Синтез аналоговых фильтров

Рассмотрим возможности расчета аналоговых фильтров с помощью встроенной подпрограммы Design.Эта подпрограмма позволяет синтезировать активные и пассивные фильтры с различными типами аппроксимации частотных характеристик. Меню Designсодержит две команды Active Filtersи Passive Filters, которые имеют одинаковые диалоговые окна, показанные на рисунке 5.28.

а)

б)

Рисунок 5.28 – Диалоговые окна расчета фильтров

На закладке Design выбираются и задаются следующие параметры:

1. Тип фильтра — Low-Pass – ФНЧ,

High-Pass – ФВЧ,

Band-Pass – полосовой фильтр,

Notch – режекторный фильтр.

2. Тип аппроксимирующего полинома — Баттерворта, Чебышева, инверсный Чебышева или эллиптический.

3. Выбирается способ задания параметров АЧХ фильтра — Mode 1илиMode 2 и задаются числовые значения этих параметров в соответствующих окнах. Названия этих окон расшифровываются на схематическом рисунке.

4. В области Pole and Zeros выводятся численные значения рассчитанных нулей и полюсов синтезированного фильтра.

На закладке Implementation щелчком мыши по графе Circuit выбирается тип реализации пассивного фильтра (Standart или Dual) или тип схем отдельных звеньев активного фильтра (Sallen-Key, Fleischer-Tow или Tow-Tomas). Кроме того, при синтезе активных фильтров выбирается тип операционных усилителей (Opamp Model to Use). Масштабный коэффициент Impedance Scale Factor используется для изменения значений параметров всех пассивных компонентов.

На закладке Options выбирается формат представления числовых значений параметров компонентов фильтра и параметров передаточных функций, а также выбираются перечень характеристик, графики которых необходимо построить при нажатии кнопки Bode. Пример построения графиков АЧХ и ФЧХ, а также переходной характеристики полосового фильтра приведен на рисунке 5.29.

Рисунок 5.29 – Частотные и переходная характеристики

синтезированного фильтра

На панели Create выбирается тип реализации фильтра: Circuit — в виде принципиальной схемы, Macro — в виде макромодели (рисунок 5.30).

а)

б)

Рисунок 5.30 – Результаты синтеза пассивного фильтра

Отметим, что схема фильтра в виде макромодели содержит цепи для снятия частотных и переходных характеристик — генераторы Impulse и Step. Кроме того, на схемах приводятся передаточные функции низкочастотного фильтра-прототипа и синтезированного фильтров.

5.2.10 Расчет уровня внутреннего шума

В математических моделях компонентов, принятых в программе МС9, так же как и в программе PSpice, учитываются тепловые, дробовые и низкочастотные. Спектральные плотности шума от отдельных источников суммируются. В качестве спектральной плотности выходного шума (размерность В²/Гц) рассчитывается спектральная плотность напряжения между узлами схемы, указанных в спецификации Noise Output. Если в качестве источника входного сигнала включается источник напряжения, то на вход пересчитывается спектральная плотность напряжения, а если источник тока, то спектральная плотность тока. В результате расчета уровня шума на графиках и в таблицах выводятся значения квадратного корня из спектральной плотности напряжения шума (размерность В/ÖГц) или спектральной плотности тока шума (размерность А/ÖГц).

5.2.11 Многовариантный анализ

В меню трех видов анализа Transient, AC и DC имеется диалоговое окно Stepping(вызывается также нажатием иконки ), с помощью которого производится вариация от одного до 20 параметров. В нем (рисунок 5.31) содержатся следующие строки.

Рисунок 5.31 – Окно задания параметров пошагового анализа

Step What — на верхней строке указывается имя компонента и имя его варьируемого параметра. Содержание этой строки зависит от выбранного ниже типа параметра: Component, Model или Symbol.

Parameter Type — тип вариации параметров. Если выбран тип Component, то нажатие на кнопку в первой строке открывает список имен компонентов, содержащихся в схеме, например, С1, С2, СЗ, D1, L1, R1, V2, V3. Если в этом списке выбрать простой компонент, имеющий единственный параметр, например конденсатор, то справа на первой строке появится стандартное имя Value (обозначающее значение параметра). Если же выбранный компонент имеет модель или макромодель (описываемую по директивам .MODEL или .SUBCKT), то справа на первой строке нужно выбрать имя ее параметра.

Если выбран тип Model, то нажатие на кнопку в первой строке открывает список имен моделей, и справа на первой строке нужно выбрать имя варьируемого параметра выбранной модели. Например, в первой строке слева можно указать тип модели NPN 2N699 (n-p-n транзистор), а справа — имя одного из его параметров, например BF (статический коэффициент усиления). По этому способу варьируются параметры всех компонентов, имеющих выбранную модель. Так в данном примере варьируются параметры BF всех транзисторов, имеющих модель 2N699.

Если выбран тип Symbolic, то становится доступен список параметров, определенных по директиве .define.

From — начальное значение параметра. При выборе логарифмической шкалы оно должно быть больше нуля.

То — конечное значение параметра. При выборе логарифмической шкалы оно должно быть больше нуля.

Step Value — величина шага параметра. При линейной шкале она прибавляется к начальному значению, а при логарифмической шкале умножается на текущее значение параметра.

Step It — включение режима вариации параметров (Yes) или его выключение (No).

Method — характер изменения варьируемого параметра:

Linear — линейная шкала;

Log — логарифмическая шкала;

List — список значений.

Change — метод изменения нескольких параметров:

Step all variables simultaneously — одновременное изменение всех варьируемых параметров, в этом случае количества вариаций всех параметров должны быть равны между собой

Step variables in nested loops — поочередное (вложенное) изменение варьируемых параметров, в этом случае во внешнем цикле изменяется переменная на 1-ой закладке.

Перед выполнением вариации параметров рекомендуется убедиться, что моделирование выполняется без ошибок при номинальном значении параметров.

При вариации параметров резисторов, конденсаторов или индуктивностей, задаваемых математическими выражениями, эти выражения во внимание приниматься не будут, а значения параметров будут рассчитываться или назначаться в соответствии с командами режима Stepping.

В заключение отметим, что графики, полученные путем многовариантного анализа можно пометить, чтобы знать какому значению варьируемого параметра соответствует каждая кривая. Осуществляется это с помощью команды SCOPE/Label Branches.

5.2.12 Параметрическая оптимизация

Данный режим моделирования предназначен для того, чтобы добиться максимального приближения интересующей характеристики исследуемого устройства к заданной. Параметрическая оптимизация выполняется в программе МС9 методом Пауэлла (Powell) в любом из видов анализа: анализ переходных процессов, АС-анализ и расчет характеристик на постоянном токе DC.

Порядок работы в данном режиме и последовательность действий таковы:

1. Составляется схема моделируемого устройства, выбирается вид анализа и производится расчет интересующих характеристик.

2. Нажатием на иконку вызывается окно задания параметров режима параметрической оптимизации (рисунок 5.32). В окне вводится необходимая информация и запускается расчет нажатием кнопки Optimize.

3. Нажатие на кнопку Applyпереносит рассчитанные оптимальные значения параметров на схему. После этого вновь запускается анализ.

В окне оптимизации вводится следующая информация.

Кнопки предназначены для удаления/добавления строки оптимизируемого параметра.

Parameter — выбор оптимизируемых параметров.

Low — минимальное значение оптимизируемого параметра.

High — максимальное значение оптимизируемого параметра.

Step — шаг изменения оптимизируемого параметра (вводится при выборе метода Stepping Powell).

Current — текущее значение оптимизируемого параметра.

Optimized — оптимизированное значение параметра. Оно индицируется после выполнения процедуры оптимизации.

Get — вызов целевой функции оптимизации.

To — величина, к которой должно приблизиться значение целевой функции.

Current — текущее значение целевой функции.

Optimized — оптимальное значение целевой функции.

Error — ошибка в достижении критерия.

Method — выбор метода оптимизации:

Standard Powell — стандартный метод оптимизации Пауэлла.

Рисунок 5.32 – Диалоговое окно составления задания на оптимизацию

Stepping Powell — согласно этому методу параметры изменяются от значения Low до значения High с шагом Step. На каждом шаге изменения параметров применяется стандартный метод Пауэлла.

RMS Error — корень квадратный из суммарной ошибки (разности между целевой функцией и ее фактической величиной).

Constraints — ограничения типа неравенств и равенств, записываемые на четырех строках, например, PD(R1)<=100m, V(Out)>=1.2, VCE(Q1)*IC(Q1)<=200m.

Optimize — начало оптимизации.

Stop — остановка оптимизации.

Apply— изменение на схеме значения параметров в соответствии с результатами оптимизации.

Format — выбор формы представления чисел.

Close — завершение режима оптимизации.

Примеры использования режима параметрической оптимизации будут рассмотрены ниже.