Microcap 12 как пользоваться

Microcap 12 как пользоваться

При самостоятельной сборке усилителя мощности первый вопрос, который появляется это "КАКУЮ СХЕМУ ВЫБРАТЬ?" . Собрать для самостоятельной проверки все, даже самые популярные схемы не реально — слишком дорого, да и времени для этого потребуется не мало. Поэтому и предлагается не спаять, а смоделировать самые популярные усилители и уже на основе данных, полученных от результатов моделировани делать выводы, на каком именно усилителе остановить свой выбор.
Ну а использование предлагаемого комплекта плат позволит не только собрать но и попробовать варианты которые вызвали колебание при выборе.

МИКРОКАП 8
ЗНАКОМСТВО

В качестве симулятора будет использоваться МИКРО-КАП-8, который лучше скачать ЗДЕСЬ, поскольку он дополнен всеми упоминаемыми в статье моделями.
Архив следует распаковать по адресу: C:\Program Files. В этом случае не придется переназначать библиотеки с элементами. Внутри распакованной папки получится несколько рабочих файлов самого симулятора и две папки — DATA, в которой хранятся модели схем и LIBRARY, в которой хранятся модели компонентов. Для имеющегося в этой же папке файла лучше сделать ярлык на рабочем столе.

Для дальнейшей работы лучше провести небольшую разминку и немного ближе познакомиться с симулятором и его возможностями. Для этого следует запустить МС-8 и немного ознакомиться с имеющимися кнопками управления. Пожалуй сразу следует оговориться — самым подробным образом данный симулятор изучаться не будет, поскольку это займет объем книги, но ни как не статьи. Поэтому описание будет дано далеко не всем имеющимся кнопкам и функциям, а только используемым в данных примерах. По мере продвижения к финалу будут даваться подсказки и примеры возможных способов получения некоторых промежуточных данных.

ПЕРВАЯ СХЕМА И ПЕРВИЧНЫЙ АНАЛИЗ

Далее следует открыть файл с первым примером:

На открывшейся схеме три базовых варианта включения транзистора, но схема "наляпистая", поскольку рисовалась на скорую руку и ее нужно немного окультурить. Для этого нажимаем следующее:

В этом случае на новом диалогом окне следует выбрать как вам удобней нумерация элементов — сверху-вниз или слева-направо. Для согласование описание и результатов полученных Вами следует выбрать переименование СВЕРХУ-ВНИЗ и нажать ОК .
Ну а теперь можно немного посмотреть как собственно эти транзисторы работают. В первую очередь следует проверять режимы по постоянному току, поскольку если транзисторы не будут находиться в рабочих режимах дальнейшие проверки бессмысленны — схема работать не будет. Для этого нажимаем:

Появляется следующее диалоговое окно:

Здесь предлагается выбрать отображаемые величины, в данном случае будут отображатся ТЕКСТ, НОМИНАЛЫ И ПОРЯДКОВЫЕ НОМЕРА ЭЛЕМЕНТОВ, НАПРЯЖЕНИЯ В ТОЧКАХ СОЕДИНЕНИЯ, можно включить отображение порядковых номеров соединительных точек, протекающих токов, рассеиваемых мощностей, логическое состояние и соединительные точки. Все это будет просчитано для температуры элементов 27 град Цельсия. Последним окошком является шаг погрешности. Можно конечно уменьшить, но это только займет больше времени на расчеты, без какой либо практической пользы. Если в предлагаемом меню все устраивает следует нажать кнопку ОК. Должна получится следующая схема:

В самом верху схема с общим коллектором, ниже — с общим эмиттером, ну и в самом низу — с общей базой . Как видно из схемы питание составляет 20 В, на левой стороне разделительных конденсаторов С4-С6 примерно половина напряжения питания, т.е. транзисторы находятся в оптимальном режиме работы. В качестве источника V1 используется генератор синусоидального сигнала из библиотеки:

Теперь можно воспользоваться чем то похожим на осциллограф, т.е. произвести анализ получившейся схемы:

Экран разделился на две части — в правой находится схема, а в левой — пустой экран, а возле курсора, если водить его по схеме появился значок V( ) .Теперь, если навести курсор на интересующую точку в левом окне появится график, соответствующий форме, амплитуде и длительности напряжения в этой точке, т.е. по сути тоже самое, что показывает обычный осциллограф. Для начала стоит попробовать верхний вывод генератора синусоидального сигнала:

На рисунке видно, что "осциллограмма" совсем не похожа на предполагаемую синусоиду. И не будет. У нас поставлена частота 200 Гц, а "развертка" данного "осциллографа" по умолчанию — 1мкС, следовательно это лишь фрагмент искомой синусоиды. Для того, чтобы поменять "развертку" следует воспользоваться соответствующим переключателем, определяющим время расчета параметров:

В меню которого необходимо выбрать желаемое время отображения, т.е. " развертку ":

Теперь получилась синусоида, правда несколько угловатая, тем не менее на основании ее вида уже можно делать некоторые выводы о форме сигнала. Разумеется, что вид синусоиды можно изменить — сделать более качественным, но это не принципиально — для оценки искажений сигнала есть более точные средства.

Нажимая повторно на верхний вывод генератора выключается изображение и теперь можно проверить что происходит на выходах однокаскадных транзисторных усилителей OUT1-OUT3. Для этого по порядку подводим курсор к точкам OUT и нажимаем левую кнопку мышки. В результате в окне "осциллографа" появляется следующие "осциллограммы":

Синий "луч" — OUT1 , красный — OUT2 , зеленый — OUT3 . Как видно из рисунка наиболее приемлемы является сигнал с OUT1 и это не случайно — транзистор Q1 работает по схеме с общим коллектором, т.е. в режиме эмиттерного повторителя и изменений в амплитуду сигнала не вносит, поскольку усиливается только ток, т.е. увеличивается нагрузочная способность. Для выяснения истинного, не искаженного выходного сигнала следует уменьшить выходное напряжение генератора. Для этого следует щелкнуть дважды по изображению генератора и изменить амплитуду выходного напряжения. Кстати сказать — МИКРОКАП измеряет и показывает АМПЛИТУДНОЕ значение синусоидального напряжения, следовательно для вычисления ДЕЙСТВУЮЩЕГО значения необходимо получаемые величины делить на 1,414.
После уменьшения амплитуды напряжения с генератора с 1 В до 0,01 В, т.е. в 100 раз еще раз проверяем напряжения на выходах однокаскадников:

На рисунке по прежнему синяя линия OUT1 , красная — OUT2 , а зеленая — OUT3 . Как видно амплитуда синей линии практически нулевая, по сравнению с красной и зеленой, из этого можно сделать вывод, что максимальное усиление амплитуды происходит в однокаскадном усилителе по схеме с общим эмиттером. Однако учебники по электронике доказывают, что как раз максимальное усиление напряжения дает схема с общей базой. Однако данный опыт не ставит под вопрос правдивость учебников, а лишь лишний раз доказывает, что в электронике имеются некоторые условности позволяющие называть каскады так или иначе, хотя в чистом виде как в учебника эти каскады не выглядят, ведь классический каскад выглядит несколько иначе:

Модель данного каскада не выкладывается, а предлагается самостоятельно нарисовать данную схему и подбором резисторов и напряжения смещения V1 добиться максимального усиления.
Теперь можно попробовать снять характеристики полученных усилителей. Первой следует попробовать амплитудо-частотную. Для этого следует через меню АНАЛИЗ выбрать пункт ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

Далее настраиваем окно расчетов до получения следующего вида:

После настройки следует нажать ВЫПОЛНИТЬ, т.е. RUN. в итоге получается три графика АЧХ, поскольку были заданы параметры для трех точек:

Рисунок обрезан — линии почти ровные до 20 кГц, а самое главное здесь видно. Из рисунка можно сделать вывод, что самый верхний транзистор имеет отрицательный коф. усиления, второй практически 49 дБ, ну а самый нижний порядка 25 дБ.
У МИКРОКАП есть один, довольно существенный плюс — ведя курсор по линии он показывает точное значение параметров именно в той точке, над которой сейчас находится курсор, т.е. для более точных измерений не нужно зауживать диапазоны.
Осталось выяснить еще один параметр, важный для усилителей — уровень искажений. .

Для простоты вывода результатов лучше немного подкорректировать предлагаемое по умолчанию заполнение:

Прежде всего стоит определиться на какой частоте производить замеры. Обычно двух-трех базовых частот достаточно, поэтому лучше использовать кратные частоты — предлагаемые 10 кГц, т.е. использовать 5 кГц, 2,5 кГц, 20 кГц. Для ввода частоты служит самое верхнее окошко ввода.
Ниже его находится окошко выбора источника, V2 как раз используется как источник сигнала для исследуемой схемы.
Еще ниже окно, в котором выставляется амплитуда входного сигнала. Еще раз — АМПЛИТУДА, но не действующее значение.
Еще ниже — окошко, в котором указывается на какой точке схемы исследовать искажения, затем — температура при которой производить "замер", еще ниже — в течении какого количества периодов следить за уровнем искажений.
Ниже — величина шага времени расчетов. Для звуковой техники этот параметр можно не трогать.
Далее выбираются результаты "замеров", для скрупулезного анализа лучше пользоваться первыми двумя, но это уже для более профессионального использования, поэтому лучше воспользоваться уже суммированной величиной всех искажений и использовать окошко с THD.
В самом нижнем окошке можно ни чего не ставить, но все же лучше им пользоваться — благодаря наглядному изображению выходного сигнала можно судить об амплитуде и соответственно определить не вошел ли усилитель в режим клиппинга.
Координатные сетки X и Y лучше вставить в режим автоматического масштабирования.
После всех манипуляций диалоговое окошко приобретет вид:

Другими словами заданы следующие параметры: частота входного сигнала 10 кГц от источника V2 с амплитудой 10 мВ. Контролировать сигнал в точке OUT2, т.е. на выходе каскада с общим эмиттером при температуре схемы 27 град в течении 5 циклов изменения входного сигнала с шагом времени 0,1 мкС и вывести на экран уровень THD и рисунок выходного сигнала, причем сделать это с автоматическим масштабированием обоих координат.
После нажатия кнопки RUN происходит просчет параметров исследуемой схемы и выдача результатов:

На экране появится следующий рисунок, который означает, что THD немного не дотягивает до 4,8 %, впрочем это даже видно на глаз — верхняя полуволна сигнала явно "притуплена" и это происходит при амплитуде переменной составляющей несколько больше 2-х вольт. В принципе для такого усилителя это вполне терпимые параметры, поскольку при более низком выходном напряжении искажения значительно меньше (уменьшите входное настолько, чтобы на выходе получилась амплитуда 1, а затем 0,5 В).

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ И ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ

Для проверки примеров из этого раздела потребуется скачать еще один архив и распаковать его в папку DATA .
Закон Ома проверяться не будет, хотя если кому то интересно, то это он уже может проделать самостоятельно.
Для начала рассмотрим схему параметрического стабилизатора напряжения, приведенного на рисунке ниже, модель experim01.CIR в папке Experimental СКАЧАТЬ.

Схема довольно проста и должна быть знакома многим. В данном примере в качестве вторичной обмотки трансформатора используется генератор синусоидального сигнала V1. Диодный мост на популярных не дифицитных диодах, да и остальные элементы не должны вызывать затруднений в опознании. В качестве нагрузки выступает R2.
После запуска РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ значения появляются, но вот они сильно отличаются от ожидаемых:

Модель генератора "вырабатывает" 30 В с частотой 50 Гц, однако после диодного моста ни каких 30 В нет. Но если вдуматься, то их и быть не может — генератор вырабатывает синусоиду в реальном времени и напряжение на нем постоянно меняется, т.е. является динамической величиной, следовательно для анализа данной схемы требуется не РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ, а ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ и запустив этот режим устанавливается "развертка" в 40m и выбираем проводник идущий на коллектор Q2.

На появившейся "осциллограмме" видно, но напряжение на коллекторе Q2 все таки есть, оно близко по значению к тому, что вырабатывает генератор, а так же отчетливо видна амплитуда пульсаций этого напряжения, связанная с тем, что емкость конденсатора С1 несколько меньше необходимого для данной схемы.
Так же стоит обратить внимание на то, что кнопки управления режимов отображения протекающих токов, напряжений и выделяемых мощностей активны и при их использовании появляются усредненные значения выбранных режимов.

Для эксперимента уменьшите номинал резистора R2 до 10 Ом и снова запустите ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ и теперь проверте "осциллограмму" на эмиттере Q2.

Как видно из рисунка на выходном напряжении появились явные провалы. Их источник найти довольно просто — достаточно "посмотреть" форму напряжения на коллекторе Q2 и станет ясно, что емкости конденсатора явно не хватает:

Нажав кнопку отображения рассеиваемой мощности станет ясно, что потребляемой мощности 18 Вт емкости конденсаторов следует увеличить.
Используя подобные схемы можно вычислять минимальную достаточность конденсаторов фильтров питания в источниках питания и уже потом не гадать по какой причине устройство работает не совсем так как хотелось и не перекраивать печатные платы добавляя конденсаторов. Так же можно определить сколько ватт будет рассеиваться на силовом транзисторе и уже на основании этого делать выводы о необходимом размере теплоотвода.
Следующим примером для экспериментов возьмем модель experim02.CIR .

По сути это компенсационный стабилизатор напряжения и изменен "трансформатор", который теперь имитирует источник постоянного напряжения V2, а генератор V1 имитирует напряжение пульсаций.
В отличии от предыдущего варианта этот стабилизатор уже может менять свое выходное напряжение и регулирующим является сопротивление резистора R4.
В этом варианте РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ уже работает вполне адекватно, поэтому запустив его можно изменять сопротивление R4 и проверить как изменяется напряжение.
Кроме штатных подсказок, выплывающих во время запуска РАСЧЕТА ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ можно использовать и некоторые элементы, позволяющие орентироваться в измеряемых величинах более традиционным способом, а именно используя измерительные приборы, светодиодные шкалы и отдельные светодиоды, а так же еще несколько элементов из меню ANIMATED.

Для начала добавим вольтметр

Сразу после установки METER на схему появляется диалоговое окно для выбора парметров этот "измерителя":

LOW — минимальное значение измеряемой величины, работоспособно только при AUTOSCALE=OFF
HIGH — максимальное значение измеряемой величины, работоспособно только при AUTOSCALE=OFF
SCALE — используемый множитель, например кило, микро и т.д.
AUTOSCALE — автоматическое изменение пределов измерения, положение ON удобней использовать при ANALOG OR DIGITAL=DIGITAL, т.е. цифровой. Положение OFF удобней при использовании ANALOG OR DIGITAL=ANALOG, т.е. аналоговый, стрелочный
ANALOG OR DIGITAL — переключатель вида "метера" — цифровой или стрелочный
AMPS OR VOLTS — измеряемая величина, амперы или вольты
После установки и выбора режимов работы (на рисунке выбран цифровой вид) получившийся вольтметр следует подключить к схеме

Однако показания вольтметра не изменились и не изменяться пока не будет запущен анализ схемы — РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ или ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ.

Таким же образом добавляется амперметр

Для большей наглядности кнопка отображением напряжения была отключена

В принципе эту схему можно оснастить довольно многими индикаторами:

Что то вроде светодиодного индикатора уровня, после установки на схему появляется окно выбора параметров:

LOW — минимальное значение индицируемого напряжения
HIGH — максимальное значение индицируемого напряжения
В качестве нагрузки используем двигатель:

После установки выставляются параметры:

Через меню ПРАВКА произведите перенумерацию элементов СВЕРХУ-ВНИЗ и в результате должна получиться следующая схема:

Изменяя R3 измените выходное напряжение данного стабилизатора, а за одно и проверьте работоспособность используемой измерительной аппаратуры.
Разумеется, что подобные схемы уже вряд ли кто будет собирать, поскольку КРЕНки серьезно потеснили дискретные стабилизаторы. Однако на этих примерах можно выяснить несколько довольно полезных вещей, а именно номиналы конденсаторов фильтров питания, а так же тепловую мощность на регулирующем элементе, ведь выделяемое тепло одинаково хоть для КРЕНки, хоть для дискретного транзистора.

Следующей схемой можно рассмотреть усилитель для наушников, состоящий из ОУ и двух эмиттерных повторителей на комплементарных парах. Модель данного усилителя experim03.CIR .

Чего то особенного в даном усилителе нет — однополярное питание, средняя точка формирутеся делителем напряжения на R1 и R2. Не смотря на видимою простоту хараткеритики данного усилителя для наушников вполне приемлемые, но могут быть улучшены переводом данной схемы на двуполярный источник питания. Это предлагается проделать самостоятельно и получить в финале ниже приведенную схему:

Качество схемы оставляет желать лучшего — потекла краска с принтера и некоторые номиналы придется подбирать самостоятельно. Остался только график THD:

Осталось попробовать заменить конденсатор С3 не полярным электролитом, т.е. конденсатором, собранным из двух элетролитических:

При РАСЧЕТЕ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ симуляция проиходит корректно, а вот после запуска ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ на экране монитора появляется далеко не дружелюбное окошко:

Если перевести по смыслу, то это означает, что в схеме ошибка — у одно из элементов не гальванической связи с землей, а чуть ниже указывается какой именно элемент висит, по мнению МИКРОКАП, в воздухе. В данном случае это конденсатор С3 и после нажатия кнопки ОК данный элемент выделяется.
Эту ситуацию можно отнести к специфике расчетов МИКРОКАП и для решения данной проблемы нужно "висящий" в воздухе вывод конденсатора соединить с общим проводом, но просто так, а через много киллоомный резистор:

После этого "изменрения производяться обычными способами, а введеный резистор R13 на плату, РЕАЛЬНУЮ плату не переносится

ПОЛНОЦЕННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
И БОЛЕЕ ПОДРОБНЫЙ АНАЛИЗ

С однокаскадным усилителем разобрались, с простым усилителем тоже, можно попробовать что ни будь посерьезней. Поэтому закрываем все открытые схемы и открываем другую — Shema02.CIR из папки SHEMS.
На экране появляется довольно старая схема автомобильного усилителя мощности на транзисторах:

На схеме выделено желтым — модель акустической системы с частой резонанса порядка 40 Гц и активным сопротивлением 4 Ома. Если планируется часто моделировать усилители, то модель АС лучше сохранить отдельным файлом и потом просто вставлять. Так гораздо быстрей, чем каждый раз рисовать новую. Однако и эта модель не совсем корректная — в реальной АС как правило 2-3 динамические головки + фильтры. При желании, уже самостоятельно можете разработать такую модель, однако предлагаемый вариант дает более точные расчеты по сравнения с обычно используемым резистором на 4 Ома и его вполне можно использовать для расчетов, давая поправку на то, что ЭТО широкополосная динамическая головка.
С3 выполняет роль разделительного конденсатора, а вот следующая за ним надпись OUT обозначает, что это ВЫХОД. Подобные надписи удобно расставлять в контрольных точках, которые наиболее интересны, т.е. ТОЧКЕ присваивается собственное имя и во время снятия характеристики именами намного проще пользоваться. Подобная контрольная точка выполняется нажатием кнопки ввода текста в подменю примитивов:
:

В данном случае интерес представляет ВЫХОД, соответственно набираем слово OUT, а затем полученное слово выделяется курсором и переносится вплотную к тому проводнику, за которым планируется осуществлять контроль.

Еще один маленький нюанс, который следует отметить — при "сборке" схемы — МИКРОКАП крайне редко пишет типы активных компонентов, т.е. по умолчанию проставляются номиналы только резисторов и конденсаторов. Однако это удобно далеко не во всех случаях. Для отображения типа элемента на схеме необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мышки по интересующему компоненту и в открывшимся окне параметров поставить галочку отображения типа компонента:

Теперь собственно можно приступить к снятию параметров. Первым лучше всего проверить величины постоянного напряжения, для этого нажимается:

Выплывает диалоговое окно, предлагающее выбрать что именно отображать и температурный режим. Предлагаемые параметры по умолчанию вполне приемлемы, поэтому просто следует нажать кнопку ОК. После этого схема "обрастает" дополнительными значениями, показывающими какое постоянное напряжение в какой точке:

На панели управления отображением нажата кнопка индикации напряжения, поскольку в диалоговом окне, всплывающем после нажатия РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ, изменений не было внесено, а была просто нажата кнопка ОК.

Как видно из карты напряжений в точке соединения эмиттеров Q3 и Q4 получилась половина напряжения питания, т.е. условие средней точки для минимальных искажений для усилителей с однополярным питанием выполнено. Немного "поигравшись" номиналом резистора R4 можно наблюдать как изменяется величина напряжения на эмиттерах Q3 и Q4.
Следующим не маловажным параметром для получения минимальных искажений является ток покоя, причем на параметры усилителя влияет не только ток покоя оконечного каскада, но и токи покоя остальных транзисторов. Просто при недостаточном токе покоя оконечного каскада искажения уже явно прослушиваются в виде ступеньки при переходе синусоиды через ноль.
Для контроля за протекающим через элементы схемы тока необходимо "отжать" кнопку отображения напряжения и "нажать" кнопку отображения тока:

Получившийся рисунок приводится уже не будет — вы его видите в окне симулятора и на нем видно какой ток протекает по какому проводнику и каждому элементу.
Далее проверяется рассеиваемое элементами тепло, для этого "отжимается" кнопка отображения тока и "нажимается" кнопка отображения рассеиваемой мощности:

Теперь возле каждого элемента появилась надпись, означающая сколько мощности рассеивает каждый элемент и на основании этого уже можно делать вывод до какой температуры и как быстро элементы будут нагреваться. Для сравнения просто используйте аналог — свой паяльник, нагревающийся до 300 с небольшим градусов на 3-4 минуты. Однако габариты паяльника значительно больше, чем используемые компоненты и даже паяльник на 15 Вт при своих габаритах позволяет паять контактные площадки мощных транзисторов. А учитывая, что скорость нагрева компонентов будет гораздо большей, чем у паяльника, следовательно элементы могут выйти из строя гораздо быстрей по причине теплового пробоя. Поэтому при рассеиваемой мощности свыше указанной для каждого элемента в справочной литературе следует иметь ввиду, что элемент может выйти из строя именно из за перегрева. Некоторые элементы. например транзисторы в корпусах ТО-126 и ТО-220 способны рассеивать довольно большую мощность, но для этого им необходимы теплоотводы. Корпуса подобных элементов имеют технологические приспособления для крепления на теплоотводы. В данном примере это шлифованные поверхности на корпусе транзистора и отверстия, позволяющие при помощи винтов или саморезов прикручивать корпуса транзисторов к теплоотводам.
Однако из видимых в окне МИКРОКАПА значений следует, что при условии протекания постоянного тока, т.е. БЕЗ входного сигнала тепла на элементах выделяется сравнительно не много, поэтому радиаторы (теплоотводы) ПОКА не нужны ни одному элементу и можно переходить к следующему измерению.
В качестве следующего теста можно проверить напряжения уже при "осциллографа". Для этого следует перейти в режим:

Окно разделилось на два и теперь наведя курсор на проводник или элементов в правом окне и нажав левую кнопку мыши в левой половине экрана будет отображаться напряжение в этом проводнике или же напряжение падения, если это пассивный элемент (резистор, конденсатор, диод).
Для начала следует посмотреть, что собственно выходит с генератора:

Это означает, что амплитуда входного сигнала составляет 0,4 В, а период 5 мС, т.е. переведя в Гц получаем 1 / 0,005 = 200 Гц . Если закрыть окно проверки переходных процессов и дважды щелкнуть по генератору, то будет видно, что действительно параметры генератора отличаются от тех, которые программа предлагает по умолчанию — вместо 60 Гц с амплитудой 169,7 В на генераторе выставлена амплитуда 0,4 В и частота 200 Гц. Кроме этого, вернувшись в окно проверки переходных процессов и проверив время просчета убедиться, что оно тоже изменено с предлагаемой программой 1 мкС на 20мС.
Теперь можно организовать небольшую экскурсию по схеме. Для ее начала необходимо нажать курсором на базу Q2.

Как видно из полученной "осциллограммы" 12 мС (отмечено красными вертикальными линиями) кроме входного сигнала на базе присутствует изменение постоянной составляющей — верхушка сигнала "сползает" вниз. Это переходные процессы возникающие в момент включения из за зарядка конденсатора С2. Страшного в этом ни чего нет, просто для себя необходимо сделать отметку, что в момент включения усилителя в динамиках будет щелчок.
Далее щелкаем курсором в точку соединения эмиттеров Q3-Q4.

На "осциллограмме" появилась красная линия с этой точки, причем масштаб изменился и сигнал на базе Q2 практически не виден. Немного исправить эту ситуацию позволит нажатие кнопки задачи параметров отображения

Далее появляется диалоговое окно задачи параметров. Необходимо перейти на вторую вкладку и снять флажок автоматического масштаба

Далее необходимо вручную определить минимальную и максимальную величины отображаемого напряжения, причем сделать это для ОБОИХ "лучей" данного осциллографа

Как видно из дальнейшего рисунка вид "осциллограммы" изменился — она стала более подробной. Конечно не настолько, что стало отчетливо видно сигнал на базе Q2, тем не менее уже можно понять, что рассматриваемый усилитель инвертирующий — сигнал на выходе находится в противофазе входного сигнала.
Далее повторно щелкаем на базу Q2 и на проводник от эмиттеров Q3-Q4, для того, чтобы "отключить щупы осциллографа" от этих точек.
Следующими точками для экскурсии возьмем выход генератора и коллектор Q2.

Синий луч — выход генератора, а красный — коллектор Q2 . Как видно сигнал сменил фазу на 180 градусов и довольно сильно увеличился в амплитуде. По сути именно этот каскад и осуществляет усиление сигнала. Для того, чтобы убедится в истинности данного утверждения достаточно проверить сигналы на выходах следующих каскадов:

Здесь добавлены зеленая линия с эмиттера Q1 и розовая линия с эмиттера Q3. Как видно амплитуда уже не увеличивается, а скорей наоборот — уменьшается.
Другими словами данный усилитель содержит всего один каскад усиления по напряжению, выполненный на транзисторе Q2 , причем сигнал инвертируется. Остальные каскады необходимы для усиления тока, т.е. увеличения нагрузочной способности и возможности работать на низкоомную нагрузку.
На экране сейчас отображается 4 контролируемые точки, для их выключения можно повторно "пощелкать" в тех узлах, которые они отображают, но для этого потребуется 4 нажатия, а для очистки "экрана осциллографа" можно воспользоваться более быстрым способом — закрыть и открыть повторно окно исследования переходных процессов. В данном случае будет на одно нажатие меньше, да и целится не надо, вспоминая откуда брался тот или иной "луч". Ну а если отображается более 4 контролируемых точек, то повторное открытие этого окна уже гораздо быстрее, чем повторный "щелчок" по контролируемой точке.
После повторного запуска анализа переходных процессов можно поговорить о назначении конденсаторов С1 и С5. Для наглядности необходимо "щелкнуть" по эмиттеру Q3, а затем в точку соединения С1-R1, и следом по коллектору Q3. На экране появилось 3 "осциллограммы".

На получившимся рисунке синяя линия — напряжение на эмиттере Q3, красная — в точке соединения С1 и R1, а зеленая — напряжение питания. Как видно из рисунка напряжение на коллекторе Q1 превышает напряжение питания, позволяя транзистору формировать на своем эмиттере величину достаточную для ввода транзистора Q3 в насыщение. Кроме этого увеличивается амплитуда выходного напряжения на коллекторе Q2 — она больше напряжения питания — щелкните на коллектор Q2 и убедитесь в этом самостоятельно. Таким образом конденсатор С1 за счет своего постоянного перезаряда выходным напряжением усилителя позволяет получить амплитуду большую напряжения питания, что в итоге приводит к существенному увеличению КПД усилителя, что для автомобильной аудиотехники всегда было весьма актуально. Для этих же целей служит и конденсатор С5, только он увеличивает величину "отрицательного" напряжения, т.е. напряжение становиться ниже минусового (общего) провода источника питания.

Здесь синяя линия — по прежнему эмиттер Q3, красная — коллектор Q5, а зеленая — общий провод. Таким образом конденсаторы С1 и С5 осуществляют вольтодобавку, позволяющую существенно увеличить КПД усилителя. Для большей наглядности удалите эти конденсаторы и проверьте форму и амплитуду напряжения на коллекторе Q3.
Теперь немного об искажениях. Для начала можно проверить частотный диапазон:

Видно, что есть небольшой завал в области НЧ, но он на частоте 20 Гц составляет всего — 4 дБ при общем коф. усиления 20 дБ, что для такого простого усилителя вполне приемлемо. Усилитель охвачен ООС, определяющий коф. усиления данного усилителя. Для определения элементов используемых в ООС и их номиналов попробуйте самостоятельно их найти, если они явно не бросились в глаза, и изменяя -возвращая каждый номинал резисторов попробуйте добиться коф. усиления 26 дБ.
Далее можно проверить искажения:

THD около 1%, что для максимальной амплитуды тоже вполне приемлемо. В небольших пределах на эту величину можно повлиять изменением тока покоя оконечного каскада, на который влияют D1, D2, R7. Ради интереса, оперируя этими деталями попробуйте добиться искажений (классическая ступенька) на выходе усилителя:

Поскольку С1, С2, С3 и С5 имеет довольно большую емкость, то это подразумевает использование электролитических конденсаторов, а они имеют полярность и максимальное напряжение. Эти ньансы тоже можно выяснить при помощи МИКРОКАП. Для выяснения полярности достаточно "щелкнуть" по выводам конденсаторов. Сначала левый вывод С2, затем правый

Напряжение справа больше, следовательно вывод конденсатора с надписью "+" должен быть подключен к базе Q2.Велична приложенного напряжения к обкладкам конденсатора всего около 0,6 В, следовательно подойдет практически любой конденсатор, даже на 6,3 В.
Далее туже операцию следует проделать с С1 и получить следующее изображение

Теперь напряжение слева больше чем справа, следовательно "+" на коллектор Q1, а величина приложенного напряжения порядка 6 В, следовательно нужен конденсатор на 16 В. Полярность С5 уже сможете определить самостоятельно, а вот о С3 заслуживает отдельного внимания.
"Щелкнув" сначала слева, а затем справа по обкладкам конденсатора С3 получаем следующую картинку

Определить полярность труда не составит, а вот с рабочим напряжением можно наступить на грабли. С одной стороны разница напряжений всего 7 В и казалось бы, что конденсаторы на 10 В можно использовать ( что собственно и было одно время на Китайских автомобильных балалайках). Однако данное напряжение может изменяться. В этом конкретном случае используется конденсатор на 2200 мкФ, однако самый популярный номинал для подобных усилителей 470 мкФ. Поэтому замените номинал С3 на 470 мкФ ( если еще не догадались, то в данном симуляторе вместо МЮ, обозначающее множитель "микро" используется сходный по написанию символ "u" ). Для большей убедительности следует уменьшить сопротивление R6 до 2-х Ом. Теперь снова следует проверить напряжения на обкладках.

Как видно из рисунка разница напряжений на обкладках заметно выросла, особенно на положительной полуволне сигнала и теперь уже составляет 9 В. Из этого следует сделать следующие выводы:
конденсаторы на 10 В для этих целей не пригодны, поскольку при уменьшении нагрузки они успевают заряжаться полностью или близко к этому;
Слишком маленькая величина емкости проходного конденсатора С3 вносит не только увеличения завала АЧХ на низких частотах, но и приводит к увеличению искажений.

Micro-Cap

Для решения учебных задач подготовлен "студенческий" вариант программы Micro-Cap 12 , в состав которого включены дополнительные библиотеки, разработанные на кафедре. В MC9 имеется русскоязычная подсказка и русскоязычный интерфейс.

Изображения наиболее часто используемых компонентов выполнены в соответствие с требованиями ЕСКД.

" С туденчески е " варианты программы можно скачать по ссылкам:

1. Скачать архивный файл MC12 (disc C).rar ( mc 9, mc10.rar, mc11.rar соответственно)

2. Скопировать файл MC12 (disc C) ( mc9.rar, mc10.rar, mc11.rar) в корневой каталог диска C.

3. Разархивировать его в "текущую папку" (. ). При этом на диске C: появится папка C:\MC12 , в которой размещены файлы Micro-Cap.

4. Запустить файл C:\ MC 12\mc12.exe ( C:\mc9\mc9.exe , C:\mc10\mc10.exe, C:\mc11\mc11.exe, )

Важно. После разворачивания исполнимый модуль mc12.exe и другие файлы программы) должны находиться именно в каталоге C:\MC12 , а не C:\MC12 ( disk C) или каком-то другом. Пути для такого расположения уже прописаны в установках программы.

Если файлы будут находиться не в папке МС12 корневого каталога, а в любой другой, то при запуске программы появятся сообщения об ошибках (не найдены библиотеки) и программа будет работать некорректно.

1. Скачать архивный файл MC12 (disc D ).rar (mc9, mc10.rar, mc11.rar соответственно)

2. Скопировать файл MC12 (disc D ) (mc9.rar, mc10.rar, mc11.rar) в корневой каталог диска D .

3. Разархивировать его в "текущую папку" (. ). При этом на диске D: появится папка D :\MC12 , в которой размещены файлы Micro-Cap

4. Запустить файл D :\MC12\mc12.exe ( D :\mc9\mc9.exe, D :\mc10\mc10.exe, D :\mc11\mc11.exe, )

Важно. После разворачивания исполнимый модуль mc12.exe и другие файлы программы) должны находиться именно в каталоге D :\MC12 , а не D :\MC12 (disk D ) или каком-то другом. Пути для такого расположения уже прописаны в установках программы.

Если файлы будут находиться не в папке МС12 корневого каталога , а в любой другой, то при запуске программы появятся сообщения об ошибках (не найдены библиотеки) и программа будет работать некорректно.

Для удобства работы на рабочем столе можно создать ярлык запуска программы, указав в нем путь C:\MC12\mc12.exe (D:\MC12\mc12.exe ) .

1. Сборка и моделирования электронных схем в сапр microcap 12: общие рекомендации Введение

Цель работы: знакомство с основными возможностями Micro-Cap.

Порядок выполнения работы:

1) Ознакомиться с информацией из п.п. 1.1 и 1.2.

2) Запустить программу Micro-Cap 12 и, выполняя рекомендации из п.п. 1.3 – 1.5, ознакомиться с основными возможностями программы Micro-Cap 12.

3) По п.п. 1.6 собрать и провести моделирование схем релаксационного генератора, фильтра верхних частот (ФВЧ) и получить ВАХ диода.

4) Подготовить отчет о выполненной работе.

Содержание отчета: цель работы, изучаемые в работе схемы, результаты их анализа (графики) и выводы (в данной работе они должны содержать информацию о рассмотренных вариантах анализа схем с помощью программы Micro-Cap 12).

1.1 О программе Micro-Cap

Micro-Cap – SPICE-подобная программа для аналогового и цифрового моделирования электрических и электронных цепей с интегрированным визуальным редактором. Разрабатывается компанией Spectrum Software.

Micro-Cap является мощной программой, используемой в разработке как интегральных схем, так и печатных плат для проверки целостности схемы и для анализа её поведения.

На сегодняшний день последней разработкой программы является MicroCap 12. Приведем перечень ее основных характеристик:

огромная библиотека компонентов;

программа позволяет моделировать не только аналоговые, но и цифровые и аналого-цифровые электронные устройства;

при многовариантном анализе допускается одновременно варьировать до 20 переменных и строить графики зависимостей характеристик схемы от варьируемых параметров, включая температуру;

большой набор макросов позволяет проводить анализ устройств, заданных в виде функциональных схем;

введен режим анимации при анализе устройств;

Перечисленные особенности отражают далеко не все достоинства программы Micro-Cap 12, которые можно почувствовать лишь при ее использовании для разработки и проектировании электронных устройств.

1.2 Установка программы на пк

Бесплатную студенческую версию Micro-Cap 12 можно скачать на официальном сайте разработчика:

В таблице (рисунок 1.1), расположенной на сайте выберете и скачайте весь архив (Full CD) MicroCap 12.

Рисунок 1.1 – Окно официального сайта с перечнем версий, доступных для скачивания

Загрузите компакт-диск и разархивируйте его в отдельную папку. Запустите программу setup.exe, чтобы установить всю программу, включая библиотеки, примеры схем и руководства.

1.3 Внешний вид программы

При запуске программы появляется окно, показанное на рисунке 1.2. Рабочее поле программы как бы поделено на несколько областей. В центре находится рабочая область рисования схемы.

Рисунок 1.2 – Внешний вид окна программы

На верхней панели расположено меню, ниже – панель инструментов. В нижней части окна на рисунке 1.2 отмечены вкладки открытых проектов. Переключаясь между ними можно переходить от одной активной схемы к другой.

1.4 Основные команды меню

1) Меню File предназначено для загрузки или записи файлов, экспорта/импорта файлов в форматах других систем моделирования, для подготовки к печати и печати схем и результатов анализа.

Первые четыре команды этого меню: New, Open, Save, Save As – соответственно означают команды «создать новый файл», «открыть файл», «сохранить», «сохранить файл как».

2) Меню Edit включает команды редактирования схем, объектов, текста.

Основные команды меню Edit:

Can`t Undo – отмена последней команды редактирования (откат назад).

Can`t Redo – повтор последней отмененной команды (откат вперед).

Cut – удаление выбранного объекта и размещение его в буфере обмена.

Copy – копирование выбранного объекта в буфер обмена.

Paste – копирование содержимого буфера обмена в текущее окно в место на которое показывает курсор.

Clear – удаление выбранного объекта без копирования в буфер.

Select all – выделение всех объектов в текущем окне.

3) Меню Component содержит каталоги библиотек аналоговых и цифровых компонентов. Он имеет систему разворачивающихся иерархических меню, открывающихся при наведении на них курсора мышью.

На данном этапе мы будем пользоваться только разделом Component → Analog Primitives.

Раздел Analog Primitives содержит следующие подразделы:

Passive Components – резисторы, конденсаторы, катушки, диоды, трансформатор и др.

Active Devices – n-p-n и p-n-p биполярные транзисторы, МДП-транзисторы, полевые транзисторы, операционные усилители

Основные пассивные и активные примитивы могут быть выбраны с помощью группы иконок на верхней панели инструментов (рисунок 1.3):

Рисунок 1.3 – Основные активные и пассивные компоненты на панели инструментов

Waveform Sources (источники сигналов)

источник постоянного напряжения (Battery)

независимые источники напряжения и тока сложной формы, зависящие от времени (Voltage source, Current source)

источник синусоидального напряжения (Sin source)

источник импульсного сигнала (Pulse source)

Чаще всего в работах нужно будет использовать элементы Battery для источника постоянного напряжения и Sin source для источника синусоидального сигнала.

4) Меню Analysis содержит команды запуска различных режимов моделирования:

Transient. – режим анализа переходных процессов (временной анализ).

AC. – режим анализа частотных характеристик (частотный анализ).

DC . – режим анализа передаточных функций по постоянному току .

Dynamic DC – расчет режима по постоянному току и его динамическое отображение на схеме.

Dynamic AC – расчет по переменному току напряжений, токов и фазового сдвига и динамическое отображение этих значений на схеме. В диалоговом окне задаются значения частоты и температуры.

Transfer Function. – расчет передаточных функций по постоянному току, а также входного и выходного сопротивления.

При выборе трех оставшихся режимов анализа – Probe Transient. , Probe AC. , Probe DC. . – рабочее поле делится на две части: справа размещается окно с изображением схемы, а слева окно построения графиков характеристик. Далее курсором на схеме указывается узел схемы или компонент. При этом в левой части экрана немедленно вычерчивается его характеристика.

Знакомство с САПР Micro-Cap v12 Evaluation

Кобрин Юрий Павлович Знакомство с САПР Micro-Cap v12 Evaluation. Учебное пособие по дисциплине «Информационные технологии проектирования электронных средств» для студентов специальности «11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств». — Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), кафедра КИПР, 2018. – 55 с. В учебном пособии рассмотрен интерфейс и основные возможности моделирования на базе системы схемотехнического моделирования Micro-Cap v12 Evaluation (студенческая версия). Приводятся краткие первоначальные сведения, необходимые для подготовки к выполнению практических и лабораторных занятий по моделированию РЭС. Методические указания предназначены для помощи в подготовке бакалавров и магистрантов в области разработки и моделирования РЭС различного назначения, выполнения курсовых и дипломных проектов и может быть использованы студентами других специальностей радиотехнического профиля. Кафедра КИПР федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)», 2018.  Кобрин Ю.П. 2018

Содержание Введение . 3 1 Интерфейс программы Micro-Cap 12 Evaluation . 4 1.1 Меню системных команд . 4 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7 1.1.8 1.1.9

Меню �������� . 5 Меню �������� (Редактирование) . 5 Меню ������������������. 5 Меню �������������� . 6 Меню �������������� (пользовательские установки) . 6 Меню ���������������� . 7 Меню ������������ . 8 Меню Model . 8 Меню ��������. 8

1.2 Функциональные клавиши Micro-Cap . 9 1.3 Ввод принципиальной схемы . 9 2 Базовые математические модели в Micro-Cap. 16 2.1 Математические модели простейших двухполюсников электрических схем в Micro-Cap . 16 2.2 Выражения в математических моделях Micro-Cap . 16 2.3 Общие приёмы задания зависимостей параметров элементов . 18 2.4 Модели пассивных двухполюсников . 20 2.4.1 Резистор (resistor) . 20 2.4.2 Конденсатор (capacitor) . 23 2.4.3 Индуктивность (inductor) . 24

2.5 Модели источников питания и входных сигналов . 24 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5

Источник постоянного напряжения ��������������. 25 Источник постоянного тока �������������� ������������. 26 Источник синусоидального переменного напряжения �������� ������������ . 28 Источник импульсного напряжения ���������� ������������ . 30 Зависимые (управляемые) источники . 30

3 Анализ основных параметров и характеристик РЭС . 32 3.1 Анализ статического режима . 33 3.2 Анализ переходных процессов . 35 3.2.1 Переходные процессы . 35 3.2.2 Ввод параметров моделирования переходного процесса . 37 3.2.3 Отображение результатов моделирования переходного процесса . 42

3.3 Анализ частотных характеристик . 45 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5

Важнейшие виды частотных характеристик . 45 Логарифмические частотные характеристики . 47 Моделирование частотных характеристик в Micro-CAP в режиме АС . 48 Задание параметров моделирования ���� ���������������� ������������ . 49 Отображение результатов частотного моделирования . 53

4 Список литературы . 54

Введение В настоящее время в распоряжении пользователя имеется большое количество разнообразных программ, позволяющих оперативно проводить исследования практически любых самых сложных радиоэлектронных средств (РЭС). Программа схемотехнического анализа Micro-Cap (от англ. Microcomputer Circuit Analysis Program) фирмы Spectrum Software (http://www.spectrum-soft.com) — SPICE-подобная программа1 для аналогового и цифрового моделирования электрических и электронных цепей с интегрированным визуальным редактором [1,2,3]. Она имеет удобный, дружественный интерфейс и позволяет анализировать аналоговые, цифровые и смешанные (аналого-цифровые) устройства, а также осуществлять синтез пассивных и активных фильтров. В настоящее время фирмой Spectrum Software выпущена уже 12-я версия этой программы2. Micro-Cap позволяет:  создавать принципиальную электрическую схему РЭС;  проводить расчёт статистического режима по постоянному току (DC Analysis);  проводить расчёт по переменному току и переходных процессов (AC Analysis);  рассчитывать частотные характеристики и переходные процессы (AC Analysis);  проводить расчёт передаточной функции устройства (Transfer Function);  проводить оценку уровня внутреннего шума (Noise) и предельной чувствительности (Sensitivity);  проводить многовариантный анализ, включая статистический анализ по методу Монте–Карло (Monte Carlo);  проводить анализ Фурье (Fourier),  оценивать влияние температуры на электронные компоненты схемы;  представлять данные в удобной форме. Micro-Cap распространяется в двух вариантах:  профессиональная платная версия, не имеющая ограничений;  бесплатная студенческая версия (демоверсия для ознакомления http://www.spectrum-soft.com/demoform.shtm), имеющая ограничение — не более 50 радиоэлементов и не более 100 узлов (объём файла 19,6 Мбайт) добавила популярности

SPICE (англ. Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis — симулятор электронных схем общего назначения) — мощная программа, используемая при разработке как интегральных схем, так и печатных плат для проверки целостности схемы и для анализа её поведения. Применяемые SPICE-модели являются универсальными моделями компонентов электронных схем общего назначения и интегральных схем, используемыми в большинстве существующих программ схемотехнического моделирования. Широкому распространению и применению SPICE-моделей способствовала открытость исходных кодов и язык SPICE для описания моделей и электрических цепей в текстовом виде. 2 Для Micro-Cap 9-й версии имеется русскоязычная подсказка и русскоязычный интерфейс.

Micro-Cap среди студентов, осваивающих азы схемотехнического моделирования электронных устройств. Возможностей Demo-версии Micro-Cap вполне достаточно для решения большинства учебных задач.

1 Интерфейс программы Micro-Cap 12 Evaluation Запуск программы Micro-Cap 12 Evaluation (студенческая версия) совершается щелчком мыши по пиктограмме , которая создаётся на рабочем столе при установке. При запуске программы открывается окно (графический редактор) (Рис. 1.1), в котором изображается схема моделируемой электронной цепи (закладка Main).

Рабочая область Панель компонентов

Описание режима работы

Рис. 1.1 — Окно программы Micro-Cap 12 В Micro-Cap используется многооконный интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню. Поясним кратко назначение отдельных элементов интерфейса.

1.1 Меню системных команд Меню выбранной курсором команды разворачивается вниз. Подробно состав и назначение команд меню Micro-Cap рассмотрены в [1,2]. Далее остановимся на наиболее используемых командах.

Меню �������� В меню File нам в первую очередь понадобятся следующие команды.

������ ( , CTRL+N) — позволяет создать новый файл допустимого системой MicroCap типа. Для создания новой схемы необходимо выполнить команду ��������  ������ и в открывшемся меню выбрать пункт ����ℎ������������ �������� (.cir) (файл схемы). �������� ( , CTRL+O) — позволяет открыть для редактирования или анализа схемный файл. Команда вызывает диалоговое окно открытия файла, с помощью которого можно открыть схемный (.CIR, .MAC, .СКТ) или библиотечный файл (.LIB, .LBR) и др. �������� ( , CTRL+S) — позволяет сохранить схемный файл из активного окна с именем и путём, указанным в строке заголовка. �������� ���� — позволяет сохранить схемный файл из активного окна под другим именем (имя указывается в открывающемся окне). 1.1.2

Меню �������� (Редактирование) Традиционно в подменю EDIT чаще всего используют следующие команды. �������� (

, Ctrl+Z) — отмена последней команды редактирования (откат назад).

, Ctrl +Y) — выполнение последней отменённой команды (откат вперёд).

, Ctrl+X) — удаление выбранного объекта и копирование его в буфер обмена. , Ctrl+C) — копирование выбранного объекта в буфер обмена.

���������� ( , Ctrl+V) — копирование содержимого буфера обмена в текущее окно в место на которое показывает курсор. Очень полезна команда ������ подменю EDIT — редактирование объектов, заключённых в прямоугольную рамку (устанавливается мышью в режиме вает диалоговое окошко с командами:

�������� ������. .. позволяет копировать блок указанное число раз; ������������ ������. .. создаёт зеркально отражённый фрагмент; ������������ (Ctrl+R) вращает против часовой стрелки на 90°; �������� �� зеркально отражает относительно вертикальной оси; �������� X зеркально отражает относительно горизонтальной оси, расположенной посередине блока. 1.1.3

Это подменю поддерживает работу с иерархическими каталогами библиотек аналоговых и цифровых компонентов. Оно имеет систему разворачивающихся иерархических

меню, открывающихся при наведении на них курсора мыши. Основные разделы этого меню следующие. В разделе Analog Primitives имеются подразделы: �������������� ��������������������. Здесь информация о резисторах (Resistor), конденсаторах (Capacitor), катушках индуктивности (Inductor), диодах (Diode), длинных линиях (����������), стабилитронах (����������), диодах, повёрнутых на 45° (D45), трансформаторах (Transformer), нагрузках постоянной мощности (Constant Power). ������������ ��������������. Здесь информация об активных компонентах (биполярных транзисторах ������ и ������ типов, МДП-транзисторах с каналами �� и �� типов (��������, ��������), МДПтранзисторы с индуцированными каналами �� и �� типов (����������, ����������), полевых транзисторах с управляющим р-n переходом с каналами �� и �� типов (����������, ����������), операционных усилителях (ОРАМР), арсенид-галлиевых полевых транзисторах (��������������), биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT). ���������������� ��������������. (Источники сигналов) — источник постоянного напряжения (battery) независимые источники напряжения и тока сложной формы, зависящие от времени (Voltage Source, Current Source); источник синусоидального напряжения (Sin Source); источник импульсного сигнала (Pulse Source); источник постоянного тока (Isource). источник напряжения, зависящий от времени, программируемый пользователем в виде таблицы (User Source) и др. ���������������� �������������� (Функциональные источники) — функциональный источник напряжения (������), функциональный источник тока <������), таблично задаваемые зависимые источники напряжения от тока (������������), тока от тока (������������), тока от напряжения (������������), напряжения от напряжения (������������). Источники NFV и NFI описываются произвольной функциональной зависимостью от напряжений и токов схемы. В разделе ������������ �������������� представлены модели разнообразных аналоговых компонентов. В разделе �������������� �������������� содержатся библиотеки моделей цифровых компонентов с различной технологией изготовления. В локализованных (русскоязычных) версиях Micro-Cap добавлены разделы с отечественными аналоговыми и цифровыми компонентами. 1.1.4

Меню Windows содержит команды работы с окнами. Окна можно располагать каскадно, по вертикали или горизонтали, масштабировать (проще колёсиком мыши при нажатой клавише Ctrl), вызывать встроенный калькулятор, выводить перечень библиотек, перечисленных в файле-каталоге ������. ������ и др. 1.1.5

Меню �������������� (пользовательские установки)

Меню �������������� содержит команды выборов режима редактирования и задания различных параметров программы Micro-CAP. Подробно состав и назначение команд этого меню приведено в [1,2].

Если ваша версия micro-CAP поддерживает русскую локализацию интерфейса программы (например, версия ����9.0.7.0 ������), то после запуска Micro-Cap в главном меню следует выбрать ��������������  ����������������������. В появившемся окне выбрать пункт �������������������������� ����������������, а в нём – нужный вариант интерфейса – «Русский — вариант с русским интерфейсом и русской информационной строкой-подсказкой» или «English/Русский – вариант с английским интерфейсом и русской информационной строкой-подсказкой». Если там имеется только английский вариант, то русская локализация в этой версии не поддерживается. В любой момент можно вернуться на полностью английскую локализацию программы. По умолчанию в программе Micro-Cap v12 установлен американский стандарт (��������) условных графический изображений (УГО) компонентов. Однако допустима установка европейского стандарта (��������), в котором УГО компонентов ближе к отечественным стандартам. Выбор стандарта, который будет использоваться в данной схеме, осуществляется в окне свойств для новых схем (путь к окну: меню ��������������  �������������� �������������������� ������ ������ ����������������) (Рис. 1.2).

Установить стандарт �������� и перезагрузиться

Рис. 1.2 — Выбор стандартов УГО в окне �������������� �������������������� ������ ������ ���������������� Не забудьте после этого перезагрузиться. 1.1.6

Содержит команды запуска различных режимов моделирования: ������������������ (������ + ��) — расчёт переходных процессов в схеме. Позволяет строить зависимости от времени различных переменных состояния схемы и наблюдать их в графическом окне. АС (������ + ��) — расчёт частотных характеристик схемы. Позволяет строить частотные зависимости различных переменных схемы при подаче на вход гармонического воздействия с меняющейся частотой и постоянной амплитудой.

���� (������ + ��) — расчёт передаточных функций по постоянному току (при вариации постоянной составляющей одного или двух источников сигналов, вариации температуры или параметров моделей компонентов). �������������� ���� (������ + ��) — расчёт режима по постоянному току и динамическое отображение на схеме узловых потенциалов, токов ветвей и рассеиваемой мощности. В этом режиме можно изменять напряжения батарей, значения резисторов с помощью специальных движков (��������������) или курсорных клавиш, редактировать схему, добавляя или удаляя компоненты, меняя значения параметров и прочее. Подробнее эти и другие возможные режимы моделирования будем рассматривать в соответствующих практических занятиях. При необходимости обратитесь к [1,2]. Клавиша — �������� �������������� осуществляет нумерацию узлов схемы. Micro-Cap сразу же после проведённых изменений рассчитывает режим по постоянному току и показывает значения узловых потенциалов( рассеиваемых мощностей ( 1.1.7

— Node Voltages), токов ветвей (

Меню Design содержит команды для синтеза активных и пассивных аналоговых фильтров. 1.1.8

Раздел меню Model даёт возможность вычислять параметры математических моделей полупроводниковых приборов и магнитных сердечников по экспериментальным данным или по справочным материалам, введённым в табличной или графической форме. В программе Micro-Cap в основном используются те же математические модели полупроводниковых приборов, что и в программе PSPICE и пакете программ DesignLab [4]. При вводе графиков должны быть заданы координаты характерных точек: от двух до пяти — чем больше данных, тем точнее вычисляются параметры моделей. Если подробные данные для нескольких экспериментальных точек отсутствуют, используется единственная доступная пара данных из справочника. Необходимые данные для полупроводниковых приборов записываются в виде чисел. Если данные отсутствуют, то принимаются их значения по умолчанию. Для ферромагнитных сердечников трансформаторов, дросселей и катушек индуктивности предусмотрена возможность создавать нелинейные модели магнитных сердечников по справочным данным. Возможен учёт гистерезисной зависимости магнитной индукции �� и намагниченности �� в ферромагнетике от напряженности внешнего магнитного поля ��. Работа с программой Model подробно рассмотрена в [1].

Меню �������� Меню �������� содержит команды работы со средствами встроенной помощи.

1.2 Функциональные клавиши Micro-Cap вызов меню помощи �������� начало моделирования после выбора одного из видов анализа в меню Run выход из режимов АС, ���� или ������������������ ���������������� и возвращение в окно схем ����ℎ������������ ������������. В окне схем нажатие клавиши F3 повторяет поиск объекта F4 отображение окна графиков результатов анализа (например, если было открыто окно текстового выходного файла) Ctrl+F4 закрытие активного окна F5 отображение текстового выходного файла в окне �������������� ������������; F6 возвращение к исходному масштабу в выбранном окне графиков Ctrl+F6 циклическое переключение открытых окон F7 переключение в режим ���������� масштабирования фрагмента графика на весь экран F8 переключение в режим электронного курсора ������������ измерения координат графиков F9 очистка окна графиков в режиме ���������� и вызов окна задания параметров ���������������� ������������ в режиме анализа характеристик Ctrl+F9 удаление всех графиков F10 открытие окна �������������������� (свойства) F11 открытие окна варьирования параметров ������������������ ���������������� (в режиме ������������������ ����������������) F12 вызов редактора переменных состояния ���������� ������������������ ������������ (в режиме ������������������ ����������������). F1 F2 F3

1.3 Ввод принципиальной схемы Параметры всех электронных компонентов задаются при добавлении в принципиальную схему [1,2,3]. Для размещения компонента на схеме следует выбирать его в меню ������������������������������ ��������������������. Резисторы (����������������) и конденсаторы (������������������) находятся в подразделе �������������� ��������������������, полупроводниковые приборы — в подразделе ������������ ��������������, источники сигналов – в подразделе ���������������� ��������������. Однако многие пассивные и активные компоненты удобнее вводить с помощью пиктограмм на верхней панели инструментов (Рис. 1.3). Кроме того в Micro-Cap v12 есть располагаемая в левой части экрана панель компонентов, которая включается/отключается командой меню �������������� ���������� (комбинация клавиш Ctrl+Alt+X) или клавишей на панели инструментов. Эта панель существенно повышает удобство выбора необходимых компонентов. После выбора компонента щелчком левой кнопки мыши его условное графическое изображение (УГО) появляется в окне графического редактора. Его устанавливают в нужную точку схемы, не отпуская нажатую левую кнопку мыши. Если нужно изменить ориентацию компонента на схеме, то при нажатой левой кнопке мыши нажимают правую кнопку. Каждое такое нажатие поворачивает изображение на 90° по часовой стрелке.

цифровой тактовый генератор

катушка индуктивности земля

источник тока формата SPICE

источник напряжения формата SPICE

Рис. 1.3 — Пиктограммы важейших компонентов на панели инструментов Отпускание левой кнопки мыши закрепит компонент в точке, указанной курсором. При этом открывается соответствующее диалоговое окно для ввода значений параметров компонента или его имени (Рис. 1.4). Параметры компонента можно в любой момент отредактировать — диалоговое окно задания параметров открывается щелчком левой клавиши мыши по компоненту схемы. Ввод номинальных значений компонентов осуществляется в системе СИ, за исключением катушки с магнитным (нелинейным) сердечником. В Micro-Cap целая часть чисел отделяется от дробной части точкой. Значения компонентов задаются либо непосредственно числовым значением (например, 1100), либо в показательной форме (6.8E6). Для удобства и экономии места (особенно на осях X, У графиков результатов моделирования) можно применять буквенные множители (Таблица 1.1), которые набирают в латинском регистре и ставят после численного значения величины (без пробела), например, 2.7К или 100u. Таблица 1.1 — Буквенные обозначения множителей для численных значений

микро милли U (u)

Заметьте — в Micro-Cap большая буква M означает не «мега» (в соответствии с ЕСКД), а «милли», т.е. множитель 10-3. Буква �� используется в зарубежных стандартах для обозначения множителя 10-6. Номинал сопротивления 1,7 МОм может быть записан как 1.7MEG, 1.7meg, 1700K, 1.7е6.

Панель Display управления отображением схемных параметров

Строка ввода значения текущего параметра

Список доступных моделей

Имя выбранной модели

Библиотечные параметры выбранной модели операционного усилителя

Рис. 1.4 – Пример: диалоговое окно задания параметров операционного усилителя (англ. OPAMP) LM101A В заголовке диалогового окна для ввода значений параметров компонента (см. Рис. 1.4) указывается краткая информация о компоненте. Важнейшие параметры, задаваемые при выборе компонента:  Панель слева Name — отображает имя компонента.  параметр Part — задаёт позиционное обозначение элемента на принципиальной схеме (например, ��1, ��2, ��1). Будьте внимательны! Позиционные обозначения зарубежных электронных компонентов часто отличаются от отечественных. Например, транзистор по «ГОСТ 2.710-81 ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах» имеет позиционное обозначение ���� (в Micro-CAP – ��), диоды — ���� (в Micro-CAP – ��), операционные усилители – ���� (в Micro-CAP – ��) и т.д.

 параметр Value (Значение) — задаёт значение выбранного параметра. В частности, номинал элемента (например, 5.6k, 470pF, 25mH). Величина номинала любого пассивного компонента (сопротивление резистора, ёмкость конденсатора, индуктивность катушки) может определяться не только числом, но и любой функцией узловых напряжений схемы, токов ветвей, времени и температуры.  Кнопка Change панели Value управляет установкой значений (чисел, записанных в позиции Value, Capacitance, Inductance, Resistance) однотипных компонентов. Использование кнопки Change разрешено при выборе параметра Value (или аналогичных ему) в списке параметров компонента.  параметр Model — позволяет выбрать модель (эквивалентную схему замещения) конкретного электронного компонента из списка в правой части диалогового окна (например, модель операционного усилителя LM101А (см. Рис. 1.4)). Для пассивных элементов этот параметр как правило не задаётся. Набор показываемых атрибутов определяется установками флажка отображения Show (показать) для соответствующих позиций (см. Рис. 1.4). Если при вводе схемы неясно, какую модель нужно использовать или нужной модели нет в списке, то можно использовать обобщённую модель для данного типа компонента — $�������������� (обычно она первая в списке), которая в большинстве случаев даёт удовлетворительные результаты. Впоследствии её можно будет заменить на более точную модель. Для отечественных электронных компонентов с помощью Интернет можно попробовать поискать ближайший к имеющемуся в библиотеке компонентов Micro-Cap зарубежный аналог и использовать его SPICE-модель (возможно после его редактирования). После установки электронного компонента на поле электрической схемы необходимо соединить проводниками его выводы с выводами других элементов схемы. Переход в режим проведения линий связей (проводников) совершается нажатием на пиктограмму

(�������� ��������, �������� + ��) . Если возникает необходимость проведения

проводников по произвольным направлениям, нажмите . Если провести один проводник, а после этого его пересечь другим — проводники электрически не соединятся. Чтобы соединение проводника с другим проводником состоялось, нужно довести этот проводник до точки пересечения, щёлкнуть левой клавишей мыши, и затем продолжить проводник дальше. Появившаяся красная точка (Рис. 1.5) сигнализирует, что соединение проводников произошло.

Рис. 1.5 — Примеры соединения проводников и компонентов схемы

Иногда приходится тянуть проводник через точку вывода компонента, а соединения с ним не предусмотрено. В этом случае необходимо использовать специальный компонент — ������������ (перемычка) (См. Рис. 1.5). Найти компонент ������������ можно в меню по пути ������������������  ������������ ��������������������  �������������������� или используя левую панель компонентов. Номера узлов (см. Рис. 1.5) проставляются на схеме нажатием на пиктограмму . В дальнейшем они потребуются при построении графиков переходных процессов и частотных характеристик схем. Micro-CAP формирует математическую модель (систему уравнений) введённой схемы методом узловых потенциалов, поэтому для работы программы необходимо, чтобы хотя бы один узел схемы (опорный узел) был заземлён. Опорный узел всегда имеет нулевой номер (на схеме он не отображается). Элемент заземления (������������) выбирается либо на панели инструментов, либо в меню ������������������  ������������ ��������������������  �������������������� (элементы соединения). . Будьте внимательны! Если выводы компонентов не соединены проведённым проводником, то появится дополнительный узел (например, проводник не довели до вывода другого компонента). На Рис. 1.5 выводы компонентов ����1 и ��1 не соединены, не соединены также и выводы компонентов ��1 и ��1. Если соединение выводов компонентов состоялось, то на всём протяжении проводника и на всех точках выводов компонентов номер узла должен существовать только в одном месте (узлы 7 и 8 на Рис. 1.5). Для перемещения отдельных компонентов или участков схемы необходимо на инструментальной панели выбрать инструмент Редактирование компонента . Чтобы выбрать компонент в этом режиме нажмите один раз левой клавишей мыши. Выбранный компонент можно перемещать характерным для Windows способом — удерживая нажатой левую клавишу мыши. При нажатой левой клавише мыши также можно выделить часть схемы с компонентами и соединениями и далее переместить её в нужное место. При редактировании схемы полезен режим «резиновые соединения». Для его включения следует нажать кнопку на инструментальной панели. Режим можно также включать используя путь в меню ��������������  ��������  �������������������������� или комбинацию клавиш �������� + ��ℎ������ + ��. В режиме «резиновые соединения» при перемещении компонента (или выделенного блока) за ним будут тянуться проводники с сохранением электрического соединения. Для редактирования параметров и атрибутов компонента сделайте по нему двойной щелчок мыши. Появится соответствующее диалоговое окно, в котором вы можете исправить значения параметров.

В электроустановках часто используется защитное заземление — преднамеренное электрическое соединение с землёй металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением (обозначается символом ). В электронных схемах существует понятие — общий провод (корпус). Это точка, в которой электрический потенциал принимают за ноль и все напряжения в схеме меряют относительно этой точки. Чаще всего общим проводом схемы называют тот проводник, на который сходится самое большое число выводов всей схемы (обычно цепь питания). Чтобы упростить начертание и чтение схем и сэкономить пространство на чертеже, вместо проведения проводников к общему про-

воду в отечественных схемах вычерчивается знак . Во многих версиях Micro-CAP (да и во многих других зарубежных САПР) общий провод изображается символом

, что не соответствует отечественным

стандартам. Рекомендуется, если это возможно, применять символ для обозначения общего провода. В этом случае все узлы схемы, подключённые к этому символу получат общее имя ������������ (или ������) и будут иметь потенциал, равный нулю.

Чтобы Micro-CAP смог правильно сформировать математическую модель схемы РЭС, нужно учесть ряд ограничений, невыполнение которых приводит к появлению топологически вырожденных цепей (цепей, содержащих контуры, состоящие из идеальных ёмкостей, индуктивностей и источников напряжения, а также содержащих звезды, состоящие из индуктивностей и идеальных источников тока) (Рис. 1.6). Топологически вырожденные схемы приводят к появлению неполных систем дифференциальных уравнений, порядок которых будет меньше числа реактивных элементов, и решение которых численными методами невозможно.

Рис. 1.6 — Примеры топологически вырожденных схем Основное требование — один из узлов схемы обязательно должен быть присоединён к «земле», а все остальные узлы схемы должны иметь электрическую гальваническую связь с этим узлом (Таблица 1.2).

Таблица 1.2 — Предотвращение появления вырожденных цепей Недопустимо

Почему недопустимо Узел в точке последовательного соединения двух конденсаторов гальванически не связан с землёй (отделен от неё диэлектриками конденсаторов). Это касается и соединения нескольких конденсаторов в одной точке (ёмкостных звёзд). Индуктивности нельзя соединять параллельно. Это касается и индуктивных треугольников и индуктивных контуров (нескольких последовательно подключённых индуктивностей, замкнутых в кольцо).

Что сделать Узел необходимо соединить с землёй фиктивным резистором с большим сопротивлением, не оказывающим влияние на режим работы схемы. Ввести последовательно с индуктивностями дополнительные фиктивные резисторы с очень малым сопротивлением, не оказывающим влияние на режим работы схемы.

Источники напряжения нельзя соединять параллельно (даже если их напряжения равны) и замыкать в кольцо без подключения дополнительных элементов. Источники тока нельзя подключать последовательно (даже если их токи одинаковы). Если схема имеет две гальванически несвязанные цепи (например, цепи, присоединённые к первичной и вторичной обмоткам трансформатора), то «землю» целесообразно присоединить как к первичной, так и к вторичной стороне, либо соединить первичную и вторичную часть резистором. Вывод – Micro-Cap «не очень любит» идеальные компоненты.

2 Базовые математические модели в Micro-Cap 2.1 Математические модели простейших двухполюсников электрических схем в Micro-Cap 2.2 Выражения в математических моделях Micro-Cap Математическая модель — это совокупность математических объектов и соотношений между ними (в виде совокупности констант, переменных, уравнений, неравенств, логических отношений, массивов, графиков и т.п.), адекватно отображающая свойства и поведение исследуемого реального объекта. Кратко остановимся на основных возможностях формирования аналоговых моделей в Micro-CAP. Способы записи числовых значений (констант) в Micro-CAP описаны ранее, в подразделе 1.3. Переменные начинаются с латинской буквы, за которой могут следовать цифры или латинские буквы (не более 50 символов), причём прописные и строчные буквы в переменных Micro-Cap не различает. Есть значительное число зарезервированных переменных со стандартными значениями [1], среди которых отметим в первую очередь: T — время в секундах; F — частота в герцах; Е — ������(1)= 2.718281828459045; PI — число �� = 3.141592653589793; J — мнимая единица, корень квадратный из -1; TEMP — температура компонентов в градусах Цельсия. Узлам схемы автоматически присваиваются номера в виде целых положительных чисел, например, 0, 7, 23. Однако допустимы и алфавитно-цифровые имена переменных, которые можно присвоить любому узлу по команде ��������������  ��������  ��������, например ������, ������, ����������, ��1, ��5 и т.п. В математических выражениях могут также использоваться переменные следующего вида (Таблица 2.1): Таблица 2.1 — Некоторые переменные, используемые в программе Micro-Cap Переменная

Логическое состояние цифрового узла А или потенциал аналогового узла А

Напряжение на узле �� (В) или цифровое состояние узла �� (напряжение измеряется относительно узла «земли», которой программа присваивает номер 0)

Разность потенциалов между узлами �� и �� (В)

Напряжение между выводами двухвыводного компонента ��1 (В)

Ток через двухвыводной компонент ��1 (А)

Ток через ветвь между узлами �� и �� (между этими узлами должна быть включена единственная ветвь) (А)

Ток, втекающий в вывод �� компонента ��1 с количеством выводов больше 2 (А)

Напряжение между выводами �� и �� компонента ��1 с количеством выводов больше 2 (В)

Ёмкость между выводами �� и �� компонента ��1 с количеством выводов больше 2 (Ф)

Заряд ёмкости между выводами �� и �� компонента ��1 с количеством выводов больше 2 (Кл)

Сопротивление резистора ��1 (Ом)

Ёмкость конденсатора или диода ��1 (Ф)

Заряд конденсатора или диода ��1 (Кл)

Индуктивность катушки индуктивности ��1 (Гн)

Мощность, генерируемая источником ��1

Мощность, рассеиваемая компонентом ��1

Символы �� и �� здесь обозначают номера узлов схемы, ��1 — имя компонента с двумя выводами или управляемого источника, ��1 — имя любого активного устройства или линии передачи. Таблица 2.2 отражает — как символы �� и �� заменяются аббревиатурами выводов устройств Таблица 2.2 — Аббревиатуры выводов электронных компонентов

Аббревиатуры выводов ��, ��, ��, В

Полевой транзистор (JFET)

Сток, затвор, исток, подложка Сток, затвор, исток

Арсенид-галлиевый полевой транзистор (GaAsFET)

Сток, затвор, исток

Биполярный транзистор (BJT) Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) Линия передачи (Trans. Line)

База, эмиттер, коллектор, подложка Коллектор, затвор, эмиттер

В арифметических операциях допустимы математические символы + (сложение), (вычитание), * (умножение), / (деление), DIV (целочисленное деление), MOD (остаток целочисленного деления). Допустимы тригонометрические, показательные, логарифмические функции от действительных и комплексных величин.

2.3 Общие приёмы задания зависимостей параметров элементов Отклонения параметров от номинальных значений порождаются целым рядом причин, обусловленных производственной погрешностью и действием эксплуатационных факторов: температуры, влаги, механических нагрузок, радиации и т. д. Хотя в моделях компонентов Micro-CAP допустим только учёт температурных зависимостей — в выражениях можно использовать параметр TEMP (значение температуры, при которой проводится расчёт). Его задают также в диалоговом окне настройки соответствующего вида анализа. Чтобы учитывать влияние температуры, в состав модели необходимо включить соответственное описание температурной зависимости. Влияние температуры. Номинальное значение компонента (резистора, конденсатора, индуктивности) может быть задано числом или выражением, включающим переменные, зависящие от температуры ��. В Micro-CAP существуют две возможности задать влияние температуры на параметры электронных компонентов. 1) Квадратичная аппроксимация температурной зависимости задаётся значениями и в соответствующем диалоговом окне при задании параметров модели вводимого компонента. В том случае, если температурные коэффициенты [���� = [, ]]3 заданы ненулевыми, то реальное значение параметра определяется как ∙ ����, где температурный коэффициент ���� определяется по формуле: ���� = 1 + ����1 ∙ (�� − ��������) + ����2 ∙ (�� − ��������)2 . Здесь значение указывается при номинальной температуре �������� (по умолчанию �������� = 27 °С — указывается в окне ������������ ����������������) ; �� — текущее значение температуры (указывается по директиве .TEMP); ����1 — линейный температурный коэффициент; ����2 — квадратичный температурный коэффициент. Если необязательные значения ����1 и ����2 не заданы, то по умолчанию ����1 = 0 и ����2 = 0, тогда ���� = 1. 2) Экспоненциальной аппроксимацией температурной зависимости (задаётся параметром ������). Если указано, указано ����1 = 0 и ����2 = 0, а значение ������ ≠ 0, то температурный коэффициент TF определяется по экспоненциальной формуле

Квадратные скобки означают, что конструкция внутри них необязательна — может либо присутствовать один раз, либо отсутствовать. Если таких скобок нет – конструкция обязательно присутствует строго один раз.

Если в модели задан параметр ����1 — линейный температурный коэффициент, и если его размерность в ТУ или справочниках — миллионные доли на °С (������4/������������5 С), то для преобразования этого справочного параметра к размерности ����1, принятой в MicroCAP, необходимо его разделить на 1000000. Например, справочный параметр 5000 ������/������������ соответствует значению ����1=5Е-3. Случайный разброс значений параметров. В процессе производства радиокомпонентов неизбежен разброс их параметров, что может привести к неодинаковым рабочим характеристикам и отказу РЭС даже одной и той же марки. Чтобы обеспечить близкие допуски параметров, применяют специальную дорогостоящую процедуру их подбора. Поэтому исследование поведения РЭС, когда параметры его компонентов обладают случайным разбросом, является одной из важнейших задач. Возможность подобного анализа Micro-Cap предоставляет при статистических испытаниях РЭС по методу Монте-Карло (Monte Carlo), во время которого производится множество запусков процесса моделирования, причём в каждом варианте параметры компонентов принимают случайные значения в пределах заданных допусков. Допуски ������ и ������ для анализа Монте-Карло доступны только при определении в окне задания параметров или модельной директивы .MODEL в текстовой области или на поле схемы. Допуски могут выражаться в относительных (процентах) или абсолютных единицах и могут быть указаны для всех параметров модели, за исключением температурных параметров. Обе формы задания допусков преобразуются в эквивалентное процентное отклонение и воздействуют на ���� (фактор Монте-Карло), который, в свою очередь умножается на величину сопротивления с учётом температурных факторов: ���� = 1 ± /100 Если значение разброса в % (LOT или DEV) равно нулю или анализ по методу МонтеКарло не используется, то ����-фактор устанавливается в единичное значение и не воздействует на окончательную величину сопротивления резистора ������������. Окончательно сопротивление резистора ������������ вычисляется по формуле ������������ = �� ∙ ���� ∙ ���� Тепловой шум. Во всех схемах замещения реальных моделей электронных компонентов есть сопротивления. Сопротивление является источником теплового шума, который возникает из-за неупорядоченного теплового движения носителей заряда [1,2]. Его можно задать в модели резистора в виде спектральной плотности шумового тока по формуле Найквиста: ������ = √

Сокращение ������ (от англ. ���������� ������ ��������������, «частей на миллион») — единица измерения каких-либо относительных величин (миллионная доля, равная 1·10−6 от базового показателя. 5 ������������ – градус.

где �� — постоянная Больцмана, �� — абсолютная температура, ���� — сопротивление.

2.4 Модели пассивных двухполюсников Любая математическая модель РЭС состоит из математических моделей базовых элементов — простейших двухполюсников электрических схем. К базовым элементами математической модели относят резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, а также независимые и зависимые источники напряжения и тока. Применяя модели базовых элементов можно создать математическую модель практически всякого сколь угодно сложного РЭС. Рассмотрим особенности моделей базовых элементов в Micro-Cap [1,2,3,4], а также уравнения, описывающие связи между фазовыми переменными этих моделей. 2.4.1

В электрической схеме сопротивление обеспечивают включением компонента, называемого резистором, условное графическое обозначение которого на отечественных и зарубежных схемах приведены на Рис. 2.1. Заметим, что значения сопротивлений, ёмкостей и индуктивностей в Micro-Cap могут быть числом или выражением, зависящим от времени, узловых потенциалов, разности узловых потенциалов или токов ветвей, температуры и других режимных параметров. Задать паразитные и другие параметры можно при выборе модели пассивного компонента [1].

Рис. 2.1 — УГО резистора

Уравнения связи фазовых переменных на сопротивлении �� определяются законом Ома для ненагревающихся проводников (Рис. 2.2):

На резисторе выделяется активная мощность �� = �� ∙ �� = ��2 ⁄��. Под действием протекающего тока резистор нагревается Если напряжение на сопротивлении изменяется во времени, то в точности по такому же закону будет изменяться и ток в нем.

Рис. 2.2 — Электрическое сопротивление: а) — вольтамперная характеристика; б) – фазовые переменные сопротивления При составлении моделей резисторов обычно учитываются их частотные свойства, нелинейную зависимость сопротивления от температуры, протекающего тока и и др. Резистор, как и всякий проводник, имеет распределенные реактивные паразитные параметры. На тех частотах, на которых влиянием реактивных параметров можно пренебречь, т.е. на низких частотах, сопротивление резистора можно считать активным. Но на высоких частотах, значения которых определяются номинальным сопротивлением и конструкцией резисторов, сопротивление резистора необходимо считать комплексным (Рис. 2.3). На Рис. 2.3 использованы обозначения:  R1 — номинал сопротивления резистора;  Lp — паразитная индуктивность резистора (любой вывод – часть витка катушки, мала у безвыводных SMDрезисторов. Возникает также из-за особенностей конструкции резистора); Рис. 2.3 — Эквивалентная  Сp — паразитная ёмкость резистора (между вывосхема резистора на высоких дами резистора, а также между резистором и окружаючастотах в Micro-CAP щими его деталями и частями конструкции). При проектировании высокочастотных РЭС о паразитных параметрах не следует забывать. Если рабочая частота очень велика, то ток через емкость С�� и напряжение на индуктивности ���� станут сравнимыми с полным током через резистор и напряжением между его полюсами. Такой резистор уже нельзя рассматривать только как активное сопротивление. Отметим, что паразитные параметры резистора можно не принимать во внимание на частоте ��, для которой справедливо: 2�������� ≪ ��,

эквивалентная схема резистора сведется к единственному элементу — сопротивлению. После закрепления УГО резистора на рабочем поле появляется диалоговое окно Рис. 2.4, в котором необходимо ввести значения атрибутов резистора.

Рис. 2.4 — Окно ввода атрибутов резистора Атрибут PART: — позиционное обозначение или произвольно данное имя компонента. Атрибут RESISTANCE [���� = [ ]] — величина сопротивления. Атрибут MODEL — задаётся при необходимости использовать расширенную схему замещения, учитывающую паразитные параметры (паразитные сопротивление, ёмкость, индуктивность). По умолчанию паразитные параметры отсутствуют. Для того чтобы задать эти параметры, нужно определить модель компонента (ввести какое-либо имя в поле ����������), тогда строки ввода паразитных параметров в нижней части окна будут разблокированы.

В электронных схемах ёмкость чаще всего обеспечивают включением специального компонента — конденсатора (Рис. 2.5). Между фазовыми переменными ёмкости существует связь

Формы тока и напряжения для ёмкости совпадают только для экспоненциальной и гармонической зависимостей. Ёмкость обладает свойством непрерывности для напряжения: при ограниченном токе напряжение на ёмкости не может измениться скачком (первый закон коммутации). Эквивалентная схема конденсатора в Micro-CAP изображена на Рис. 2.6. Здесь введены следующие обозначения: С1 — номинал ёмкости конденсатора; RS — значение сопротивлении потерь (на высоких частотах приходится считаться с тепловыми потерями в обкладках и индукционными явлениями в проводниках, которые учитывают добавлением в схему замещения сопротивления потерь ���� и индуктивности ����);

LS — значение паразитной индуктивности кон-

Рис. 2.5 — Фазовые переменные ёмкости

Рис. 2.6 — Эквивалентная схема конденсатора на высоких частотах денсатора (индуктивность подводящих выводов); в Micro-CAP RP — значение паразитного сопротивления утечки (учитывает потери в неидеальном диэлектрике, находящимся между обкладками конденсатора, которая характеризуется током утечки). Заметим, что на высоких частотах в реальных РЭС непременно приходится учитывать паразитные ёмкости, возникающие из-за особенностей их конструкции (например, ёмкости между двумя соседними печатными проводниками и другими электронными компонентами). На высоких частотах существенно уменьшается ёмкостное сопротивление, а значит, увеличивается шунтирующее влияние паразитной ёмкости и усиливаются паразитные ёмкостные связи. Это приводит к самовозбуждению, неустойчивой работе РЭС и т.п., что требует повышенного внимания к обеспечению электромагнитной совместимости. Также, как и у резистора, в модель конденсатора можно ввести температурную зависимость и зависимость от напряжения его ёмкости, параметры шума, случайный разброс значения ёмкости в пределах допуска при использовании метода Монте Карло [1].

Отношение, определяющее индуктивность, обратно тому, которое задаёт ёмкость, т.е. напряжение на индуктивности пропорционально производной от тока:

Для индуктивности формы тока и напряжения Рис. 2.7 — Фазовые также различны. Кроме того, справедливо свойство непеременные прерывности для тока: ток в индуктивности при измеиндуктивности нении напряжения на конечную величину не может измениться скачком (второй закон коммутации). Чтобы реализовать требуемую индуктивность, в цепь включают подходящую катушку индуктивности. Реальные катушки индуктивности (Рис. 2.8) намотаны проводом, имеющим ненулевое сопротивление. Чем больше витков содержит катушка, тем будет выше её активное сопротивление ����, которое необходимо учитывать во всём диапазоне частот. Заметим, что на постоянРис. 2.8 — Эквивалентная ном токе индуктивная составляющая катушки будет равна схема индуктивности на нулю, и в качестве схемы замещения можно использовать высоких частотах в только резистивный элемент. Micro-CAP Так как витки катушки выполнены из изолированного провода, то два соседних витка можно рассматривать как межвитковую ёмкость ����. С ростом частоты её влияние будет возрастать. В многослойных катушках индуктивности в модель может быть введена ёмкость между слоями катушки. На сверхвысоких частотах резко возрастает роль индуктивности и ёмкости выводов катушки индуктивности (их следует добавить к эквивалентной схеме на Рис. 2.8). В модель можно ввести температурную зависимость индуктивности, зависимость от тока, протекающего через неё, параметры шума, наличие магнитного сердечника, случайный разброс значения индуктивности в пределах допуска при использовании метода Монте Карло [1].

2.5 Модели источников питания и входных сигналов При выполнении моделирования в Micro-Cap применяют следующие модели источников питания и входных сигналов, которые выбирают либо из раздела меню ������������������  ������������ ��������������������  ���������������� ��������������, либо из панели инструментов.

Источник постоянного напряжения ��������������

Идеальный источник постоянного напряжения (ЭДС) — это двухполюсник на Рис. 2.9 а), создающий на своих зажимах всегда постоянное значение напряжения ��, независящее от того, какой ток протекает через источник. На идеальный источник напряжения значение сопротивления нагрузки не влияет, а внутреннее сопротивление источника ��Вн = ��.

Рис. 2.9 — Источник ЭДС: а) — идеальный; б) — реальный; в) – реальный под нагрузкой ��Н На отечественных схемах идеальный источник напряжения обычно обозначается кругом со стрелкой внутри (Рис. 2.10), показывающей положительное направление ЭДС (в сторону увеличения внутреннего потенциала источника).

Рис. 2.10 — Условные графические обозначения идеальных источников напряжения Идеальный источник напряжения является физической абстракцией, так как если сопротивление нагрузки стремится к нулю ��  0 (см. Рис. 2.9 в)), то ток и электрическая мощность в цепи неограниченно возрастают, что противоречит физической природе источника. Модель идеального источника напряжения используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Реальный источник напряжения всегда обладает внутренним сопротивлением ��Вн, что и отображено на эквивалентной схеме (см. Рис. 2.9 б)).

На Рис. 2.11 приведены нагрузочные характеристики идеального и реального источников напряжения. Видно, что ЭДС �� состоит из суммы падений напряжения на внутреннем сопротивлении ∆�� и напряжения на выводах элемента ��.

Рис. 2.11 — Вольтамперные характеристика идеального и реального источников напряжения 2.5.2

Идеальный источник тока — это двухполюсник, создающий ток строго постоянной величины ��0 , никак не зависящий от напряжения на его полюсах и от значения сопротивления на подключенной нагрузке (Рис. 2.12). Внутреннее сопротивление идеального источника тока приближается к бесконечности. Конечно, это теоретическое допущение не может быть достигнуто на практике. Для идеального источника тока напряжение на его зажимах и мощность зависят только от сопротивления подключённой внешней схемы. При этом с увеличением сопротивления они возрастают. Реальный источник тока отличается от идеального наличием внутреннего сопротивления ��Вн (или внутренней проводимости ��Вн = ��⁄��Вн ) (Рис. 2.13).

���� = ��Вн + ��Н �� = ��Н ∙ ��Н ��Вн = Рис. 2.12 – Вольтамперная характеристика идеального источника тока

Рис. 2.13 — Реальный источник тока под нагрузкой

В различной литературе источники тока могут обозначаться по разному (Рис. 2.14).

Рис. 2.14 – Условные графические обозначения идеальных источников тока В Micro-CAP источник постоянного тока �������������� ������������ задаёт ток через источник, установленный атрибутом ����������, независимо от подключённой к его выводам внешней цепи. Как видно из Рис. 2.15, это может быть не только постоянный ток, но и синусоидальный, импульсный, экспоненциальный и др.

Рис. 2.15 — Диалоговое окно задания параметров источника тока �������������� ������������

Примерами источника тока могут служить:  вторичные обмотки трансформаторов тока, подключённые в первичную схему нагрузки своей силовой обмоткой. Все вторичные цепи работают в режиме надёжного шунтирования. Размыкать их нельзя — иначе возникнут перенапряжения в схеме;  катушки индуктивности, по которым проходил ток в течение некоторого времени после снятия питания со схемы. Быстрое отключение индуктивной нагрузки (резкое возрастание сопротивления) может привести к пробою зазора;  генератор тока, собранный на биполярных транзисторах, управляемый напряжением или током. 2.5.3 Источник синусоидального переменного напряжения �������� ������������ Для определения частотных характеристик схемы используют источник гармонического сигнала �������� ������������. При этом следует в открывшемся окне ввода параметров источника (Рис. 2.16) указать обозначение источника на схеме (атрибут Part), выбрать имя модели (атрибут Model) и указать значение частоты, амплитуды и внутреннего сопротивления (Ошибка! Источник ссылки не найден.).

Рис. 2.16 – Окно ввода параметров источника синусоидального напряжения

Таблица 2.3 — Параметры модели источника синусоидального переменного напряжения �������� ������������ в Micro-Cap Обозначение

F А DC PH RS RP TAU

Частота Гц Амплитуда В Постоянная составляющая В Начальная фаза радиан Внутреннее сопротивление Ом Период повторения экспоненциального затухания с Постоянная времени изменения амплитуды сигнала по с экспоненциальному закону Заметим, что при выборе имени модели из предложенного перечня указанные параметры модели устанавливаются автоматически (по умолчанию). Для определения частотных характеристик рекомендуется выбрать модель с именем «1MHz. Амплитуда сигнала в режиме АС принимается равной 1 В. Напряжение, создаваемое источником �������� ������������ рассчитывается по формулам:

где �� = �������� ������ ����, ������ — остаток целочисленного деления. На Рис. 2.17 изображён возможный синусоидальный сигнал с периодическим экспоненциальным затуханием, который может создавать источник �������� ������������.

Рис. 2.17 — Синусоидальный сигнал с периодическим экспоненциальным затуханием

Источник импульсного напряжения ���������� ������������

Для моделирования цифровых и аналоговых схем в Micro-CAP используют источник импульсного сигнала ���������� ������������, позволяющий сформировать импульс в виде трапеции, прямоугольника, треугольника или пилы. В диалоговом окне ввода параметров источника следует указать обозначение источника на схеме (атрибут PART), выбрать имя модели (атрибут MODEL) и указать значения параметров импульса (Таблица 2.4). Таблица 2.4 — Параметры модели источника импульсного сигнала Micro-Cap Обозначение VZERO VONE Р1 P2 РЗ P4 P5

Содержание Размерность Начальное значение В Максимальное значение В Начало переднего фронта с Начало плоской вершины импульса с Конец плоской вершины импульса с Момент достижения с уровня VZERO с Период повторения с

Графическое изображение импульса приведено на Рис. 1.1.

Рис. 2.18 – Параметры импульсного сигнала в Micro-Cap

Зависимые (управляемые) источники

Зависимый (управляемый) источник — это идеализированный активный элемент, параметр которого является определённой функцией тока или напряжения некоторого участка цепи (в том числе и своего тока или напряжения). В общем случае управляемый источник — это идеализированный элемент с двумя парами выводов. К одной паре выводов (выводы источника) присоединён идеализированный источник, параметр которого является функцией напряжения или тока другой пары выводов (управляющие выводы). Внутреннее сопротивление управляемого источника напряжения равно нулю, а внутреннее сопротивление управляемого источника тока — бесконечности.

Между током или напряжением управляемого источника, например, параметром ��, и управляющим воздействием (аргументом) �� (ток или напряжения у некоторого элемента) устанавливается функциональная зависимость, обычно имеющая вид �� = ��УПР ∙ ��, где ��УПР – функция управления, определяющая зависимость тока (�� = ��) или напряжения (�� = ��) от аргумента; аргумент называют управляющим током (�� = ��) или напряжением (�� = ��). Отношение (��, ��), задаваемое зависимым источником, называют вольтамперной характеристикой, отношения (��, ��) — передаточной характеристикой по току, (��, ��) – по напряжению. Заметим, что если параметры источника изменяются вручную (например, потенциометром), то такой регулируемый источник к управляемым не относится. Если коэффициент управления ��УПР = ����������, то управляемый источник называется линейно управляемым. В программе Micro-Cap существуют четыре линейных зависимых источника напряжения и тока (Ошибка! Источник ссылки не найден.), которые выбирают из раздела меню ������������������  ������������ ��������������������  ������������������ ��������������:  VofV — источник напряжения, управляемый напряжением ������;  VofI — источник напряжения, управляемый током ������;  IofV — источник тока, управляемый напряжением ������;  IofI — источник тока, управляемый током ������. Таблица 2.5 – Варианты зависимых источников в Micro-Cap Зависимый источник

Функция управления в Micro-Cap

У всех перечисленных источников задают единственный параметр – .

Формат схем Micro-Cap:  Атрибут PART:  Атрибут VALUE: коэффициент передачи. В программе Micro-Cap также имеются четыре типа нелинейных полиномиальных зависимых источников напряжения и тока [1]:  EVofV — источник напряжения, управляемый напряжениями;  HVofl — источник напряжения, управляемый токами;  GlofV — источник тока, управляемый напряжениями;  Flofl — источник тока, управляемый токами. Управляемые источники используются при моделировании электронных и полупроводниковых приборов (электронных ламп, транзисторов), а также нелинейных сопротивлений, трансформаторов, операционных усилителей и др.

3 Анализ основных параметров и характеристик РЭС После того, как в процессе проектирования РЭС был проведён инженерный расчёт (синтез) схем электрических принципиальных (обычно такой расчёт основан на существенных допущениях, линеаризации нелинейностей всех компонентов и др.), начинается этап моделирования (анализа), в который может входить решение следующих задач:  проверка правильности проведённых инженерных расчётов и подтверждение работоспособности устройства;  изучение чувствительности РЭС к разбросу параметров компонентов;  проведение исследования нестационарных и аварийных режимов работы;  анализ температурной нестабильности проектируемого РЭС и т.п. Анализ выходных параметров и характеристик схемы электрической принципиальной сводится к вычислению напряжений во всех узлах схемы и токов во всех её ветвях, полученных в результате действия заданного входного сигнала и характеристик факторов окружающей среды. К сожалению, анализ слишком сложных РЭС даже на современных высокопроизводительных компьютерах не может гарантировать достоверность результатов из-за несовершенства математических моделей электронных компонентов. Но даже если и имеется превосходная математическая модель – в неё ещё нужно ввести численные значения параметров. Однако в большинстве случаев эти параметры в справочниках и ТУ не приводятся, и для их получения нужны дополнительные исследования, статистическая обработка характеристик серии экспериментальных опытов и т.д. Точность анализа сложных РЭС ограничена ошибками округления операций над числами, которые хранятся в компьютере с ограниченным числом значащих цифр. Используемые вычислительные процессы могут быть расходящимися, требовать более точных приближений и т.п., что нередко приводит к невозможности проведения анализа.

Выход – моделировать РЭС по частям, поблочно. Вначале добиваются работоспособности общих блоков (чаще всего выходных), а затем поочерёдно подключают оставшиеся узлы к этому уже отлаженному в ходе моделирования блоку. Такое постепенное наращивание сложности модели РЭС даёт возможность упростить первоначальную задачу, легче обнаруживать ошибки и, в конечном итоге, получить выигрыш во времени. Ещё одна возможность — создавать и использовать макромодели6 отдельных функциональных блоков (усилителей, генераторов, таймеров, фильтров и т.п.), отлаживать и проверять их работу, чтобы быть уверенным в их работоспособности и точности. В библиотеке примеров (����������������) Micro-Cap v12 комплект таких макромоделей довольно обширен, и существует возможность создавать свои макромодели. Таким образом, для проведения моделирования необходимо: 1) чётко поставить цели – что мы ждём от проведения моделирования? 2) сформировать адекватную математическую модель РЭС, так как от этого (от нас!) напрямую зависят результаты моделирования; 3) правильно описать математическую модель с помощью математических уравнений, связывающих токи в ветвях схемы с напряжениями в её узлах (Micro-CAP это делает автоматически по введённой схеме электрической принципиальной); 4) решить системы уравнений и определить статические или динамически изменяемые во времени потенциалы всех узлов схемы, токи во всех её ветвях и рассеиваемые мощности на компонентах.

3.1 Анализ статического режима Чтобы провести тепловой расчёт РЭС, расчёт надёжности и т.п. необходимо знать токи, напряжения и мощности всех компонентов схемы. Для получения карты рабочих режимов электронных компонентов схемы необходимо провести анализ статического режима РЭС. Статический режим работы характеризуется отсутствием на входе устройства (например, усилителя) гармонического или импульсного сигнала. В элементах схемы протекают только постоянные токи, обусловленные действием источника питания. В статическом режиме сопротивление конденсаторов для постоянного тока бесконечно велико и их можно заменить разрывом цепи (Micro-CAP исключает их из схемы). В отсутствие переменной составляющей тока напряжения на индуктивности равны нулю и все индуктивности Micro-CAP заменяет перемычками. Вследствие этих замен система уравнений, составленная Micro-Cap в статическом режиме, упростится и будет только алгебраической (без производных).

Макромодели адекватны в отношении внешних свойств объекта исследования. Однако, в отличие от полной математической модели (например, операционного усилителя со множеством транзисторов и других компонентов), макромодель не описывает внутреннее состояние отдельных элементов.

Для определения значений потенциалов узлов схемы, токов и рассеиваемых мощностей электронных компонентов в схеме необходимо: 1) создать новый файл (путь в меню ��������  ������  ����ℎ������������ �������� (. ������)). Не забудьте сохранить его, дав подходящее имя (например, ��������������. ������; 2) ввести в окно графического редактора моделируемую схему РЭС в соответствии с подразделом 1.3, предусмотрев цепи питания, нагрузочные цепи и источники сигналов. 3) выполнить моделирование в режиме анализа переходных процессов ����������������  ������������������  ������������, выбрав в окне задания параметров (Рис. 3.1) (������������������ ���������������� ������������) режим моделирования ������������������ ���������� �������� (Расчёт только в рабочей точке);

Расчёт только в рабочей точке

Рис. 3.1 — Диалоговое окно задания параметров анализа переходного процесса (расчёт статического режима) 4) после нажатия клавиши ������ автоматически рассчитываются токи и напряжения в рабочей точке, а само моделирование переходных процессов не производится; 5) не обращайте внимание на полученные графики — в статическом режиме они не имеют смысла. Окно с ними нужно закрыть; 6) вернуться к введённой схеме из окна ������������������ ����������������, нажав на функциональную клавишу F3. 7) нажать кнопки на панели инструментов для отображения на схеме токов

(����������������), потенциалов узлов (�������� ����������������) и мощностей (������������) (Ошибка! Источник ссылки не найден.). Чтобы не запутаться, особенно в сложных схемах, лучше нажимать эти клавиши поочерёдно. Токи на схеме отображаются синим цветом, потенциалы узлов – розовым, а мощности – красным.

Рис. 3.2 — Результаты анализа статического режима амплитудного детектора

3.2 Анализ переходных процессов 3.2.1

Состояние электрической цепи, при котором токи и напряжения либо неизменны во времени, либо меняются периодически, называется установившимся (стационарным). Как правило, наступлению установившегося состояния, отличного от первоначального режима работы, предшествует переходный процесс (переходное состояние), при котором токи и напряжения изменяются непериодически.

Под переходным (динамическим, нестационарным) процессом (режимом) в электронных схемах РЭС понимается процесс перехода схемы из одного стационарного состояния (режима) в новое. В одних цепях переходные процессы нежелательны, а в других — используются.

Динамические (переходные) режимы РЭС возникают при любом изменении значений внутренних или внешних параметров электрических схем, содержащих накопители энергии (реактивные элементы �� или ��). Такое изменение параметров схем возникает при трансформации структуры цепи или значений параметров её элементов под действием различного рода коммутационной аппаратуры, включающей или отключающей источники

питания или приёмники энергии, при обрывах в цепях, при коротких замыканиях отдельных участков цепи. Результатом коммутации и являются переходные процессы различного рода, проявляющиеся во сдвиге по времени и искажении формы сигналов. Расчёт и анализ РЭС, где происходит непрерывная смена состояния электрических цепей, немыслим без учёта переходных процессов. Это особенно важно для цепей со значительной индуктивностью или большой ёмкостью. Расчёт переходных процессов позволяет определить возможные перенапряжения и сверхтоки, которые во много раз могут превышать напряжения и токи стационарного режима и способны нарушить работу РЭС, вплоть до выхода их из строя. Особенно велико значение такого расчёта в устройствах, предназначенных для усиления, формирования и преобразования импульсных сигналов, когда длительность воздействующих на электрическую цепь сигналов соизмерима с продолжительностью переходных режимов. Для проведения анализа переходного процесса к принципиальной схеме устройства должен быть подключён источник сигнала (управляющего воздействия). Частным случаем расчёта переходных процессов можно считать процесс включения устройства, когда внешним воздействием является подача или отключение напряжения питания. Выходными результатами обычно являются графики зависимостей токов и напряжений схемы от времени. После создания в графическом редакторе Micro-CAP схемы электрической принципиальной (например, Рис. 3.3 [1]) и её сохранения следует перейти к анализу переходных процессов из главного меню по команде ����������������  ������������������  ������������.

Рис. 3.3 — Ввод схемы амплитудного детектора

Ввод параметров моделирования переходного процесса

В верхней строке появившегося диалогового окна (������������������ ���������������� ������������) (см. Рис. 3.4) расположены кнопки с командами: Команда Выполнить

Команда Добавить строку графика

Команда Удалить строку графика

Потенциал узла 4

Напряжение между узлами 4 и 6

Рис. 3.4 — Диалоговое окно задания параметров анализа переходных процессов  Run — начало моделирования (нажатие F2 также начинает моделирование). Нажатием клавиши ������ моделирование в любой момент может быть остановлено;  Add — добавление ещё одной строки спецификации вывода результатов (строки в нижней части окна) 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 �� ��������������������;  Stepping — открытие диалогового окна задания вариации параметров;  Properties — открытие диалогового окна, имеющего следующие закладки: o �������� — управление выводом графиков на экран и на принтер, o ������������ ������ �������������� — выбор масштабов по осям координат, o ������������, ���������� ������ ���������� — выбор цвета объектов, параметров шрифта и типа линий, o ������������— нанесение заголовков в выходных числовых данных, o �������� ������������ выбор одной или нескольких переменных для сохранения в файлах �������� ������������ только в режиме ������������������,

o �������� ������ — нанесение пиктограмм команд на панель инструментов);  Help — вызов системы помощи раздела ������������������ ����������������. В окне задания параметров моделирования переходного процесса (см. Рис. 3.4) в левой части окна укажите:  Maximum Run Time — длительность интервала времени переходного процесса;  Output Start Time (tstart) — время начала графика переходного процесса;  Maximum Time Step — максимальный шаг анализа переходного процесса; если этот параметр не задан (или равен нулю), то расчёт переходных процессов ведётся с переменных шагом, максимальная величина которого полагается равной (Т��ах— ��������)/50; целесообразно начинать моделирование именно в этом режиме, однако погрешность расчётов в этом случае может возрасти, а графики будут не плавными, а состоящими из ломаных линий; в этом случае величину шага следует задать вручную, не забывая, что чем меньше шаг, тем больше время моделирования;  Number of Points — количество точек, выводимых в таблицы, т.е. количество строк в таблице вывода результатов (по умолчанию принимается равным 51, минимальное значение 6). Если заданные моменты времени не совпадают со значениями, при которых проводился численный расчёт, то производится интерполяция. Интервал вывода данных равен (����ах— ��������)/( – 1). Вывод переменных в текстовый выходной файл (�������������� ������������) доступен, если нажата одна из пиктограмм внизу диалогового окна; — Temperature — диапазон изменения температуры в градусах Цельсия; при выборе параметра ������������ имеет формат ������ℎ[, ������[, ��������]]; если параметр �������� (шаг) опущен, то выполняется анализ при двух значениях температуры ������ (минимальной) и ������ℎ (максимальной), если опущены оба параметра ������ и ��������, то расчёт проводится при единственной температуре, равной ������ℎ; при выборе параметра �������� указывается список тем-ператур, 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. В нижней части диалогового окна (см. Рис. 3.4) расположены элементы управления выводом результатов моделирования. Пиктограммы в начале каждой строки спецификации вывода результатов определяют характер вывода данных, задаваемых в той же строке. Самая левая кнопка устанавливает состояние отображения сигнала в одном из трёх состояний: зелёный — показать, красный — не показывать;

жёлтый — сохранить сигнал, но не показывать,

 следующая пиктограмма обеспечивает переключение между логарифмической и линейной шкалой по оси �� (�� ������/������������ ����������).

— линейная шкала по оси ��,

логарифмическая шкала по оси ��7;  пиктограмма �� ������/������������ ���������� — переключение между логарифмической и линейной шкалой по оси ��. ). по оси ��;

— линейная шкала по оси ��,

 (����������)— вызов меню для выбора цветов для окрашивания графиков. Кнопка окрашивается в выбранный цвет;  (�������������� ������������)— при нажатии этой кнопки в текстовый выходной файл заносится таблица отсчётов функции, заданной в графе �� ��������������������. Запись производится в файл «.TNO». Таблица просматривается в окне �������������� ������������ (открывается нажатием клавиши F5). Количество отсчётов функции (число строк в таблице) задаётся параметром ������������ ���� ������������; �������� ���������� — в графе �� 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. Следующие две графы определяют, какой график будет выводиться на экран. �� �������������������� — имя переменной, откладываемой по оси ��. Чаще всего при анализе переходных процессов по этой оси откладывается время (независимая переменная ��), но переменная по оси �� может быть и другой. Например, при расчёте спектра сигнала с помощью преобразования Фурье (FFT) по оси �� откладывается, а при расчёте петли гистерезиса ферромагнетика — напряжённость магнитного поля; �� �������������������� — математическое выражение для переменной, откладываемой по оси ��. Это может быть простая переменная типа потенциала узла ��(5). Если нужно вывести напряжение между узлами, то эти узлы перечисляются в скобках, например, напряжение между узлами 3 и 5 — ��(3,5). Если нужно задать ток между узлами, то в поле �� �������������������� вводится, к примеру, ��(3, 4). Заметьте — между узлами должна быть только одна ветвь (путь протекания тока). Если между узлами несколько ветвей, то нужно задавать токи компонентов, например, ��(��2), ��(��5). Допустимы математические выражения, например, �� (������ ) ∗ �� (������ ), ������(����(��1), ��)/10��, ����(��(5)), ��ℎ(��(5)).

При выборе логарифмических шкал диапазон изменения переменной должен быть положительным.

Micro-Cap позволяет не только непосредственно вводить значения в эти поля, но и выбирать возможные варианты из заготовок. После щелчка правой кнопки мыши при расположении курсора в любой графе �� �������������������� открывается изображённое на Рис. 3.6 всплывающее меню со стандартными заготовками, позволяющее выбрать из предлагаемых списков переменные и константы, которые можно разместить в этих графах. К примеру, если мы хотим вывести на Рис. 3.6 — Всплывающее меню, график ток коллектора транзистора ����1, то сле- позволяющее выбрать из предлагаемых списков переменные и константы, дует щёлкнуть правой клавишей мыши в поле, в размещаемые выражениях которое надо ввести значение выражения для вывода, и выбрать необходимый нам ток (Рис. 3.5) и он появится в поле.

Щелчок правой клавишей мыши

Рис. 3.5 — Ввод переменных и констант из всплывающего меню

X Range — максимальное и минимальное значение переменной Х на графике по формату ������ℎ[, ������]. Если минимальное значение ������ равно нулю, его можно не указывать. Для автоматического выбора диапазона переменных в этой графе указывается ��������. В этом случае сначала выполняется моделирование, в процессе которого графики строятся в стандартном масштабе и затем автоматически перестраиваются. Удобно также с помощью открывающегося списка выбрать ��������, ��������, что избавляет от необходимости при изменении диапазона времени моделирования, менять его для каждой интересующей переменной; Y Range — максимальное и минимальное значение переменной �� на графике; если минимальное значение равно нулю, его можно не указывать. Для автоматического выбора диапазона переменных в этой графе указывается ��������. Дополнительные возможности (Опции8 )  Run Options — управление выдачей результатов расчётов: o ������������ — результаты расчётов не сохраняются; o Save — сохранение результатов расчётов в файле . Т��А; o Retrieve — считывание результатов расчёта из файла . Т��А, созданного ранее. При этом производится построение графиков и таблиц переходных процессов, как после обычного расчёта.  State Variables — установка начальных условий: o �������� — установка нулевых начальных условий для потенциалов всех аналоговых узлов и токов через индуктивности и неопределённых логических состояний «��» для цифровых узлов; o Read — чтение начальных условий из бинарного файла .ТОР, созданного с помощью ���������� ������������������ ������������, перед каждым вариантом расчёта при изменении температуры или другого параметра; o Leave — установка в качестве начальных условий значений, полученных при окончании расчёта предыдущего варианта. При расчёте первого варианта они полагаются нулевыми. Если в предыдущем варианте рассчитывался только режим по постоянному току, то в качестве начальных значений будут приняты параметры этого режима.  Operation Point — выполнение расчёта режима по постоянному току перед началом каждого расчёта переходных процессов. Данные этого режима заменяют значения всех начальных условий, если они были установлены;  Operation Point Only — расчёт только режима по постоянному току (расчёт переходных процессов не производится;  Auto Scale Ranges — присвоение признака автоматического масштабирования «��������» по осям �� для каждого нового варианта расчётов. Если эта опция выключена, то

Опция — (от англ. option выбор, усмотрение) — необязательная дополнительная возможность, один из предлагаемых вариантов выбора.

принимаются во внимание масштабы, указанные в графах �� ����������, �� ����������. В большинстве случаев опцию автоматического масштабирования по осям координат графиков �������� ���������� ������������ целесообразно включать. 3.2.3 Отображение результатов моделирования переходного процесса После задания всех параметров для выполнения моделирования нажмите на кнопку ������ или функциональную клавишу F2. Результаты моделирования выводится в виде графиков в специальное окно (Рис. 3.7).

Рис. 3.7 — Результаты анализа переходного пороцесса в амплитудном детекторе Кратко познакомимся с возможностями, предоставляемыми Micro-CAP для просмотра и обработки графиков сигналов после завершения моделирования. Двойной щелчок курсором мыши в поле графиков (также или F10) открывает диалоговое окно �������������������� ������ ������������������ ����������������, в котором можно изменить многие свойства графиков: отформатировать формат осей координат, тип, цвет и толщину линий, масштабы с возможностью вручную устанавливать нужные пределы уже построенных графиков и др.

Кроме того, в верхней части окна графиков выводятся пиктограммы дополнительных возможностей, с которых можно осуществлять нанесение на графики размерных линий и координат отдельных точек, задавать оформление графиков и представленной на них дополнительной информации, выполнять панорамирование, масштабирование и т.д. Обратите внимание на возможности некоторых кнопок-пиктограмм в инструментальной панели окна вывода результатов анализа. ������������ (�������� + ��) — позволяет выделять с помощью левой клавиши мыши различные объекты: текст, графику, измерительные линии, стрелки, координаты точек графика для их последующего перемещения и редактирования. ������ – панорамирование — перемещение окна без изменения масштаба изображения с помощью клавиатуры или мыши. После щелчка по графику правой кнопкой мыши можно перемещать его в любом направлении (курсор имеет форму руки). Тоже самое можно делать с помощью клавиатуры: одновременно нажать ��������+ и перемещать графики активного окна в направлении соответствующей стрелки. ��������ℎ������ – вызывает меню, в котором можно выбрать графический объект, наносимый на график: линию, эллипс, прямоугольник, ромб, дугу, сектор эллипса, скобки, многоугольник. После размещения на график, эти объекты можно редактировать, выбирая их в режиме ������������ двойным щелчком левой клавиши мыши. �������� − ����, (�������� − ������) — увеличение (уменьшение) масштаба изображения графиков выбранного графического окна. �������� ���������� (��6) — автоматическое масштабирование графиков выбранного окна так, чтобы они заняли все окно. ���������� ��������(��7) — переключение в режим ���������� масштабирования фрагмента графика на весь экран. Выделенная левой клавишей мыши прямоугольная область графика масштабируется на всю область этого графика. Вы также можете использовать комбинации клавиш �������� + + или �������� + − чтобы увеличить или уменьшить масштаб графика. ������������ �������� (��8) — переключение в режим электронного курсора ������������ ). В этом режиме на дисплее отображается числовое значение координат двух точек на графике каждого сигнала, положение которых задаётся курсором. Левая кнопка мыши управляет курсором, указывающим положение левой точки, и правой кнопкой мыши — правой точки. В зависимости от позиционирования точек можно отметить на графике локальные или глобальные максимумы и минимумы, точки перегиба или просто нужные точки графика. �������������������� ������ �������� — нанесение размерной линии с указанием расстояния по оси �� между двумя выбранными точками одного или двух графиков. Удобно для измерения сдвига во времени между двумя событиями при цифровом моделировании, длительности импульса и временных задержек — при аналоговом моделировании.

���������������� ������ �������� — нанесение размерной линии с указанием расстояния по оси �� между двумя выбранными точками одного или двух графиков. ���������� ������ — указание координат �� и �� выбранной точки графика. Используется для указания точного времени события при моделировании цифровых устройств или координат пиков и впадин графиков при аналоговом моделировании. В этом режиме протяжка левой клавишей мыши рисует выносную линию со стрелкой, оканчивающуюся значениями координат для ближайшей точки на графике. ���������������������� ������ — нанесение динамической размерной линии для ����������������������-функции. В этом режиме щелчок левой кнопки мыши с последующим заполнением диалогового окна позволяет запрограммировать размерную линию для функции из раздела ����������������������. Это могут быть время фронта импульса (�������� ��������), среза импульса (�������� ��������), пиковое значение (��������), период (������������), частота (������������������) и многое другое. После этого будет производиться измерение заданного параметра графика при каждом новом запуске анализа. �������� + �� — ввод текста (в абсолютных и относительных координатах). Текст в относительных координатах (����������������) сохраняет свое положение относительно кривой, к которой он привязан, при изменении масштабов графиков. Абсолютный текст (����������������) сохраняет свое местоположение в графическом окне, независимо от масштабирования графиков. В текстовом объекте можно устанавливать рамку и заливку, а также менять гарнитуру, начертание, размер и цвет шрифта, менять ориентацию текста. Следующие далее пиктограммы (������������ ������������������) перемещают курсор к характерным точкам выбранного графика: �������� �������������������� �������� ����������. При нажатии этой кнопки при помощи клавиш клавиатуры  или  для левого курсора и ��ℎ������ +  или ��ℎ������ +  для правого курсора происходит его перемещение к следующей рассчитанной точке данных. �������� ������������������������ �������� ����������. При нажатии этой кнопки возможно перемещение курсора к следующей интерполированной точке при помощи клавиш клавиатуры  или  для левого курсора и ��ℎ������ +  или ��ℎ������ +  для правого курсора. �������� — перемещение курсора к следующему пику, расположенному слева или справа от текущего положения курсора нажатием клавиш клавиатуры  или  (и ��ℎ������ +  или ��ℎ������ + ) соответственно. ������������ — перемещение курсора к следующей впадине, расположенной слева или справа от текущего положения курсора нажатием клавиш клавиатуры  или  (и ��ℎ������ +  или ��ℎ������ + ) соответственно. ������ℎ — перемещение курсора в наиболее высокую точке графика (глобальный максимум) нажатием клавиш клавиатуры  или  (и ��ℎ������ +  или ��ℎ������ + ) соответственно.

������ — перемещение курсора в наиболее низкую точку графика (глобальный минимум) нажатием клавиш клавиатуры  или  (и ��ℎ������ +  или ��ℎ������ + ) соответственно. ������ �������������������� — перемещение курсора к следующей точке перегиба (точке, в которой 2-ая производная равна нулю). ������������ ������ℎ — перемещение курсора при нажатии клавиш  или  к наиболее высокой точке семейства графиков (наиболее эффективно при многовариантном анализе или статистическом анализе по методу Монте-Карло). ������������ ������ — перемещение курсора при нажатии клавиш  или  к наиболее низкой точке семейства графиков (наиболее эффективно при многовариантном анализе или статистическом анализе по методу Монте-Карло). ������ (������ + ��������) — переход к графику, расположенному сверху. ������������ (������ + ������) — переход к графику, расположенному снизу. ���� ���� ��. . . (��ℎ������ + �������� + ��) — перемещение левого или правого курсора в точку с заданной координатой по оси X. ���� То ��. . . (��ℎ������ + �������� + ��) — перемещение левого или правого курсора в ближайшую точку с заданной координатой по оси Y. ���� ���� ����������ℎ — переход к указанной реализации многовариантного анализа.

3.3 Анализ частотных характеристик 3.3.1

Важнейшие виды частотных характеристик

Для передачи электрических сигналов в радиотехнических устройствах во многих случаях используют четырёхполюсники (Рис. 3.8), имеющие две пары зажимов: к первичным зажимам подсоединяется источник энергии (ток или напряжение), ко вторичным зажимам – нагрузка (в общем случае пассивный или активный двухполюсник Рис. 3.8 — Четырёхполюсник с известными вольтамперными характеристиками). Внутри четырёхполюсника имеются соединения элементов ��, �� и ��. Электрическое напряжение ��̇1, поданное на вход четырёхполюсника, называется воздействием, а напряжение на выходе ��̇2 , называется реакцией (откликом). Так как реактивные сопротивления индуктивных и ёмкостных элементов являются функциями частоты приложенного напряжения, то изменение частоты гармонических (или импульсных) колебаний входного воздействия приводит к изменению амплитуды и начальной фазы реакции.

Пусть ко входу четырёхполюсника подключён источник гармонического сигнала ��̇1 с нулевой начальной фазой. Комплексное изображение источника напряжения ��1 (����), причём ��1 — модуль действующего значения входного напряжения, а �� = 2���� — угловая частота. Связь между входными и выходными комплексными фазовыми переменными четырёхполюсника может быть определена через его частотные характеристики. Частотные свойства четырёхполюсника на частоте ω характеризуют комплексной передаточной функцией, представляющей отношение комплексной амплитуды отклика к комплексной амплитуде воздействия (Таблица 3.1). Таблица 3.1 — Виды частотных характеристик четырёхполюсника № 1

Название частотной характеристики Входное сопротивление четырёхполюсника Входная проводимость четырёхполюсника Коэффициент передачи по напряжению Коэффициент передачи по току Передаточное сопротивление Передаточная проводимость

Комплексные передаточные функции можно представить в алгебраической форме через вещественные и мнимые части, либо в показательной форме через модуль и аргумент. В показательной форме записи в общем виде комплексная передаточная функция �� (����): ��2 (����) ��2 (��) ��(θ (��)−θ (��)) 1 = �� 2 , ��1 (����) ��1 (��) где ��1 (����) и ��2 (����) — обобщённые функции на входе и выходе четырёхполюсника. Сравнивая отдельно модули и фазы, можно выделить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и фазочастотную характеристику (ФЧХ) передаточной функции. АЧХ передаточной функции (зависимость амплитуды выходного сигнала четырёхполюсника от частоты её входного гармонического сигнала): ��2 (��) �� (�� ) = . ��1 (��) ФЧХ передаточной функции (зависимость разности фаз между выходным и входным сигналами от частоты её входного гармонического сигнала): �� (��) = θ2 (��) − θ1 (��). �� (����) = |��(����)|�� ����(��) =

Логарифмические частотные характеристики

Часто в РЭС значения амплитудно-частотных характеристик изменяются в очень широких пределах. В таких случаях удобнее оперировать логарифмическими частотными характеристиками (ЛЧХ), которые пропорциональны логарифму от соответствующей безразмерной величины. Переход к логарифмической шкале позволяет существенно «сжать» пределы изменения амплитудно-частотных характеристик. Логарифмическую амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ) (зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты гармонического входного сигнала при его постоянной амплитуде) принято оценивать в децибелах (дБ или dB): ��(��) = 20 ∙ ������(��), где ���� – логарифм при основании 10, ��(��) – передаточная функция силовых величин, таких как напряжение, сила тока, напряжённость поля, звуковое давление и т.п. Если используется отношение двух значений энергетической величины, выраженное в децибелах, то применяется формула: ��(��) = 10 ∙ ����

где ��1 (��) и ��2 (��) входное и выходное значение энергетических величин типа мощность, энергия, интенсивность, плотность потока мощности, спектральная плотность мощности и т.п. Децибел — безразмерная (относительная) единица, широко применяемая там, где требуется измерение величин, меняющихся в широком диапазоне: в радиотехнике, антенной технике, в системах передачи информации, в оптике, акустике и др. в децибелах измеряют динамический диапазон уровня громкости звука, коэффициент передачи фильтра, затухания волны при распространении в поглощающей среде, коэффициент затухания радиочастотного кабеля, коэффициент усиления и коэффициент шума усилителя и т.п. Величину ��(��)называют логарифмическим усилением или усилением в децибелах. Усилению сигнала соответствуют положительные значения ��(��), ослаблению – отрицательные значения логарифмического усиления.

Таблица 3.2 — Примеры соотношений с энергетическими и силовыми величинами ��(��)

Примечание. Для перехода от децибел к отношению величин используются формулы: Для силовых величин: ��2 (��) �� (�� ) = = 100.05∙��(��) . ��1 (��) Для энергетических величин: ��2 (��) = 100.1∙��(��) . ��1 (��)

При исследовании ЛАЧХ в широком диапазоне частот изменение частоты также целесообразно оценивать в логарифмических единицах. 3.3.3

Моделирование частотных характеристик в Micro-CAP в режиме АС

В режиме АС сначала рассчитывается режим схемы по постоянному току, затем линеаризуются все нелинейные компоненты (пассивные компоненты с нелинейными параметрами, диоды, транзисторы, нелинейные управляемые источники) и выполняется расчёт комплексных амплитуд узловых потенциалов и токов ветвей. При линеаризации цифровые компоненты заменяются их входными и выходными комплексными сопротивлениями, передача сигналов через них не рассматривается. Ко входу схемы должен быть подключён источник гармонического возмущения с переменной частотой SIN (Рис. 3.9). При расчёте частотных характеристик комплексная амплитуда этого сигнала автоматически полагается равной 1 В, начальная фаза нулевая (независимо от того, как заданы значения параметров модели сигнала), а частота меняется в пределах, задаваемых в меню ���� ���������������� ������������. Если имеется один источник сигнала, то выходные напряжения будут совпадать с частотными характеристиками устройства. Если же источников сигнала несколько, то отклики от каждого сигнала будут складываться как комплексные величины.

Рис. 3.9 — Ввод схемы амплитудного детектора для частотного анализа

После перехода в режим расчёта частотных характеристик появляется диалоговое окно ���� ���������������� ������������ (Рис. 3.10). По сравнению с окном задания параметров анализа переходных процессов ������������������ ���������������� ������������ в м окне задания параметров частотного анализа есть некоторые изменения.

Рис. 3.10 — Окно задания параметров моделирования AC Analysis Limits Команды в верхней части окна: Run (F2) — начало моделирования. Add — добавление ещё одной строки спецификации вывода результатов после строки, отмеченной курсором. 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, �� ��������������������. Stepping — открытие диалогового окна задания вариации параметров. Properties — открытие диалогового окна задания параметров (окон графиков, текстовых надписей, толщины и цвета линий и др.). Help — вызов раздела системы помощи ���� ����������������. В левой части окна задают числовые параметры, определяющие основные параметры частотного анализа: Frequency Range — ввод конечной и начальной частоты по формату ��������, ��������. Отрицательные значения частоты не допускаются. Если значение �������� не указано, то расчёт не производится. В этой же строке из списка можно выбрать следующие способы изменения частоты:

 �������� — автоматический подбор шага по частоте на основе контроля максимального приращения функции первого графика. Эта опция является стандартным выбором и используется наиболее часто.  ������������ — расчёт с постоянным линейным шагом по частоте. Шаг по частоте выбирается исходя из заданного количества расчётных точек ������������ ���� ������������.  ������ — расчёт с постоянным шагом на логарифмической шкале частоты. В этом режиме на каждом шаге расчёта частота умножается на одно и то же значение, в результате чего между точками расчёта будут одинаковые расстояния на логарифмической шкале. Шаг по частоте выбирается исходя из заданного количества расчётных точек ������������ ���� ������������.  �������� — расчёт для значений частот, перечисленных списком через запятую в поле частотного диапазона (например, 1Е8,1Е7,5Е6). В этом случае, в отличие от остальных способов, в поле частотного диапазона можно (и, как правило, нужно) указывать более двух значений частоты, а не только �������� и ��������. Number of Points — количество точек по частоте (���� ), в которых производится расчёт частотных характеристик. Минимальное значение равно 5. Целесообразно задать эту величину равной 500. В связи с тем, что в режиме АС интерполяция не производится, то в таблицы и на графики выводятся все данные, полученные при расчёте. Значения частот, на которых производится расчёт характеристик, зависит от параметров, установленных в разделе «Опции»: ��������, ������������, ������. В режиме �������� параметр ������������ ���� ������������ во внимание не принимается и количество точек определяется величиной �������������� ��ℎ��������. Если принят линейный шаг (������������), то шаг приращения частоты равен ∆�� = ����+1 − ���� = (�������� − ��������)/(���� − 1). Если принят логарифмический масштаб (������), то отношение соседних частотных точек равно 1

����+1 �������� ���� − 1 ) =( . ���� �������� Temperature — диапазон изменения температуры в градусах Цельсия. При выборе параметра ������������ имеет формат ������ℎ[, ������[, ��������]]; если при этом параметр �������� (шаг) опущен, то выполняется анализ при двух значениях температуры ������ (минимальной) и ������ℎ (максимальной), если опущены оба параметра ������ и ��������, то расчёт проводится при единственной температуре, равной ������ℎ. При выборе параметра �������� указывается список температур, разделяемых запятыми. При изменении температуры изменяются параметры компонентов, имеющие ненулевые температурные коэффициенты ����, а также ряд параметров полупроводниковых приборов. Значение установленной здесь температуры может использоваться в различных выражениях, она обозначается как переменная ��������. Maximum Change, % — максимально допустимое приращение графика первой функции на интервале шага по частоте (в процентах от полной шкалы). Принимается во внимание только при выборе опции ��������. Если график функции изменяется быстрее, то шаг приращения частоты автоматически уменьшается.

Noise Input — имя входного источника сигнала, используемого при расчёте шумовых параметров. те шумовых параметров. Если переменные ������������ и ������������ не используются в полях выражений, то значение этого поля игнорируется. При указании переменной ������������ в графе �� �������������������� выводится график квадратного корня спектральной плотности напряжения или тока внутренних шумов цепи, пересчитанной к этим зажимам. Если в качестве источника входного сигнала включается источник напряжения, то на вход пересчитывается спектральная плотность напряжения, а если источник тока, то спектральная плотность тока. Noise Output — номера узлов выходных зажимов цепи, в которых вычисляется спектральная плотность напряжения выходного шума цепи. те шумовых параметров. Если переменные ������������ и ������������ не используются в полях выражений, то значение этого поля игнорируется. Формат вывода: узел 1 [узел1]. Нажатие правой клавиши мыши на этом поле открывает список возможных выходных узлов для анализа шумов. В правой части диалогового окна (см. Рис. 3.10): Run Options — управление выдачей результатов расчётов:  ������������ — запуск моделирования без сохранения результатов на диске;  �������� — сохранение результатов расчётов в бинарном файле . ������;  ���������������� — считывание последних результатов расчёта из файла . ������, созданного ранее. При этом производится построение графиков и таблиц, как после обычного расчёта. State Variables — определяют какие значения присвоить переменным состояния схемы перед возможным (но не обязательным) расчётом режима схемы по постоянному току.  �������� — присвоение всем переменным состояния схемы (узловым потенциалам, токам в катушках) нулевых значений перед выполнением расчёта рабочей точки по постоянному току. При выборе этой опции режим по постоянному току всегда рассчитывается перед построением линеаризованной модели.  �������� — считывание предварительно сохранённых на диске значений для переменных состояния схемы и использование их в качестве начальных условий. Если при этом флаг ������������������ ���������� установлен, то считанные значения будут использоваться в качестве начального приближения при расчёте режима по постоянному току. В противном случае линеаризованная модель будет построена для считанных значений переменных состояния схемы.  ���������� — работает аналогично опции ��������, только значения переменных состояния берутся из их текущих значений, содержащихся в позициях редактора начальных условий (���������� ���������������� ������������), которые равны значениям предыдущего сеанса расчёта. Operating Point — выполнение расчёта схемы по постоянному току перед построением малосигнальной линеаризованной модели для расчёта в частотной области. Если этот флаг установлен, результаты малосигнального анализа не будут зависеть от опции, установленной в графе ���������� ������������������. В противном случае малосигнальная модель будет

строиться по значениям переменных состояния, которые в каждом отдельном случае могут быть различными, и, следовательно, будут воздействовать на результат АС анализа. Auto Scale Ranges — присвоение признака автоматического масштабирования «��������» по осям ��, �� для всех графиков во всех окнах для каждого нового варианта расчёта. Если эта опция выключена, то вывод графиков проводится согласно масштабам, указанным в графах �� ����������, �� ����������. Особенности ввода выражений при частотном моделировании (строки в нижней части диалогового окна) (см. Рис. 3.10): �� �������������������� — имя переменной, откладываемой по оси ��. Обычно при анализе переходных процессов по этой оси откладывается частота (переменная ��), однако это не обязательно. Так при расчёте импульсной характеристики с помощью преобразования Фурье по этой оси откладывается время (переменная ��), а при построении годографа для анализа устойчивости по методу Найквиста — действительная часть комплексного сигнала. Значение этого поля можно не только задавать, но и выбирать из списка меню, открывающегося при нажатии правой клавишей мыши в соответствующем поле. �� �������������������� — математическое выражение для переменной, откладываемой по оси ��. Это может быть простая переменная типа напряжения в узле ��(6), падение напряжения на двухполюсном компоненте ��(��2) или ток ветви ��(5,3), ��(��1), произведения комплексных величин, например ��(������) ∗ ��(������), фаза комплексной величины ����(��(������)), групповая задержка ����(��(������)) и другие выражения и функции (см. Help или [1]). Для построения стандартной АЧХ в этом поле надо задать выражение для коэффициента усиления в dB — ����(��(������)/��(����)), где ������ и ���� — номера (или имена) выходного и входного узлов. Входной — это узел, к которому присоединён источник сигнала. Если такой источник в схеме один, то часто можно просто записать ����(��(������)). Для построения ФЧХ — соответственно ��ℎ(��(������)/��(����)) или ��ℎ(��(������)) (��ℎ первые буквы слова ��ℎ������ — фаза). Для расчёта уровня внутреннего шума в графе �� �������������������� помещают имена переменных ������������, ������������; при этом графики других переменных нельзя одновременно выводить на экран. Щелчок правой клавишей мыши на поле �� �������������������� вызывает окно со списками различных математических выражений. Эти списки для заполнения соответствующего поля позволяют выбрать: переменные (������������������), константы (����������������), функции (������������������), операторы (������������������), кривые из буфера графиков (��������������) или расширить поле для редактирования слишком длинного выражения (������������). В рассмотренных выше полях выражения всегда трактуются как комплексные. По этой причине на графики (если нет специальных обозначений типа ��ℎ������, ��������, ��������) всегда выводятся зависимости амплитудных значений. Например, если в качестве �� �������������������� используется выражение ��(5)/��(2), то программа рассматривает его как комплексное и выводит на график зависимость амплитуды отношения от ��-переменной. Такие правила используются из-за невозможности построения зависимости комплексной переменной от частоты на одном графике.

�� ���������� — максимальное и минимальное значение переменной �� на графике по формату ������ℎ[, ������]. Если минимальное значение ������ равно нулю, его можно не указывать. Для автоматического выбора диапазона переменных в этой графе указывается ��������. В этом случае сначала выполняется моделирование, в процессе которого графики строятся в стандартном масштабе и затем автоматически перестраиваются. Удобно также использовать ��������, ��������, в этом случае не надо дублировать диапазон, указанный в ������������������ ����������. �� ���������� — максимальное и минимальное значение переменной �� на графике; если минимальное значение равно нулю, его можно не указывать. Для автоматического выбора диапазона переменных в этой графе указывается ��������. Exit Analysis (F3) — завершение частотного анализа и возвращение в окно схем. Остальные клавиши имеют практически те же функции, что и при моделировании переходного процесса (см. подраздел 3.2.2). 3.3.5

Отображение результатов частотного моделирования

На Рис. 3.11 в качестве примера приведён пример вывода результатов частотного моделирования амплитудного детектора (см. Рис. 3.9).