Скачать презентацию Специальные виды анализа Анализ Фурье Шумы Скачать презентацию Специальные виды анализа Анализ Фурье Шумы

Лекция_Модел_7.ppt

  • Количество слайдов: 45

Специальные виды анализа • Анализ Фурье • Шумы • Анализ эффективности моделирования • Вспомогательные Специальные виды анализа • Анализ Фурье • Шумы • Анализ эффективности моделирования • Вспомогательные средства для расчета рабочей точки • Вероятностный анализ Монте-Карло • Анализ наихудшего случая Освоив предлагаемый материал, вы сможете самостоятельно исследовать частотные спектры компонентов схемы, определять, насколько эффективно моделирование, каковы возможные допуски устанавливаемых значений и многое другое.

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Программа PSPICE может также проводить анализы Фурье (спектральные Специальные виды анализа - Анализ Фурье Программа PSPICE может также проводить анализы Фурье (спектральные анализы) и определять с их помощью частотные спектры заданных сигналов. Рассмотрим это на примере двух сигналов: прямоугольный симметричный с переменным напряжением частотой f - 1 к. Гц выходный сигнал транзисторного усилителя.

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Прямоугольный симметричный сигнал с переменным напряжением частотой f Специальные виды анализа - Анализ Фурье Прямоугольный симметричный сигнал с переменным напряжением частотой f =1 к. Гц. При выполнении анализа Фурье программа PSPICE исходит из того, что рассчитываемая при моделировании функция периодически повторяется независимо от того, какую ее часть вы в данный момент отобразили на экране PROBE. То есть НЕОБХОДИМО следить за тем, чтобы для исследуемой функции был смоделирован или только один период, или кратное количество периодов.

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Специальные виды анализа - Анализ Фурье

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Специальные виды анализа - Анализ Фурье

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Многократное нажатие кнопки FFT позволяет не только производить Специальные виды анализа - Анализ Фурье Многократное нажатие кнопки FFT позволяет не только производить запуск анализа Фурье, но и переключаться по его завершении от изображения временного диапазона к частотной области и наоборот.

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Для того чтобы ускорить расчеты, можно провести анализ Специальные виды анализа - Анализ Фурье Для того чтобы ускорить расчеты, можно провести анализ Фурье в уменьшенном временном интервале. Теоретически, для выполнения анализа Фурье достаточно и одного единственного периода колебаний. Ниже представлен результат анализа исследованного ранее прямоугольного переменного напряжения (но использован всего один период проведено моделирование от 0 до 1 мс). Результат - ориентировочный.

Специальные виды анализа - Анализ Фурье По вашему желанию программа PSPICE может представить данные Специальные виды анализа - Анализ Фурье По вашему желанию программа PSPICE может представить данные анализа Фурье и в табличной форме, записав их в выходной файл. Однако тогда вам необходимо заранее (еще при проведении предварительной установки анализа переходных процессов) выставить флажок рядом с опцией Perform Fourier Analysis. Установки, показанные ниже, предполагают, что будет произведен расчет данных двадцати высших гармоник напряжения на резисторе V(R 1: 2), а результаты станут отображаться в выходном файле в табличной форме. Показанные установки, предполагают, что будет произведен расчет данных двадцати высших гармоник напряжения на резисторе V(R 1: 2), а результаты будут отображаться в выходном файле в табличной форме.

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Специальные виды анализа - Анализ Фурье

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Использовать возможности опции Fourier Analysis имеет смысл только Специальные виды анализа - Анализ Фурье Использовать возможности опции Fourier Analysis имеет смысл только тогда, когда требуется установить частотный спектр сигнала, характеристика которого не описывается одним законченным математическим выражением, например спектр (искаженного) выходного напряжения усилительного каскада. Мерой искажений сигнала является коэффициент гармоник – что это?

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Мерой искажений сигнала является коэффициент гармоник. Он определяется Специальные виды анализа - Анализ Фурье Мерой искажений сигнала является коэффициент гармоник. Он определяется как соотношение действующего значения высших гармоник напряжения к действующему значению собственно напряжения. Анализ Фурье позволяет просто рассчитать коэффициент гармоник усилительного каскада. Этим мы и займемся.

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Транзисторный усилитель в схеме с общим эмиттером и Специальные виды анализа - Анализ Фурье Транзисторный усилитель в схеме с общим эмиттером и выходное напряжение после моделирования.

Специальные виды анализа - Анализ Фурье После пяти периодов процесс установления импульса завершается. Даже Специальные виды анализа - Анализ Фурье После пяти периодов процесс установления импульса завершается. Даже невооруженным глазом видно, что верхняя полуволна шире, чем нижняя. Выходное напряжение искажено. Определим коэффициент гармоник

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Выполняем FFT анализ для выбранного диапазона. На диаграмме Специальные виды анализа - Анализ Фурье Выполняем FFT анализ для выбранного диапазона. На диаграмме вы видите, что только первая верхняя гармоника приводит к искажению выходного напряжения. С помощью курсора PROBE можно измерить амплитуду основной гармоники и первой верхней гармоники и вычислить их действующие значения. Можно сделать проще если вывести значения в файл.

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Выполняем FFT анализ для выбранного диапазона. Итак, наша Специальные виды анализа - Анализ Фурье Выполняем FFT анализ для выбранного диапазона. Итак, наша схема с ОЭ имеет коэффициент гармоник приблизительно 5. 9%. Такое сильное искажение звука никому не пожелаешь……. .

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Как будем бороться с таким безобразием? ? Специальные виды анализа - Анализ Фурье Как будем бороться с таким безобразием? ?

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Средство борьбы против искажений, которое электронщики применяют в Специальные виды анализа - Анализ Фурье Средство борьбы против искажений, которое электронщики применяют в подобных случаях, называется отрицательная обратная связь (ООС). Если в схеме с ОЭ для ООС (по переменному току) установить эмиттерный резистор, то искажения значительно уменьшатся, хотя при этом уменьшится и коэффициент усиления. Повторяем моделирование с установленными параметрами.

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Повторяем моделирование с установленными параметрами. Специальные виды анализа - Анализ Фурье Повторяем моделирование с установленными параметрами.

Специальные виды анализа - Анализ Фурье Благодаря установлению отрицательной обратной связи коэффициент искажения становится Специальные виды анализа - Анализ Фурье Благодаря установлению отрицательной обратной связи коэффициент искажения становится меньше 1%, что подтверждается данными выходного файла. Значит ООС - не бесполезная штука…. .

Специальные виды анализа - Шумы Статистические процессы в полупроводниках и резисторах приводят к возникновению Специальные виды анализа - Шумы Статистические процессы в полупроводниках и резисторах приводят к возникновению мельчайших напряжений, которые принято называть шумами. Если шумовые напряжения появляются в усилительных схемах, то они, естественно, тоже усиливаются и могут стать весьма значительными, снижая качество сигналов, включая музыкальные. Один из наиболее важных критериев качества усилителя - величина отношения полезного сигнала к шумовому сигналу на выходе усилителя. Это отношение обозначают как отношение сигнал/шум. В программе PSPICE анализ шумов называется Noise Analysis и является составной частью анализа AC Sweep.

Специальные виды анализа - Шумы Для понимания анализа шумов, исследуем шумовую характеристику транзисторного усилителя Специальные виды анализа - Шумы Для понимания анализа шумов, исследуем шумовую характеристику транзисторного усилителя в схеме с ОЭ. Введем схему с ОЭ и сохраним ее под именем NOISE. Промоделируем поведение этой схемы в диапазоне частот от 10 Гц до 1000 МГц. .

Специальные виды анализа - Шумы В поле Output Voltage необходимо указать, в каком месте Специальные виды анализа - Шумы В поле Output Voltage необходимо указать, в каком месте схемы следует произвести расчет шумов. Пусть нас интересует шумовая характеристика нагрузочного резистора R 4, то есть напряжение V(R 4: 2). В поле I/V Source указывается источник, для которого PSPICE вычислит эквивалентный входной шум. Это будет то напряжение шумов, какое должен генерировать данный источник, чтобы создавать в идеальной, свободной от шумов схеме такое же шумовое напряжение на выходе, как и в анализируемой схеме. В поле I/V Source надо обязательно ввести имя источника, иначе на экране появится сообщение об ошибке.

Специальные виды анализа - Шумы Запускаем процесс моделирования и получаем шумовую характеристику выходного напряжения Специальные виды анализа - Шумы Запускаем процесс моделирования и получаем шумовую характеристику выходного напряжения на элементе R 4. Если на выходной характеристике прямая линия – значит Вы смотрите шумы на «земле» …. Но ЭТО еще не шумовая характеристика !!!!!!

Специальные виды анализа - Шумы Диаграмма, изображенная, еще ничего не говорит о шумовой характеристике Специальные виды анализа - Шумы Диаграмма, изображенная, еще ничего не говорит о шумовой характеристике схемы. Вам еще только предстоит вызвать соответствующую диаграмму из окна Add Traces. Можно предположить, что шум будет значительно меньше, чем полезный сигнал. Поэтому вряд ли удастся хорошо рассмотреть их соотношение, представив обе диаграммы на одной оси координат Y, то есть на оси с общим масштабированием.

Специальные виды анализа - Шумы Создайте на своей диаграмме вторую ось координат Y (команда Специальные виды анализа - Шумы Создайте на своей диаграмме вторую ось координат Y (команда Plot => Add Y Axis), а затем откройте окно Add Traces. Под именем V(ONOISE) находится самый важный результат анализа шумов спектральное распределение шумового напряжения в том месте, которое при предварительной установке было определено вами как выход.

Специальные виды анализа - Шумы По диаграмме, специалист определит: шум в данной схеме, хотя Специальные виды анализа - Шумы По диаграмме, специалист определит: шум в данной схеме, хотя его частотные компоненты и меньше полезного сигнала почти в 1000 раз, будет создавать значительные помехи. Значит необходимо выявить причину возникновения шума, а затем изменить схему таким образом, чтобы он уменьшился. В выходном файле вы найдете подробные данные относительно того, какой вклад вносят в полный шум резисторы и параметры транзистора. Например, из таблицы для частоты f = 100 к. Гц вы узнаете, что значительное влияние на возникновение шумов оказывает внутреннее сопротивление источника напряжения.

Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования В качестве примера исследуем схему параллельного колебательного Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования В качестве примера исследуем схему параллельного колебательного контура. Этот контур, в котором катушка индуктивности заменена последовательным соединением катушки чистой индуктивности с резистором активного сопротивления

Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования В качестве примера исследуем схему параллельного колебательного Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования В качестве примера исследуем схему параллельного колебательного контура. Этот контур, в котором катушка индуктивности заменена последовательным соединением катушки чистой индуктивности с резистором активного

Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Необходимо выявить в каждой кривой семейства кривых, Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Необходимо выявить в каждой кривой семейства кривых, то есть для каждого значения параметра R_D, одно значение соответствующей кривой по определенным критериям поиска. В данном случае надо найти для каждого значения R_D величину соответствующего максимума импеданса колебательного контура. В PROBE имеется целый ряд небольших программ, с помощью которых можно осуществлять поиск интересующих точек на отдельных кривых, изображенных на диаграмме семейства кривых. Такие поисковые программы называются Goal Functions (Целевые функции). Среди них есть и целевая функция для поиска на кривой точки макимума.

Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Убираем выведенные диаграммы и активизируем опцию Performance Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Убираем выведенные диаграммы и активизируем опцию Performance Analysis (Анализ производительности), либо

Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Выполняем вывод диаграмму выражения для импеданса параллельного Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Выполняем вывод диаграмму выражения для импеданса параллельного контура

Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Сразу получаем график из которого точно видно, Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Сразу получаем график из которого точно видно, что чем меньше активное сопротивление катушки индуктивности тем больше добротность контура.

Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Целевая функция для определения ширины полосы частот Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Целевая функция для определения ширины полосы частот называется Bandwith (1, db_level). Аналогично тому, как вы уже делали это при поиске максимума, в строке Trace Expression нужно ввести вместо 1 выражение, диаграмму которого вы намерены исследовать. Вместо db_Ievel вы должны указать, на каком уровне децибелов должны находиться обе границы полосы частот. Чаще всего это 3 д. Б.

Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Из графика видно, что чем больше активная Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Из графика видно, что чем больше активная составляющая катушки, тем хуже добротностиь контура и больше частот проходит черз контур.

Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Невозможно сейчас рассмотреть каждую из всех доступных Специальные виды анализа - Анализ эффективности моделирования Невозможно сейчас рассмотреть каждую из всех доступных в PROBE целевых функций. Это вы изучите дома самостоятельно. На экзамене могу спросить любую. Полный список и комментарии ко всем доступным в PROBE целевым функциям вы найдете также в файле MSIM. PRB.

Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло До сих пор вы исходили из того, Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло До сих пор вы исходили из того, что компоненты проектируемых схем действительно имеют свои номинальные значения, что, к примеру, резистор, рядом с которым установлен индикатор значения 1 Ом, на самом деле имеет значение 1 Ом. Однако это предположение далеко от реальности, так как все компоненты, устанавливаемые в электронных схемах, естественно, имеют допуски. Зачастую искусство проектирования как раз и заключается в умении так составить схему, чтобы она функционировала не только в лаборатории со специально, вручную подобранными компонентами, но и в условиях массового производства. Сейчас при изготовлении электронных схем компоненты размещаются на печатных платах с помощью установок автоматического монтажа. К тому же разрабатываемые схемы должны позволять как можно большие допуски, чтобы сократить расходы на производство. Учитывая все это, спроектировать схему, отвечающую требованию «бездефектного производства» , без предварительного моделирования практически невозможно.

Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Анализ Монте-Карло вычисляет реакцию схемы на изменения Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Анализ Монте-Карло вычисляет реакцию схемы на изменения в величинах параметров моделей радиокомпонентов, случайно изменяя все параметры модели, для которых указан допуск. Это обеспечивает получение статистических данных относительно воздействия на устройство изменений параметров. При анализе Монте-Карло параметры модели получают допуски, и выполняются многократные статистические расчеты по директивам (. DC, . AC или. Tran) с использованием этих допусков. Случайное значение параметра x рассчитывается по формуле: x =x ном (1 + δ x Δ) где x — номинальное значение параметра; Δ— относительный разброс параметра x; δ — центрированная случайная величина, принимающая значения на отрезке (– 1, +1). Параметры моделей радиокомпонентов могут иметь допуски DEV или LOT, при этом они получают в первом случае независимые, а во втором случае коррелированные случайные значения, что характерно для разбросов параметров партий изделий.

Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Для того чтобы в созданном проекте запустить Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Для того чтобы в созданном проекте запустить анализ Монте-Карло, выполним следующие операции: 1. В меню Pspice выберем Edit Simulation Profile. 2. В открывшемся диалоговом окне Simulation Settings щелкнем по клавише Analysis. 3. В выпадающем списке Analysis Type выберем тип анализа. 4. В поле Options выберем Monte Carlo/worst-case.

Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Output Variable указывается имя выходной переменной, подлежащей Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Output Variable указывается имя выходной переменной, подлежащей статистической обработке Number of runs задается количество стаcтистических испытаний Use distribution выбор закона стандартного распределения случайных величин Use distribution выбор закона нестандартного распределения случайных величин Random number seed задается начальное значение датчика случайных чисел Для анализа Монте-Карло имеются пять разновидностей выходных данных, которые можно определить в поле Save data from

Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Для анализа Монте-Карло имеются пять разновидностей выходных Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Для анализа Монте-Карло имеются пять разновидностей выходных данных, которые можно определить в текстовом поле Save data from. Эти данные выводятся на печать или передаются в графический постпроцессор Probe: 1. — выходные данные не создаются; 2. All — создаются все выходные данные (включая статистические расчеты при номинальных данных параметров радиокомпонентов); 3. First*— создаются выходные данные только в течение первых n реализаций; 4. Every*— создаются выходные данные для каждой n-й реализации; 5. Runs(list)*, … — для реализаций с указанными номерами (до 25 значений может быть указано в перечне). Звездочка * означает, что можно установить число статистических испытаний в текстовом поле run.

Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло При статистическом анализе предусматривается разнообразная обработка результатов Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло При статистическом анализе предусматривается разнообразная обработка результатов моделирования, характер которой определяется с помощью функций сравнения, приведенных в таблице Функция YMAX MIN RISE_EDGE FALL_EDGE Описание Расчет максимального отклонения текущей реализации от номинальной Расчет максимального отклонения текущей реализации от максимальной Расчет минимального значения в каждой реализации Определение момента первого пересечения заданного уровня снизу вверх (значение уровня задается в круглых скобках; в начале расчета значение реализации должно быть меньше этого уровня) Определение момента первого пересечения заданного уровня сверху вниз (значение уровня задается в круглых скобках; в начале расчета значение реализации должно быть больше этого уровня)

Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Чтобы установить дополнительные характеристики статистического анализа, щелкнем Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Чтобы установить дополнительные характеристики статистического анализа, щелкнем по клавише More Settings, при этом откроется диалоговое окно Monte Carlo/worst-case Output Если выбрать в этом окне опцию List model parameter values in the output file for each run, в выходной файл будет выводиться список значений всех случайных параметров во всех реализациях. В поле Evaluate only when the sweep variable is in the range определяется диапазон значений, в пределах которого статистически обрабатывается выходная переменная. Если вместо минимального или максимального значения этого диапазона указать звездочку *, то граница диапазона примет значение – или +.

Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Соберем схему используя библиотеки analog, opamp, breakout Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Соберем схему используя библиотеки analog, opamp, breakout

Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло С помощью обычного анализа AC Sweep получаем Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло С помощью обычного анализа AC Sweep получаем частотную характеристику с такими крутыми фронтами, что знаток наверняка задастся вопросом, сохранит ли эта схема свои качества даже при небольших разбросах параметров компонентов.

Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Чтобы исследовать эффекты технологических допусков на поведении Специальные виды анализа - Вероятностный анализ Монте-Карло Чтобы исследовать эффекты технологических допусков на поведении этой схемы, нужно установить допуски DEV и LOT для параметров резисторов R 3, R 4, R 5 и R 6. Это означает, что необходимо использовать резисторы, которые имеют математическую модель. Поскольку элемент R из библиотеки ANALOG. OLB не имеет математической модели, в качестве резисторов будем использовать элемент Rbreak из библиотеки BREAKOUT. OLB, который имеет модель. Определим допуска DEV и LOT для моделей резисторов R 3, R 4, R 5 и R 6, используя редактор модели model editor: 1. Выберем R*. 2. В меню Edit выберем PSpice Model. 3. Изменим имя модели Rbreak на Rmonte 1 и определим допуска RMonte 1, изменив описание модели: RES R=1 RMonte 1 DEV=2% LOT=10%. 4. В меню File выберем Save.