Расчет режима по постоянному току Dynamic DC

После того как создана принципиальная схема устройства переходят к расчету характеристик, выбирая в меню Analysis один из видов анализа. Рассмотрим основные из них.

Данный режим предназначен для расчета по постоянному току и динамическому отображению на схеме узловых потенциалов, токов ветвей, рассеиваемой мощности и состоянию p-n переходов полупроводниковых компонентов.

После создания схемы и выбора режима анализа Dynamic DC появляется окно, показанное на рисунке 5.8., в котором с помощью следующих иконок выбираются выводимые на экран параметры расчета.

Рисунок 5.8 – Окно задания параметров расчета Dynamic DC

— номер или имя узла;

— потенциал аналогового узла относительно «земли» или логическое состояние цифрового узла;

— ток ветви;

— мощность, выделяемая на компоненте;

— состояние p-n переходов полупроводникового компонента: LIN –линейный режим, ON – переход открыт, OFF – переход закрыт, SAT – режим насыщения.

Отметим, что если в закладке меню Options>Preference выбран параметр Options Show Slider, то на схеме у изображений источников постоянного напряжения и пассивных компонентов размещаются движковые регуляторы и при их перемещении курсором происходим изменение номинальных значений этих компонентов. При этом, на схеме отображаются новые значения режима по постоянному току.

Использование режима Dynamic DCпозволяет в процессе изучения основ теории цепей убеждаться в справедливости законов Ома, Кирхгофа и т.д. Кроме того, при расчете и моделировании схем, содержащих полупроводниковые компоненты, достаточно просто выбрать номинальные значения резисторов схемы для обеспечения нужного режима работы транзисторов.

На рисунке 5.9 показан результат расчета однокаскадного усилителя по постоянному току. На схему выведены потенциалы узлов, направления и величины токов в ветвях и режим транзистора.

Рисунок 5.9 – Расчет режима по постоянному току.

5.2.6 Расчет передаточных функций по постоянному току DC

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. В анализе DC программа закорачивает индуктивности, исключает из схемы конденсаторы и затем рассчитывает режим по постоянному току при нескольких значениях уровня источников тока или напряжения. Как правило, режим анализа DC и используется для двух целей: построения вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов и снятия передаточных характеристик усилителей постоянного тока.

После перехода в режим DC программа МС9 проверяет правильность схемы. При отсутствии ошибок программа составляет топологическое описание схемы, выполняет подготовку к численному расчету нелинейных уравнений и открывает окно задания параметров моделирования DC Analysis Limits (рисунок 5.10).

Рисунок 5.10 – Окно задания параметров расчета в режиме DC

Run — начало моделирования.

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.

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 системы помощи.

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]]; Log — логарифмический; List — в виде списка значений, разделяемых запятыми).

В графе Name из списка 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.

Temperature — диапазон изменения температуры в градусах Цельсия; при выборе параметра Linear имеет формат High[,Low[,Step. 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.

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.

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.

Иконки , , , , предназначены для переключения между логарифмической и линейной шкалой по осям X и Y и изменения цвета выбранного графика.

В колонке 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.

Пример.

Рассчитаем так называемую стоковую характеристику полевого транзистора — зависимость тока стока Id от напряжения сток-исток Vds при различных напряжениях затвор-исток Vgs. В качестве транзистора выберем транзистор 2N 3369 — полевой транзистор с управляющим p-n переходом.

Для этого создаем схему «снятия» характеристик транзистора, выбираем режим расчета DC и в появившемся окне задаем параметры анализа: пределы изменения и шаг напряжения сток-исток Vds и напряжения затвор-исток Vgs . В качестве параметра вывода выбираем величину тока стока Id , а также активизируем режим автомасштабирования. Результаты расчета показаны на рисунке 5.11.

Рисунок 5.11 – Пример расчета в режиме DC выходных характеристик

полевого транзистора

Пример.

Рассчитаем передаточную характеристику дифференциального усилителя — зависимость уровня выходного напряжения от уровня входного напряжения.

В режиме DC задаем пределы изменения входного сигнала – напряжение источника постоянного напряжения V1. Параметр вывода – разность напряжений на дифференциальных (противофазных) выходах усилителя V(Outb)- V(Outa). Чтобы не задумываться о вертикальных границах графика выбираем режим автомасштабирования.

Запускаем режим расчета Run и получаем следующие результаты (рисунок 5.12).

Рисунок 5.12 – Пример расчета в передаточной характеристики дифференциального усилителя

Пример.

Наиболее перспективными для интегрального исполнения являются схемы электронных ключей на полевых транзисторах с индуцированными каналами разных типов проводимости. Такие схемы называют схемами на комплементарных парах, сокращенно КМОП.

В этих схемах в каждом из установившихся состояний один из транзисторов открыт, а другой закрыт и поэтому ключ практически не потребляет тока.

Достоинствами таких схем являются очень низкая потребляемая мощность и высокое быстродействие. Пример расчета передаточной характеристики ключа, построенного на транзисторах КМОП показан на рисунке 5.13.

Рисунок 5.13– Передаточная характеристика электронного ключа на комплементарной паре