Выбрать главу

Роберт Хайнеман

Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE

Все нужно делать как можно проще, но и не упрощать.

Альберт Эйнштейн

Предисловие

За всю историю развития электронной техники не было изобретения, которое оказало бы большее влияние на работу специалистов, чем программа PSPICE. С появлением PSPICE достаточно иметь под рукой стандартный персональный компьютер, чтобы смоделировать работу сложнейших электронных схем. При этом результаты в большинстве случаев оказываются точнее полученных в лабораторных условиях, хотя бы потому, что PSPICE не допускает погрешностей в измерениях.

Программы-имитаторы стали незаменимым инструментом в работе профессиональных электронщиков. В настоящее время существует целый ряд моделирующих программ, и практически все они созданы на основе SPICE, которая была разработана специалистами университета Беркли. PSPICE считается образцом имитатора и используется электронщиками во всем мире чаще, чем все остальные моделирующие программы вместе взятые.

Полная версия программы PSPICE стоит очень дорого и практически недоступна для отдельных частных лиц. Поэтому трудно переоценить значение ее бесплатной демоверсии для предприятий, школ и вузов, готовящих специалистов в области электроники. Демоверсия отличается от полной лишь тем, что объем моделируемых схем ограничен 50-ю деталями, среди которых может быть 10 транзисторов. Этого достаточно, чтобы использовать программу в образовательных целях. Все примеры в настоящей книге рассчитаны на демоверсию, но материал изложен так, что по сути является вводным курсом в полную версию PSPICE.

Для того чтобы имитатором могли пользоваться европейские потребители, с разрешения изготовителей в оригинальную американскую демоверсию PSPICE были внесены некоторые изменения: вместо распространенных в США включены схемные обозначения, соответствующие стандартам IEC, и используемые в Европе транзисторы. Прилагаемый к книге компакт-диск содержит как оригинальную американскую демоверсию PSPICE, так и ее измененный европейский вариант.

Автор книги попытался достичь невозможного: совместить под одной обложкой учебный курс для новичков, солидное подспорье для опытных пользователей и справочник как для первой, так и для второй категории читателей. Реализации намеченных целей призвана служить следующая структура книги:

• часть I адресована, главным образом, новичкам. Сведения об основах работы с программой PSPICE объединены в пять уроков. После тщательной изучения этого вводного курса вы овладеете важнейшими видами анализа, что является непременным условием для работы с PSPICE. Для успешного освоения материала первой части необходимо иметь базовые знания о характеристиках поведения резисторов, конденсаторов и катушек в цепях постоянного и переменного тока;

• информация, содержащаяся в части II, имеет более специализированный характер и предназначается для опытных пользователей программы PSPICE, то есть для тех, кто уже изучил материал первой части и успел применить полученные знания на практике. Пять уроков этой части можно прорабатывать в любой последовательности;

• в конце каждого урока вы найдете руководство к действию. Приведенные в нем рецепты в краткой форме содержат указания относительно последовательности выполнения важнейших операций. Это сделано для того, чтобы читатель, если он вдруг упустил отдельные моменты при изучении материала, смог быстро сориентироваться;

• часть III рассказывает о перспективах работы с программой PSPICE. Среди прочего здесь говорится об использовании PSPICE в таких областях, как техника связи и регулирования, силовая полупроводниковая техника.

Внимательно и последовательно проштудируйте первую часть книги. Овладев изложенным там материалом, вы будете готовы к тому, чтобы с успехом применять программу PSPICE для изучения основных схем полупроводниковой электроники. Материал же второй части можете осваивать постепенно, по мере необходимости.

Данный учебный курс был неоднократно апробирован и претерпел немало изменений, прежде чем приобрел тот вид, который имеет в книге. Хотелось бы выразить искреннюю признательность всем коллегам, учащимся и студентам, способствовавшим его созданию. Отдельные слова благодарности адресованы фирме OrCad, выпустившей бесплатную демоверсию PSPICE, в результате чего стало возможным использование этой уникальной программы в сфере профессионального образования.

Автор книги предлагает своим читателям бесплатные электронные консультации. В сети Internet есть страничка http://www.spicelab.de, где он публикует последние новости по программе PSPICE и, кроме того, отвечает на наиболее часто задаваемые вопросы, которые ему присылают по электронной почте: Robert.PSPICE.Heinemann@t-online.de.

Роберт Хайнеман Брауншвейг

Предисловие ко второму изданию 

Многочисленные читательские отклики на первое издание книги подтвердили правильность выбранной концепции. Поэтому уже менее чем через год возникла необходимость ее повторного выпуска.

В январе 1999 года, сразу после объединения компаний MicroSim и OrCAD, появилась версия PSPICE 9.0, в которой редактор проектирования электронных схем MicroSim-SCHEMATICS был заменен редактором OrCAD-CAPTURE. В отличие от предыдущей версии 9.0 была создана, как мне представляется, несколько поспешно и имела некоторые недостатки (так, например, нельзя было непосредственно на схеме указывать токи и напряжения в рабочей точке аналоговых микросхем, а также двоичные состояния в цифровых микросхемах, что чрезвычайно удобно при проектировании). Все недочеты были устранены в версии 9.1. Кроме того, версия 9.1 позволяет чертить схему как в редакторе MicroSim-SCHEMATICS, так и в OrCAD-CAPTURE. Но это возможно только в полной версии PSPICE 9.1. Демоверсия, к сожалению, не содержит ни опции для указания данных в рабочей точке непосредственно на чертеже, ни возможности выборочного использования SCHEMATICS и CAPTURE при проектировании схемы. Что касается указания данных в рабочей точке, то компания CADENCE (недавно фирма OrCAD вошла в компанию CADENCE, что сделало последнюю крупнейшей корпорацией, предлагающей свое программное обеспечение и услуги на рынке электронных цифровых анализаторов) уже объявила о намерении внести необходимые дополнения в следующую демоверсию.

В связи с появлением новой версии программы текст книги перед повторным изданием был доработан. Я избрал концепцию, которая, надеюсь, удовлетворит как тех читателей, кто работает с демоверсией и для кого важно иметь характеристики рабочей точки на схеме, так и тех, кто предпочитает пользоваться новейшей версией 9.1. С учетом этого к прежнему варианту книги о версии 8.0 были добавлены две главы (четвертая часть), где рассказывается о версии 9.1. Материал дополнительных глав излагается в виде учебного курса и подается с таким расчетом, чтобы читатель, знакомый с версией 8.0, мог без труда освоить версию 9.1. Прилагаемый к книге компакт-диск содержит обе демоверсии PSPICE 8.0 и 9.1, а также их европеизированные варианты. При одновременной работе версии не конфликтуют друг с другом, так что вы можете установить на своем компьютере оба варианта и в случае необходимости заглянуть в версию 9.1, не отказываясь при этом от использования версии 8.0.

Роберт Хайнеман Брауншвейг

Введение

Прежде чем начать изучение программы PSPICE, необходимо ее установить. Обычно это не вызывает затруднений — разработчики позаботились о том, чтобы пользователи могли быстро и без проблем инсталлировать программу на жесткие диски своих компьютеров. Но если вам до сих пор не доводилось самостоятельно устанавливать программное обеспечение, ниже приведена соответствующая подробная инструкция. Также для удобства вашей работы с книгой даются сведения обо всех принятых условных обозначениях.

Инструкция по инсталляции

Чтобы установить на жесткий диск своего компьютера демоверсию программы PSPICE 8.0, выполните следующие действия.

1. Убедитесь, что на вашем компьютере установлена операционная система WINDOWS 95/98/NT.

2. Закройте все работающие программы.

3. Вставьте в CD-ROM установочный компакт-диск. Программа предварительной установки Setup будет автоматически запущена (при использовании низкоскоростного устройства для этого потребуется некоторое время) и на экране появится базовое окно установки MicroSim Evaluation CD Rom с содержимым вставленного диска. В этом окне щелкните по кнопке Install Software (Установить программное обеспечение).

1
Роберт Хайнеман: Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE 1
Предисловие 1
Предисловие ко второму изданию  1
Введение 1
Часть I: Основы 2
Урок 1: Черчение схем 2
1.1. Поиск и позиционирование компонентов 2
1.1.1. Упражнения по начертанию схемы 3
 1.1.2. Упражнения по работе с элементами схемы 3
1.2. Черчение электросхемы 3
1.3. Установка атрибутов 4
1.3.1. Упражнения по отображению электросхем 4
1.4. Кнопки редактора SCHEMATICS 5
1.4.1. Задание на закрепление материала 5
1.5. Руководство к действию 5
Урок 2: Моделирование цепи постоянного тока  6
2.1. Токи и напряжения в цепях постоянного тока 6
2.1.1 Задания по моделированию схемы  7
2.2. Выходной файл программы PSPICE 7
2.2.1. Задания на закрепления материала 8
2.3. Руководство к действию 8
Урок 3: Анализ цепи переменного тока 9
3.1. Анализ AC Sweep[16] в одной точке 9
3.1.1. Задания на закрепление материала 10
3.2. Руководство к действию 10
Урок 4: Анализ переходных процессов 11
4.1. Моделирование 11
4.2. Создание диаграмм в программе-осциллографе PROBE 11
4.3. Добавление второй координатной оси Y 13
4.4. Применение анализа переходных процессов: зарядка и разрядка конденсаторов 13
4.4.1. Задания на закрепление материала 13
4.5. Руководство к действию 13
Урок 5: Анализ частотных характеристик AC Sweep 14
5.1. Анализ AC Sweep с линейным и логарифмическим форматированием осей координат 14
5.2. Линейное и логарифмическое распределение контрольных точек 15
5.2.1. Упражнения по изменению координат 15
5.3. Объединение диаграмм, созданных на основе результатов моделирования разных схем[26] 16
5.3.1. Задания на закрепление материала 16
5.4. Руководство к действию 16
Часть II: Высшая школа 17
Урок 6: Работа с программой-осциллографом PROBE 17
6.1. Масштабирование координатной сетки Y 17
6.2. Применение математических к результатам моделирования 18
6.3. Одновременное изображение диаграмм в отдельных системах координат 18
6.4. Масштабирование координатной оси X 18
6.5. Увеличение фрагментов диаграмм 19
6.5.1. Упражнение на масштабирование диаграмм 19
6.5.2. Задания на построение диаграмм 19
6.6. Курсор программы-осциллографа PROBE 19
6.6.1. Упражнения по работе с курсорами 19
6.6.2. Упражнения по вычислению координат 20
6.6.3. Задание на закрепление материала 20
6.7. Кнопки программы-осциллографа PROBE 20
6.8. Руководство к действию  20
Урок 7: Анализ цепи постоянного тока DC Sweep 21
7.1. Источник напряжения в качестве изменяемой переменной 21
7.1.1. Упражнение по проведению DC-анализа 22
7.2. Источник постоянного тока в качестве изменяемой переменной 22
7.3. Температура компонентов в качестве изменяемой переменной 23
7.4. Сдвоенный анализ DC Sweep 23
7.5. Значение сопротивления в качестве изменяемой переменной 24
7.5.1. Задание на закрепление материала 24
7.6. Руководство к действию 24
Урок 8: Параметрический анализ 26
8.1. Параметрический анализ как дополнительный к анализу DC Sweep 26
8.1.1. Упражнение по проведению параметрического анализа 27
8.2. Сопротивление в качестве параметра 27
8.3. Амплитуда напряжения в качестве параметра 27
8.3.1. Упражнения по анализу частотных характеристик 27
8.4. Параметрический анализ как дополнительный к анализу переходных процессов 28
8.5. Коэффициенты в качестве глобальных параметров 28
8.5.1. Задание на закрепление материала 29
8.6. Руководство к действию  29
Урок 9: Специальные виды анализа 29
9.1. Анализ Фурье 29
9.1.1. Частотный спектр прямоугольного напряжения 29
9.1.2. Частотный спектр выходного напряжения 30
9.2. Шумы 31
9.3. Анализ эффективности моделирования 31
9.4. Вспомогательные средства для расчёта рабочей точки 32
9.4.1. Анализ данных рабочей точки 32
9.4.2. Анализ передачи тока в режиме малого сигнала 32
9.4.3. Анализ чувствительности выходного напряжения цепи постоянного тока к разбросам параметров компонентов  32
9.5. Вероятностный анализ методом Монте-Карло 33
9.6. Анализ наихудшего случая 34
9.6.1. Общее представление об анализе наихудшего случая 34
9.6.2. Определение наихудшего случая активного фильтра 35
9.7. Руководство к действию 35
Урок 10: Цифровое моделирование 37
10.1. PSPICE как статический логический анализатор 37
10.1.1. Упражнение на цифровое моделирование схемы 37
10.1.2. Упражнение на определение наименьшего сопротивления 38
10.2. Динамическое цифровое моделирование: временные диаграммы 38
10.2.1 Обозначения узлов и отображение цифровых состояний в PROBE 38
10.2.2. Изображение неопределённых состояний в PROBE[35] 38
10.2.3. Источники напряжения в цифровых схемах  39
10.3. Руководство к действию 39
Часть III: Взгляды, возможности, перспективы 40
Глава 11: Ограничения демонстрационной версии программы PSPICE 41
Глава 12: Моделирование и изменение схем 42
12.1. Эффективная полоса пропускания 42
12.2. Скорость нарастания фронта 42
12.3. Отношение сигнал-шум 42
12.4. Гармонические искажения 42
12.5. МОП-транзисторный усилитель как усилитель постоянного напряжения 43
Глава 13: Возможности применения программы PSPICE 43
13.1. Анализ высокочастотных помех при работе мостовой схемы на тиристорах 43
13.2. Компенсация реактивной мощности в трёхфазной сети 43
13.3. Активные фильтры 43
13.4. Минимизация шума усилителя 44
Глава 14: PSPICE и техника автоматического регулирования 44
14.1. Регулируемые участки 44
14.1.1. PT1-участок 44
14.1.2. PT3-участок 44
14.2. Регулируемые цепи 44
14.2.1. Регулирование PT1-участка с помощью P-стабилизатора 45
14.2.2. Регулирование PT3-участка с помощью P-регулятора 45
Часть IV: Введение в версию 9.1 программы PSPICE 45
Глава 15: Черчение схем в редакторе CAPTURE 46
15.1. Создание нового проекта 46
15.2. Поиск, позиционирование и проводной монтаж компонентов 46
15.3. Редактирование значений компонентов 47
Глава 16: Моделирование в версии 9.1 48
16.1. Создание профилей моделирования 48
16.2. Перекрёстное исследование с помощью маркеров 48
16.3. Ответы на наиболее часто задаваемые вопросы 49
Приложение  49