4.1.2. Директивы моделирования

Программа PSpice рассчитывает следующие характеристики электронных цепей:

• режим цепи по постоянному току в «рабочей точке» (Bias Point);
  
• режим по постоянному току при вариации источников постоянного напряжения или тока, температуры и других параметров цепи (DC Sweep);
  
• чувствительность характеристик цепи к вариации параметров компонентов в режиме по постоянному току (Sensitivity);
  
• малосигнальные передаточные функции в режиме по постоянному току (Transfer Function);
  
• характеристики линеаризованной цепи в частотной области при воздействии одного или нескольких сигналов (AC Sweep);
  
• спектральную плотность внутреннего шума (Noise Analysis);
  
• переходные процессы при воздействии сигналов различной формы (Transient Analysis);
  
• спектральный анализ (Fourier Analysis);
  
• "статистические испытания по методу Монте-Карло и расчет наихудшего случая (Monte Carlo/Worst Case);
  
• многовариантный анализ при вариации температуры (Temperature) и других параметров (Parametric).
  

С помощью модуля PSpice Optimizer выполняется параметрическая оптимизация (см. разд. 5.4).

Каждому виду расчета соответствует определенная директива. Их полный перечень приведен в табл. 4.6.

Таблица 4.6. Директивы моделирования

Директивы моделирования задаются в схемном редакторе PSpice Schematics по команде Analysis>Setup или выбором пиктограммы. В раскрывшемся меню (см. рис. 3.49) выбирают нужный вид анализа (помечая его крестиком в графе Enabled) и щелчком мыши по панели с именем вида анализа раскрывают меню задания параметров моделирования.

При работе с OrCAD Capture аналогичные директивы моделирования задаются/редактируются по командам PSpice>New/Edit Simulation Profile. Приведенное ниже описание директив моделирования будем иллюстрировать изображением диалоговых окон PSpice Schematics. Этого достаточно для понимания их ввода в OrCAD Capture.

Обратим внимание, что в меню схемных редакторов задаются не все возможные директивы программы PSpice. He вошедшие в меню директивы (.LIB, .INC и др.) задаются с помощью атрибутов, присваиваемых на схеме специальным символам из библиотеки Special.sib, каждой директиве — отдельный символ.

Приведем ниже описание всех директив программы PSpice.

1. AC Sweep — расчет частотных характеристик и уровня шума. Частотные характеристики рассчитываются по директиве:
   

.AC [LIN] [ОСТ] [DEC] <n> <начальная частота> <конечная частота>

Эта директива задает диапазон частот в пределах <начальная частота> ... <конечная частота>. Параметр LIN устанавливает линейный шаг по частоте, при этом п — общее количество точек по частоте. Параметры ОСТ и DEC устанавливают логарифмический характер изменения частоты октавами и декадами соответственно. Параметр п определяет в таком случае количество точек по частоте на одной октаве или декаде. Анализ спектральной плотности внутреннего шума производится по директиве

.NOISE У(<узел>[,<узел>]) <имя> <п>

Директива .NOISE указывается совместно с директивой .АС, в которой задается диапазон частот анализа. Источниками шума служат резисторы, ключи и полупроводниковые приборы, шумовые схемы замещения которых приведены в [7]. На каждой частоте / рассчитывается спектральная плотность выходного напряжения S _UBbIX (f), В ² /Гц, обусловленная наличием статистически независимых источников внутреннего шума. Точки съема выходного напряжения указываются по спецификации М(<узел> [,<узел>]). К входным зажимам цепи подключается независимый источник напряжения или тока, <имя> которого приводится в списке параметров директивы .NOISE. Этот источник не является источником реального сигнала, он служит лишь для обозначения входных зажимов цепи, к которым пересчитывается выходной шум. Если ко входу подключается источник напряжения, то на входе рассчитывается эквивалентная спектральная плотность напряжения S _{U BX ЭK} (f), В ² /Гц; если ко входу подключен источник тока, то рассчитывается эквивалентная спектральная плотность тока Si _{вх эк} (f), А ² /Гц. Уровень шума пересчитывается с выхода на вход делением спектральной плотности выходного напряжения S _{u вых} на квадрат модуля соответствующей передаточной функции. Заметим, что внутреннее сопротивление реального генератора сигнала R _r должно быть включено в описание цепи как отдельный резистор. Если указан целочисленный параметр <п>, то на каждой n-й частоте в диапазоне анализа будет рассчитываться не только спектральная плотность суммарного шума, но и вклад в нее каждого шумового источника. Если параметр <п> не указан, то этот расчет не производится.

Рис. 4.1. Расчет частотных характеристик и уровня шума

В диалоговом окне задания параметров режима AC Sweep имеются два раздела (рис. 4.1). В первом задаются параметры директивы изменения частоты.

В диалоговом окне в разделе AC Sweep Type определяется характер изменения частоты:

• Linear — линейная шкала;
  
• Octave — изменение частоты октавами;
  
• Decade — изменение частоты декадами.
  

В разделе Sweep Parameters задаются параметры диапазона частот:

• Total Pts., Pts/Decade, Pts/Octave — общее количество точек при выборе линейного масштаба или количество точек по частоте на одну декаду или октаву;
  
• Start. Freq. — начальная частота;
  
• End Freq. — конечная частота.
  

В разделе Noise Analysis устанавливаются параметры расчета спектральной плотности внутреннего шума:

• Noise Enabled — включение режима расчета уровня шума;
  
• Output Voltage — выходное напряжение;
  
• I/ V Source — имя входного источника напряжения или тока;
  
• Interval — интервал п расчета парциальных уровней шума.
  

Расчет характеристик в частотной области производится после определения режима по постоянному току и линеаризации нелинейных компонентов (это делается автоматически, никаких дополнительных директив не требуется). Все независимые источники напряжения V и тока I., для которых -заданы параметры АС-сигналов (амплитуды и фазы) являются входными воздействиями. При проведении АС-анализа остальные спецификации этих источников, в том числе параметры синусоидального сигнала SIN, не принимаются во внимание, они учитываются при анализе переходных процессов. Результаты расчета комплексных амплитуд узловых напряжений и токов ветвей выводятся по директивам .PRINT, .PLOT или .PROBE.

Приведем примеры текстового задания директив:

.ACDEC2010k100MEG

.NOISE V(5)VIN

.NOISE V(101)VSRC 20

.NOISE V(4,5) ISRC

Результаты расчета уровней шума выводятся в выходной файл .out по директиве .PRINT или .PLOT:

PRINT NOISE <выходная переменная>' PLOT NOISE <выходная переменная>*

В качестве выходных переменных при расчете уровней шума используются следующие имена:

• INOISE, DB(INOISE) —корень(S _BX (f)) в относительных единицах и децибелах;
  
• ONOISE, DB(ONOISE) — корень( S _{u вых} (f)) в относительных единицах и децибелах.
  

Например:

PRINT NOISE INOISE ONOISE DB(INOISE)

PRINT NOISE INOISE ONOISE

PRINT NOISE ONOISE DB(ONOISE)

Графики спектральных плотностей можно построить с помощью программы Probe. Причем помимо суммарных спектральных плотностей INOISE и ONOISE доступны и парциальные спектральные плотности напряжения выходного шума, обусловленные отдельными источниками шума. Для их построения в программе Probe используются специальные обозначения, приведенные в п. 15.

По результатам расчета спектральной плотности внутреннего шума легко вычисляется дифференциальный коэффициент шума линейного четырехполюсника, изображенного на рис. 4.2, а. Как известно, дифференциальный коэффициент шума равен

Kш=S _{u вх} . _эк (f)/S u r

где S _{u вх} . _эк (7) — спектральная плотность напряжения, обусловленного шумом сопротивления генератора R _r и внутренним шумом четырехполюсника, пересчитанная на его вход, S _{U BX ЭK} (f) = INOISE ² ; S _ur = 4kT ₀ R _r — спектральная плотность напряжения шума сопротивления генератора; k = 1,38-10" ²³ Дж/°С — постоянная Больцмана; Т ₀ = 300 К — номинальная абсолютная температура.

а)

б)

Рис. 4.2. Измерение коэффициента шума четырехполюсника при подключении ко входу источника напряжения (а) или тока (б)

Формула для расчета дифференциального коэффициента шума приобретает, таким образом, вид ,

K(f)= INOISE ² /1 ,656*10- ²⁰ R _r

где сопротивление R _r указывается в омах.

Приведем фрагмент задания на расчет коэффициента шума четырехполюсника, изображенного на рис. 4.2, а:

.TEMP 80

VG 1 О АС 1

RG 1 2 75

RLOAD 3 4 500

CLOAD 3 4 30рР

{описание четырехполюсника}

.AC LIN 21 0 1000HZ

.NOISE V(3,4) VG

PRINT INOISE ONOISE

Аналогично измеряется дифференциальный коэффициент шума при подключении на вход четырехполюсника источника тока (рис. 4.2, б):

K(f)=INOISE ² /1,656*10- ²⁰ /R _r

Расчет среднеквадратического отклонения выходного напряжения шума производится по формуле

бu вых=корень(интеграл(Su вых(f))df)

с помощью функции интегрирования s(x) программы Probe (разд. 5.1):

SQRT(S(V(ONOISE)*V(ONOISE)))

Среднеквадратическое отклонение шума а _{U вых} равно значению этой функции на верхней границе диапазона частот.

При измерении коэффициента шума сопротивлению генератора R _r должна быть приписана номинальная температура Т ₀ , четырехполюснику — его физическая температура, а сопротивлению нагрузки R _H — температура абсолютного нуля, так как его шумы обычно принимаются во внимание при расчете коэффициента шума последующего каскада. Назначение резисторам индивидуальных значений температуры производится с помощью параметра T_ABS.

В некоторых задачах могут потребоваться независимые источники шума. Они могут быть представлены в виде зависимых источников, управляемых током шумящего резистора (в связи с особенностями программы PSpice допускается управлять током источника ЭДС, включенного последовательно с шумящим резистором).

На рис. 4.3, а представлена модель независимого источника шумового напряжения. Сопротивление шумящего резистора этого источника связано с требуемой спектральной плотностью напряжения шума S _u соотношением RN = S _u / (4kT). Например, при S _u = 10- ¹⁸ В ² /Гц описание модели на рис. 4.3, а имеет вид:

RN 1 0 60.4

VN 1 0 DC 0

HN23VN1

а)

б)

Рис. 4.3. Независимый источник напряжения (а) и тока (б) широкополосного шума

Модель независимого источника шумового тока представлена на рис. 4.3, б. Для нее сопротивление шумящего резистора связано со спектральной плотностью шумового тока Si- соотношением RN = 4kT/Si. Например, при S,- = 10- ²⁴ А ² /Гц модель описывается следующим образом:

RN 1 0 16.56К

VN 1 0 DC 0

FN 2 3 VN 1

2. Load Bias Point — загрузка данных режима по постоянному току.
   

Считывание из файла узловых потенциалов производится по директиве

.LOADBIAS <"имя файла">

Из файла, созданного в предыдущем сеансе работы с программой PSpice, считываются узловые потенциалы по постоянному току. Для выполнения расчета переходных процессов по директиве .TRAN с заданными начальными условиями этот файл можно предварительно отредактировать и заменить директиву .NODESET на .IC. Для передачи содержания файла узловых потенциалов, указанного в директиве .LOADBIAS, в выходной файл результатов (с расширением имени *.OUT), необходимо в директиве .OPTIONS указать параметр EXPAND.

Приведем примеры:

.LOADBIAS "DC_POINT.NOD"

.LOADBIAS "D:PSPICEJOBTR_DATA.TRN"

3. Save Bias Point — сохранение данных режима по постоянному току. Запись в файл узловых потенциалов осуществляется по директиве
   

.SAVEBIAS <"имя файла"> <[ОР] [DC] [TRAN]> [NOSUBCKT]

+ [ТIME=<значение> [REPEAT]] [ТЕМР=<змачение>] [SТЕР=<значение>]

+ [МСRUN=<знамение>] [DС=<значение>] [DС1=<значение>]

+ [DС2=<значение>]

В файл с указанным именем записываются значения узловых потенциалов схемы для анализа указанног