Z.N. 10/2005 WSKAZWKI DOTYCZCE UYWANIA PROGRAMU PSPICE DO ANALIZY ANALOGOWYCH UKADW ELEKTRONICZNYCH

Poni szy tekst nie stanowi podrcznika u ytkownika programu ani nie ma go zastpi. Do szczegowy opis polece i modeli elementw oraz liczne przykady u ycia programu s zawarte w ksi ce: J. Porbski, P. Korohoda, SPICE program analizy nieliniowej ukadw elektronicznych, WNT 1996. rdowe informacje dotyczce modeli, rwna je opisujcych oraz skadni polece mo na znale w dokumentach (w jz. angielskim) na pycie CD doczonej do ksi ki: A. Krl, J. Moczko, PSpice. Symulacja i optymalizacja ukadw elektronicznych, wyd. Nakom, Pozna, 1998. Na tej pycie zamieszczono rwnie wersj ewaluacyjn systemu projektowania MicroSim Evaluation Software DesignLab Rel. 8, w tym program PSpice A/D do symulacji ukadw analogowych i cyfrowych. Podane tu przykady w wikszoci zostay opracowane przy u yciu w/w wersji 8 programu PSpice firmy MicroSim, ale wskazwki oraz omwienie programu maj charakter oglny i s suszne dla wikszoci wersji. Obecnie (2005) firma MicroSim ju nie istnieje, a pogram PSpice zosta przejty (wraz z wykupieniem firm) przez Cadence Design Systems, ktra jest wacicielem firmy OrCAD Inc. R ne ewaluacyjne wersje programu mo na m.in. zdoby nastpujco: PSEval 5.2 dostpna w postaci pliku .ZIP na stronie limitowanej przedmiotu UiSE. Dziaa w rodowisku DOS, ma najwiksze mo liwoci pod wzgldem liczby elementw (sprawdzona dla 14 tranzystorw MOS). B. trudno przenie wykresy przebiegw do programw Windows. Plik wynikw analizy .DAT mo e by wczytany do programu PROBE w wersjach pniejszych (Windows) i tam wykrelany. PSpice Eval v. 7.1 (12 plikw .ZIP + instrukcja instalacji) na stronie http://faculty.physics.tamu.edu/duller/pspice/pspice71.html PSpice Design Lab v. 8.0 plik instalacyjny programu analizy (80dlab.exe) http://www.engr.sjsu.edu/ee124 , http://www.fh-augsburg.de/elektrotechnik/downloads/index_i.html PSpice v. 9.1 na stronie http://www.fh-augsburg.de/elektrotechnik/downloads/index_i.html Inne rda programu i dokumentacji mo na atwo znale za pomoc wyszukiwarki (np. Google), wpisujc jako haso np. Pspice + download. W peni funkcjonalny symulator podobny do PSpice - LTSpice/SwitcherCADIII firmy Linear Technology jest dostpny na stronie http://www.linear.com/company/software.jsp (wymagana rejestracja). R ni si nieco od PSpice, m.in. nie wykonuje pewnych analiz, oznaczenia niektrych elementw s inne, ale w zasadzie wszystkie pliki .CIR utworzone w innych wersjach PSpice s u yteczne (mog wymaga nieznacznych modyfikacji). Ka da z w/w wersji mo e by u yta do zaj z UiSE i pod wzgldem funkcjonalnoci s one zbli one. W przedmiocie Ukady i Systemy Elektroniczne przyjmuje si zasad, e analizowany ukad jak te wszystkie instrukcje analiz z niezbdnymi parametrami s opisane w pliku tekstowym (ASCII) z rozszerzeniem .CIR. Nie jest u ywany graficzny edytor schematu (np. Schematics z w/w pakietu firmy MicroSim).

1

1. ZAWARTO

I

STRUKTURA

PLIKU

*.CIR

Plik tekstowy o nazwie z rozszerzeniem .CIR zawiera opis ukadu oraz instrukcje do wykonania dla programu analizy i ew. definicje modeli u ywanych w analizie. Najwa niejsze zasady dotyczce pliku .CIR: Program PSpice zaczyna interpretacj pliku od drugiej linii tekstu. W zwizku z tym w pierwszej linii nie umieszcza si adnych instrukcji lub deklaracji mo na j traktowa jak tytu lub opis ukadu. Tekst mo na pisa maymi lub du ymi literami. Kolejno deklaracji i polece (instrukcji) jest dowolna. Linia komentarza zaczyna si od znaku * (gwiazdka). W linii deklaracji lub instrukcji mo na wstawi komentarz po znaku ; (rednik). W jednej linii mo e wystpi tylko jedna deklaracja lub instrukcja. Linia bdca kontynuacj poprzedniej linii musi zaczyna si od znaku + (plus). Instrukcje (polecenia) oraz deklaracje modeli i podobwodw zaczynaj si od kropki, np. .DC , .OPTIONS , .MODEL, .SUBCKT. Deklaracje elementw ukadu zaczynaj si od litery okrelajcej typ elementu, np. Rc rezystor, c12 kondensator, Qwe tranzystor bipolarny, M1 tranzystor MOS itd. Wzy mog by oznaczane numerami lub nazwami, np. 3 , we, vcc. W przypadku u ycia nazw w niektrych poleceniach nazwa wza musi by podana w nawiasie kwadratowym, aby j odr ni od nazwy elementu , np.: .FOUR V([wy]) lub .FOUR V[wy] , .NOISE V[wy], .PROBE V[we] . Mno nik jednostki jest okrelony przez pierwsz liter nazwy (np. k , kohm , kuku wszystkie te nazwy znacz kilo tzn. 103 jednostka podstawowa. Tak wic deklaracja rda w postaci VIN 1 2 SIN 0 100m 5kohm jest deklaracj rda przebiegu sinusoidalnego o czstotliwoci 5 kHz. Oczywicie lepiej jest u ywa nazw bardziej sensownych). Wyjtkiem jest mno nik 106, dla ktrego trzeba u y sowa MEG. Pojedyncza litera M oznacza mili tzn. 10-3. Dla elementw pprzewodnikowych, przecznikw (ISWITCH, VSWITCH), rdzeni magnetycznych oraz dla elementw cyfrowych konieczne jest zdefiniowanie modeli tych elementw. Model mo e by okrelony w pliku .CIR lub w bibliotece. Odwoanie do biblioteki nastpuje za pomoc instrukcji .LIB . W pliku .CIR lub w pliku bibliotecznym mo na zdefiniowa podobwody (subcircuit). Podobwd jest modelem bloku ukadowego (lub kompletnego ukadu, np. wzmacniacz operacyjny) i mo e by wielokrotnie u yty w ukadzie, tak e z r nymi parametrami przy ka dym wywoaniu, tak jak i model. R nica midzy modelem a podobwodem polega na tym, e model odnosi si do jednego ze predefiniowanych w PSpice typw elementw bazowych (tranzystor bipolarny, FET, rezystor itp.), natomiast podobwd mo e by dowolnie du ym i skomplikowanym blokiem ukadowym, w tym tak e zawierajcym definicje modeli i odwoania do innych podobwodw. Za pomoc instrukcji .INC (include file) wstawia si do pliku tekst innego pliku. W ten sposb mo na u ywa powtarzajcych si fragmentw tekstu w r nych plikach .CIR. Deklaracje i polecenia dotyczce jednego ukadu koczy linia z instrukcj .END . Po niej mog wystpi deklaracje i polecenia dla nastpnego ukadu. PSpice analizuje ukady po kolei. Rezultaty analiz dla wszystkich ukadw s umieszczane w tym samym pliku .OUT i w pliku .DAT. Wszystkie dane z pliku .DAT mog by jednoczenie wykorzystane np. w programie PROBE.

2. DZIAANIE PROGRAMU PSPICEW oglnym zarysie program PSpice dziaa nastpujco: 1. Tworzy list pocze (netlist) na podstawie opisu obwodu z pliku .CIR lub na postawie rysunku schematu. 2. Wykonuje zadane analizy. 3. Wytwarza zbir danych wyjciowych (plik *.DAT), ktry mo e by dalej przetwarzany w procesorze graficznym PROBE oraz plik tekstowy *.OUT, zawierajcy m.in. podstawowe informacje o wykonanych analizach oraz parametry modeli elementw.

2

W PSpice s wykonywane trzy zasadnicze typy analiz: .DC obliczanie napi i prdw staych we wszystkich wzach i gaziach ukadu w zale noci od wybranych napi lub prdw staych, temperatury, parametrw modeli lub tzw. parametrw globalnych (zmiennych). .TRAN obliczanie napi i prdw w zale noci od czasu. .AC obliczanie amplitudy i fazy napi i prdw sinusoidalnych w zale noci od czstotliwoci. Przed wykonaniem analizy typu TRAN lub AC s wyznaczane punkty pracy elementw nieliniowych (o ile s w ukadzie). Mo na wymusi dany stan pocztkowy w analizie TRAN przez podanie warunkw pocztkowych .IC (Inital Condition) ustalajc napicie w wybranych wzach, na kondensatorach lub prdy w indukcyjnociach. (Uwaga: Ta instrukcja ustala rwnie punkty pracy dla analizy AC ). Je eli program ma trudnoci z wyznaczeniem punktw pracy, mo na podpowiedzie orientacyjne napicia w wybranych wzach za pomoc instrukcji .NODESET. W analizach DC i TRAN program PSpice analizuje obwd rozwizujc ukad rwna Kirchhofa metod iteracyjn a do uzyskania zao onej dokadnoci spenienia rwna. W zale noci od typu analizy ukad rwna dotyczy: modelu staoprdowego ukadu (w oglnoci nieliniowego) bez pojemnoci (rozwarte) i indukcyjnoci (zwarte) w analizie typu DC; penego modelu (w oglnoci nieliniowego) w kolejnych (wyznaczanych przez program) momentach czasu w analizie typu TRAN. W analizie typu AC jest analizowany model liniowy ukadu. Model ten jest budowany przez wyznaczenie punktu pracy elementw nieliniowych (je eli istniej) i zastpienie ich modelem liniowym o parametrach obliczonych dla danego punktu pracy (np. tranzystor bipolarny jest zastpiony modelem hybryd-). Dla powstaej w ten sposb liniowej sieci elektrycznej jest tworzona dla ka dej czstotliwoci macierz, z ktrej s wyznaczane transmitancje od rde niezale nych do wzw sieci. Wartoci napi wzowych i prdw gaziowych otrzymuje si przez mno enie wydajnoci rda niezale nego przez odpowiedni transmitancj Jak z tego wynika, w analizie AC nie maj znaczenia (w przeciwiestwie do analizy TRAN) wielkoci amplitud sygnaw, gdy wszystkie sygnay zmieniaj si proporcjonalnie (liniowo) do wymuszenia. Najwygodniej jest wic deklarowa jednostkowe amplitudy wydajnoci rde (np. 1 V lub 1 A), gdy wwczas wszystkie inne obliczone napicia i prdy maj warto liczbowo rwn transmitancji (wzmocnieniu) od rda wymuszajcego. Je eli w ukadzie jest wicej ni jedno rdo wymuszajce, wwczas wynikowe napicia i prdy s rwne sumie (gdy obwd jest liniowy) skadowych od wszystkich rde. Analizy pochodne od analiz podstawowych. DC TF (Transfer Function) obliczenie transmitancji (funkcji przejcia, wzmocnienia) dla skadowych staych od wybranego rda napicia lub prdu staego do wybranego wyjcia. Oblicza pochodn zale noci sygnau wyjciowego od wymuszenia dla ukadu o elementach linearyzowanych w aktualnym punkcie pracy. Wynik jest dostpny tylko w pliku wyjciowym nie jest przekazywany do PROBE. SENS (Sensitivity) obliczenie wra liwoci wielkoci wyjciowej (napicia staego midzy wzami lub prdu staego pyncego przez element) na zmiany wszystkich innych elementw w ukadzie. Wra liwoci s liczone jako odpowiednie pochodne, a wic ukad jest linearyzowany w aktualnym punkcie pracy. Wynik dostpny tylko w pliku wyjciowym. TRAN FOUR (Fourier) obliczenie widma wybranego sygnau przy pobudzeniu okresowym. Po wykonaniu analizy TRAN jest obliczana transformata Fouriera dla ostatniego okresu sygnau. Wynik jest dostpny tylko w pliku wyjciowym (*.out). Podobn analiz mo na te wykona w PROBE, lecz wwczas jest analizowany cay przebieg czasowy. AC NOISE - analiza szumowa. Obliczana jest gsto widmowa napicia bd prdu szumw na wybranym wyjciu. Analiza polega na wyznaczeniu transmitancji (w analizie AC) od ka dego wewntrznego rda szumw (rezystancje, zcza p-n) do wyjcia i obliczeniu na wyjciu skadnikw sygnau szumowego od ka dego elementu szumicego. Nastpnie wszystkie skadniki szumu wyjciowego s sumowane redniokwadratowo. W takim ujciu wszystkie rda szumw s traktowane jako niezale ne (nieskorelowane), co jest przybli eniem. W rzeczywistych tranzystorach wewntrzne rda szumw s czciowo skorelowane, zwaszcza przy du ych czstotliwociach.

3

Dla ka dej z analiz podstawowych (DC, TRAN, AC) mo na wykona symulacje statystyczne za pomoc instrukcji .MC (Monte Carlo) oraz .WCASE (Worst Case).Wzmacniacz RC VC vc 0 6 ; nazwa wza i nazwa rda mog by takie same VIN 1 0 DC 0 AC 1 SIN 0 10m 1kHz RG 1 we 5k C1 we b 10u RB vc b 1Meg. RC vc c 2k RE e 0 100 C2 c 2 10uF RL 2 0 2k Q1 c b e Q2N3904 .model Q2N3904 NPN(Is=6.734f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=416.4 + Ne=1.259 Ise=6.734f Ikf=66.78m Xtb=1.5 Br=.7371 Nc=2 Isc=0 + Ikr=0 Rc=1 Cjc=3.638p Mjc=.3085 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=4.493p + Mje=.2593 Vje=.75 Tr=239.5n Tf=301.2p Itf=.4 Vtf=4 Xtf=2 Rb=10) .OP .AC DEC 20 1Hz 100Meg .TRAN 1n 10m 0 10us .PROBE .END

RB1we

RC C2

vc

2

b

c

RG Q1 C1 Vine

VC

RE

RL

Rys. 1. Schemat wzmacniacza Obok jest podany tekst pliku wejciowego Wzm.cir . Plik ten bdzie modyfikowany w dalszych przykadach.

Specyficznym rodzajem analizy jest tzw. analiza parametryczna, bdca wielokrotnym powtrzeniem wszystkich zadeklarowanych analiz dla zmienianej wartoci jakiego parametru ukadu. Analiz t wywouje si za pomoc instrukcji .STEP. Przykady (p. plik wejciowy do Rys. 1): .STEP VC LIST 4 5 7 analizy zadeklarowane w pliku Wzm.cir (AC i TRAN) bd wykonane dla napi zasilania 4 V, 5V i 7V.STEP LIN TEMP -40 120 40 analizy AC i TRAN bd wykonane dla temperatur -40, 0, 40, 80 i 120C. / ten sam efekt tylko dla zmian temperatury mo na uzyska za pomoc instrukcji .TEMP -40 0 40 80 120 /

Je eli w pliku Wzm.cir wystpiyby np. deklaracje .PARAM Rbb=1Meg deklaracja zmiennej (nazywanej parametrem) Rbb RB vc b {Rbb} deklaracja rezystora RB o wartoci rwnej zmiennej Rbb.... .STEP PARAM RBB 500k 1500k 250k

wwczas analizy AC i TRAN bd wykonane dla 5 wartoci rezystancji. Analiza typu DC mo e by wykorzystana do badania wpywu zmian wielu parametrw i warunkw zasilania na punkty pracy elementw. W najprostszej formie polega na zmianie wydajnoci jednego rda napicia lub prdu staego lub temperatury, np. .DC VC 5 10 0.01 analiza w funkcji napicia VC od 5 V do 10 V z krokiem 10 mV .DC TEMP 0 100 5 analiza w funkcji temperatury z krokiem 5C Analiza DC mo e te odnosi si do zmiennej lub do parametru modelu: .DC PARAM Rbb 0.5meg 1.5Meg 100k analiza w funkcji RB poprzez zmienn Rbb .DC DEC NPN Q2N3904(IS) 1E-19 1E-12 4 analiza przy zmianach prdu nasycenia modelu tranzystora1 6.0V 2 3.0mA

VCE

Wynikiem wykonania tej ostatniej instrukcji bdzie np. nastpujcy wykres zmian prdu kolektora IC i napicia UCE tranzystora Q1 we wzmacniaczu z Rys. 1.

4.0V

2.0mA

2.0V

1.0mA

IC>> 0V 0A 10e-18A 100e-18A 1 V(c)- V(e) 2

10fA IC(Q1) IS

1.0pA

4

Analiza DC, jako jedyny typ analizy, pozwala na jednoczesn zmian dwch wielkoci w formie tzw. przemiatania zagnie d onego (nested sweep). Jest to zwaszcza przydatne przy wykrelaniu charakterystyk statycznych tranzystorw (przykad poni ej dla T = 50C).Charakterystyki wyjsciowe .TEMP 50 VCC 5 0 10 Q1 5 1 0 Q2N3904 IB 0 1 5U .DC LIN VCC 0.1 10 0.02 IB LIST 5u 10u 20u 40u .PROBE .model Q2N3904 NPN(Is=6.734f Xti=3 Eg=1.11 .... / opis modelu jak przy Rys. 1 / .END8.0mA

IB = 40A

4.0mA

IB = 20A

0A 0 V IC(Q1 5V VCC 10V

3. PROCESOR GRAFICZNY PROBEWyniki analizy z PSpice s przekazywane do programu PROBE (je eli w pliku .CIR jest instrukcja .PROBE). Jest to podstawowe narzdzie do przedstawiania oraz obliczania u ytecznych wynikw analiz, bowiem poza podstawow mo liwoci wykrelania prdw i napi w funkcji czasu (analiza TRAN), czstotliwoci (AC) lub innych napi, prdw czy temperatury (analiza DC), w programie mo na wykonywa skomplikowane operacje matematyczne na sygnaach i w ten sposb oblicza bardzo r ne charakterystyki i parametry ukadw. Sygnay (napicia i prdy) w analizie TRAN (i oczywicie DC) s liczbami rzeczywistymi. W analizie AC s to liczby zespolone, charakteryzujce amplitud i faz, bd cz rzeczywist i urojon sygnau sinusoidalnego o danej czstotliwoci. Program PROBE wywietla modu argumentu zespolonego, o ile nie s u yte funkcje wymagajce obliczenia innych skadnikw liczby zespolonej / P(), R(), IMG() /. Stosownie do tego nale y sensownie u ywa funkcji programu PROBE. Funkcja P(V(we)) zastosowana do rezultatu analizy TRAN obliczy wprawdzie wynik, ale nie bdzie on zbyt u yteczny (liczba zero jako faza liczby rzeczywistej), podobnie jak np. wynik obliczenia funkcji ATAN(I(C1)) w analizie AC. W przypadku wielokrotnego obliczania skomplikowanych wyra e warto u y wyra e typu makro, ktre peni rol funkcji (ew. z argumentami). Po zdefiniowaniu wyra enia u ywa si je w ten sam sposb, jak wszystkie inne wielkoci generowane przez PSpice. Wyra enia makro zostaj zapisane na dysku i mog by u yte przy nastpnych wywoaniach PROBE. Przykady:Pi=3.1415927 Tpi=6.2831853 lub Tpi=2*Pi ku=dB(V(2)/V(we)) wzmocnienie napiciowe w dB. Oblicza wzmocnienie dla konkretnych ku(A,B)=dB(A/B)

wzw wejciowego i wyjciowego (dotyczy analizy AC). oglne wyra enie. U ycie w poprzednim przypadku: ku(V(2),V(we))

/ Uwaga: Je eli bdzie Pastwo u ywa wyra e typu makro, wwczas nale y koniecznie poda tre wyra enia w sprawozdaniu/ Program PROBE ma u yteczn procedur o nazwie Performance Analysis. Jest ona dostpna po wykonaniu analizy parametrycznej (instrukcja .STEP). Dziaanie procedury polega na obliczaniu tzw. funkcji celu (goal function) dla ka dego cyklu analizy parametrycznej i wykreleniu wyniku w funkcji zmienianego parametru. Z kolei dziaanie funkcji celu sprowadza si do przegldania wybranego przebiegu (rezultatu dowolnej z analiz DC, TRAN lub AC), bdcego argumentem funkcji, i poszukiwaniu punktw tego wykresu speniajcych okrelone warunki. Przykadowe warunki to: maksimum lub minimum przebiegu, przekroczenie przez przebieg zadanego poziomu. Argumentem (-ami) funkcji mog by dowolne wyra enia obliczane przez PROBE. Skadnia funkcji celu jest do skomplikowana i sabo udokumentowana, dlatego najprociej jest u y gotowych funkcji, ktre s zawarte w pliku MSIM.PRB. Do bardziej u ytecznych nale : obliczanie pasma w analizie AC (Bandwidth lub BPBW), wyznaczanie okresu (Period) np. przy analizie generatorw - czy czasu narastania impulsw (Risetime) w analizie TRAN. Mo na u y kreatora Performance Analysis Wizard do wyboru funkcji oraz zdefiniowania jej parametrw. Kilka przykadw wykorzystania Performance Analysis pokazano w dalszej czci tego tekstu.

5

W programie PROBE s dostpne dwa kursory, ktre mo na przemieszcza wzdu wykresw dla odczytu wartoci (kontrola drugiego kursora za pomoc prawego klawisza myszy). Aktualn warto odczytywan przez kursor mo na nanie na wykres za pomoc funkcji Mark Label.

PRAKTYCZNE I WSKAZWKI W CELU UNIKNICIA TYPOWYCH BDW POPENIANYCH PRZEZ STUDENTW.

4. PORADY

W programie PROBE wywietlane kolory ta i linii wykresw mo na zmieni poprzez edycj pliku tekstowego msim.ini (lub msim_evl.ini), ulokowanego w katalogu Windows. W sekcji [PROBE DISPLAY COLORS] trzeba wpisa nowe wartoci kolorw ta (Background), linii i opisu siatki (Foreground) oraz wykresw. Niektrych wykresw nie da si wykona automatycznie. Np. obliczenie zawartoci harmonicznych na wyjciu w funkcji amplitudy napicia wejciowego mo e by przeprowadzone w jednej analizie z wykorzystaniem instrukcji .STEP, ale rezultaty s dostpne tylko w pliku wyjciowym *.OUT. Wykres mo na wykona rcznie lub przenie dane od Excela lub Matlaba.2.0V

Przy analizie czasowej TRAN nale y zwraca uwag, czy ukad osign stan ustalony. W przypadku wystpienia zjawisk nieliniowych (np. przesterowanie wzmacniacza) przebiegi mog ustala si przez do dugi czas. Przykad: Napicie wyjciowe wzmacniacza z Rys. 1. przy deklaracji rdaVIN 1 0 0 AC 1 SIN 0 400m 1kHz

0V

-2.0V

-4.0V 0s V(2) Time 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms

Czsto popenianym bdem jest ograniczenie czasu analizy tylko do kilku pierwszych okresw sygnau w sytuacji, gdy sygnay w kolejnych okresach r ni si wyranie od siebie. Przy wyznaczaniu czasu narastania/opadania dla ukadw (np. wzmacniaczy) ze sprz eniem przez szeregowe kondensatory powstaje problem dugiego osignania stanu ustalonego. Standardowe wymuszenie impulsowe w PSpice (rys. a poni ej), deklarowane np. za pomoc instrukcji VG 1 0 0 pulse V1 V2 td tr tf pw per (okrelone kolejno czasy: opnienia, narastania, opadania, trwania impulsu, okresu) ma niezerow skadow sta wzgldem wartoci pocztkowej (V1), ktra mo e by uwa ana za sygna typu skoku jednostkowego w momencie czasu td . Stan ustalony odpowiedzi ukadu osiga si wwczas, gdy odpowied na ten skok jednostkowy zmaleje do pomijalnych wartoci, na co potrzeba czasu rzdu co najmniej kilku (>5) staych czasowych d wynikajcych z dolnej czstotliwoci granicznej: d = 1/d. Wymaga to na og dugich symulacji, zawierajcych wiele tysicy okresw sygnau (gdy okres impulsw powinien z kolei by dostatecznie krtki: T rzdu 10/g).T per V2 Vm V1 td tVm 2

td-Vm 2

Vm t

a)

b)

Czas symulacji mo na zdecydowanie skrci, je eli ukad pobudzi si sygnaem, w ktrym skadowa typu skoku jednostkowego jest wyeliminowana (rys. b powy ej). Mo na to osign, czc szeregowo dwa rda napiciowe (lub rwnolegle - prdowe), z ktrych drugie wytwarza sygna skokowy o polaryzacji przeciwnej, ni w sygnale oryginalnym patrz przykad poni ej rdo Voff.

6

1

np.:.param Vm=10m td=1u tr=10n tf={tr} per=20u Voff 20 0 0 pulse 0 {-0.5*Vm} {td} {tr} {tf} 1 2 Vin 1 20 0 AC 1 pulse 0 {Vm} {td} {tr} {tf} {0.5*per-tf} per

Vin20

Voff

Sposb ten jest skuteczny, je eli sygnay s dostatecznie mae i ukad pracuje w przybli eniu liniowo. Dla ukadu przesterowanego mo e w dalszym cigu by potrzebny dugi czas symulacji taki, eby ustaliy si napicia na kondensatorach o du ych pojemnociach. Parametry czasowe analizy TRAN Z analiz czasow w PSpice zwizane s r ne wielkoci okrelajce sposb, w jaki program prowadzi analiz i prezentuje jej wyniki. Nale a do nich: krok czasowy analizy , krok czasowy wyprowadzania wynikw, parametry przebiegw impulsowych takie jak czas narastania czy opadania. Aktualne wartoci tych wielkoci w konkretnej analizie zale od kilku czynnikw, m.in. sposobu deklaracji rde niezale nych oraz cakowitego czasu symulacji. Znajomo oglnych zasad dziaania Spicea jest konieczna dla prawidowej symulacji i daje szans uzyskania poprawnych rezultatw. S dwa zasadnicze miejsca, w ktrych mo na wpywa na przebieg analizy TRAN : a) deklaracja parametrw czasowych rde niezale nych (tu bdzie omwione tylko rdo impulsowe) b) instrukcja TRAN Deklaracja rda impulsowego ma posta, np.: Vx 1 0 DC 0 pulse V1 V2 td tr tf pw pertr V2 pw tf

V1

td

t T per

W instrukcji TRAN podaje si max. cztery parametry .TRAN tw tend [tst] [tmax] gdzie tw jest interwaem wyprowadzania wynikw dla instrukcji PRINT, PLOT, FOUR; tend jest kocowym czasem analizy (analiza TRAN zawsze zaczyna si od czasu t = 0) tst jest czasem, od ktrego rozpoczyna si wyprowadzanie wynikw dla instrukcji PRINT, PLOT, PROBE tmax jest maksymalnym krokiem czasowym analizy. Je eli tw i tmax nie jest podany, wwczas maksymalny krok czasowy analizy tcmax mo e by rwny tend / 50.Uwaga: IMPULS WYTWARZANY PRZEZ RDO IMPULSOWE NIGDY NIE MA ZEROWYCH CZASW NARASTANIA LUB OPADANIA.

Je eli wartoci td i/lub tf s zerowe, wwczas czas narastania / opadania jest okrelony nastpujco: je eli jest podany niezerowy parametr tw w instrukcji TRAN, wwczas odpowiedni czas jest rwny tw. Je eli tw = 0, wwczas czas narastania i/lub czas opadania jest rwny 0,01tend lub tmax (je eli jest podany). Przykady:Vin 1 0 0 pulse 0 1 10n 0 0 20n 40n .tran 0 100n Czas narastania i opadania impulsu Vin : 1 ns. Vin 1 0 0 pulse 0 1 10n 0 500p 20n 40n .tran 1n 200n Czas narastania: 1 ns, czas opadania: 0,5 ns Vin 1 0 0 pulse 0 1 10n 1n 0 10n 20n .tran 0 500n Czas narastania impulsu: 1 ns, czas opadania: 5 ns Vin 1 0 0 pulse 0 1 10n 0 0 20n 40n .tran 0 200n Czas narastania i opadania impulsu Vin : 2 ns. Vin 1 0 0 pulse 0 1 10n 0 0 20n 40n .tran 0.1n 200n Czas narastania narastania i opadania: 0.1 ns. Vin 1 0 0 pulse 0 1 10n 1n 0 10n 20n .tran 0 200n 0 100p Czas narastania: 1 ns, czas opadania: 100 ps

7

Pomijanie specyfikacji odpowiednich czasw mo e prowadzi do niespodziewanych przebiegw w symulacji: Przebieg czasowy Vin przy specyfikacjach Vin 1 0 0 pulse 0 1 10n 0 0 10n 20n .tran 0 1u1.2V

Przebieg czasowy Vin przy specyfikacjach Vin 1 0 0 pulse 0 1 10n 0 0 10n 20n .tran 0 2u1.2V

(25.598739n,1.0000000)

0.8V

0.8V

0.4V

0.4V

0V 0s V(1)

10ns

20ns

30ns Time

40ns

50ns

60ns

0V 0s V(1)

40ns

80ns

Time

120ns

160ns

200ns

Czas narastania: 10 ns, szeroko impulsu ok. 5,6 ns , czas opadania: ok. 4,4 ns.

Przebieg sprawia wra enie do przypadkowego, przy czym nachylenia zboczy opadajcych s r ne

Przy pobudzeniu sygnaem sinusoidalnym reguy ustalania maksymalnego kroku czasowego s inne: je eli jest podany parametr tw lub tmax w instrukcji TRAN, wwczas najdu szy krok czasowy jest rwny min(tw, tmax). Je eli te parametry nie s podane, np. dla instrukcji .TRAN 0 1m wwczas maks. krok czasowy jest rwny jednej smej okresu sinusoidy. W takiej sytuacji otrzymuje si tylko 8 punktw w czasie okresu sygnau, co jest powodem bardzo niedokadnego obliczania transformaty Fouriera i wyznaczania zawartoci harmonicznych. Z omwionym wy ej maksymalnym krokiem czasowym (tcmax) analizy TRAN wi e si sposb wyboru momentw czasu do analizy. Pierwszy krok ma dugo rwn 0,01tcmax i jest powikszany 2 razy w ka dym nastepnym kroku a do osignicia tcmax (o ile nie w symulacji nie wydarzy si szybka zmiana przebiegw, wymuszajca skrcenie kroku). Przykad:Vin 1 0 0 pulse 0 1 10n1n 0 10n 20n .tran 0 100n

tcmax = 1 ns, krok pocztkowy = 10 ps. Wyniki s wyprowadzane (do PROBE) w momentach czasu: 0, 10ps, 20ps, 40 ps, 80ps, 160ps, 320ps, 640ps, 1.28ns, 2.28ns , 3.28ns ... 10ns, 10.1 ns 10.3ns, 10.7ns itd.Vin 1 0 0 sin 0 1 50Meg .tran 0 1u

tcmax = 2,5 ns, krok pocztkowy = 25 ps, kolejne kroki czasowe: 25ps, 50ps, 100ps, 200ps, 400ps, 800ps, 1.6ns, 2.5ns, 2.5ns ... do koca symulacji.

Wyznaczanie wspczynnika zawartoci harmonicznych.Przy obliczaniu wspczynnika zawartoci harmonicznych nale y zadba, aby w jednym okresie sygnau byo dostatecznie du o jego prbek (min. 100). Kontroluje si to przez podanie czwartego parametru w instrukcji .TRAN, tj. maksymalnego kroku czasowego analizy. Powinien on by nie wikszy ni 0,01 okresu. Je eli znieksztacenia s mae (< 1 %), wskazane jest zwikszenie dokadnoci oblicze przez zmian parametru RELTOL z wbudowanej wartoci 0,001 na 10-4 lub 10-5. W tym celu nale y umieci instrukcj np. .OPTIONS RELTOL=1E-5 . W ukadach o du ej liniowoci prawidowe wyznaczenie wspczynnika zawartoci harmonicznych mo e by trudne i wymaga przeprowadzenia prb w celu ustawienia optymalnych parametrw analizy. W dalszym cigu jest przedstawiony przykad prostego wzmacniacza (wtrnika napiciowego) o maych znieksztaceniach poni ej 0,0001 % dla amplitud sygnaw w granicach do 300 mV i mniej ni 0,01 % do 5 V. Ustawienia parametrw analizy czasowej maj znaczny wpyw na obliczony wspczynnik zawartoci harmonicznych h. W przykadzie s pokazane wyniki obliczania h dla piciu wariantw parametrw okrelajcych dokadno analizy czasowej. Parametry te s ustawiane w instrukcjach .OPTIONS i .TRAN.

8

UCC R1 C1 Q1 RG R2 R4 RO R3 Q2 C2

Podstawowy plik wejciowy:* Wtornik napieciowy WK/WE .param Vm=50m .step param Vm list 10mV 30mV 100mV 300mV 500mV + 1 2 3 4 5 5.5 5.7 6 Vcc 10 0 12 Vin 1 0 AC 1 sin 0 {Vm} 1k RG 1 2 5k C1 2 3 10u R1 10 3 1.1Meg R2 3 0 1.2Meg R3 10 4 20k R4 5 0 2k C2 5 7 100u RO 7 0 100k Q1 4 3 5 BC849C Q2 5 4 10 BJT_P2B .OP .tran 0 20m .four 1k V(7) .lib USE.lib .probe .end

Wariant I (W_1): jak w pliku obok. Wariant II (W_2): krok ograniczony do 10 s.tran 0 20m 0 10u

Wariant III (W_3):.options reltol=1e-6 .tran 0 20m 0 10u

Wariant IV (W_4):

.options reltol=1e-7 .tran 0 20m 0 2uWariant V (W_5):

.options reltol=1e-7 .tran 1u 20m 0 1u

Wartoci wspczynnika zawartoci harmonicznych uzyskane dla piciu wariantw parametrw symulacji s pokazane na rysunku poni ej. Przy maej zawartoci harmonicznych w Wtrnik npn-pnp - zawarto harmonicznych h (%) typowych ukadach wzmacniaczy warto 10 wspczynnika h jest w przybli eniu W_1 1 proporcjonalna do amplitudy sygnau. Na tej podstawie mo na oceni, czy wyniki 0.1 symulacji s poprawne. W_2 Dla przykadowego ukadu optymalne s 0.01 ustawienia w wariancie IV wartoci h 0.001 ukadaj si najbli ej linii prostej W_3 wskazujcej proporcjonalno do EGm . -4 W_4 10 W_5 Jednak stosunkowo maa zmiana liczb w 10-5 instrukcji .tran mo e spowodowa inny zale no teoretyczna przebieg wykresw dla h poni ej 0,003 %. -610 0.01 0.1 EGm (V) 1 10

/Komentarz: Praktyczna korzy z bardzo maej zawartoci harmonicznych w rzeczywistych ukadach jest maskowana przez szumy we wzmacniaczu. Na rysunku powy ej obszar zacieniowany wskazuje zakres, w ktrym warto skuteczna znieksztace jest mniejsza ni poziom szumw wasnych ukadu. Dla tego wzmacniacza skuteczne napicie szumw na wyjciu, mierzone w pasmie 20 kHz, jest rwne 1,35 V. Na przykad dla amplitudy EGm = 100 mV (wart. skuteczna 70,7 mV) napicie szumw jest ok. 5,18104 raza mniejsze. Dla zawartoci harmonicznych mniejszej ni 0,0019 % (1/5,18104) poziom znieksztace jest poni ej poziomu szumw./Zawarto harmonicznych - porwnanie wersji PSpice

R ne wersje programu PSpice produkuj nieco odmienne rezultaty oblicze wspczynnika zawartoci harmonicznych. Rysunek obok przedstawia przykadowe wyniki uzyskane w trzech r nych wersjach przy symulacji wedug tego samego pliku .CIR w wariancie IV. R nice midzy wersjami 9.1 i 8.0 s bardzo nieznaczne. Bardzo du e minimalne znieksztacenia ( 0,8%) uzyskuje si w programie SwitcherCADIII , nie nadaje si on wic do analizy ukadw o du ej liniowoci.

10 1 0.1

PS9.1 Eval 8.0 Eval 5.2

h (%)0.01 0.001 10-4 10-5 0.01

0.1

EGm (V)

1

10

9

Analiza waciwoci ukadu przy zmianach temperatury w zasadzie jest mo liwa tylko dla analizy DC. Przykad: Wyznaczanie prdu kolektora i parametru F w zale noci od temperatury. W zbiorze .CIR z Rys.1 polecenie.DC TEMP 0 100 10

200

150 SEL>> 100 IC(Q1)/IB(Q1) 2.0mA

(zmiana temp. od 0C do 100C co 10). Wynik jest pokazany obok.

1.0mA

0A 0 IC(Q1 50 TEMP 100

Dla analiz typu AC i TRAN mo na wyznaczy niektre parametry w zale noci od temperatury (lub wartoci elementu czy parametru globalnego), wykonujc analiz parametryczn i wykorzystujc funkcj Performance Analysis w programie PROBE. Rysunki poni ej powstay w wyniku analizy zbioru Wzm.cir z nastpujcymi liniami polece:.STEP TEMP 0 100 20 ; .AC DEC 20 1Hz 100Meg

instrukcja analizy parametrycznej, zmiana temperatury co 20C

i wykrelenia w PROBE funkcji celu: Max(DB(V(2))) oraz BPBW(V(2),3)8.0

20

15

SEL>> 104.0

Max(DB(V(2))) 2.0M

1.8M

0 1.0Hz

1.0KHz V(2)/V(1) Frequency

1.0MHz

100MHz

1.6M 0 BPBW(V(2),3)

50 Temperature

100

Wykres wzmocnienia w zale noci od czstotliwoci Wykres wzmocnienia w dB (w rodku pasma) oraz dla T = 0C, 20C .... 100C szerokoci pasma w zale noci od temperatury eby wykreli np. zale no wzmocnienia i szerokoci pasma wzmacniacza od rezystancji opornika RE, do pliku .CIR trzeba wstawi nastpujce deklaracje i polecenia:.PARAM Ree=100 ......... RE e 0 {Ree} ......... .STEP PARAM Ree 1 201 2030 20 10 0 Max(DB(V(2))) 2.0M 1.0M SEL>> 0 0 50 BPBW(V(2),3) 100 Ree 150 200

Funkcje celu w PROBE jak poprzednio.

Stabilno ukadu (np. wzmacniacza ze sprz eniem zwrotnym) mo na zbada tylko za pomoc analizy TRAN. Obliczanie wzmocnie w analizie AC lub DC kompletnego ukadu nie daje adnej informacji o stabilnoci, aczkolwiek mo na bada za pomoc analizy AC ukad odpowiednio przeksztacony i okreli np. margines fazy lub wzmocnienia.

10

Aktualna warto wzmocnienia prdowego F ( o ) tranzystora bipolarnego zazwyczaj nie jest rwna parametrowi BF modelu. Rwno zachodzi tylko wwczas, gdy w definicji modelu nie s podane parametry IKF, ISE, XTB, VAF. Przykad: wykres prdw IC i IB oraz parametru F tranzystora 2N3904 dla T = 0C, 27C, 60C i 100C. Zbir .CIR (pominito lini opisujc model):Tranzystor 2N3904 VC 2 0 5 VB 1 0 0.6 Q1 2 1 0 Q2N3904 .DC VB 300m 850m 5m .PROBE IB(Q1) IC(Q1) .END

1 1.0A

2

200 (729.808m,168.865

F F100

)

IC IB1.0uA

IC

IB

10pA >> 0 300mV 400mV 1 IC(Q1 IB(Q1)

2

Maksymalna warto F dla T = 27C wynosi 168,9 podczas gdy w modelu (Rys. 1) parametr BF jest rwny 416,4. Wartoci F i parametrw modelu hybryd- mo na odczyta z pliku wyjciowego .OUT (gdy jest instrukcja .OP)

600mV 800mV 900mV IC(Q1)/ IB(Q1) VB

Aby symulowa dziaanie generatora zazwyczaj jest konieczne pobudzenie ukadu do drga. Mo na to wykona np.: a) zmieniajc na pocztku analizy napicie zasilania (przykad: VCC 10 0 5 PULSE 4 5 10n 100n 100n 1 2 napicie zmienia si od 4 V do 5 V w czasie od 10 ns do 110 ns a potem pozostaje stae przez 1 sekund), b) wymuszajc krtki impuls prdu doprowadzonego do jakiego wza (przykad: Istart 0 5 0 PULSE 0 10u 1n 10n 10n 1 2) lub napicia w jakiej gazi, c) wymuszajc warunki pocztkowe r ne od stanu ustalonego(przykad: wymuszenie na pocztku analizy TRAN napicia +3V w wle 12 instrukcj .IC V(12)=3 ). Prd przez rdo prdowe pynie od pierwszego zacisku do drugiego. Np. aby wymusi prd bazy tranzystora npn rwny 10 A przez rdo doczone midzy mas (0) i baz (b) deklaracja rda musi mie posta:Ib 0 b 10u

Moc czynna jest liczb rzeczywist. Wzmocnienie mocy (zwyke, skuteczne, dysponowane) jako stosunek dwch mocy jest oczywicie te liczb rzeczywist. Moc czynna w rachunku symbolicznym jest wyra ona wzorem P = Re(U I *), przy czym U i I s wartociami skutecznymi napicia i prdu. W zwizku z tym, aby w analizie AC prawidowo policzy np. wzmocnienie mocy (zwyke) ukadu z Rys. 1 w zale noci od czstotliwoci, w PROBE nale y wykreli V(2)*I(RL)/(R(V(we))*R(I(C1))+IMG(V(we))*IMG(I(C1))). Mianownik tego wyra enia to wanie cz rzeczywista iloczynu Uwe i Iwe*, czyli moc wejciowa (dokadnie biorc, 2Pwe, gdy mno one s amplitudy). Moc wyjciowa mo e by liczona jako prosty iloczyn amplitud prdu i napicia (2Pwy), gdy napicie i prd w rezystorze obci enia s na pewno w fazie. Uwaga: iloczyn V(2)*I(RL) nie jest liczb rzeczywist, natomiast PROBE oblicza modu tej liczby zespolonej, je eli nie jest u yta funkcja R() lub IMG() patrz wykres na nastpnej stronie. Nie ma sensu obliczanie mocy, jako wyniku analizy AC, gdy mo e to by dowolna liczba, wynikajca tylko z wydajnoci rde niezale nych. Mo na jedynie oblicza stosunek mocy.20mW

10mW

0W

Wynik analizy .AC : kwadraty - wykres wyra enia V(2)*I(RL) ; romby: wykres wyra enia R(V(2)*I(RL)) , czyli cz rzeczywista iloczynu ; trjkty wykres wyra enia: R(V(2))*R(I(RL))+IMG(V(2))*IMG(I(RL)) czyli Re(V(2))Re(I(RL))+Im(V(2))Im(I(RL)) czyli Re(V(2)I(RL)*) a wic wykres mocy czynnej.

-10mW 1.0Hz V(2)* I(RL)

100Hz R(V(2)* I(RL))

10KHz 1.0MHz 100MHz R(V(2))*R(I(RL))+IMG(V(2))*IMG(I(RL)) Frequency

11

Cz rzeczywista iloczynu V(2)I(RL) nie jest rwna moduowi, wic iloczyn nie jest liczb rzeczywist. Napicie V(2) /na rezystorze RL/ i prd I(RL) w tym rezystorze w zale noci od czstotliwoci s przesunite w fazie o kt wzgldem rda Vin sterujcego ukad: V(2) = Vmej , I(RL) = Imej , wic: V(2)I(RL) = VmIm ; Re(V(2)I(RL)) = VmImcos(2) ; Re(V(2)I(RL)*) = Re(Vmej Ime-j) = VmIm . Mo na te wykorzysta inne wyra enia, wynikajce ze sposobu obliczania mocy, np.:kp =1 I 1 U PL 2 Re( Z L ) 2 Re(YL ) L Re( Z L ) L Re(YL ) = 2 = ki = 2 = ku 2 2 Pwe 1 I Re( Z we ) 1 U Re(Ywe ) we Re(Ywe ) 2 we Re( Z we ) 2 2 2

Moc czynn w analizie TRAN nale y oblicza zgodnie z definicj, tzn.P= 1 t0 +T u (t ) i(t )dt T t0

Operacj cakowania w PROBE przeprowadza si za pomoc funkcji S(). Ten sam wynik mo na osign za pomoc funkcji AVG (obliczanie wartoci redniej). W interesie studenta jest zrozumiae i inteligentne przedstawienie wynikw swojej pracy w sposb, ktry najlepiej prezentuje waciwoci ukadu lub pokazuje zale noci, jakie trzeba zbada. W tym celu warto m.in. wykorzysta mo liwoci, jakie daj programy PSpice i PROBE.30 (36.84M,14.11) (18.68M,14.07) (7.31M,13.65)

Przykad: Nale y wyznaczy charakterystyki wzmocnienia kus wzmacniacza z Rys. 1 w zale noci od RG z zakresu 100 100 k. Wskazane jest wykonanie analizy AC z parametrycznym uzmiennieniem wartoci RG za pomoc instrukcji .STEP. W zbiorze Wzm.cir nale y wstawi deklaracje i instrukcje:.PARAM X=5k RG 1 we {X} .STEP PARAM X LIST 100 300 + 1k 3k 10k 30k 100k

20

(2.85M,12.88) 0 (3.93,10.57) (1.02M,11.07) (3.93,6.24) (3.93,-1.30) (626.4K,6.27)

-20

(448.9K,-1.25)

-40 1.0Hz

Wynikowe charakterystyki czstotliwociowe najlepiej jest przedstawi na jednym rysunku, gdy wwczas mo na atwiej zaobserwowa zmiany wzmocnienia i czstotliwoci granicznych. U ywajc w PROBE kursorw i funkcji tworzenia etykiety (mark label), mo na opisa wykres tak, e widoczne s podstawowe parametry charakterystyk, np. czstotliwoci graniczne (grny rysunek obok). Dokadno wyznaczenia w ten sposb fd i fg jest ograniczona przez rozdzielczo kursora.

100Hz DB(V(2)) 100M (100,36.76M) 10M

10KHz Frequency

1.0MHz

100MHz

(100K,441.3K) 1.0M

100K LPBW(V(2),3) 1 4.2 2 20 17.13dB

4.1

10

4.149 Hz

4.028 Hz

4.0

SEL>> 0 100 1

1.806dB 1.0K HPBW(V(2),3) 2 10K Max(DB(V(2))) X 100K

Zale no wzmocnienia i czstotliwoci granicznych od RG mo na te w czytelny sposb przedstawi wykorzystujc funkcj Performance Analysis. Dolny rysunek przedstawia takie wanie wykresy uzyskane za pomoc funkcji celu: Max(DB(V2)) - wzmocnienie, HPBW(V(2),3) fd i LPBW(V(2),3) fg. Prawie staa w funkcji RG dolna czstotliwo graniczna (ok. 4,1 Hz) wskazuje, e decydujce znaczenie ma tu obwd wyjciowy z kondensatorem C2.

12

Na zakoczenie takiej prezentacji trzeba w sprawozdaniu przedstawi wasny komentarz n/t wynikw, pokazujcy czy i dlaczego wyniki zgadzaj si z przewidywaniami lub prbowa uzasadni rozbie noci. Nale y zawsze stosowa instrukcj .OP i sprawdza w zbiorze wyjciowym punkty pracy tranzystorw oraz napicia w wzach ukadu czy mieszcz si one w spodziewanych granicach. Uwaga: Je eli jest u ywana instrukcja .IC ( lub s narzucone warunki pocztkowe dla niektrych kondensatorw i cewek za pomoc parametru IC w deklaracji elementu, np. C1 we b 10u IC=0.5 ), wwczas punkty pracy i napicia w wzach oraz modele liniowe u ywane w analizie AC bd wyznaczone dla narzuconych warunkw pocztkowych, tj. mog by inne ni spodziewane dla normalnie dziaajcego ukadu. Wykorzystanie wynikw analizy szumowej Analiza szumowa jest wykonywana cznie z analiz AC, tak wic oba typy analiz musz by zadeklarowane w pliku *.CIR. W instrukcji analizy szumowej podaje si wzy, midzy ktrymi liczy si napicie szumw na wyjciu (wze masy [0] mo na pomin), oraz rdo niezale ne, wzgldem ktrego oblicza si odniesione do wejcia napicie i prd szumw. Za my, e w pliku Wzm.cir s instrukcje:.AC DEC 10 1 1E6 .NOISE V(2) VIN 5

Wwczas w pliku wyjciowym WZM.OUT dla ka dej co pitej czstotliwoci analizy (1 Hz, 3.1623 Hz, 10 Hz itd.) znajd si nastpujce rezultaty (przykad dla f = 100 Hz) / wszystkie wielkoci maj sens gstoci widmowej, tj. s obliczane w pasmie 1 Hz /FREQUENCY = 1.000E+02 HZ **** TRANSISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ) ; liczby, podajce kwadrat gstoci widmowej napicia szumw na wyjciu od Q1 ; szumicych elementw tranzystora Q1 w jednostkach [V2/Hz] RB 5.638E-18 ; od rezystancji rbb RC 2.264E-25 ; od rezystancji rozproszonej obszaru kolektora rc RE 0.000E+00 ; od rezystancji rozproszonej obszaru emitera re IBSN 1.488E-15 ; od szumu rutowego prdu bazy IC 3.800E-17 ; od szumu rutowego prdu kolektora IBFN 0.000E+00 ; od szumu typu 1/f prdu bazy TOTAL 1.532E-15 ; kwadrat cakowitego napicia szumw na wyjciu ukadu (w pasmie 1 Hz) od Q1 **** RESISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ) ; kwadrat napicia na wyjciu od RG RB RC RE RL ; poszczeglnych rezystorw TOTAL 2.791E-15 1.397E-17 8.214E-18 5.646E-17 8.266E-18 **** TOTAL OUTPUT NOISE VOLTAGE = 4.410E-15 SQ V/HZ ; kwadrat napicia szumu na wyjciu = 6.641E-08 V/RT HZ ; napicie szumw na wyjciu [V/Hz] pierwiastek z liczby powy ej TRANSFER FUNCTION VALUE: V(2)/VIN = 5.803E+00 ; modu transmitancji od VIN do wza 2 EQUIVALENT INPUT NOISE AT VIN = 1.144E-08 V/RT HZ ; rwnowa ne napicie szumw odniesione do wejcia (napicie wyjciowe podzielone przez modu transmitancji)

Z powy szych danych mo na obliczy, e szumy wytwarzane w tranzystorze stanowi 34,8 % cakowitych szumw, za udzia rezystorw jest nastpujcy: RG 63,3 %, RB 0,32 %, RC 0,19 %, RE 1,28 % i RL 0,20%. Na podstawie danych z pliku .OUT mo na np. obliczy wspczynnik szumw wzmacniacza przy czstotliwoci 100 Hz: F = (4.41E-15 8.266E-18)/2.791E-15 = 1.577 (1,98 dB). Uzasadnienie takiego obliczenia jest nastpujce: zgodnie z definicj wspczynnik szumw jest rwny stosunkowi cakowitej mocy dysponowanej szumw na wyjciu do mocy (dysponowanej) szumw pochodzcej od rda sygnau. Nie uwzgldnia si szumw generowanych przez obci enie wzmacniacza. Moc jest proporcjonalna do kwadratu napicia, za moc dysponowana jest proporcjonalna do mocy wydzielonej w obci eniu. Mo na wic stosunek mocy dysponowanych w obci eniu liczy jak stosunek kwadratu cakowitego napicia szumw (pomniejszonego o skadnik od RL) do napicia pochodzcego od RG. Plik wyjciowy dostarcza danych dyskretnych dla ka dej czstotliwoci analizy, natomiast bardziej pogldowe wyniki mo na wytworzy w programie PROBE. Praktyczne znaczenie ma np. cakowite napicie szumw na wyjciu ukadu, ktre oblicza si cakujc gsto widmow w danym pasmie czstotliwoci.

13

100u

10

50u (19.805K,9.3479u) SEL>> 0 SQRT(S(V(ONOISE)*V(ONOISE))) 5.0f5

RG = 50k

Cakowite2.5f

RG = 100Od RG

RG = 20k

Od Q10 1.0HzNTOT(ONOISE)

100HzNTOT(RG)

NTOT(Q1)

10KHz

1.0MHz

RG = 1k0 1.0Hz

RG = 5k1.0MHz

Frequency

100Hz 10KHz (NTOT(ONOISE)- NTOT(RL))/ NTOT(RG) Frequency

Grny wykres - cakowitego napicia szumw na wyjciu w zale noci od pasma; dolny udzia szumw od RG = 5 k i tranzystora w szumach cakowitych.

Wykres wspczynnika szumw w funkcji czstotliwoci w zale noci od rezystancji rda RG.

Wg wykresu na rysunku powy ej cakowite napicie szumw w pasmie ok. 20 kHz (19,8 kHz) wynosi ok. 9,35 V (jest to warto skuteczna, nie amplituda). Przy amplitudzie napicia wyjciowego sygnau u ytecznego ok. 140 mV (wartoci skutecznej 100 mV) stosunek sygnau do szumu na wyjciu bdzie rwny ok. 80,5 dB. Wyjciowe napicie szumw jest liczone za pomoc wyra enia:SQRT(S(V(ONOISE)*V(ONOISE)))

co odpowiada wzorowiU nRMS ( f ) =f2 f1 2 U n ( x) dx

Uwaga: gstoci widmowe V(ONOISE), V(INOISE) s wyra ane w jednostkach [V/Hz], pozostae w [V2/Hz]. Komentarz: Przy rozpatrywaniu waciwoci szumowych ukadw (np. obliczaniu wspczynnika szumw lub stosunku sygnau do szumu) rozwa a si moce dysponowane na wybranych zaciskach. Poniewa moc dysponowana rda sygnau wyra a si wzorem Pd = E2/4Re(Zw) lub Pd = I2/4Re(Yw) / E, I wydajno napiciowa lub prdowa rda przy czstotliwoci f ; Zw , Yw impedancja lub admitancja wewntrzna rda przy czstotliwoci f /, wic stosunki mocy dysponowanych mo na liczy na r ne sposoby, tak jak to jest najwygodniej. Ponadto, poniewa moc dysponowana nie zale y od obci enia, wic w tych obliczeniach nie uwzgldnia si mocy szumw generowanych przez obci enie. Mo na np. oblicza wspczynnik szumw ukadu z Rys. 1 usunwszy z niego RL i wyznaczajc napicie szumw na rezystorze RC. Mo na te , jak to zostao zrobione wy ej, wyznacza stosunki kwadratw napi na obci eniu (po odjciu skadnika od samego obci enia) proporcjonalnych do mocy wyjciowej, gdy stosunek mocy dysponowanej do mocy wydzielonej w obci eniu jest taki sam przy obliczaniu mocy cakowitej szumw jak i przy obliczaniu skadnika tej mocy szumw generowanego przez szumy rezystora RG.F=2 Pndcalk E2 / 4 Re( Z w ) E2 [R /( RO + Z w )]2 = U nwycalk = ncalk = ncalk O Pnd ( RG ) E 2 ( RG ) / 4 Re( Z ) E 2 ( RG ) [RO /( RO + Z w )]2 U 2 ( RG ) n w n nwy

W powy szym wzorze En jest napiciem szumw mierzonym na wyjciu przy odczonym obci eniu, jest to wic sia elektromotoryczna w reprezentacji Thevenina ukadu wzmacniacza. Zw jest impedancj wyjciow wzmacniacza. Un jest napiciem na rezystancji obci enia RO .

14