходного напряжения к входному току (переходное сопротивление).
При установке соответствующих флажков могут быть рассчитаны нули и полюсы для входного или выходного сопротивления, выраженного в форме преобразования Лапласа:
Рисунок 1.12 Окно параметров режима моделирования «Pole-Zero»
Transfer function
Следующий режим называется «Transfer function» – расчет передаточных функций. Рассчитывается значение коэффициента передачи по напряжению или по току. Вход задается с помощью указания источника сигнала, а выход – с помощью указания номера узла. Дополнительно рассчитываются входные (input impedance) или выходные (output impedance) сопротивления (Рисунок 1.13).
Рисунок 1.13 Окно параметров режима моделирования «Transfer function»
Sensitivity
Sensitivity – расчет относительной чувствительности характеристик схемы к изменениям параметров выбранного компонента при частотном анализе (АС) или при расчете по постоянному току (DC). Позиционное обозначение компонента, влияние которого будет анализироваться, указывается в строке под рубрикой Component. В окне также задается масштаб выходного напряжения (Output scaling) в абсолютных (Absolute) или относительных (Relative) единицах (Рисунок 1.14).
DC Sweep
Для получения некоторых экспериментальных характеристик транзистора необходимо воспользоваться режимом DC Sweep.
Режим DC Sweep устанавливается через меню Analysis. Он предназначен для получения зависимости выбранной на вкладке Output величины от изменения основного параметра источника энергии или источника сигналов. Например, можно изменять в заданных пределах напряжение источников напряжения и ток источников тока Source 1 (Рисунок 1.15).
Семейство характеристик можно получить при вариации дополнительного вторичного параметра другого источника Source 2.
После получения графиков зависимости ее точные значения в конкретной точке можно получить через использование скользящих курсоров, кнопка Toggle cursor.
Рисунок 1.14 Окно параметров режима моделирования «Sensitivity»
Рисунок 1.15 Окно параметров режима моделирования «DC Sweep»
Другие режимы моделирования
Один из режимов называется DC Operation point – расчет схемы по постоянному току (или, иначе, расчет рабочей точки цепи). Результат расчета выводится в виде таблицы напряжений в узлах и на источниках сигналов. Этот же расчет выполняется во многих других режимах моделирования как предварительный. По этой причине нет переходного процесса в начале временной оси. Цепь как бы включена уже давно. Если переходный процесс при включении источника питания цепи требуется наблюдать, то предусмотрено отключение расчета DC Operation point.
Модели компонентов РЭС
Модели компонентов скрыты от пользователя Multisim, но управление моделью можно осуществлять через свойства. Двойной щелчок мышью и вы попадаете в окно установки свойств.
Независимые источники
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 569; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!