Skripta Analýza el. obvodů programem

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ



Analýza elektronických obvodů programem
OrCAD PSpice



Doc. Dr. Ing. Zdeněk Kolka






Analýza elektronických obvodů programem PSpice 1
Obsah
1 ÚVOD ................................................................................................................................2
2 NÁVRHOVÝ SYSTÉM PSPICE....................................................................................3
2.1 UKÁZKOVÝ PŘÍKLAD ...................................................................................................3
2.2 MODULÁRNÍ STRUKTURA ............................................................................................3
2.3 ZÁKLADY JAZYKA (P)SPICE ........................................................................................5
3 EDITOR CAPTURE ........................................................................................................9
3.1 PRÁCE S PROJEKTY ......................................................................................................9
3.2 KRESLENÍ SCHÉMATU ................................................................................................11
3.2.1 Editace..............................................................................................................11
3.2.2 Nastavení parametrů součástek........................................................................12
3.2.3 Konektory .........................................................................................................14
3.2.4 Zásady pro kreslení schémat ............................................................................14
4 POSTPROCESOR PROBE...........................................................................................15
4.1 POPIS OVLÁDÁNÍ........................................................................................................15
4.1.1 Spolupráce s editorem schématu ......................................................................15
4.1.2 Práce s grafy.....................................................................................................15
4.2 ZPRACOVÁNÍ VÝSLEDKŮ ...........................................................................................17
4.2.1 Makra ...............................................................................................................17
4.2.2 Fourierova transformace..................................................................................17
4.2.3 Hlášení o průběhu digitální simulace...............................................................17
4.2.4 Vícenásobná analýza (Performance Analysis).................................................18
5 ZÁKLADNÍ METODY ANALÝZY.............................................................................25
5.1 OBECNÉ NASTAVENÍ ..................................................................................................25
5.1.1 Spuštění simulace a hledání případných chyb..................................................26
5.1.2 Nastavení globálních podmínek simulace ........................................................27
5.2 STEJNOSMĚRNÝ PRACOVNÍ BOD (BIAS POINT)...........................................................28
5.2.1 Stejnosměrná přenosová funkce (.TF)..............................................................28
5.2.2 Citlivostní analýza ............................................................................................29
5.3 STEJNOSMĚRNÉ ROZMÍTÁNÍ (DC SWEEP) ..................................................................29
5.4 STŘÍDAVÁ ANALÝZA (AC SWEEP).............................................................................32
5.4.1 Lineární šumová analýza..................................................................................34
5.5 ANALÝZA V ČASOVÉ OBLASTI (TRANSIENT)..............................................................36
5.5.1 Spektrální analýza (Fourier Analysis)..............................................................37
5.6 DOPLŇKOVÉ ANALÝZY ..............................................................................................38
5.6.1 Krokování parametru (Parametric Sweep) ......................................................38
5.6.2 Teplotní analýza (Temperature (Sweep)) .........................................................39
5.6.3 Statistická a toleranční analýza (Monte Carlo/Worst Case)............................40
5.7 SIMULACE ČÍSLICOVÝCH A SMÍŠENÝCH OBVODŮ.......................................................48
5.7.1 Základní principy..............................................................................................48
5.7.2 Číslicové prvky a jejich parametry...................................................................49
5.7.3 Programování číslicových zdrojů.....................................................................51
5.7.4 Hlášení o chybových stavech během simulace .................................................55
5.7.5 Analýza číslicového obvodu v režimu Worst Case ...........................................56

2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

1 Úvod
Předmět Počítačové řešení elektronických obvodů (REO) je zařazen do třetího semestru
bakalářského studia. Jeho cílem je poskytnout znalosti v oblasti počítačových metod řešení
obvodů a modelování elektronických prvků. Simulace hraje velmi významnou roli při návrhu
elektronických obvodů. Aby výsledky byly prakticky použitelné, musí uživatel znát principy
a omezení různých metod pro řešení obvodů, stejně jako možnosti, které poskytují modely
především polovodičových prvků. I přes značný vývoj v oblasti obvodové simulace v žádném
případě nelze bez jakékoliv znalosti věci nakreslit obvod a stiskem tlačítka dostat výsledky. Je
jenom na uživateli, aby zvolil adekvátní metodu řešení a adekvátní model pro danou situaci.
Kromě toho, že v rámci předmětu REO získá student rutinní znalosti ovládání
programů, které bude využívat během celého dalšího studia, získá i přehled metod řešení a
seznámí se s problematikou modelování elektronických prvků. Náplň navazuje na výuku
základní teorie obvodů a některých partií elektronických prvků a numerické matematiky.
Získané znalosti budou použitelné všude tam, kde se při řešení nebo návrhu obvodů používá
počítačová simulace.
Analýza elektronických obvodů programem PSpice 3
2 Návrhový systém PSpice
2.1 Ukázkový příklad
Součástí demonstrační i plné verze programu PSpice jsou ukázkové příklady. Mezi nimi
je příklad oscilátoru pro smíšenou simulaci (obvod obsahuje analogové i číslicové prvky).
Nachází se v adresáři OrCAD\tools\pspice\capture_samples\mixsim\osc\ nebo pod jménem
osc.opj. Nejdříve spustíme editor schématu pomocí ikony Capture. Volbou File/Open
otevřeme demonstrační příklad. Na levé straně pracovní plochy je okno projektu. Rozbalíme
položky \osc.dsn\Osc\Page1 a dvojitým poklepáním na Page1 se otevře schéma. Všechny
parametry součástek i nastavení analýz jsou již přichystány. Dvojitým kliknutím na součástku
si můžeme prohlédnout okno pro nastavení jejích parametrů (žádné hodnoty neměnit !). Bude
se provádět analýza v časové oblasti. Její nastavení se provádí volbou PSpice/Edit
Simulation Profile. Ve schématu jsou speciální součástky - markery

, které způsobí že
se po ukončení simulace automaticky zobrazí průběh napětí nebo proudu v místech kde jsou
připojeny.
Analýzu obvodu spustíme volbou PSpice/Run (F11). Výsledky se automaticky
zobrazí v postprocesoru Probe. Kdyby ve schématu nebyly markery, tak dostaneme pouze
prázdný graf. Číslicové a analogové signály jsou v samostatných grafech. Pro prohlížení grafů
je možné volbou Trace/Cursor/Display zobrazit dva kurzory, které se ovládají levým a
pravým tlačítkem myši.
J
1
K
4
CL
R
13
Q
3
Q
2
CLK
12
U1A
74107
3 4
U3B
7414
1 2
U3A
7414
1 2
U2A
7405
1 2
U4A
7404
R1
750
C1
400pF
RESET
S1
DSTM1
RESET
OUT
OUTBAR
HI
V
V
VVV


2.2 Modulární struktura
Jeden z nejúspěšnějších simulátorů pro PC - PSpice byl představen v roce 1984.
Program byl původně určen pro DOS, od verze 5.4 pracuje pod MS Windows. PSpice nyní
pokrývá celou oblast simulací elektronických obvodů, tj. obvody analogové, digitální i
smíšené (mixed - mode).
PSpice je tvořen několika samostatnými programy, které tvoří kompaktní celek. Od
verze 9 je program dodáván s novým editorem Capture vyvinutým firmou Orcad.
4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Editor schématu umožňuje vytvořit jak samostatně použitelné schéma, tak zejména
připravit popis obvodu v jazyku Spice, tzv. netlist, pro následnou analýzu. Dovoluje vytvářet
hierarchicky strukturované obvodové bloky a opakovaně je používat. Dodávány jsou
knihovny pro více jak 10000 analogových a číslicových prvků. Pro zjednodušení práce
s kompletním systémem je zaintegrován přechod do ostatních modulů jako: vyvolání editací
modelů prvků, dialogový výběr typu analýzy a spuštění simulace Tento modul tedy přestavuje
výchozí ovládací článek pro celý systém. Součástí základního balíku programů pro simulaci
obvodů jsou dále:

PSpice Modul pro simulaci smíšených (mixed - mode) obvodů, který dal jméno
celému systému. Jeho základem byl program SPICE2 vyvinutý na
univerzitě v Berkeley. Simulátor je od verze 9 integrovaný
s postprocesorem Probe pro kompletní grafické vyhodnocení výsledků.
Model Editor Program pro vytváření modelů součástek z naměřených nebo katalogových
údajů. Výstupem jsou knihovny modelů.
Stimulus Editor Program pro grafické vytváření analogových a číslicových zdrojů s
komplikovaným časovým průběhem.
Optimizer Modul pro optimalizaci obvodů. Pracuje v interaktivním nebo
automatickém režimu.
Advanced Analysis Modul nové generace pro provádění citlivostní, toleranční a
zátěžové analýzy a optimalizace.

Organizace souborů a vzájemná komunikace mezi jednotlivými moduly je poněkud
komplikovaná. Nicméně proces simulace zachovává standardně používané schéma, Obr. 2.1.


Obr. 2.1: Průběh simulace z hlediska výměny dat mezi moduly

V editoru schématu se kreslí schéma, definují parametry součástek a nastavují analýzy.
Schematické značky jsou uloženy v knihovnách. Po spuštění simulace z prostředí editoru
nejdříve proběhne kontrola schématu (ERC). Pokud nejsou chyby, tak se vygenerují soubory s
popisem obvodu, které se předají simulátoru. Jedná se o textové soubory v jazyku PSpice
(rozšíření původního Spice). Tyto soubory neobsahují modely součástek (např. tranzistorů).
Ty jsou uloženy ve zvláštních knihovnách – textových souborech s příponou .lib.
Popis obvodu je načten simulátorem, který pak vyhledá příslušné modely v knihovnách
(.lib). Při simulaci jsou generovány dva soubory. Textový soubor .out obsahuje
hlášení o průběhu simulace, chybách a výsledky některých analýz. Tento soubor lze otevřít v
editor
schématu
PSpice Probe
knihovny prvků
schéma
netlist výsledky
.dat
.out – hlášení o průběhu simulace
knihovny modelů
.prb – makra a měřicí funkce
Analýza elektronických obvodů programem PSpice 5
editoru schématu nebo samozřejmě jakýmkoliv jiným textovým editorem. Výsledky analýz
pro grafické zpracování jsou ukládány do binárního souboru .dat. Po skončení
simulace je automaticky spuštěn grafický postprocesor Probe, který zobrazí výsledky. Pokud
při vyhodnocování grafů používáme makra a měřicí funkce, pak jsou tyto uloženy v
souborech s příponou .prb. Simulátor i postprocesor je možné spustit samozřejmě ručně a
příslušné soubory otevřít standardní volbou File/Open.
2.3 Základy jazyka (P)Spice
Syntaktická pravidla pro soubor popisující strukturu obvodu a požadované analýzy,
často nazývaná jazyk, jsou založena na původním jazyku pro simulátor SPICE2. PSpice
zavádí některé nové příkazy a vylepšení, samozřejmě je zachována zpětná kompatibilita
Spice→PSpice. Vstupní soubor je přímým vstupem simulátoru PSpice. Je to textový soubor
obsahující popis obvodu (propojení součástek a jejich parametry) a požadované analýzy.
Samotný popis obvodu se nazývá „netlist“. Při práci v grafickém prostředí je generování
vstupního souboru automatické. Existuje však výjimka, kdy jsme nuceni přímo pracovat
s těmito soubory. Výrobci elektronických prvků totiž poskytují modely součástek z důvodů
univerzálnosti v textové podobě většinou v jazyce Spice. Uživatel by měl proto porozumět
použití příkazu .MODEL a principu tvorby a volání makroobvodu (příkaz .SUBCKT).
Popis syntaxe některých příkazů jazyka PSpice je uveden v příloze. Automaticky
generovaný vstupní soubor se skládá ze dvou hlavních částí:
- popisu obvodu (netlist),
- příkazové části.

První řádek souboru se neinterpretuje, slouží jako nadpis. Pokud řádek začíná „*“ tak je celý
uvažován jako komentářový. Středník slouží k zápisu komentáře do příkazových řádků. Text
od středníku do konce se neuvažuje. Jestliže se nějaký příkaz nevejde na jeden řádek, tak
může pokračovat na dalším, ale prvním znakem pokračovacího řádku musí být „+“. V PSpice
může být jméno uzlu jakýkoliv řetězec, v Spice pouze čísla. Uzel číslo 0 je vyhrazen jako
referenční, každý obvod jej musí obsahovat. Malá a velká písmena se nerozlišují.

Příklad 2.1 Výpočet pracovního bodu odporového děliče pomocí ručně
vytvořeného vstupního souboru.


1k
R1
2kR2
+
-
1V V1
1 2


Vstupní soubor má tvar:

Odporový dělič první řádek slouží jako nadpis
* netlist komentář na celý řádek
R1 1 2 1k ; rezistor R1 mezi uzly 1 a 2 použití komentáře se středníkem
R2 2 0 2k
V1 1 0 DC 1 zdroj o napětí 1Vss
6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

prázdné řádky se ignorují
* definice analýz
.OP výpočet pracovního bodu
.END soubor musí končit příkazem .END

Vytvoříme jej např. v editoru Notepad a uložíme pod jménem delic.cir. Spustíme PSpice
(ikona PSpice) a volbou File/Open (maska Circuit Files *.cir) načteme soubor. Po skončení
simulace jsou výsledky ve výstupním souboru delic.out (zkráceno):

**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 1.0000 ( 2) .6667

VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT

V1 -3.333E-04

TOTAL POWER DISSIPATION 3.33E-04 WATTS

Pro zajímavost uveďme vstupní soubor vytvořený automaticky editorem schématu pro stejný
příklad:

* D:\obvody\delic.sch
*
* Thu Jan 09 15:40:47

** Analysis setup **
.OP

.lib nom.lib

.INC "delic.net"

.probe

.END
* Schematics Netlist *

R_R1 1 2 1k
R_R2 0 2 2k
V_V1 1 0 1V
základní soubor
vložený netlist
vložení knihovny modelů
(v příkladu se neuplatní)



Příkaz .MODEL
Odkaz na model je volitelnou nebo povinnou součástí definice součástky. Např. prvky
R, C, L nemusí mít model, pokud vystačíme s definicí hodnoty. Jestliže ale požadujeme
zadání teplotního koeficientu nebo tolerance je nutné model použít. U polovodičových prvků
je model povinnou součástí definice.

Například:
R1 1 2 1k definice rezistoru bez použití modelu
Analýza elektronických obvodů programem PSpice 7
R2 3 4 Rmod 2k definice odkazem na model Rmod

Definice modelu v knihovně:

.MODEL Rmod RES (TCE = 0.1) nastavení teplotního koeficientu v modelu

Modely jsou uloženy v knihovnách (v PSpice mají příponu .lib). Vložení knihoven se provádí
příkazem .LIB. Standardně definiční soubor obsahuje pouze odkaz na hlavní knihovnu
nom.lib (příkaz .LIB nom.lib ve výpisu k příkladu), která teprve obsahuje odkazy na
knihovny modelů, většinou strukturované podle výrobců. Pokud uživatel vytváří vlastní
modely, doporučuje se vytvořit uživatelskou knihovnu, která se bude volat v nom.lib a
nezasahovat do stávajících modelů.


Makroobvod (příkazy .SUBCKT, .ENDS)
PSpice může simulovat obvody, které mají hierarchickou strukturu. Tuto možnost dává
příkaz .SUBCKT, který dovoluje formálně popsat dílčí blok obvodu, na který se pak můžeme
vícenásobně odkazovat. Našli bychom zde analogii s použitím podprogramu ve vyšších
programovacích jazycích. Ve formě makroobvodů jsou např. definovány operační zesilovače
nebo logické prvky.


Definice makroobvodu:
.SUBCKT [node]* [PARAMS: * ]

...... definice těla makroobvodu

.ENDS

jméno makroobvodu;
[node]* formální označení vývodů;
PARAMS: definice a přiřazení implicitních hodnot parametrů makroobvodu.

Uvnitř bloku se mohou použít všechny součástky (včetně volání jiných makroobvodů).
V popisu obvodu mají jména (čísla) uzlů lokální charakter. Výjimkou je referenční uzel „0“ a
uzly se jmény začínající na „$G_“ (globální uzly). Rekurzní volání není dovoleno.

Volání makroobvodu:

X [node]* [PARAMS: *]

X označení bloku začínající na X;
[node]* skutečné uzly;
PARAMS: definice parametrů. Pokud některý není uveden platí hodnota definovaná
v deklaraci.



8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Příklad 2.2 Definice a volání makroobvodu - článku RC s parametry R a C.

Definice:
.SUBCKT RCobv 1 2 3 PARAMS: R = 1k C = 1n
R1 1 2 {R} ; pokud je hodnota prvku určena
výrazem,
C1 2 3 {C} ; musí se použít složené závorky
.ENDS

Volání:

V1 1 0 AC 1 ; zdroj V1 pro AC analýzu
X1 1 4 0 RCobv PARAM: R = 2k
R2 4 0 1k


Jména vnějších uzlů jsou při volání nahrazena skutečnými jmény, pro vnitřní uzly se vytvoří
jedinečná jména. Makroobvody (např. modely součástek od výrobců) mohou být uloženy
v knihovnách .lib podobně jako modely polovodičů.


{R}
R1
{C}C1
1
3
2


(2)
+
-
V1
(3)
(1)
RC
1kR2
1 4
0

Analýza elektronických obvodů programem PSpice 9
3 Editor Capture
U editoru Capture závisí nabídka hlavní lišty na tom, které okno pracovní plochy je
aktivované.
V dalším textu budou popsány jen ty položky, které se bezprostředně dotýkají práce se
simulátorem PSpice. Další možnosti (vytváření plošných spojů, syntéza číslicových obvodů)
nalezne čtenář v elektronické referenční příručce, která je standardní součástí instalace.
3.1 Práce s projekty
Základem práce s editorem je tzv. projekt, který v sobě zahrnuje všechny soubory
vztahující se k analyzovanému obvodu (schéma, simulační profily, lokální knihovny).
Každému projektu by měl odpovídat samostatný adresář na disku. Po spuštění editoru se
otevře prázdná pracovní plocha. Nový projekt vytvoříme volbou File/New/Project. Otevře
dialogové okno s parametry nového projektu.


Obr. 3.1: Vytvoření nového projektu

V tomto okně se do pole Name vyplní jméno nového projektu. Jako typ zvolíme Analog or
Mixed A/D. Do políčka označeného Location uvedeme adresář projektu. Výchozí hodnotou
je zde adresář, ve kterém máme umístěné projekty, např. D:\prac. Do pole dopíšeme proto jen
název adresáře samotného projektu (zesilovac), který bude automaticky vytvořen. Po stisku
1
2
10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

OK zvolíme Create a blank project. Pokročilí uživatelé mohou vytvořit projekt na základě
některé z přednastavených šablon. Po potvrzení se otevře prázdná stránka schématu.
Na pracovní ploše se objeví okno projektu, kde je možné spravovat jednotlivé soubory,
které tvoří jeho součást, Obr. 3.2.

Obr. 3.2: Okno správce projektu

Tabulka 3.1: Příkazy pro správu projektu

přidání stránky do schématu
aktivovat jméno schématu +
menu: Design/New Schematic Page
nebo
pravé tlačítko myši: New Page

přidání schématu do projektu
aktivovat jméno projektu+
menu: Design/New Schematic
nebo
pravé tlačítko myši: New Schematic

aktivace schématu
aktivovat jméno schématu +
menu: Des