1
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАИНЮ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
Авторы:
В. П. Довгун
В. Б. Лыкова
П. А. Барыбин
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ
ЦЕПЕЙ И УСТРОЙСТВ
Методические указания по самостоятельной работе Красноярск 2008 2 Оглавление 1. Введение 2. Курсовая работа «Расчет и компьютерное моделирование электронных цепей»3. Самостоятельное изучение отдельных разделов курса 4. Библиографический список 5. Приложение 1. Программа схемотехнического моделирования Multisim 6. Приложение 2. Программа схемотехнического моделирования PSpice 1. Введение Самостоятельная работа по дисциплине «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств» регламентируется графиком учебного процесса и самостоятельной работы. Она включает самостоятельное изучение отдельных разделов теоретического курса и выполнение курсовой работы.
Предусмотрено самостоятельное изучение следующих разделов теоретического курса:
Раздел 1 - Топологические матрицы. Уравнения Кирхгофа в матричной форме ([10, стр. 85-95]).
Раздел 2 - Методы решения разреженных алгебраических уравнений ([9, стр.
66-80]).
Раздел 3 - Кусочно-линейный анализ нелинейных резистивных цепей ([10, стр. 75-80]).
Раздел 4 - Многошаговые методы численного интегрирования ([5, стр. 152Раздел 5 - Расчет чувствительности методом возмущенных схем ([6, стр.
174-180]).
Раздел 6 - Макромодели аналоговых и цифровых микросхем ([6, стр. 290Примечание: цифрами в прямых скобках указаны источники из списка литературы.
Литература, рекомендуемая для самостоятельного изучения разделов теоретического курса Основная литература 1. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DESIGNLAB 8.0. – М.: СОЛОН-Р, 2003 – 704 с.
2. Хайнеман Р. Компьютерное моделирование работы электронных схем: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс, 2005. – 336 с.: ил.
3. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью MicroCap 7. М. Горячая линия – Телеком, 2003. 367 с.
4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.: ил.
5. Рабаи Ж. М., Чандракасан А., Николич Б. Цифровые интегральные схемы, 2-е издание.: Пер. с англ. – М.: ООО «И. Д. Вильямс», 2007. – 912 с 6. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. пособие: в 2-х ч.
Ч. 1 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 270 с.
7. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Изд. 2-е. М.:
«Солон-Р», 2001. – 720 с.
8. Архангельский А. Я. PSpice и Design Center. Схемотехническое моделирование. Модели элементов. Макромоделирование. – М.: МИФИ, 1996.
9. Архангельский А. Я. PSpice и Design Center. Модели цифровых и аналого-цифровых устройств. Идентификация параметров моделей. – М.:
МИФИ, 1996.
10. Влах, И. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / И. Влах, К. Сингхал. М.: Радио и связь, 1988. 560 с.
11. Чуа Л. О., Лин П.-М. Машинный анализ электронных схем (алгоритмы и вычислительные методы): Пер. с англ. – М.: Энергия, 1980.
12. Автоматизация схемотехнического проектирования / В. Н.
Ильин, В. Т. Фролкин, А. И. Бутко / под ред. В. Н. Ильина. – М.: Радио и связь, 1987.
13. Hayt, W. H. Engineering circuit analysis / Hayt W. H., Kemmerly J.
E., Durbin S. M. New York, McGraw-Hill, 2002. – 781 p.
14. Sedra, A. S. Microelectronic circuits / A. S. Sedra, K. C. Smith. NewYork, Oxford, Oxford University Press, 2004. - 1283 p.
1. Электричество. Ежемесячный научно-технический журнал.
Известия вузов. Радиоэлектроника. Ежемесячный научнотехнический журнал.
3. Известия вузов. Электроника. Ежемесячный научно-технический журнал.
4. Радиотехника. Ежемесячный научно-технический журнал НТО РЭС им. А. С. Попова.
5. Электроника. Ежемесячный научно-технический журнал.
1. Компьютерный практикум «Электроника и схемотехника»
(размещен на сайте www.emf.krgtu.ru).
2. Библиотеки моделей электронных компонентов в формате SPICE (размещены на сайте www.emf.krgtu.ru).
3. Каталог электронных схем в формате SPICE (размещен на сайте www.emf.krgtu.ru).
4. Информационный портал www.EEHomePage.com 5. Информационный портал www.ecircuitcenter.com 2. Курсовая работа «Расчет и компьютерное моделирование электронных цепей»
Цели выполнения курсовой работы – закрепление теоретических знаний, полученных на лекциях, знакомство с современными программами схемотехнического проектирования, получение практических навыков компьютерного моделирования электронных цепей и устройств.
Курсовая работа делится на две части. В первой части работы необходимо выполнить предварительный расчет и провести моделирование характеристик интегрального усилителя. В зависимости от варианта исследуется схемы ОУ либо усилителей мощности на биполярных или МОПтранзисторах.
Во второй части работы необходимо синтезировать активный фильтр, рассчитать его частотные и временные характеристики, исследовать влияние разброса значений элементов на характеристики фильтра.
Для моделирования частотных и временных характеристик электронных цепей целесообразно использовать пакет Pspice. Выбор Pspice в качестве моделирующей программы обусловлен следующими причинами.
Во-первых, Pspice в течение ряда лет считается эталонной программой схемотехнического моделирования и широко используется как в промышленности, так и в учебном процессе ведущих университетов. Вовторых, алгоритмы SPICE используются практически во всех других программах схемотехнического моделирования. Немаловажным является и тот факт, что имеются свободно распространяемые студенческие версии программы.
2.1. Операционные усилители на биполярных транзисторах Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления и высокое входное сопротивление. В настоящее время операционные усилители выпускают в виде интегральных микросхем. Они содержат большое число элементов (транзисторов и диодов), но по размерам и стоимости близки к отдельным транзисторам. Типичные параметры интегрального ОУ следующие:
Rвх > 100 кОм, коэффициент усиления напряжения KU = 104–106.
Благодаря совершенным характеристикам операционных усилителей на их основе возможна реализация большого числа как линейных, так и нелинейных устройств. Вследствие своей надежности и универсальности операционный усилитель стал самым массовым элементом аналоговой схемотехники.
Типовая структура ОУ показана на рис. 1.1. Как правило, в ОУ используются расщепленные источники питания (напряжение питания составляет обычно от ± 2 до ± 18 В). За счет использования расщепленных источников выходное напряжение может принимать как положительные, так и отрицательные значения.
Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилитель. Его основное назначение – предварительное усиление дифференциального сигнала и ослабление синфазной составляющей. Наличие дифференциального входа позволяет легко включать внешние цепи обратной связи. Коэффициент усиления входного каскада не превышает нескольких десятков.
Второй каскад реализуется на основе схемы с общим эмиттером. Он обеспечивает основную долю коэффициента усиления напряжения. Третий, выходной каскад – повторитель напряжения. Его назначение – усиление мощности выходного сигнала. Выходное сопротивление повторителя напряжения низкое и не превышает 100 Ом.
В интегральных усилителях для смещения рабочих точек транзисторов используют источники тока. Такие источники реализуют на основе отражателей тока. Преимущество таких цепей смещения заключается в том, что отражатели тока имеют большее внутреннее сопротивление и при этом занимают меньшую площадь, чем резисторы большого номинала. Один отражатель тока может формировать токи смещения нескольких каскадов усиления.
Рассмотрим примеры простейших операционных усилителей на биполярных транзисторах, характеризующие основные особенности схемотехники интегральных ОУ.
2.2. Простейший трехкаскадный ОУ Схема простейшего операционного усилителя показана на рис. 1.2.
Первым каскадом является дифференциальный усилитель на транзисторах VT1 и VT2. Он обеспечивает предварительное усиление дифференциальной составляющей и одновременно подавление синфазной составляющей входного сигнала. Режим транзисторов по постоянному току определяется напряжением питания и величиной резистора R0.
Второй каскад реализован на p–n–p-транзисторе VT3, включенном по схеме с общим эмиттером. Использование транзистора p–n–p-типа во втором каскаде обеспечивает сдвиг уровня постоянного напряжения на выходе усилителя. Это необходимо для того, чтобы уменьшить постоянную составляющую выходного напряжения до минимального значения. За счет этого переменная составляющая выходного напряжения может принимать как положительные, так и отрицательные значения.
Конденсатор С создает частотно-зависимую отрицательную обратную связь во втором каскаде. Частотная коррекция необходима для того, чтобы устранить автоколебания, которые могут возникнуть при подключении внешних цепей обратной связи.
Коэффициент усиления напряжения двухкаскадной схемы на рис. 1. может достигать нескольких тысяч. Однако коэффициент усиления тока невелик. Следовательно, мал и коэффициент усиления мощности. К тому же усилитель имеет значительное выходное сопротивление, достигающее нескольких кОм. Эти недостатки можно устранить, включив на выходе эмиттерный повторитель (рис. 1.3). Он обеспечивает усиление мощности выходного сигнала. Выходное сопротивление такой схемы составляет всего несколько десятков Ом.
Расчет постоянных составляющих токов и напряжений в схеме ОУ на рис. 1.3. Для упрощения расчетов полагаем, что коэффициент >> 1, так что для всех транзисторов I к I э. Все транзисторы работают в активном режиме, поэтому U бэ = 0.7 В.
1. Рассчитываем сопротивление резистора R0, обеспечивающего заданные значения токов покоя транзисторов VT1 и VT2.
2. Поскольку схема входного каскада симметрична, токи коллекторов VT1 и VT 3. Напряжения коллектора VT 4. Напряжение эмиттера p-n-p транзистора VT3 U э3 = U к1 + 0.7.
5. Ток эмиттера VT 6. Напряжение коллектора VT3 U к 3 = Eэ + Rк 3 I к 3.
7. Выходное напряжение U вых = U к 3 + 0.7.
2.3. Операционный усилитель с отражателем тока во входном каскаде В интегральных усилителях цепи смещения транзисторов реализуют на основе отражателей тока. Преимущество таких цепей смещения заключается в том, что отражатели тока имеют большое внутреннее сопротивление и при этом занимают меньшую площадь, чем резисторы большого номинала.
ОУ, изображенный на рис. 1.4, имеет структуру, аналогичную структуре трехкаскадного усилителя на рис. 1.3. Отличие заключается в том, что цепью смещения дифференциального каскада является отражатель тока на транзисторах VT5, VT6. Такая схема обеспечивает значительно большее ослабление синфазного сигнала.
Требуемое значение тока смещения I 0 задается резистором R0. Его величина рассчитывается по формуле Остальные токи и напряжения рассчитываются так же, как и в схеме на рис. 1.3.
2.4. Четырехкаскадный ОУ ОУ на рис. 1.5 имеет четыре каскада усиления. Первый каскад образован транзисторами VT1 и VT2. Он имеет дифференциальный вход и дифференциальный выход. Смещение рабочей точки транзисторов создается отражателем тока, реализованным на транзисторах VT3 и VT9. Вторым каскадом является дифференциальный усилитель на транзисторах VT4 и VT5. Смещение создается источником тока на транзисторе VT6. Выходной сигнал снимается с коллектора VT5.
Третий каскад реализован на p-n-p транзисторе VT7. Этот каскад обеспечивает дополнительное усиление схемы. Однако его главное назначение – сдвиг постоянной составляющей напряжения.
Последним каскадом ОУ является эмиттерный повторитель на транзисторе VТ4. Его назначение – усиление мощности выходного сигнала и обеспечение малого выходного сопротивления ОУ.
Расчет постоянных составляющих токов и напряжений в схеме ОУ на рис. 1.5. Для упрощения расчетов полагаем, что коэффициент >> 1, так что для всех транзисторов I к I э. Все транзисторы работают в активном режиме, поэтому U бэ = 0.7 В.
1. Рассчитываем сопротивление резистора R9, обеспечивающего заданное значение тока смещения I 2. Поскольку схема входного каскада симметрична, токи коллекторов VT1 и VT 3. Напряжения коллекторов VT1 и VT 4. Для обеспечения нужного тока смещения для второго каскада транзистор VT6 образован четырьмя транзисторами, соединенными параллельно.
Поэтому 5. Второй каскад – дифференциальный усилитель, и ток делится поровну между транзисторами VT4 и VT 6. Напряжение коллектора пятого транзистора 7. Напряжение коллектора второго транзистора подается на базу VT5.
Поэтому U б 5 = U к 2, а напряжение эмиттера VT 8. Напряжение эмиттера p-n-p транзистора VT 9. Токи коллектора и эмиттера VT 10. Напряжение коллектора VT 11. Выходное напряжение ОУ меньше напряжения U к 7 на величину U бэ :
2.5. Расчет и моделирование интегрального усилителя Схемы усилителей показаны на рис. 1.4 и 1.5. Необходимо:
1.1. Рассчитать постоянные составляющие токов и напряжений в схеме усилителя. Значения элементов указаны в табл. 1.1. Считать, что коэффициент >> 1, так что для всех транзисторов I к I э. Напряжения эмиттерных переходов U бэ = 0.7 В.
1.2. Определить коэффициенты усиления каскадов усилителя. Для упрощения расчетов принять, что входное сопротивление следующего каскада бесконечно велико.
1.3. В схеме токового зеркала рассчитать сопротивление резистора, обеспечивающее заданное значение выходного тока I 0. Значение тока приведено в табл. 1.1.
1.4. С помощью программ схемотехнического моделирования рассчитать частотные и временные характеристики ОУ, построить передаточные характеристики для дифференциальной и синфазной составляющих входного сигнала.
1.5. По результатам моделирования определить коэффициент усиления дифференциальной составляющей входного сигнала 2.6. Рекомендации по моделированию операционных усилителей В схемах ОУ на рис. 1.4, 1.5 можно использовать модель n-p-n транзистора Q2N3904 и модель p-n-p транзистора Q2N3906 (VT3) из библиотеки EVAL.slb. В схеме ОУ на рис. 1.5 использовать модель n-p-n транзистора Q2N3904 (кроме VT6) и модель p-n-p –транзистора Q2N3906 из библиотеки EVAL.slb. Транзистор VT6 реализовать в виде параллельного соединения двух мощных n-p-n транзисторов (например, Q2N2222).
3. Активные фильтры 3.1. Общие сведения об активных фильтрах устройство, реализованное на основе резисторы, конденсаторов и активных элементов (как правило, операционных усилителей). Активные фильтры широко используют в геофизической, медицинской аппаратуре, устройствах связи. В простых случаях активный фильтр представляет каскадное соединение звеньев второго-первого порядков (рис. 2.1).
Передаточная функция такого фильтра представляет произведение сомножителей второго порядка:
Преимущества каскадной реализации заключаются в простоте расчета и настройки фильтра.
Рассмотрим подробнее передаточные функции звеньев второго порядка. В общем случае передаточная функция звена имеет вид Параметры p и Q p определяют полюсы передаточной функции:
При Q p > 0.5 полюсы p 1, 2 комплексно-сопряженные. Параметр p называют частотой, а Q p – добротностью реализуемой пары полюсов.
Коэффициенты числителя передаточной функции определяют расположение нулей передачи и соответственно тип передаточной функции. Передаточную функцию фильтра нижних частот получим, предположив a 2 = a1 = 0 :
Нули передачи фильтра верхних частот расположены в начале координат, поэтому Передаточная функция полосно-пропускающего фильтра В практике проектирования активных фильтров используется большое число схем, реализующих передаточные функции первого и второго порядков. Простейшими являются схемы на одном ОУ с положительной обратной связью. На рис. 2.2 показан фильтр нижних частот Саллена – Ки.
Он назван так по фамилиям инженеров П. Саллена и Э. Ки, предложивших первые практические схемы активных фильтров.
Операционный усилитель, резисторы R3 и R4 реализуют неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления K = (R3 + R4 ) R4.
Передаточная функция фильтра Для реализации фильтра верхних частот необходимо поменять местами резисторы R1, R2 и конденсаторы C1, C2. Достоинства фильтра Саллена – Ки – простота структуры, минимальное число активных элементов.
Последнее особенно важно в тех случаях, когда необходимо уменьшить мощность, потребляемую фильтром.
Для реализации передаточных функций полосно-пропускающих фильтров с невысокой добротностью полюсов ( Q p 10 ) используют звенья с многопетлевой обратной связью (рис. 2.3).
Передаточная функция фильтра, показанного на рис. 2.3, С помощью звеньев на одном ОУ можно реализовать и передаточные функции второго порядка с нулями передачи на мнимой оси.
Однако такие звенья содержат большое число пассивных элементов. В частности, число конденсаторов может достигать трех-четырех.
Значительно сложнее и процедуры расчета таких звеньев.
Главным недостатком звеньев на одном ОУ является высокая чувствительность характеристик к изменениям коэффициента усиления активного элемента. Особенно сильно это проявляется при реализации высокодобротных полюсов. В таких случаях используют звенья на нескольких ОУ. Их основные преимущества перед звеньями на одном ОУ заключаются в меньшей чувствительности характеристик, простоте регулировки и настройки. К тому же с точки зрения технологии интегральных схем минимизировать число активных элементов нецелесообразно. Поэтому звенья на нескольких ОУ часто оказываются более предпочтительными.
Универсальное звено на трех ОУ, реализующее одновременно передаточные функции ФНЧ, ФВЧ и ПФ, показано на рис. 2.4. Схема звена содержит два интегратора и сумматор. В зависимости от того, какой узел используется в качестве выходного, можно реализовать одну из трех передаточных функций:
Звенья на трех ОУ используют в универсальных модулях, изготавливаемых в виде интегральных схем. Такой модуль включает ОУ, конденсаторы и резисторы. Микросхема содержит внешние выводы для подключения источника питания, источника входного сигнала, а также регулировочных резисторов. С помощью таких резисторов можно регулировать характеристики фильтра (частоту p и добротность полюсов Q p ). Модуль позволяет реализовать любую из передаточных функций (2.6).
Расчет и моделирование активного фильтра 3.2.
1. Синтезировать активный фильтр, реализующий частотную характеристику в соответствии с номером варианта. Исходные данные для расчета приведены в табл. 2.1. Исходными данными являются центральная частота f 0, добротность Q, коэффициент усиления в полосе пропускания, емкости конденсаторов. Схемы фильтров и алгоритмы расчета приведены в табл. 2.2.
2. Определить частотные и временные характеристики синтезированного фильтра.
3. Оценить влияние разброса значений элементов на частотные и временные характеристики синтезированного фильтра.
схемы 3. Рассчитываем значения элементов 2. 2. Определяем вспомогательный параметр 3. Рассчитываем элементы схемы по формулам 2. 2.Определяем параметры K = 2f 0 C ;
3. Рассчитываем значения элементов 2. 2. Определяем параметры 3. Рассчитываем значения элементов 2. 3. Рассчитываем значения элементов 2. 2. Рассчитываем значения элементов 1. Рассчитываем R0 = 2.17 1. Рассчитываем R0 = Рис. 2. Рис. 2. Рис. 2. Рис. 2. 3. Методические рекомендации по моделированию электронных схем 1. Исследование трехкаскадного усилителя.
1.1. Собрать схему усилителя, соответствующую варианту и установить значения элементов и напряжения питания. Примеры схем показаны на рис. 3.1 и 3.2.
1.2. Включить на входе источники дифференциального и синфазного сигналов (источники синусоидального напряжения VSIN из библиотеки SOURCE.slb).
1.3. В режиме DC Sweep построить передаточные характеристики для дифференциальной и синфазной составляющих входного сигнала.
1.4. По графикам передаточных характеристик определить коэффициент усиления и динамический диапазон дифференциального и синфазного сигналов.
1.4. В режиме AC Sweep построить амплитудно-частотные характеристики для дифференциального и синфазного сигналов.
Определить коэффициент усиления и частоту среза АЧХ для дифференциальной и синфазной составляющих сигнала.
1.5. По результатам моделирования определить коэффициент ослабления синфазной составляющей K ОСС.
2. Исследование четырехкаскадного усилителя на рис. 3.2.
«