Выполнение моделирования в программном пакете MicroCAP-7

1. Расчет передаточных функций по постоянному току (DC —Alt+3) Арсенид-галлиевый полевой транзистор (GaAsFET)

1.1 Задание параметров моделирования DC Analysis Limits

1.2 Использование клавиши Р

1.3 Меню режимов расчета передаточных функций DC

2. Расчет режима по постоянному току (Dynamic DC —Alt+4)

3. Расчет малосигнальных передаточных функций (Transfer Function — Alt+5)

4. Расчет чувствительностей по постоянному току (Sensitivity — Alt+6)

Заключение

Список литературы

MicroCAP-7 — это универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенный для решения широкого круга задач. Характерной особенностью этого пакета, впрочем, как и всех программ семейства MicroCAP (MicroCAP-3… MicroCAP-8) [1, 2], является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной студенческой аудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК (процессор не ниже Pentium II, ОС Windows 95/98/ME или Windows NT 4/2000/XP, память не менее 64 Мб, монитор не хуже SVGA), его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые устройства. Возможно также и смешанное моделирования аналого-цифровых электронных устройств, реализуемое в полной мере опытным пользователем пакета, способным в нестандартной ситуации создавать собственные макромодели, облегчающие имитационное моделирование без потери существенной информации о поведении системы.

От младших представителей своего семейства MicroCAP-7 отличается более совершенными моделями электронных компонентов разных уровней (LEVEL) сложности, а также наличием модели магнитного сердечника. Это приближает его по возможностям схемотехнического моделирования к интегрированным пакетам DESIGNLAB, ORCAD, PCAD2002 — профессиональным средствам анализа и проектирования электронных устройств, требующим больших компьютерных ресурсов и достаточно сложных в использовании.

1. Расчет передаточных функций по постоянному току (DC —Alt+3)

После того как нарисована принципиальная схема переходят к расчету характеристик, выбирая в меню Analysis один из видов анализа:

Transient (Alt+1) — расчет переходных процессов;

AC (Alt+2) — расчет частотных характеристик;

DC (Alt+3) — расчет передаточных функций по постоянному току (при вариации постоянной составляющей одного или двух источников сигналов, вариации температуры или параметров моделей компонентов);

Dynamic DC (Alt+4) — расчет режима по постоянному току и динамическое отображение на схеме узловых потенциалов, токов ветвей и рассеиваемой мощности;

Transfer Function (Alt+5) — расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току;

Sensitivity (Alt+6) — расчет чувствительностей режима по постоянному току.

В режиме DC рассчитываются передаточные характеристики по постоянному току. Ко входам цепи подключаются один или два независимых источника постоянного напряжения или тока. В качестве выходного сигнала может рассматриваться разность узловых потенциалов или ток через ветвь, в которую включен резистор. При расчете режима DC программа закорачивает индуктивности, исключает из схемы конденсаторы и затем рассчитывает режим по постоянному току при нескольких значениях входных сигналов. Например, при подключении одного источника постоянного напряжения может рассчитываться передаточная функция усилителя, а при подключении двух источников — семейство статических выходных характеристик транзистора. Как правило, режим анализа DC и используется в основном для этих двух целей: построения вольтамперных характеристик полупроводниковых и электронных приборов (см. каталог схем ANALYSISDCВАХи_Приборов) и снятия передаточных характеристик усилителей постоянного тока не содержащих реактивных компонентов (см. схемы DIFFAMP, MOSDIFF, UA741, UA709, RCA3040 из каталога AnalysisDC)

После перехода в режим DC программа МС7 проверяет правильность схемы. При отсутствии ошибок программа составляет топологическое описание схемы, выполняет подготовку к численному расчету нелинейных уравнений итерационным методом Ньютона-Рафсона и открывает окно задания параметров моделирования DC Analysis Limits.

1.1 Задание параметров моделирования DC Analysis Limits

В окне задания параметров расчета передаточных характеристик по постоянному току, показанном на рис. 1, имеются следующие разделы.

К о м, а н д ы:

Run — начало моделирование. Щелчок на пиктограмме в строке инструментов или нажатие F2 также начинает моделирование. Моделирование может быть остановлено в любой момент времени нажатием на пиктограмму или клавишу Esc. Последовательные нажатия на пиктограмму прерывают и затем продолжают моделирование;

Add — добавление еще одной строки спецификации вывода результатов после строки, отмеченной курсором. На этой строке устанавливается способ отображения результатов и аналитические выражения для построения графиков. При наличии большого количества строк, не умещающихся на экране, появляется линейка прокрутки;

Delete — удаление строки спецификации вывода результатов, отмеченной курсором;

Expand — открытие дополнительного окна для ввода текста большого размера при расположении курсора в одной из граф, содержащих выражения, например Y Expression;

Stepping — открытие диалогового окна задания вариации параметров;

Properties — открытие диалогового окна задания параметров вывода результатов моделирования (окон графиков, текстовых надписей, толщины и цвета линий и др.);

Help— вызов раздела DC Analysis системы помощи.

Рис. 1. Задание параметров расчета в режиме DC

Variable 1 — задание первой варьируемой переменной.

В графе Method выбирается метод варьирования переменной (Auto — выбираемый автоматически; Linear — линейный, задаваемый в графе Range по формату Final[, lnitial[, Step]], если опустить параметр Step (шаг), то шаг будет принят равным (Final— lnitial)/50, если опустить параметр Initial, то начальное значение будет положено равным нулю, если изменяется только один источник, то можно оставить строку пустой; Log — логарифмический; List — в виде списка значений, разделяемых запятыми).

В графе Name из списка, открываемого нажатием на кнопку, выбирается имя варьируемой переменой — величины источника постоянного напряжения или тока, температуры или имени одного из компонентов, имеющих математические модели; при выборе в графе Name имени такого компонента в расположенном справа окне выбирается варьируемый параметр его математической модели.

Variable 2 — задание второй варьируемой переменной. Если она отсутствует, то в графе Method выбирается None.

Number of Points — количество точек, выводимых в таблицы, т. е. количество строк в таблице вывода результатов, минимальное значение равно 5. При выводе в таблицы применяется линейная интерполяция.

Temperature — диапазон изменения температуры в градусах Цельсия; при выборе параметра Linear имеет формат High[, Low[, Step]]; если параметр Step (шаг) опущен, то выполняется анализ при двух значениях температуры Low (минимальной) и High (максимальной), если опущены оба параметра Low и Step, то расчет проводится при единственной температуре, равной High, при выборе параметра List указывается список температур, разделяемых запятыми. При изменении температуры изменяются параметры компонентов, имеющие ненулевые температурные коэффициенты ТС, а также ряд параметров полупроводниковых приборов. Значение установленной здесь температуры может использоваться в различных выражениях, она обозначается как переменная TEMP.

Maximum change, % — максимально допустимое приращение графика первой функции на одном шаге (в процентах от полной шкалы). Если график функции изменяется быстрее, то шаг приращения первой переменной автоматически уменьшается.

О п ц и и:

Run Options — управление выдачей результатов расчетов:

Normal — результаты расчетов не сохраняются,

Save — сохранение результатов расчетов в бинарном дисковом файле <�имя схемы>.DSА,

Retrieve — считывание последних результатов расчета из дискового файла<�имя схемь. DSA, созданного ранее. При этом производится построение графиков и таблиц, как после обычного расчета.

Auto Scale Ranges — присвоение признака автоматического масштабирования «Auto» по осям X, Y для каждого нового варианта расчетов. Если эта опция выключена, то принимаются во внимание масштабы, указанные в графах X Range, Y Range.

В ы в о д р е з у л ь т, а т о в м о д е л и р о в, а н и я:

Ниже раздела «Числовые параметры» и слева от раздела «Выражения» расположена группа пиктограмм. Нажатие каждой пиктограммы определяет характер вывода данных, задаваемых в той же строке. Имеются следующие возможности:

X Log/Linear Scale — переключение между логарифмической и линейной шкалой по оси X. При выборе логарифмической шкалы диапазон изменения переменной должен быть положительным;

Y Log/Linear Scale — переключение между логарифмической и линейной шкалой по оси У. При выборе логарифмической шкалы диапазон изменения переменной должен быть положительным;

Color— вызов меню для выбора одного из 16 цветов для окрашивания графиков. График окрашивается в цвет кнопки;

Numeric Output — при нажатии этой кнопки в текстовый выходной файл заносится таблица отсчетов функции, заданной в графе Y Expression. Запись производится в файл «<�имя схемы. АМО». Таблица просматривается в окне Numeric Output (открывается нажатием клавиши F5). Количество отсчетов функции (число строк в таблице) задается параметром Number of Points в разделе Числовые параметры;

Plot Group — в графе Р числом от 1 до 9 указывается номер графического окна, в котором должна быть построена данная функция. Все функции, помеченные одним и тем же номером, выводятся в одном окне. Если это поле пусто, график функции не строится.

В ы р, а ж е н и я:

X Expression — математическое выражение переменной, откладываемой по оси X.

Y Expression — математическое выражение переменной, откладываемой по оси Y.

X Range — максимальное и минимальное значение переменной Х на графике по формату High[, Low]. Если минимальное значение Low равно нулю, его можно не указывать. Для автоматического выбора диапазона переменных в этой графе указывается Auto. В этом случае сначала выполняется моделирование, в процессе которого графики строятся в стандартном масштабе и затем автоматически перестраиваются;

Y Range — максимальное и минимальное значение переменной Y на графике; если минимальное значение равно нулю, его можно не указывать. Для автоматического выбора диапазона переменных в этой графе указывается Auto.

1.2 Использование клавиши Р

После выполнения команды Run начинается расчет передаточных функций, и в процессе получения результатов на экран выводятся их графики. После нажатия клавиши Р в нижней части графического окна справа от обозначения каждой переменной выводятся их текущие численные значения. Этот способ удобен для контроля за длительными расчетами передаточных функций, диапазон изменения которых заранее не известен (так что текущие результаты могут быть не видны на экране). Однако моделирование при этом значительно замедляется, поэтому после просмотра наиболее интересного фрагмента данных следует выключить этот режим повторным нажатием клавиши Р.

1.3 Меню режимов расчета передаточных функций DC

После перехода в режим расчета передаточных функций в строке меню появляется новое меню DC, содержащее помимо стандартных пунктов RUN, Limits, Stepping, Exit, State Variables Editor и расширенные команды: OPTIMIZE, Watch, Breakpoints, 3D Windows, Reduce Data Points. Состав этих команд приблизительно одинаков для всех видов анализа, смысл их ясен из названия, а назначение и результат выполнения определяются самостоятельно при углубленном изучении программного пакета.

2. Расчет режима по постоянному току (Dynamic DC —Alt+4)

По команде Analysis/Dynamic DC производится расчет режима по постоянному току и его отображение на чертеже семы. Причем если на закладке Common команды Options/Preferences включен параметр Show Slider, то на схеме у изображений батарей и резисторов размещаются движковые регуляторы — при их перемещении движением курсора изменяются номинальные значения этих компонентов, и на схеме отображаются новые значения режима по постоянному току, как показано на рис. 2. Минимальные и максимальные значения номинальных значений определяются с помощью атрибутов SLIDER_MIN, SLIDER_MAX каждой батареи и каждого резистора, см. рис. 3.

Рис. 2. Отображение результатов расчета режима по постоянному току Объем выводимой на схему информации определяется нажатием пиктограмм:

— номера узлов;

— напряжения аналоговых узлов или логические состояния цифровых узлов;

— токи ветвей;

— мощности, рассеиваемые в ветвях;

— состояния p-n переходов: LIN — линейный режим, ON — переход открыт, OFF— переход закрыт, SAT — находится в режиме насыщения, HOT — перегрев, превышена допустимая рассеиваемая мощность.

Рис. 3. Задание диапазона изменений номинальных значений для режима Dynamic DC.

При выполнении команды Analysis>Dynamic DC по умолчанию нажата пиктограмма остальные пользователи включают по мере надобности.

Так в примере (см. рис. 2) дополнительно нажата кнопка для отображения состояния транзистора.

Данный режим (Dynamic DC) может быть очень полезен, например, для настройки режима по постоянному току усилительного каскада (многокаскадных усилителей), т. е. для правильной установки рабочей точки. Транзистор должен при этом находиться в линейном режиме, а напряжение на выходе должно быть в диапазоне 1/3…2/3 от напряжения питания. Примеры использования режима DYNAMIC DC в схемных файлах US_BJT_ОЭ_настройка, US_NMOS_ОИ_настройка из каталога ANALYSISDYNAMIC DC.

В 1-ом примере каскад в исходном состоянии не обладает необходимыми усилительными свойствами, в чем можно убедиться, запустив режим анализа TRANSIENT — каскад будет искажать синусоидальный сигнал, ограничивая его с одной стороны. Настройка производится изменением величины резистора R2 движком в режиме DYNAMIC DC при включенной дополнительно кнопке, до тех пор пока транзистор не окажется в усилительном режиме (LIN, HOT) и напряжение на коллекторе не будет приблизительно равно половине напряжения питания. После этого можно снова запустить TRANSIENT анализ, ответив «NO» на вопрос о восстановлении исходного состояния каскада по номиналам и убедиться в надлежащей работе усилительного каскада.

Во 2-м примере все делается аналогично, только настройка каскада выполняется изменением напряжения источника в цепи затвора V1.

Отметим, что при использовании перечисленных выше кнопок при анализе переходных процессов на схеме отображаются не значения режима по постоянному току, а значения переходных процессов в последний момент времени, если не выбрана опция Operation Point Only. После завершения расчетов по командам Analysis/AC, DC на схеме отображаются значения режима по постоянному току, рассчитанного последним.

3. Расчет малосигнальных передаточных функций (Transfer Function — Alt+5)

По команде Analysis/Transfer Function выполняется расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току, которые рассчитываются после линеаризации схемы в окрестности рабочей точки. Задание на расчет составляется в диалоговом окне, показанном на рис. 4. На строке Output Expression указывается выражение для выходной переменной, на строке Input Source Name — имя входной переменной. В качестве выходной переменной может использоваться любая переменная или функция, имеющие смысл при анализе режима по постоянному току, например, напряжение V (A, B) или ток I (R1). В качестве входной переменной может быть использовано напряжение или ток источника напряжения или тока, например VIN. Расчет производится после нажатия на панель Calculate. Результаты расчета передаточной функции, например dV (A, B)/dVIN, указывается на строке Transfer Function. Кроме того, на строках Input (Output) Impedance указываются значения входного (выходного) сопротивлений. При выборе опции Place Text результаты расчета помещаются в виде текста непосредственно на схему (рис. 4).

Рис. 4. Диалоговое окно Transfer Function (а) и текстовая информация о результатах расчетов (б)

4. Расчет чувствительностей по постоянному току (Sensitivity — Alt+6)

Чувствительность режима по постоянному току рассчитывается по команде Analysis/Sensitivity. Чувствительность рассчитывается после линеаризации схемы в окрестности рабочей точки. При этом рассчитывается чувствительность одной или нескольких выходных переменных к изменению выбранных параметров схемы. Диалоговое окно команды показано на рис. 5.

В графе Output указывается одно или несколько выражений для выходных переменных, каждое выражение на отдельной строке, например Iс (Q1). В окне Input Variable выбирается один входной параметр, например Ib (несколько параметров здесь выбирать не разрешается). Результаты расчета чувствительности, в приведенном выше примере это, ,, после нажатия на панель Calculate помещаются в графу Sensitivity. В графе Sensitivity %/% помещаются значение приращения выходной переменной в процентах, разделенное на изменение входного параметра в процентах. Тип входных переменных выбирается с помощью кнопок Component, Model и Symbolic. При выборе переменной типа Model можно в качестве входных выбрать несколько параметров математической модели указанного компонента (все параметры выбираются нажатием на кнопку Аll On, при этом результаты расчета чувствительностей заносятся в текстовый файл с расширением *.sen в виде таблиц.

Рис. 5. Диалоговое окно Sensitivity

Заключение

Все перечисленные выше режимы анализа являются разновидностями анализа по постоянному току и выполняются при исключении из схемы конденсаторов и закорачивании катушек индуктивности.

Перечисленные достоинства делают пакет программ MicroCAP-7 весьма привлекательным для моделирования электронных устройств средней степени сложности. Удобство в работе, нетребовательность к ресурсам компьютера и способность анализировать электронные устройства с достаточно большим количеством компонентов позволяют успешно использовать этот пакет в учебном процессе. В данной работе рассмотрены лишь основные сведения, необходимые для начала работы с пакетом и анализа большинства электронных схем, изучаемых в специальных дисциплинах и используемых при курсовом и дипломном проектировании. В случае необходимости дополнительные (и более подробные) сведения могут быть получены из встроенной подсказки системы (вызывается клавишей или через меню HELP/Contens).

1. Разевиг В. Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-CAP 7. — Горячая линия-Телеком, 368 с. 621.38 Р-17 /2003 — 9 аб, 2 чз

2. Разевиг В. Д. Система моделирования Micro-Cap 6. — М.: Горячая линия-Телеком, 2001. — 344 с., ил.

3. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0. — Москва, «Солон», 1999. 004 Р-17 /2003 — 1 аб/ 2000 — 11 аб, 5 чз

4. Micro-Cap 7.0 Electronic Circuit Analysis Program Reference Manual Copyright 1982;2001 by Spectrum Software 1021 South Wolfe Road Sunnyvale, CA 94 086.