• Анализ цепей постоянного тока
  • Анализ цепей переменного тока
  • Probe
  • Анализ транзисторных схем
  • Обзор PSpice

    В этом разделе обсуждаются основные моменты, встречающиеся при работе с программой PSpice. Более подробные объяснения приводятся в следующих главах книги. Если в этом разделе попадутся вопросы, представляющие для вас особый интерес, можете сразу перейти к главам, в которых они рассмотрены более детально.

    Анализ цепей постоянного тока

    На рис. 0.1 представлена цепь постоянного тока с источником напряжения и тремя резисторами. Нетрудно получить значения различных токов и напряжений в схеме с помощью PSpice. Если вы прочли главу «Начальные шаги» в разделе «Введение», то сможете создать входной файл на PSpice. Откройте программу pspice.exe и выберите позиции меню File, New, Text File. Наберите следующий текст:

    Resistive Circuit with Voltage Source

    Vs 1 0 dc 12V

    R1 1 2 50ohms

    R2 2 0 100ohms

    R3 2 0 200ohms

    .END

    Рис. 0.1. Схема на постоянном токе для анализа на PSpice


    Как было указано ранее, не следует нажимать Enter после набора последней строки текста.


    Теперь сохраните файл, присвоив ему имя preview.cir. Не забывайте сохранять входные файлы в папке Spice. После сохранения файла вы можете закрыть его и снова открыть для моделирования. Просто наберите комбинацию клавиш Alt+F+C, а затем Alt+F+O и выберите Simulation, Run preview. После успешного запуска вы сможете увидеть результаты в выходном файле, выбрав View, Output File. Автор рекомендует не использовать команду File, Print на этом этапе, поскольку в выходном файле содержатся лишние строки, и он будет выведен в альбомном формате.

    Анализ проводится в так называемом малосигнальном режиме. Чтобы получить распечатку, закройте выходной файл и используйте такой редактор, как Microsoft Word, или, при его отсутствии, редактор WordPad (который входит комплект Windows), открыв в нем файл preview.out. После некоторой практики вы легко определите, какую лишнюю информацию следует удалить из этого файла. Прежде всего, вам не нужны лишние колонтитулы и пропуски страниц. Когда вы приведете файл к виду, показанному на рис. 0.2, распечатайте его, чтобы иметь возможность возвращаться к нему в дальнейшем и сравнивать с выходными файлами, полученными при последующей работе.

    **** 09/13/05 22:01:10 *********** Evaluation PSpice (Nov 1999) **************

    Resistive Circuit with Voltage Source

    **** CIRCUIT DESCRIPTION

    ******************************************************************************

    Vs 1 0 dc 12V

    R1 1 2 50ohms

    R2 2 0 100ohms

    R3 2 0 200ohms

    .END

    **** 09/13/05 22:01:10 *********** Evaluation PSpice (Nov 1999) **************

    Resistive Circuit with Voltage Source

    **** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    ******************************************************************************

    NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

    ( 1) 12.0000 ( 2) 6.8571

    VOLTAGE SOURCE CURRENTS

    NAME CURRENT

    Vs   -1.029E-01

    TOTAL POWER DISSIPATION 1.23E+00 WATTS

     JOB CONCLUDED

     TOTAL JOB TIME .28

    Рис. 0.2. Выходной файл для схемы на рис. 0.1 


    Три величины представляют интерес в выходном файле: потенциал узла 2; ток источника питания; рассеиваемая мощность. Проверьте каждое из этих значений с помощью расчетов на бумаге.

    Возможно, вам понадобится больше информации об исследуемой цепи. Могут быть выведены различные токи, если включить во входной файл две дополнительные строки: установки dc voltage и установки PRINT dc. Колонтитулы легко могут быть удалены, если включить во входной файл опцию (.ОРТ). Скорректированный входной файл примет вид:

    Resistive Circuit with Voltage Source

    Vs 1 0 dc 12V

    R1 1 2 50ohms

    R2 2 0 100ohms

    R3 2 0 200ohms

    .OPT nopage

    .ds Vs 12V 12V 12V

    .PRINT dc I(R1) I(R2) I(R3)

    .END

    Поскольку значения и узлы подсоединения Vs, R1, R2, R3 остались теми же, первые четыре строки не менялись. Команда печати в PSpice не может быть выполнена до тех пор, пока не проведен анализ вариаций при изменении входного напряжения (sweep). Поскольку его результаты нам в данном случае не нужны, он проводится при самых примитивных установках: при начальном напряжении 12 В, конечном напряжении 12 В и шаге 12 В, то есть для одной точки.

    Запустите программу анализа и получите выходной файл. В нем имеется раздел DC TRANSFER CURVES, в котором приведены токи через каждый резистор. Заметим, однако, что узловые потенциалы в этом разделе отсутствуют. Их можно получить в выходном файле, используя команду ОР. При этом выводится информация о потенциалах узлов и токе источника питания.

    Чтобы получить еще больше информации, при анализе во входной файл включается команда .TF. Окончательная версия входного файла имеет вид:

    Resistive Circuit with Voltage Source

    Vs 1 0 dc 12V

    R1 1 2 50ohms

    R2 2 0 l00ohms

    R3 2 0 200ohms

    .OPT nopage

    .OP

    .PRINT dc I(R1) I(R2) I(R3)

    .ds Vs 12V 12V 12V

    .TF V(2) Vs

    .END

    Выходной файл при этом показан на рис. 0.3. Исследование в малосигнальном режиме устанавливается командой .ОР. Команда .TF дает отношение V(2)/Vs потенциала узла 2 к потенциалу источника Vs, а также входное сопротивление относительно Vs и выходное относительно V(2). Проверьте результат с помощью самостоятельного расчета на бумаге. Каково должно быть входное сопротивление? Отметим, что выходное сопротивление рассчитывается при короткозамкнутом источнике питания, при этом три резистора оказываются соединенными параллельно. 

    **** 09/13/05 22:09:05 *********** Evaluation PSpice (Nov 1999) **************

    Resistive Circuit with Voltage Source

    **** CIRCUIT DESCRIPTION

    ******************************************

    Vs 1 0 dc 12V

    R1 1 2 50ohms

    R2 2 0 100ohms

    R3 2 0 200ohms

    .OPT nopage

    .OP

    .PRINT dc I(Rl) I(R2) I(R3)

    .dc Vs 12V 12V 12V

    .TF V(2) Vs

    .END

    **** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    Vs        I(R1)     I(R2)     I(R3)

    1.200E+01 1.029E-01 6.857E-02 3.429E-02

    **** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

    ( 1) 12.0000 ( 2) 6.8571

    VOLTAGE SOURCE CURRENTS

    NAME CURRENT

    Vs   -1.029E-01

    TOTAL POWER DISSIPATION 1.23E+00 WATTS

    **** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    **** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

    V(2)/Vs = 5.714E-01

    INPUT RESISTANCE AT Vs = 1.167E+02

    OUTPUT RESISTANCE AT V(2) = 2.857E+01

    JOB CONCLUDED

    TOTAL JOB TIME .03

    Рис. 0.3. Выходной файл для схемы на рис. 0.1, включающий дополнительную информацию

    Анализ цепей переменного тока

    Пример для цепи переменного тока показывает некоторые свойства установившегося режима цепи при гармоническом воздействии.

    На рис. 0.4 показана схема с источником питания 100 В при частоте 100 Гц. Можно считать, что во входном файле приведено действующее или амплитудное значение напряжения, при этом для всех остальных величин будут вычисляться соответствующие значения. В схеме имеются резисторы, катушка индуктивности и конденсатор с параметрами, показанными на рисунке.

    Рис. 0.4. Схема на переменном токе для анализа на PSpice


    Откройте программу pspice.exe и выберите позиции меню File, New, Text File. Наберите следующий текст:

    Series-parallel ас Circuit

    Vs 1 0 ас 100V

    R1 1 2 10

    R2 2 3 10

    L 3 0 100mH

    С 2 0 10uF

    .ас LIN 1 100Hz 100Hz

    .PRINT ас I(Rl) IP(R1) V(2) VP(2)

    .PRINT ac I(C) IP(C) I(R2) IP(R2)

    .OPT nopage

    .END

    Из рис. 0.5 видно, что обозначения источников переменного постоянного напряжения различны. Индуктивность катушки составляет 100 мГн. Основная единица индуктивности (Гн) используется с префиксом, обозначающим одну тысячную часть. Команда .ac проводит анализ для ряда значений напряжения источника питания. Это линейное изменение (LIN), однако может быть применено изменение и на октаву, и на декаду. Изменения проводятся только для одного значения частоты, при желании результат может не распечатываться. Команда .ОРТ убирает лишние заголовки и разбиение на страницы. В некоторых задачах, приведенных в других книгах, эта команда не применяется, но при желании она всегда может быть включена в текст.

    Рис. 0.5. Схема на переменном токе для анализа на PSpice


    Результаты анализа на PSpice приведены в выходном файле (рис. 0.6). Малосигнальный анализ в этом случае (на переменном токе) не содержит фактически никакой информации. Эту часть файла лучше всего удалить перед выводом на печать. 

    **** 09/13/05 22:30:44 ********** Evaluation PSpice (Nov 1999) **********

    Series-parallel ac Circuit

    **** CIRCUIT DESCRIPTION

    ****************************************************

    Vs 1 0 ac 100V

    R1 1 2 10

    R2 2 3 10

    L 3 0 100mH

    С 2 0 10uF

    .ac LIN 1 100Hz 100Hz

    .PRINT ас I(R1) IP(R1) V(2) VP(2)

    .PRINT ac I(C) IP(C) I(R2) IP(R2)

    .OPT nopage

    .END

    **** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

    ( 1) 0.0000 ( 2) 0.0000 ( 3) 0.0000

    VOLTAGE SOURCE CURRENTS

    NAME CURRENT

    Vs   0.000E+00

    TOTAL POWER DISSIPATION 0.00E+00 WATTS

    **** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    FREQ      I(R1)     IP(R1)     V(2)      VP(2)

    1.000E+02 9.295E-01 -6.988E+01 9.719E+01 5.152E+00

    **** AC ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    FREQ      I(C)      IP(C)     I(R2)     IP(R2)

    1.000E+02 6.107E-01 9.515E+01 1.528E+00 -7.580E+01

    JOB CONCLUDED

    TOTAL JOB TIME .01

    Рис. 0.6. Выходной файл для схемы на рис. 0.4


    Запись I(C) отображает ток в ветви С, IP(C) — фазовый угол этого тока в градусах. I(R2) — амплитуда тока в ветви, содержащей резистор R2 и катушку L, IP(R2) — фазовый угол этого тока.

    С помощью калькулятора проверьте равенство суммы этих токов току через резистор R1. В векторной форме она равна

    IС + IR2 = (0,0548, 0,600823) + (0,32, -0,873)= 0,9298/-69,87°

    Отметим, что строка записи для R1, имеет вид

    R1 1 2 10

    Узлы заданы в последовательности 1, 2. Это означает, что условное направление тока — от источника. При сложении токов, подходящих к узлу, их направление должно быть учтено и отражено на схеме.

    Наибольший интерес представляет анализ, при котором частота сети варьирует между двумя граничными значениями. В нашем примере приблизительное значение частоты резонанса составляет f0=160 Гц. Входной файл изменяется следующим образом:

    Series-parallel ас Circuit

    Vs 1 0 ас 100V

    R1 1 2 10

    R2 2 3 10

    L 3 0 100mH

    С 2 0 10uF

    .ас LIN 151 50Hz 200Hz

    .probe

    .END

    Сохраните новую версию входного файла под именем acpre1.cir с помощью команд File, Save As… Нет необходимости закрывать и снова открывать файл, если к предыдущему имени добавлен символ 1. 

    Команда ас дает линейную вариацию для 151 значения по частоте в диапазоне от 50 до 200 Гц. Это означает, что вычисления производятся для каждого целого значения частоты в этом диапазоне. Команда .probe помещает результаты моделирования в файл данных программы Probe, которому в данном случае будет присвоено имя acpre1.dat.

    Probe

    Как было отмечено, нет необходимости закрывать и снова открывать файл acpre1.cir. Просто выберите Simulation, Run acpre1.cir. Когда моделирование закончится, на экране возникнет область, в которой может быть показан график. Это — окно программы Probe, включенной в состав PSpice. Ось X по умолчанию показана в пределах от 100 Гц до 1 кГц. Поскольку нас интересует только часть этой области, изменим границы, выбрав Plot, Axis Settings… В таблице оси X выберем User Defined и введем значения от 50 Hz до 200 Hz, затем выберем Linear Scale и нажмем OK. Чтобы получить график, называемый trace, выберем Trace, Add Trace, а в поле Trace Expressions: наберем

    IP(R1)

    При этом будет построен график фазы тока через R1 который является током источника. Измените размеры окна, если это необходимо, чтобы разглядеть детали графика.

    Вы можете добавить к графику текст, выбрав Plot, Label, Text и набрав

    Phase angle of circuit current

    Затем нажмите OK и переместите текст в нужное место с помощью мыши. Дополните текст словами:

    Relative to input voltage

    Поместите эту строку непосредственно под первой. Затем выведите график на печать, выбрав File, Print и осуществив стандартные операции распечатки. Сравните полученный результат с приведенным на рис. 0.7.

    Рис. 0.7. Графический выходной файл, полученный в программе Probe


    Оставаясь пока в Probe, вызовите курсор, выбрав Trace, Cursor, Display. В нижнем правом углу экрана появится окно Probe Cursor со следующим текстом:

    А1 = 50.000, 257.073

    А2 = 50.000, 257.073

    dif = 0.000, 0.000

    А1 — значение начальной частоты (по оси X), IP — угол фазового сдвига. До тех пор пока курсор не сдвинут, значение А2 повторяет значение А1. С помощью мышки сдвиньте курсор в позицию, при которой фазовый сдвиг примерно равен 0, а затем с помощью левой и правой стрелок установите значение точно в 0. На дисплее курсора появятся значения

    А1 = 158.355, 0.000

    А2 = 50.000, -57.073

    dif = 108.355, 57.073

    Значение А1 покажет новую частоту 158,335 Гц и фазовый угол 0°. Значение dif (разность) очевидно. Отметим, что значение 0,000 для фазового сдвига представляет собой результат округления, реальное значение не равно нулю в точности. Поэтому если повторить моделирование, вы можете получить несколько иной результат. Вид экрана показан на рис. 0.8.

    Рис. 0.8. Определение фазового сдвига с помощью функции Cursor в программе Probe  


    Отметим, что окна View, Output и View Simulation Status могут включаться и выключаться. Удалим табло курсора (которое также может включаться и выключаться) и выберем Plot, Add Plot. При этом поверх первого окна появится второе окно для новой кривой. Оно будет пустым до тех пор, пока вы не определите, какой из графиков должен появиться. Отметим, что окно Add Trace представляет список величин, для которых могут быть построены графики. Щелкните мышью в поле I(R1) и этот ток появится на графике. Наберите «,» (запятую) и выберите I(C) — появится график этого тока, снова наберите «,» (запятую) и выберите I(L) для третьей кривой. Щелкните мышкой на OK и в верхнем окне появятся три кривые.

    Используйте команды Plot, Axis Setting, чтобы изменить пределы по осям Y.

    Выберите маркер User defined, затем введите значения от 0 А до 3.0 А, чтобы изменить значения диапазона, и нажмите OK. Затем разметьте кривые, как показано на рис. 0.9, чтобы пояснить распечатку[3]. Отметим, что амплитуда общего тока меньше амплитуды тока в индуктивной ветви. В то же время она меньше и амплитуды тока в емкостной ветви.

    Рис. 0.9. Разметка кривых в выходном файле программы Probe

    Анализ транзисторных схем

    Следующая предварительная схема представляет собой усилитель на биполярном транзисторе (BJT) с типовой схемой смещения на двух резисторах. Эта схема представлена на рис. 0.10. PSpice допускает использование встроенных моделей для биполярных транзисторов и других приборов. Допустим, что транзистор имеет коэффициент усиления для большого сигнала hFE= 80 и что при типовых условиях смещения VBE=0,8 В.

    Рис. 0.10. Цепи смещения для биполярного транзистора


    Прежде чем перейти к моделированию на PSpice, определим смещающие токи и напряжения обычными методами. Если в процессе предшествующего обучения вы познакомились с этими методами, вы поймете следующее краткое описание. При открытии транзистора по базовой цепи напряжение эквивалентного генератора VTh (по теореме Тевенина) можно найти, пользуясь выражением для делителя напряжения:

    Чтобы найти сопротивление эквивалентного генератора (по теореме Тевенина), закоротим источник напряжения Vcc, при этом резисторы R1 и R2 окажутся включенными параллельно. Сопротивление равно

    RTh = R1R2 = 40∥5 = 4,444 кОм.

    Применяя второй закон Кирхгофа к контуру, содержащему RTh и RE, получим  

    VTh = RThIB + VBE + RE(hFE + 1);

    1,333В = (4,444 кОм)IB + 0,8В + 100 Ом (80+1).

    Решая последнее уравнение относительно IВ, получим

    IВ = 42,5мкА.

    Поскольку IC = hFEIВ, коллекторный ток равен 3,4 мА. Эмиттерный ток равен сумме коллекторного и базового токов и составляет 3,44 мА. Воспользуемся полученными значениями токов, чтобы рассчитать потенциалы узлов 3, 4 и, наконец, узла 1.

    Напряжение на коллекторе равно:

    V3 = Vcc + RcIc = 12 – (1 кОм)(3,4 мА) = 8,6В.

    Напряжение на эмиттере:

    V4 = REIE = (100 Ом)(3,4 мА) = 0,344В.

    Напряжение на базе:

    V1 = VBE + V4 = 0,8 + 0,344 = 1,144В.

    Хотя решение было несложным, оно все же заняло некоторое время. Если изменить параметры цепи, решение должно быть получено снова. С помощью PSpice получать повторные решения намного проще.

    BJT Biasing Circuit

    VCC 2 0 12V

    R1 2 1 40k

    R2 1 0 5k

    RC 2 3 1k

    RE 4 0 100

    Q1 3 1 4 QN

    .MODEL QN NPN(BF=80)

    .dc VCC 12V 12V 12V

    .OP

    .OPT nopage

    .PRINT dc I(R1) I(R2) I(RC) I(RE) .END

     Выбранное для транзистора имя должно начинаться с буквы Q. Узлы 3, 1 и 4 — это узлы коллектора, базы и эмиттера, соответственно. Команда .MODEL содержит выбранное нами имя модели (QN — имя, выбранное для встроенной модели биполярного npn-транзистора). Запись BF=80 задает статический коэффициент усиления транзистора по постоянному току b равным 80. Результат анализа на PSpice приведен на рис. 0.11. Значения токов и напряжений соответствуют ранее вычисленным.

    **** 06/13/99 14:30:18 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

    BJT Biasing Circuit

    **** CIRCUIT DESCRIPTION

    VCC 2 0 12V

    R1 2 1 40k

    R2 1 0 5k

    RC 2 3 1k

    RE 4 0 100

    Q1 3 1 4 QN

    .MODEL QN NPN(BP=80)

    .dc VCC 12V 12V 12V .OP

    .OPT nopage

    .PRINT dc I(R1) I(R2) I(RC) I(RE)

    .END

    **** BJT MODEL PARAMETERS

       QN

       NPN

    IS 100.000000E-18

    BF 80

    NF 1

    BR 1

    NR 1

    CN 2.42

     D .87

    **** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    VCC       I(R1)     I(R2)     I(RC)     I(RE)

    1.200E+01 2.713E-04 2.293E-04 3.366E-03 3.408E-03

    **** SHALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

    ( 1) 1.1464  ( 2) 12.0000 ( 3) 8.6345  ( 4) .3408

    VOLTAGE SOURCE CURRENTS

    NAME CURRENT

    VCC  -3.637E-03

    TOTAL POWER DISSIPATION 4.36E-02 WATTS

    **** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

    **** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

    NAME     Q1

    MODEL    QN

    IB       4.21E-05

    IС       3.37E-03

    VBE      8.06E-01

    VBC     -7.49E+00

    VCE      8.29E+00

    BETADC   8.00E+01

    GM       1.30E-01

    RPI      6.15E+02

    RX       0.00E+00

    RO       1.00E+12

    CBE      0.00E+00

    CBC      0.00E+00

    CJS      0.00E+00

    BETAAC   8.00E+01

    CBX/CBX2 0.00E+00

    FT/FT2   2.07E+18

    Рис. 0.11. Выходной файл для схемы рис. 0.10


    В главе 3 эта схема исследована более детально для использования биполярного транзистора в усилителе с общим эмиттером. Среди прочих параметров будут найдены коэффициенты усиления по току и напряжению, а также входное и выходное сопротивления каскада.


    Примечания:



    3

    К сожалению, надписи в программе OrCAD PSpice нельзя писать кириллицей. Для того чтобы писать поясняющие надписи на русском языке, предлагаем читателю сделать копию экрана, нажав клавишу Print Screen, и вставить ее в стандартную программу Paint, имеющуюся в Windows. После этого можно воспользоваться всеми возможностями этой программы для редактирования рисунков: ввести надписи на кириллице, инвертировать цвета на экране и так далее. (Прим. переводчика.)





     

    Главная | В избранное | Наш E-MAIL | Добавить материал | Нашёл ошибку | Наверх