Podręcznik

Jak już wspomniano, do analizy projektu elektrycznego stosowane są symulatory pozwalające wyznaczać wartości napięć między węzłami i prądów w gałęziach układu oraz charakterystyki czasowe. Jednym z najpopularniejszych programów symulacji obwodów elektronicznych jest SPICE (Simulation Program. Integrated Circuit Emphasis).

 

Do rozwiązywania części zadań i problemów zaproponowano wykorzystanie wersji tego programu o nazwie PSPICE udostępnionej publicznie przez Cadence Design Systems, Inc. (http://pcb.cadence.com).

 

STRUKTURA DANYCH WEJŚCIOWYCH

 

Przed uruchomieniem symulacji należy wprowadzić dane wejściowe obejmujące kompletny opis układu oraz instrukcje definiujące rodzaj analizy, w postaci pliku w odpowiednim formacie.

 

Zbiór wejściowy znajduje się w pliku tekstowym (z rozszerzeniem *.cir) i składa się z następujących podstawowych elementów:

• linia tytułowa (może być pusta),
• opis topografii układu,
• opis modeli elementów,
• opis źródeł sygnałów,
• dyrektywy pomocnicze i instrukcje sterujące analiz,
• dyrektywa .END kończąca zbiór

 

W jednym pliku może się znajdować kilka takich zbiorów - analizy poszczególnych układów wykonywane są wówczas kolejno bez ingerencji użytkownika.

 

Opis topografii układu

Topografię układu opisuje się przypisując każdemu z elementów układu unikalną nazwę oraz numery węzłów do których jest przyłączony (numer węzła 0 jest zarezerwowany dla węzła masy). Nazwy elementów zaczynają się od litery oznaczającej typ elementu, np. nazwa rezystora zaczyna się od litery R, kondensatora - od C, itd.

Ekele Opis topografii układu obejmuje zatem tyle linii pliku wejściowego, ile elementów występuje w układzie. Każda z tych linii nazywana jest dalej kartą elementu. Karta elementu oprócz jego nazwy i numerów węzłów podanych w ściśle określonej kolejności zawiera informację ilościową o elemencie:

• podaną explicite wartość podstawowego parametru w przypadku elementów biernych (np. wartość rezystancji w przypadku rezystora),
• odniesienie do modelu (nazwę modelu) w przypadku diod i tranzystorów oraz informację geometryczną o konstrukcji (długość i szerokość kanału tranzystora MOS i inne).

 

Przykłady:

 

R1 2 1 10

stanowi kartę rezystora o nazwie R1 i rezystancji 10 W, przyłączonego do węzłów 1 i 2;

 

D1 5 6 DMOD 2

stanowi kartę diody przyłączonej do węzłów: obszar p – 5, obszar n – 6, której parametry zawiera model o nazwie DMOD, znormalizowana powierzchnia złącza wynosi 2;

 

Q1 2 1 0 3 NPN1 1.5

stanowi kartę tranzystora bipolarnego o nazwie Q1 przyłączonego do węzłów: kolektor - 2, baza – 1, emiter - 0, podłoże – 3, którego parametry zawiera model o nazwie NPN1, znormalizowana powierzchnia złącza emiterowego wynosi 1.5;

 

M1 2 1 0 0 NE W=4U L=2U AD=20P AS=20P

stanowi kartę tranzystora MOS o nazwie M1 przyłączonego do węzłów: dren - 2, bramka – 1, źródło i podłoże – 0, którego parametry zawiera model o nazwie NE, wymiary kanału wynoszą: szerokość 4 mm i długość 2 mm, powierzchnie drenu i źródła są równe 20 mm².

 

Opis modeli elementów

Ekmod Parametry modeli diod i tranzystorów wykorzystywane podczas symulacji podawane są w specjalnie wyróżnionych liniach nazywanych kartami modeli. Jest ich mniej niż diod i tranzystorów w układzie, ponieważ w układzie występuje ograniczona liczba różnych typów tych elementów. Innymi słowy, ta sama nazwa modelu może występować w kartach wielu elementów.

Ogólna postać karty modelu jest następująca:

 

.MODEL <nazwa modelu> <RODZAJ ELEMENTU> [parametry modelu]

 

gdzie RODZAJ ELEMENTU jest nazwą przyporządkowaną następująco:

D – dioda,

NPN – tranzystor npn,

PNP – tranzystor pnp,

LPNP – tranzystor boczny pnp,

NMOS – tranzystor MOS z kanałem typu n,

PMOS – tranzystor MOS z kanałem typu p.

 

Karty modelu mogą występować bezpośrednio w pliku wejściowym, ale także mogą znajdować się w bibliotece modeli. W takim przypadku należy podać odnośnik do tej biblioteki, np.:

 

Q1 2 1 0 NPN1

...

.lib modele.lib

 

co oznacza, że model tranzystora bipolarnego Q1 o nazwie NPN1 znajduje się w bibliotece: modele.lib.

 

Opis źródeł sygnałów

W zbiorze wejściowym oprócz elementów układu umieszcza się również deklaracje źródeł wymuszających napięciowych i prądowych. Sygnał generowany przez te źródła może mieć różny charakter, może to być sygnał stały, sinusoidalny, prostokątny itd. 

 

Przykład:

Vz 1 0 SIN(0 2 50Hz)

stanowi definicję źródła napięciowego przyłączonego do węzłów 1 i 0, generującego sygnał, którego składowa stała wynosi 0 V a składowa sinusoidalnie zmienna ma amplitudę 2V i częstotliwość 50 Hz.

 

Dyrektywy pomocnicze i instrukcje sterujące analiz

rozpoczynają się kropką, po której występuje nazwa polecenia i ewentualne parametry.

 

Przykład:

.dc Vz 0 3 .01

oznacza polecenie wykonania analizy stałoprądowej dla wartości napięcia źródła Vz zmieniającej się od 0V do 3V co 0.01V (takie polecenie może służyć wyznaczeniu charakterystyki prądowo-napięciowej).

 

Podstawowe modele diody i tranzystorów wykorzystywane w programie SPICE omówiono w lekcjach 4, 6 i 8. Więcej informacji na ten temat oraz formatu i sposobu edycji pliku wejściowego znajduje się w umieszczonej na płycie dokumentacji oraz w pomocy podręcznej programu.

Należy dodać, że istnieje wiele wersji programu SPICE różniących się możliwościami symulacyjnymi i sposobem komunikacji z użytkownikiem, w szczególności zautomatyzowaną edycją pliku wejściowego (na podstawie schematu elektrycznego układu).

 

PODSTAWY OBSŁUGI PSpice

 

Uruchomienie programu następuje poprzez wybranie z menu START opcji:

Programy->PSpice Student->PSpice AD Student.

 

W celu wykonania symulacji określonego układu należy poprzez wybór z menu File->Open otworzyć właściwy plik wejściowy (z rozszerzeniem .cir). Jak już wspomniano, jest to plik tekstowy, a zatem może być edytowany przy pomocy edytora wewnętrznego lub dowolnego innego edytora.

Tekstowy plik wyjściowy można obejrzeć przy pomocy polecenia View->Output File.

 

Uruchomienie symulacji następuje przez wybór z menu Simulation->Run.

 

Program posiada wygodny interfejs graficzny, który umożliwia po zakończeniu symulacji obejrzenie otrzymanych charakterystyk.

Poprzez opcje: Trace-> Add Trace

dokonuje się wyboru interesujących wielkości (np. potencjałów w konkretnych węzłach lub prądów płynących we wskazanych gałęziach), które zostaną wykreślone.

 

Polecenie Plot->Axis Settings

umożliwia wybór zmiennej niezależnej (na osi poziomej) i zdefiniowanie parametrów wykresu takich jak przedziały wartości na osiach, typ wykresu (liniowy, logarytmiczny itd.).

 

Opcja View->Zoom

pozwala na powiększenie fragmentów charakterystyki.

 

 

W poszczególnych rozdziałach w sekcji zadań znajdują się zadania symulacyjne z użyciem programu PSPICE. Zachęcamy jednak także do samodzielnej pracy z programem, np. do wykonywania analizy układów opisanych w treści podręcznika.