1.2.1. Анализ по постоянному току dc sweep

Анализ по постоянному току позволяет исследовать поведение схемы в ответ на воздействие источников постоянного тока. При этом PSpice производит расчет постоянных установившихся напряжений и токов при изменении параметров источников тока и напряжений, параметров моделей элементов, температуры в заданных вами диапазонах.

Требования к электрической схеме

Прежде чем дать задание на моделирование необходимо убедиться, что на схеме установлено одно из:

• источник постоянного напряжения, например, VDC или VSRC и задать его параметр DC (постоянное напряжение) в вольтах;

• источник тока ISRC, задать его параметр DC (постоянный ток) в амперах;

• задать параметры модели радиоэлемента;

• определить изменяющийся глобальный параметр радиоэлемента.

 

Для установки параметров моделирования анализа по постоянному току необходимо: в меню Analysis  Setup выбрать DC sweep. Перед Вами появится окно установки задания (рис.1).

Рис.1. Окно параметров анализа по постоянному току DC Sweep

В появившемся окне необходимо выбрать:

1) Тип варьируемого параметра

т.е. какой физический параметр будет отложен по оси X графика.

под заголовком Sweep Var. Type:

Voltage Source – источник напряжения

Temperature – температура

Current Source – источник тока

Model Parameter – параметр модели полупроводникового радиоэлемента

Global Parameter – глобальный параметр*

* Глобальный параметр используется для обозначения изменяющихся номиналов радиоэлементов схемы, например сопротивления у какого-либо резистора или емкости у конденсатора.

2) Установить закон изменения варьируемой величины.

Этот выбор повлияет на тип оси X графиков: линейный или логарифмический. Под заголовком Sweep Type выбрать:

Linear – линейный

Octave – логарифмический по основанию 2

Decade – логарифмический по основанию 10

Value list – список значений, при этом значения изменяющегося параметра вводятся в виде списка в поле Values

Чаще всего в этом анализе используется линейный тип или масштаб.

3) Задать имя варьируемого параметра или радиоэлемента

в поле Name в случае, если изменяется источник тока, напряжения или глобальный параметр.

Имя следует задавать в той форме, как элемент обозначен на схеме программы Shematics, например V1 или I2 и т.д. Т.е. на схеме необходимо найти источник, например, напряжения, подключенный к тому узлу схемы, где мы хотим изменять напряжение, и в поле Name задать имя этого источника.

Примечание: среди неправильных обозначений, вводимых в это поле можно отметить: in или VCC. Это названия узлов схемы, а не названия источников напряжения или тока.

В случае, если варьируется параметр модели полупроводникового радиоэлемента, заполнить поля

Model Name – имя модели радиоэлемента;

Model Type – тип модели радиоэлемента;

Param Name – имя параметра модели радиоэлемента.

4) Задать начальные, конечные значения изменяющегося параметра в полях

Start Value, End Value и шаг изменения в поле Increment.

Шаг изменения должен быть достаточно мал по сравнению с промежутком между начальным и конечным значением. Выбор шага влияет на количество точек на графике.

Число точек на графике будет: (1)

Очевидно, что график из 2 или 3 точек не нагляден. Оптимальное количество точек на графике от нескольких десятков до нескольких тысяч. Слишком большое число точек приведет к длительным расчетам.

Поле Values заполняется только если было указано Value List.

В поле Values заносится список значений изменяющегося параметра. Значения разделяются друг от друга пробелом. График будет состоять из стольки точек, сколько вы зададите в поле Values.

Примеры установки задания на моделирования анализа по постоянному току.

Для схемы, показанной на рис.2 построить график зависимости постоянного выходного напряжения от изменения постоянного входного напряжения, т.е. U_вых = f (U_вх).

Рис.2. Схема для примера анализа DC Sweep

Заполненное окно анализа по постоянному току будет иметь вид, показанный на рис.3.

Рис.3 Установка задания на моделирование для примера

В этом окне выбрано:

1) Voltage Source – поскольку мы должны изменять напряжение на входе.

2) Linear – поскольку графики при анализе DC Sweep удобнее строить в линейном масштабе.

3) В поле Name задано V1 – поскольку ко входу схемы подключен источник напряжения, обозначенный V1.

4) Начальное и конечные значения напряжения источника V1 (Start Value и End Value) выбраны произвольно от 0 до 10 В.

Шаг (Increment) выбран 0,1 В, что даст на графике 101 точку (см.формулу (1)).

В результате моделирования получим график, показанный на рис.4.

Рис.4. Результат моделирования для примера

Особенности анализа по постоянному току DC Sweep

При проведении моделирования PSpice игнорирует все источники с напряжением, зависящим от времени, заменяет конденсаторы на разрыв, индуктивности на короткое замыкание.

! НЕОБХОДИМО СЛЕДИТЬ, чтобы на схеме не появились оторванные от земли узлы или короткозамкнутые источники сигналов в результате названных выше преобразований.

Пример, показывающий подобную ситуацию показан на рис.5а. Узел между конденсаторами не связан с "землей" по постоянному току ни через одинрадиоэлемент, кроме конденсаторов. При замене конденсаторов на разрыв, этот узел "повисает" в воздухе. В этом случае программа выдаст сообщение об ошибке и не будет производить расчеты. При моделировании подобных схем необходимо соединить оторванный от земли узел с земляным выводом при помощи резистора большого номинала. Например, для схемы, показанной на рис. 5а необходимо поставить резистор R2, как показано на рис.5б.

 

а) б)

Рис.5. Корректировка схем с оторванными от "земли" по постоянному току узлами

На рис.6.а Показан пример, в котором происходит короткое замыкание источника сигнала на постоянном токе катушкой индуктивности. Для устранения ошибки, нужно поставить последовательно с катушкой резистор небольшого номинала (рис.6б). Этот резистор эмитирует активное сопротивление провода, из которого намотана катушка.

а) б)

Рис.6. Корректировка схем с коротким замыканием источника сигнала по постоянному току

Вложенный (дополнительный) цикл изменения по постоянному току Nested DC Sweep

При анализе по постоянному току можно задать дополнительный цикл анализа. Этот цикл позволяет изменять еще один, второй параметр схемы, наряду с первым параметром основного цикла. Таким образом, вложенный цикл позволяет построить семейство характеристик на одном графике. Работа вложенного и основного циклов подобна работе цикла в цикле. При изменении переменной дополнительного (вложенного) цикла на одно значение, основной цикл пробегает все свои значения.

Вложенный цикл задается из основного окна анализа по постоянному току DC Sweep (рис.1) при помощи кнопки Nested Sweep. Все параметры для второго цикла задаются подобно параметрам первого. При нажатии кнопки Nested Sweep, расположенной в основном окне задания анализа по постоянному току, откроется окно, показанное на рис.7.

Рис.7. Окно вложенного цикла при анализе по постоянному току.

Окно вложенного цикла заполняется также как и окно основного цикла. При этом в поле Name основного и вложенного цикла не может быть задано имя одного и того же элемента схемы. Для активирования вложенного цикла нужно поставить галочку в поле Enable Nested Sweep . Возвращение в окно основного цикла производится нажатием кнопки Main Sweep.

Важно отметить, количество точек анализа N (см. (1)) в основном цикле определяет количество точек на графиках семейства характеристик. Чем больше этих точек, тем точнее характеристика. Обычно задают от нескольких десятков до нескольких тысяч точек.

Количество точек анализа в дополнительном цикле определяет количество графиков в семействе характеристик. Слишком большое число графиков трудно воспринять. Оптимальным количеством можно считать 3 – 10 графиков в семействе.

Примеры установки основных и вложенных циклов

Пример 1.

В качестве примера применения вложенного цикла построим семейство вольт-амперных характеристик полевого транзистора. Схема для моделирования характеристик полевого транзистора показана на рис 8.а. При моделировании будем в основном цикле анализа по постоянному току изменять напряжение источника VD и смотреть изменение тока стока. Во вложенном цикле будем изменять значения напряжения источника VG. Параметры основного и вложенного циклов анализа по постоянному току показаны на рис.9.

а)

б)

Рис.8. Моделирование семейства вольт-амперных характеристик при помощи вложенного цикла анализа по постоянному току.

Рис.9. Задание на моделирование основного и вложенного циклов для семейства I_c = f(U_си) при нескольких значениях U_з

Во вложенном цикле напряжение источника VG изменяется от 0 до 2 В с шагом 0,5В, т.е. пробегает 5 значений. На графике семейства характеристик соответственно получается 5 кривых (первая кривая сливается с осью Х).

Пример 2.

Для схемы на рис.8а построить семейство характеристик I_c = f(U_си) при нескольких значениях температуры. Задание на моделирование показано на рис. 10. Результат моделирования показан на рис.11.

Рис. 10. Задание на моделирование основного и вложенного циклов для семейства I_c = f(U_си) при нескольких значениях температуры

Рис. 11. Семейство I_c = f(U_си) при нескольких значениях температуры для схемы на рис.8а, результат моделирования