Alexandr Krejèiøík Zdenìk Burian
.SIMULUJ! Simulace vlastností analogových elektronických obvodù s diskrétními souèástkami
Praha 2001
Alexandr Krejèiøík, Zdenìk Burian
.SIMULUJ! Simulace vlastností analogových elektronických obvodù s diskrétními souèástkami Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnoována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenáena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost titìných materiálù. Pøedkládaná zapojení a informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odkodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Vekerá práva vyhrazena. A. Krejèiøík, Z. Burian, 2001 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìínova 5, Praha 10 A. Krejèiøík, Z. Burian: Simuluj! BEN technická literatura, Praha 2001 1. vydání ISBN 80-7300-005-9
.SIMULUJ!
1.
POPIS PROGRAMU PSPICE 5.0A ..................................... 16
2.
PØEHLED DEKLARACÍ PROGRAMU PSPICE 5.0A ............ 30
3.
PØEHLED PØÍKAZÙ PROGRAMU PSPICE 5.0 ............... 57
4.
MAKROMODELY .............................. 82
5.
PRÁCE S PROGRAMEM PSPICE ............ 106
6.
VÝSLEDKY SIMULACE A JEJICH ZPRACOVÁNÍ ............ 122
7.
SIMULACE VYBRANÝCH TYPÙ OBVODÙ S DISKRÉTNÍMI SOUÈÁSTKAMI ............................. 130
8.
SIMULACE PASIVNÍCH OBVODÙ .................. 176
9.
SIMULACE REZONANÈNÍCH OBVODÙ ....... 198
10.
SIMULACE KLOPNÝCH OBVODÙ ................. 204
11.
SIMULACE ZESILOVAÈÙ S TRANZISTORY .......................... 222
12.
SIMULACE LINEÁRNÍCH STABILIZÁTORÙ NAPÌTÍ .......... 278
OBSAH SEZNAM POUITÝCH ZNAÈEK A SYMBOLÙ ............. 9 ÚVOD ............................................................................. 14 1.
POPIS PROGRAMU PSPICE 5.0A .............................. 16
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
Funkèní klávesy ................................................................................ 16 Roleta FILES (Soubory) ................................................................... 20 Roleta CIRCUIT (Obvod) ................................................................. 23 Roleta StmEd ................................................................................... 24 Roleta ANALYSIS (Analýzy) ............................................................. 26 Roleta DISPLAY (Zobrazení) ........................................................... 27 Roleta PROBE (roleta programu PROBE) ................................................................ 27 Roleta QUIT (Ukonèení programu, výstup) ...................................... 28
2.
PØEHLED DEKLARACÍ PROGRAMU PSPICE 5.0A .. 30
2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 2.4.8 2.4.9 2.4.10 2.4.11 2.4.12 2.4.13 2.4.14 2.4.15 2.4.16 2.4.17 2.4.18
Syntaxe vstupního souboru .............................................................. 30 Hodnoty parametrù prvkù ................................................................. 32 Uzly ................................................................................................... 32 Pøehled deklarací ............................................................................. 33 B Tranzistor GaAs FET .................................................................... 33 C Kapacitor (ideální kondenzátor) .................................................... 35 D Dioda ............................................................................................. 35 E Zdroj napìtí øízený napìtím .......................................................... 37 F Zdroj proudu øízený proudem ........................................................ 38 G Zdroj proudu øízený napìtím ........................................................ 39 H Zdroj napìtí øízený proudem ......................................................... 40 I Nezávislý zdroj proudu ................................................................... 41 J Tranzistor JFET ............................................................................. 42 K Transformátor (jen specifikace vazby) .......................................... 44 L Induktor (ideální cívka) .................................................................. 44 M Tranzistor MOSFET ...................................................................... 45 Q Bipolární tranzistor ........................................................................ 48 R Rezistor ......................................................................................... 50 S Spínaè øízený napìtím .................................................................. 51 Základní typy èíslicových prvkù ........................................................ 51 V Nezávislý zdroj napìtí ................................................................... 51 W Spínaè øízený proudem ................................................................ 53
4
A. KREJÈIØÍK, Z. BURIAN: .SIMULUJ!
A
3.
PSPICE 5.0 PØEHLED PØÍKAZÙ ............................. 57
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28
.AC Støídavá analýza ........................................................................ 57 .DC Stejnosmìrná analýza ............................................................... 58 .DISTRIBUTION Uivatelem definované rozdìlení ......................... 59 .END Konec vstupního souboru ....................................................... 59 .ENDS Konec funkèního bloku ......................................................... 60 .FOUR Fourierova analýza ............................................................... 60 .FUNC Definice funkce ..................................................................... 61 .IC Poèáteèní podmínky ................................................................... 61 .INC Pøipojení souboru (úspora opisování shodných èástí vstup.souborù) ........................... 62 .LIB Knihovna prvkù ......................................................................... 62 .MC Analýza metodou Monte Carlo ................................................. 63 .MODEL Definice modelu prvku ....................................................... 65 .NODESET Nastavení pracovního bodu .......................................... 67 .NOISE umová analýza ................................................................. 67 .OP Pracovní bod ............................................................................. 68 .OPTIONS Pøedvolby a parametry simulátoru ................................. 68 .PARAM Globální parametry ............................................................ 70 .PLOT Výpis grafù ............................................................................ 70 .PRINT Výpis (tisk) tabulek .............................................................. 72 .PROBE Data pro grafický postprocesor .......................................... 73 .SENS Citlivostní analýza ................................................................. 74 .STEP Krokování analýzy ................................................................. 75 .SUBCKT Definice funkèního bloku ................................................. 76 .TEMP Teplota .................................................................................. 77 .TF Pøenosová funkce ...................................................................... 77 .TRAN Pøechodová (tranzientní) analýza ......................................... 78 .WCASE Nejhorí pøípad analýzy .................................................... 79 .WIDTH íøka výpisu ........................................................................ 80
4.
MAKROMODELY .......................................................... 82
4.1 4.2 4.3
Tvorba makromodelù ....................................................................... 82 Nejpouívanìjí prezentace zdroje E ............................................... 82 Nejpouívanìjí prezentace zdrojù øízených proudem (zdroj napìtí H, zdroj proudu F) ....................................................... 84 Základní makromodely ..................................................................... 85 Makromodel bipolárního tranzistoru ................................................. 85 Makromodel ideálního transformátoru ............................................. 86 Makromodel fotodiody a fotorezistoru .............................................. 88 Makromodel fotoodporu ................................................................... 89 Makromodel optronu s fotodiodou .................................................... 90 Makromodel optronu s fotorezistorem .............................................. 91
4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6
A
A. KREJÈIØÍK, Z. BURIAN: .SIMULUJ!
5
4.4.7 4.4.8 4.4.9 4.4.10 4.5
Makromodel napìtím øízeného odporu ............................................ 92 Makromodel napìtím øízené impedance .......................................... 93 Makromodel napìtím øízené admitance ........................................... 94 Makromodel transformátoru s feromagnetickým jádrem .................. 95 Pøíklady makromodelù ...................................................................... 96
5.
PRÁCE S PROGRAMEM PSPICE ............................. 106
5.1 5.2 5.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5
Nastavení parametrù simulace ...................................................... 106 Vstupní soubor ............................................................................... 107 Popis obvodu netlist .................................................................... 107 Pøíkazový blok ................................................................................ 108 Fourierova analýza ......................................................................... 110 umová analýza ............................................................................. 111 Chyby a chybová hláení ............................................................... 114 Výpoèet ........................................................................................... 116 Chybové hláení pøi chybì ve vstupním souboru .......................... 119 Knihovna neobsahuje zadanou souèástku ..................................... 119 Chyba pøi pouití obecného editoru ............................................... 119 Grafický postprocesor .................................................................... 120
6.
VÝSLEDKY SIMULACE A JEJICH ZPRACOVÁNÍ ... 122
6.1 6.2
Grafické zobrazení výsledkù simulace ........................................... 122 Pøíklad ............................................................................................ 124
7.
SIMULACE VYBRANÝCH TYPÙ OBVODÙ S DISKRÉTNÍMI SOUÈÁSTKAMI .............................. 130
7.1
Jednocestný usmìròovaè s nabíjecím kondenzátorem naprázdno ....................................................................................... 131 Jednocestný usmìròovaè s nabíjecím kondenzátorem zatíený .......................................................................................... 135 Jednocestný usmìròovaè s nárazovou tlumivkou naprázdno ....................................................................................... 137 Jednocestný usmìròovaè s nárazovou tlumivkou zatíený .......................................................................................... 139 Jednocestný usmìròovaè s protinapìtím ................................................................................. 140 Dvoucestný usmìròovaè s nabíjecím kondenzátorem naprázdno ....................................................................................... 142 Dvoucestný usmìròovaè s nabíjecím kondenzátorem zatíený .......................................................................................... 144 Dvoucestný usmìròovaè s nárazovou tlumivkou naprázdno ....................................................................................... 146
7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8
6
A. KREJÈIØÍK, Z. BURIAN: .SIMULUJ!
A
7.9 7.10 7.1.11
7.1.13 7.1.14 7.1.15 7.1.16 7.1.17
Dvoucestný usmìròovaè s nárazovou tlumivkou zatíený ............ 148 Dvoucestný usmìròovaè s protinapìtím ........................................ 150 Mùstkový usmìròovaè s nabíjecím kondenzátorem naprázdno ......................................... 151 Mùstkový usmìròovaè s nabíjecím kondenzátorem zatíený ............................................. 155 Mùstkový usmìròovaè s protinapìtím ............................................ 162 Delonùv zdvojovaè s nabíjecími kondenzátory naprázdno ............ 163 Delonùv zdvojovaè s nabíjecími kondenzátory zatíený ................ 165 Násobiè s nabíjecími kondenzátory naprázdno ............................. 169 Násobiè s nabíjecími kondenzátory zatíený ................................. 171
8.
SIMULACE PASIVNÍCH OBVODÙ ............................. 176
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8
Integraèní èlánek (filtr) RC naprázdno ........................................... 176 Integraèní èlánek (filtr) RCR (zatíený) .......................................... 179 Integraèní èlánek (filtr) RC s parazitními prvky .............................. 181 LC filtr naprázdno ........................................................................... 183 LCR filtr (zatíený LC èlánek) ......................................................... 186 Kapacitní dìliè RC-RC ................................................................... 189 Derivaèní èlánek (vazební èlen, horní propust, dolní zádr) CR .... 192 vazební èlen CL .............................................................................. 195
9.
SIMULACE REZONANÈNÍCH OBVODÙ ................... 198
9.1 9.2
Paralelní rezonanèní obvod LC ...................................................... 198 Sériový rezonanèní obvod LC ........................................................ 200
10.
SIMULACE KLOPNÝCH OBVODÙ ............................ 204
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5
Astabilní klopný obvod (multivibrátor, AKO) symetrický ................. 204 Astabilní klopný obvod nesymetrický ............................................. 208 Monostabilní klopný obvod (MKO) zkracující impulzy ................ 211 Monostabilní klopný obvod prodluující impulzy ......................... 215 Schmittùv klopný obvod (tvarovaè, SKO) ....................................... 217
11.
SIMULACE ZESILOVAÈÙ S TRANZISTORY ............ 222
11.1
Nastavení a stabilizace pracovního bodu bipolárních tranzistorù .................................................................... 222 Zapojení SE (se spoleèným emitorem) .......................................... 223 Nastavení (pohyb) pracovního bodu zmìnou Rb .......................... 228 Proudová zpìtná vazba .................................................................. 231 Vliv blokovací kapacity emitorového kondenzátoru ............................................................. 235 Napìová zpìtná vazba ................................................................. 236
7.1.12
11.1.1 11.1.1.1 11.1.1.2 11.1.1.3 11.1.1.4
A
A. KREJÈIØÍK, Z. BURIAN: .SIMULUJ!
7
11.1.1.5 Mùstková stabilizace ...................................................................... 239 11.1.2 Zapojení SK (se spoleèným kolektorem) ....................................... 243 11.1.2.1 Závislost vstupního odporu na hodnotì emitorového odporu .................................................... 246 11.1.3 Darlingtonovo zapojení tranzistorù ................................................. 250 11.1.4 Zesilovaè SK + SE se stejnosmìrnou vazbou ............................... 253 11.1.5 Kapacitní vazba zesilovacího stupnì ............................................. 256 11.1.6 Vypínání indukèní zátìe ............................................................... 259 11.1.7 Rozdílový zesilovaè ........................................................................ 265 11.1.8 Koncový výkonový stupeò s komplementárními tranzistory ..................................................... 270 11.2 Nastavení pracovního bodu unipolárních tranzistorù .................................................................. 272
12.
SIMULACE LINEÁRNÍCH STABILIZÁTORÙ NAPÌTÍ .......................................... 278
12.1 12.2 12.3 12.4
Lineární parametrický stabilizátor napìtí se ZD naprázdno ........... 278 Lineární parametrický stabilizátor napìtí se ZD zatíený .............. 280 Zpìtnovazební stabilizátor napìtí s tranzistory .............................. 281 Stabilizátor napìtí s referenèním napìtím ..................................... 285
LITERATURA .............................................................. 290
8
A. KREJÈIØÍK, Z. BURIAN: .SIMULUJ!
A
ÚVOD Program PSPICE je úèinným nástrojem pro vyetøování chování elektronických obvodù pøed jejich realizací. Mùe uetøit mnoho práce i zklamání z realizace neúspìných konstrukcí. Podmínkou správné simulace je vak sestavení správných modelù a to jak jednotlivých souèástek, tak celých obvodù. Tato publikace by mìla pøispìt právì ke správnému sestavování simulaèních obvodù, které se v øadì pøípadù lií od obvodù reálných. V tomto prvním díle se vìnujeme pouze vlastnímu programu a lineárním obvodùm, sestaveným z diskrétních souèástek. Ve vech pøípadech je provedeno porovnání s matematickými výpoèty a ukázáno na omezení buï výpoètu (zejména pøechodové stavy obvodù po jejich zapnutí) nebo na omezení simulací (zejména vlivem nedokonalostí modelù jednotlivých souèástek). Vybrané simulované obvody pokrývají sice velkou oblast slaboproudé elektroniky, ale nelze pøedpokládat, e by se publikace mohla vìnovat vem oblastem. Proto bylo uputìno od simulace vysokofrekvenèních obvodù, radiofrekvenèních obvodù apod. Publikace se tak zamìøuje na základní obvody, které se opakují v øadì profesionálních i amatérských konstrukcí. Knihu lze pouít nejen jako soubor pøíkladù, jak napsat vstupní soubory pro simulaci a jak upravit schémata zapojení, ale vzhledem ke konkrétním èíselným pøíkladùm i jako uèebnici základù elektroniky. Sám program PSPICE je velmi finanènì nároèný a tak jsme se rozhodli pouívat pouze jeho zjednoduenou volnì iøitelnou kolní verzi s oznaèením 5.0a. Tato verze umoòuje modelovat pouze obvody s omezeným poètem souèástek a uzlù. Tento program PSPICE je volnì iøitelný a spolu s knihovnami jednotlivých prvkù je mono si jej zkopírovat na adresách (http://www.ee.byu.edu/ee/vlsi/download/ nebo také http://noel.feld.cvut.cz/vyu/ eo/spice/). Publikace byla zpracována v rámci øeení vìdeckovýzkumného úkolu è. 15 ÈVUT: Výzkum nových metod pro mìøení fyzikálních velièin a jejich aplikace v pøístrojové technice. Budeme vdìèni za pøipomínky a názory ètenáøù a budeme rádi za jejich poskytnutí na e-mailové adresy:
[email protected] [email protected]
14
A. KREJÈIØÍK, Z. BURIAN: .SIMULUJ!
autoøi
A
