Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Φυσικής Εργαστήριο Ηλεκτρονικής

Ανάλυση κυκλωμάτων με το πρόγραμμα

ORCAD PSPICE- LITE EDITION

Αικατερίνη Ραμμογιαννοπούλου, M.Sc. Πάτρα 2005

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΜΕΛΕΤΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ORCAD-PSPICE LITE EDITION

1) ΕΙΣΑΓΩΓΗ.

1.α) Τί είναι το ORCAD-PSPICE lite edition και γιατί χρησιμοποιείται ευρέως;

Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η έκδοση Lite Edition του Orcad-PSpice.

Aλλά τι είναι το Orcad-PSpice; Το Orcad-PSpice είναι ένα ευρέως διαδεδομένο και διεθνώς απο-δεκτό πρόγραμμα, το οποίο χρησιμοποιείται για την εξομοίωση της συμπεριφοράς των κυκλωμάτων σε επίπεδο μοντέλων. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η ανάλυση πολύ-πλοκων κυκλώματων σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, oδηγώντας σε αποτελέσματα πολύ ακριβή, πάντα μέσα στα πλαίσια των προσεγγίσεων. Από τη στιγμή που ο σχεδια-σμός ενός κυκλώματος έχει γίνει σε πρώτη προσπάθεια με κλασσικές διαδικασίες, η επαλήθευση της λειτουργίας του κυκλώματος, μπορεί να γίνει με τη χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή, μέσω του προγράμματος ανάλυσης PSpice. Επαναληπτικές τροποποιήσεις και αναλύσεις του κυκλώματος μπορεί να οδηγήσουν γρήγορα και εύκολα στον τελικό σχεδιασμό. Έτσι πραγματοποιείται ο σχεδιασμός κυκλωμάτων, μέσω προγραμμάτων α-νάλυσης.

Η εξοικείωση με τα προγράμματα ανάλυσης κυκλώματων, συμπεριλαμβανομένου και του προγράμματος PSpice, δημιουργεί την αυτοπεποίθηση για τη μελέτη πολύπλοκων κυκλωμάτων και συστημάτων. Ταυτόχρονα παρέχει τη βεβαιότητα ότι, τα αποτελέσματα εξομοίωσης των κυκλωμάτων θα βρίσκονται κοντά στα προσδοκώμενα αποτελέσματα στην πράξη. Ένας επιπλέον λόγος που συνηγορεί στο σχεδιασμό κυκλωμάτων με τη χρή-ση προγραμμάτων ανάλυσης είναι, ότι ο σχεδιαμός στον πάγκο δεν παρέχει στο χρήστη τα διαθέσιμα στοιχεία ως διακριτά, με αποτέλεσμα στη σημερινή εποχή να είναι αδιανό-ητο να προχωρήσει κανείς στο σχεδιασμό ηλεκτρονικών κυκλωμάτων χωρίς τη χρήση υ-πολογιστών.

Έτσι λοιπόν το Orcad-PSpice Lite Edition, αλλά και κάθε έκδοση του προγράμματος Spice, έχει ως σκοπό την εξομοίωση κυκλωμάτων για μη γραμμικές dc, μη γραμμικές transient και γραμμικές ac αναλύσεις. Τα κυκλώματα μπορεί να περιλαμβάνουν αντισ-τάτες, πυκνωτές, πηνία, αμοιβαίους επαγωγείς, ανεξάρτητες και εξαρτημένες πηγές ρεύ-ματος και τάσεως, όπως επίσης και ημιαγωγά στοιχεία, λόγου χάρη διόδους και τραν-ζίστορ.

1.β) Φιλοσοφία του PSpice. Αρχικά γίνεται η εγκατάσταση του προγράμματος Οrcad-PSpice και

συγκεκριμένα της έκδοσης Lite Edition σε περιβάλλον PSpice AD και σε περιβάλλον Capture Cis. Με την έναρξη της διαδικασίας ανάλυσης ο χρήστης εισάγει στον υπολογιστή τα δεδομένα της τοπολογίας, είτε υπό τη μορφή κειμένου ή υπό τη μορφή σχηματικού, καθώς και το είδος ανάλυσης, που επιδιώκει. Έτσι δημιουργείται το λεγόμενο αρχείο εισόδου. Μετά την εισαγώγη της τοπολογίας του κυκλώματος, η μαθηματική περιγραφή του γίνεται με μήτρες περιγραφής, μέσω του προγράμματος, χωρίς την παρέμβαση του χρήστη. Οι μήτ-ρες περιγραφής προσδιορίζονται με βάση την ανάλυση των κόμβων.

Από τη στιγμή, που η μαθηματική περιγραφή του κυκλώματος έχει ολοκληρωθεί, το πρόγραμμα αναλαμβάνει τον προσδιορισμό των τάσεων όλων των κόμβων και των ρευ-μάτων όλων των κλάδων. Αυτό επιτυγχάνεται με επίλυση, μέσω αριθμητικής ανάλυσης, του συστήματος των γραμμικών ή μη γραμμικών εξισώσεων, που περιγράφει το κύκλω-μα. Μετά την ολοκλήρωση της εισαγωγής του αρχείου εισόδου και της εκτέλεσης του προγράμματος, ο χρήστης έχει στη διάθεσή του το γραφικό περιβάλλον (όπου αναλαμ-βάνει την απεικόνιση των αποτελεσμάτων κατά ποικίλο τρόπο) και το αρχείο εξόδου (όπου περιλαμβάνει χρήσιμες πληροφορίες, που αφορουν τη λειτουργία του κυκλώμα-τος). Μια σχηματική παράσταση της δομής του προγράμματος Pspice παρουσιάζεται στο σχήμα 1.1.

Πρόγραμμα Pspice

Αρχείοεισόδου

Απεικόνισηαποτελεσμάτωνστην οθόνη

Αρχείοεξόδου

Σχήμα 1.1. Σχηματική παράσταση του προγράμματος Pspice.

2) ΑΡΧΕΙΟ ΕΙΣΟΔΟΥ ΕΝΟΣ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ

Όπως ήδη αναφέρθηκε το αρχείο εισόδου αποτελεί την έναρξη της διαδικασίας ανά-λυσης. Το αρχείο αυτό μπορεί να εισαχθεί στον υπολογιστή, είτε με τη μορφή κειμένου (text) μέσω του προγράμματος PSPICE AD, είτε με σχηματικό τρόπο (schematic) μέσω του προγράμματος PSPICE CIS (capture). Η εισαγωγή του αρχείου εισόδου που γίνεται με τη μορφή κειμένου περιλαμβάνει κάποια βήματα, προκειμένου να είναι αναγνωρίσιμο από το ίδιο το πρόγραμμα. Τα βήματα αυτά εστιάζονται στην εισαγωγή της τοπολογίας του κυκλώματος, στην εισαγωγή του είδους ανάλυσης που επιδιώκει ο χρήστης, όπως επίσης και στην εισαγωγή των εντολών εξόδου και της εντολής τερματισμού. Κατά ανα-λογία και η εισαγωγή του αρχείου εισόδου που πραγματοποιείται με τη μορφή σχη-ματικού περιλαμβάνει, το

σχηματικό και τον ορισμό του είδους ανάλυσης. Για να γίνουν σαφέστερα όλα αυτά ακολουθουν στις επόμενες σελίδες του κεφαλαίου αυτού, η ανα-λυτική παρουσίασή τους. Το σχήμα 1.2 αποτέλει μια αναπαράσταση της ανάπτυξης που έπεται να ακολουθήσει.

Αρχείο εισόδου

Αρχείο εισόδουυπό τη μορφή

text

Αρχείο εισόδουυπό τη μορφή

schematic

Τοπολογία Τρόποιανάλυσηs

Εντολέsεξόδου

Εντολήτερματισμού

Σχηματικό Ορισμόs ανάλυσηs

Σχήμα 1.2. Σχηματική παράσταση του αρχείου εισόδου.

2.1) ΑΡΧΕΙΟ ΕΙΣΟΔΟ ΥΠΟ ΤΗ ΜΟΡΦΗ ΤΕΧΤ.

2.1.1) Εισαγωγή τοπολογίας με τη μορφή text (κειμένου).

Αρχικά γίνεται η εγκατάσταση του προγράμματος Orcad-PSpice Lite Edition.

Ο χρήστης πλέον είναι σε θέση να εισάγει την τοπολογία του κυκλώματος, αφού μπει στο περιβάλλον PSpice AD. Για το σκοπό αυτό εισέρχεται στο πρώτο παράθυρο του προ-γράμματος επιλέγοντας διαδοχικά από το κεντρικό menu, file, new, text file και θα πα-ρουσιαστεί το παράθυρο του σχήματος 1.3.

Σχήμα 1.3. Κεντρικό παράθυρο του περιβάλλοντος Pspice AD.

Στο παράθυρο αυτό ο χρήστης γράφει το αρχείο εισόδου. Η τοπολογία ενός κυκλώ-ματος πρέπει να γράφεται σε συγκεκριμένη μορφή και να τηρεί κάποιες βασικές προυπο-θέσεις προκειμένου να μπορεί να διαβαστεί από το πρόγραμμα PSpice. Έτσι ο χρήστης πρέπει να έχει κατά νου ότι: 1) Η πρώτη γραμμή ενός αρχείου εισόδου δεσμεύεται υποχρεωτικά για τον τίτλο του αρ-χείου.

2) Ακολουθεί η εισαγωγή των στοιχείων του κυκλώματος και των πηγών. Αυτά χαρα-κτηρίζονται και διακρίνονται μεταξύ τους από το πρώτο γράμμα που τα ορίζει.

3) Για τα ηλεκτρονικά στοιχεία πρέπει να οριστεί υποχρεωτικά το μοντέλο, που τα περι-γράφει. π.χ για το BJT τρανζίστορ Q1, με όνομα μοντέλου Qtest, που είναι τύπου npn, ορίζουμε το μοντέλο του με μία εντολή ελέγχου,ως:

. model qtest npn (………..) Mέσα στην παρένθεση τίθενται οι ηλεκτρικές παράμετροι του τρανζίστορ, που είτε είναι γνωστές από τον κατασκευαστή του στοιχείου είτε τίθενται αυθαίρετα από το χρήστη για πειραματισμό. Αν δεν οριστούν παράμετροι του τρανζίστορ, τότε, για όσες εξ’αυτών δεν υπάρχουν, το πρόγραμμα καλεί τις εξ’ορισμού τιμές που έχει καταχωρημένες. Μία τελεία (.) πρέπει να υπάρχει πριν τον ορισμό κάθε μοντέλου. Τα σημαντικότερα στοιχεία που μπορούν να υπάρχουν στο κύκλωμα είναι : R : αντιστάτης (resistor) C :πυκνωτής (capacitor) L : επαγωγός (inductor) D : δίοδος (diode) Q : τρανζίστορ V : ανεξάρτητη πηγή τάσης I : ανεξάρτητη πηγή ρεύματος

Αυτά ορίζονται ως ακολούθως :

Αντιστάτης : R N1 N2 τιμή (Ν1, Ν2: οι κόμβοι του κυκλώματος ανάμεσα στους οποίους υπάρχει η αντίσταση). Πυκνωτής : C N1 N2 τιμή Επαγωγός : L N1 N2 τιμή Δίοδος : D N1 (ανόδου) N2 (καθόδου) όνομα μοντέλου

.model όνομα μοντέλου (παράμετροι μοντέλου)

τρανζίστορ : Q N1 (συλλέκτη) N2 (βάσης) N3 (εκπομπού) όνομα μοντέλου

Πηγή τάσεως : V N+ N- (DC) ή (AC) τιμή (ανάλογα με το αν έχουμε συνεχή ή εναλασσομένη πηγή τάσεως)

Πηγή ρεύματος : Ι Ν- Ν+ (DC) ή (AC) τιμή (ανάλογα με το αν έχουμε συνεχή ή εναλασσομένη πηγή ρεύματος)

Οι αριθμητικές τιμές που παίρνουν τα στοιχεία του κυκλώματος, μπορεί να είναι ένα ακέραιο πεδίο (12, -44), ένα πεδίο κινητής υποδιαστολής (3.14159), είτε έναs ακέραιοs ή κινητής υποδιαστολής αριθμόs ακολουθούμενοs από έναν ακέραιο εκθέτη (1e-14, 2.65e3), είτε ένα ακέραιος ή κινητής υποδιαστολής αριθμός ακολουθούμενος από συντελεστές κλίμακας. Γράμματα τα οποία δεν είναι συντελεστές κλίμακας και που αμέσως ακολουθούν έναν αριθμό αγνοούνται και γράμματα που αμέσως ακολουθούν ένα συντελεστή κλίμακας αγνοούνται. Ως εκ τούτο, 10, 10V, 10 Volts και 10Hz όλα αναπαριστάνουν τον ίδιο αριθμό και Μ, ΜΑ και Μsec, όλα αναπαριστάνουν τον ίδιο συντελεστή κλίμακας.

Για την κατανόηση της τοπολογίας εισάγονται μερικές εντολές με σχόλια, που

εκκι-νούν με (*). Επίσης ως σχόλια θεωρούνται όλοι οι χαρακτήρες που ακολουθουν το σύμ-βολο (;). Κενές γραμμές στη δομή ενός αρχείου εισόδου αγνοούνται κατά την εκτέ-λεση. Επίσης, δεν υπάρχει διάκριση στη χρήση κεφαλαίων ή μικρών γραμμάτων στο πρό-γραμμα.

Παρατήρηση: Δεν επιτρέπονται κόμβοι στον αέρα σ’ένα αρχείο εισόδου

SPICE. Γι’αυτό, κάθε κόμβος πρέπει να βρίσκεται σε κλείστο βρόχο. Επίσης, κάθε κόμβος πρέ-πει να έχει δρόμο προς τον κόμβο αναφοράς, που να επιτρέπει τη ροή συνεχούς ρεύμα-τος.

2.1.2) Tρόποι ανάλυσης.

Το πρόγραμμα PSpice έχει τη δυνατότητα να εκτελέσει πολλούς τύπους ανάλυσης. Οι εντολές ανάλυσης δηλώνονται με τελεία (.) και τους χαρακτήρες των γραμμάτων της κάθε ανάλυσης. Έτσι λοιπόν υπάρχουν οι ακόλουθοι τρόποι ανάλυσης.

2.1.2.α) Εντολή ανάλυσης .op

Η εντολή ανάλυσης .op αποτελεί τη βασικότερη εντολή ανάλυσης στο

πρόγραμμα PSpice. Η εντολή αυτή, ανεξάρτητα με ποιά σειρά δηλώνεται στο πρόγραμμα, εκτελείται πριν από κάθε εντολή ανάλυσης και έχει ως αντικείμενο τον προσδιορισμό όλων των συ-νεχών ρευμάτων και τάσεων στο κύκλωμα. Όταν τα μεγέθη αυτά προσδιοριστούν, προσ-διορίζονται αυτόματα οι πολώσεις όλων των ηλεκτρονικών στοιχείων. Για τον προσδιο-ρισμό αυτό ακολουθείται διαδικασία μη γραμμικής ανάλυσης. Ακολούθως, με βάση τις πολώσεις αυτές προσδιορίζονται όλες οι παράμετροι των ηλεκτρονικών στοιχείων για τη συγκεκριμένη κατάσταση πολώσης. Οι βασικότερες από τις παραμέτρους των στοιχείων καταχωρούνται στο αρχείο εξόδου, εφ’όσον έχει δηλωθεί η εντολή .op στο αρχείο εισό-δου, ενώ αφήνει ανέπαφο το γραφικό περιβάλλον. Η εντολή .op εκτελείται σε κάθε τρέ-ξιμο του προγράμματος ακόμα και αν δε δηλωθεί στο αρχείο εισόδου. Στην περίπτωση αυτή τα αποτελέσματα δεν καταχωρούνται στο αρχείο εξόδου. Έτσι λοιπόν, δηλώνεται στο αρχείο εισόδου ως :

.op

2.1.2.β) Εντολή ανάλυσης .ac

Η εντολή αυτή εκτελεί ημιτονική γραμμική ανάλυση μικρών σημάτων. Της

ανάλυ-σης αυτής προηγειται η εκτέλεση της εντολής .op, με την οποία προσδιορίζονται τα ση-μεία λειτουργίας των στοιχείων του κυκλώματος και βάσει αυτών οι παράμετροι των γραμμικών μοντέλων, που χρησιμοποιεί το PSpice. Με την .ac ανάλυση προσδιορίζονται οι φάσορες (μέτρο και φάση) όλων των τάσεων και των ρευμάτων στο κύκλωμα. Με τον τύπο αυτό ανάλυσης επιδιώκεται ο προσδιορισμός της απόκρισης συχνότητας μέτρου και φάσης των κυκλωμάτων. Πρόκειται για ανάλυση στο πεδίο συχνοτήτων. Οι μετα-βλητές, που προσδιορίστηκαν, είναι διαθέσιμες στον χρήστη για απεικόνιση σε περιβάλ-λον γραφικών. Μια εντολή .ac δηλώνεται ως εξής :

.ac τρόπος σάρωσης f αριθμός σημείων ανάλυσης f έναρξης f τερματισμού.

Ένα παράδειγμα του τρόπου δήλωσης της εντολής .ac θα διευκρινήσει περισσότερο τα πράγματα. Έτσι : .ac oct 11 100 10.000meg, στο συγκεκριμένο παράδειγμα η εντολή ανάλυσης .ac σημαίνει ημιτονική ανάλυση με σάρωση συχνοτήτων κατά οκτάβες και με 11 σημεία σε κάθε οκτάβα. Συχνότητα έναρ-ξης είναι τα 100HZ και συχνότητα τερματισμού τα 10MHZ. Επίσης, είναι δυνατή στο PSpice σάρωση συχνότητας κατά δεκάδες (Dec) καθώς και γραμμική σάρωση (Lin).

2.1.2.γ) Εντολή ανάλυσης .tran

H εντολή αυτή εκτελεί μη γραμμική ανάλυση. Με τη χρήση αυτής προσδιορίζονται οι μεταβλητές τάσεων και ρευμάτων του κυκλώματος συναρτήσει του χρόνου. Για τον προσδιορισμό αυτόν, δηλώνονται οι αρχικές συνθήκες τιμών των τάσεων μεταξύ κόμ-βων, είτε με την εντολή .IC, είτε με τις εντολές εισόδου πυκνωτών και επαγωγών. Πρό-κειται για ανάλυση στο πεδίο του χρόνου.

.tran βήμα t τελική τιμή t καθυστέρηση καταγραφής ανώτατο όριο βήματος

Ένα παράδειγμα του τρόπου δήλωσης της εντολής .tran θα δώσει μία σαφέστερη ει-κόνα. Έτσι: .tran 200.000u 50m 4m 200.000u, όπου είναι μη γραμμική ανάλυση με βήμα σάρωσης 200.000u, τελική τιμή του χρόνου δηλώνονται τα 50msec και τιμή εκκίνησης σάρωσης 4msec.

2.1.2.δ) Εντολή ανάλυσης .dc

Η εντολή .dc εκτελεί μη γραμμική ανάλυση μεγάλων σημάτων. Επιδιώκεται ο προσ-διορισμός των μέγιστων διαδρομών των τάσεων και των ρευμάτων στο κύκλωμα. Παρέ-χεται η δυνατότητα σάρωσης τιμών επιλεγμένων ανεξάρτητων πηγών τάσεως ή ρεύμα-τος. Μέσω της ανάλυσης αυτής είναι εφικτός ο προσδιορισμός των I-V χαρακτηριστικών καμπυλών στοιχείων καθώς και των χαρακτηριστικών μεταφοράς κυκλωμάτων. Η εντο-λή ανάλυσης .dc δηλώνεται στο αρχείο εισόδου ως εξής:

.dc τρόπος σάρωσης πηγή τιμή εκκίνησης τιμή τερματισμού βήμα σάρωσης

Στο σημείο αυτό κρίνεται σκόπιμο να δοθεί ένα παράδειγμα του τρόπου

δήλωσης της εντολής .dc:

.dc lin Vi –5 5 .01, όπου ο χρήστης έχει ορίσει ότι επιθυμεί μη γραμμική ανάλυση λόγω της εντολής

.dc, και μη λογαριθμική σάρωση της τάσης Vi, από –5Volts εως 5Volts με βήμα σάρωσης 0.01 Volt.

2.1.3) Εντολές εξόδου στο PSpice. Οι βασικές εντολές εξόδου στο PSpice είναι η .Print, η .Plot και η .Probe.

2.1.3.α) Εντολή εξόδου .Print

Η εντολή .print καταχωρεί στο αρχείο εξόδου, σε μορφή στηλών, τις μεταβλητές, του κυκλώματος, τάσεις και ρεύματα, για επιλεγμένο αριθμό συχνοτήτων. Ο τρόπος δή-λωσής της είναι ο ακόλουθος. :

.print (τύπος ανάλυσης ) (μεταβλητή1) (μεταβλητή 2)

Ένα παράδειγμα του τρόπου δήλωσης της εντολής Print θα δώσει σαφέστερη εικόνα. Έτσι με την εντολή : .Print ac V(7), ζητείται να καταχωρηθεί στο αρχείο εξόδου η τάση κόμβου 7, V(7), για τύπο ανάλυσης .ac.

2.1.3.β) Εντολή εξόδου .Plot

Η εντολή .plot καταχωρεί στο αρχείο εξόδου, σε γραφική μορφή χρησιμοποιώντας χαρακτήρες ASCII, τις μεταβλητές του κυκλώματος, τάσεις και ρεύματα, για επιλεγμένο αριθμό συχνοτήτων. Δεν υπάρχει κανένα όριο στον αριθμό των .plot γραμμών για κάθε τύπο ανάλυσης . Δηλώνεται ως :

.Plot (τύπος ανάλυσης ) (μεταβλητή1) (μεταβλητη2) Ένα παράδειγμα χρήσης της εντολής .plot, είναι: .plot ac v(1), όπου ζητείται να καταχωρηθεί στο αρχείο εξόδου η τάση του κόμβου 1, για τύπο ανάλυσης .ac. 2.1.3.γ) Εντολή εξόδου .Probe

Η εντολή .probe πρέπει να δηλώνεται υποχρεωτικά στη συγκεκριμένη έκδοση Spice. Με την εντολή αυτή ο χρήστης οδηγείται στο γραφικό περιβάλλον, όπου μπορεί να πα-ρεί οποιεσδήποτε και οσεσδήποτε γραφικές κυματομορφές επιθυμεί. Δηλώνεται απλώς ως :

.probe 2.1.4) Εντολή τερματισμού END.

Με την εντολή .End τερματίζεται το πρόγραμμα, δηλώνεται υποχρεωτικά στο

τέλος του αρχείου εισόδου. Δηλώνεται ως :

.End Αφού ο χρήστης γράψει το αρχείο εισόδου, το οποίο έχει τη δυνατότητα να το

γράψει είτε στον editor του προγράμματος είτε σε οποιονδήποτε editor, π.χ. Word editor, Notepad, πρέπει να το αποθηκεύσει. Αν ο χρήστης δημιουργήσει το αρχείο στον editor του προγράμματος, τότε αυτό σώζεται με τη μορφή name.cir και κατόπιν καλείται εκ νέου από το παράθυρο με την επιλογή open. Τότε μόνον είναι δυνατή η έναρξη ανάλυ-σης.

2.2) ΑΡΧΕΙΟ ΕΙΣΟΔΟΥ ΜΕ ΣΧΗΜΑΤΙΚΟ ΤΡΟΠΟ

Όπως ειπώθηκε και νωρίτερα, πέρα από την εισαγωγή του κυκλώματος υπό τη μορφή κειμένου, υπάρχει και η εισαγωγή αυτού με σχηματικό τρόπο. Για το σκοπό αυτό επιλέ-γεται το περιβάλλον Capture Cis. Μόνο μέσα σε αυτό το χώρο μπορεί ο χρήστης να φτιάξει σχηματικό.

2.2.1) Πώς φτιάχνεται ένα σχηματικό χωρίς εξομοίωση

Αφού ο χρήστης εισέλθει στο πρώτο παράθυρο του περιβάλλοντος Capture Cis επι-λέγει διαδοχικά από το κεντρικό menu, file, new, project και τότε θα εμφανιστεί το πα-ράθυρο του σχήματος 1.4.

Σχήμα 1.4. Παράθυρο εισαγωγής ονόματος της εργασίας καθώς και

του χώρου αποθήκευσης αυτής. Ζητείται στο χρήστη να δώσει ένα όνομα στο σχηματικό καθώς και το χώρο

που επιθυμεί να αποθηκευτεί. Κλικάροντας την επιλογή Analog or Mixed A/D και εν συνε-χεία πατώντας ΟΚ εμφανίζεται το παράθυρο του σχήματος 1.5, όπου εκεί επιλέγοντας την ένδειξη Creat a blank project παρουσιάζεται το κεντρικό παράθυρο του Capture Cis (σχήμα 1.6). Βέβαια το κεντρικό παράθυρο δύναται να παρουσιαστεί με απευθείας κλικάρισμα στην επιλογή Schematic του σχήματος 1.4. Όταν όμως πρόκειται το σχεδια-ζόμενο κύκλωμα να χρησιμοποιηθεί για εξομοίωση τότε επιλέγεται απαραιτήτως η πρώτη διαδικασία.

Σχήμα 1.5

Σχήμα 1.6. Κεντρικό παράθυρο του σχηματικού.

Δεξιά της οθόνης υπάρχει μία μπάρα όπου βρίσκονται όλες σχεδόν οι λειτουργίες του σχηματικού. H μπάρα αυτή αποτελείται από συγκεκριμένα πλήκτρα, τα οποία φαί-νονται καλύτερα στο σχήμα 1.7. Το πρώτο πλήκτρο είναι ένα βελάκι, το οποίο πρέπει να είναι πατημένο όταν ο χρήστης δουλεύει στον κεντρικό χώρο του σχηματικού. Όταν αυ-τός θελήσει να εισάγει στοιχείο του κύκλωμα πατάει το δεύτερο κουμπί. Τότε στο κέν-τρο της οθόνης εμφανίζεται ένα τετράγωνο όπως αυτό του σχήματος 1.8. Παρακάτω θα εξηγηθεί η όλη διαδικασία για την εύρεση στοιχείων που χρειάζονται στο κύκλωμα. Το τρίτο κατά σειρά πλήκτρο είναι για την καλωδίωση. Όταν είναι πατημένο μπορεί ο χρή-στης να ενώσει με καλώδιο τα στοίχεια που ήδη έχει τοποθετήσει στο χώρο του σχηματι-κού. Με τα πλήκτρα PWR και GND γίνεται η δήλωση της ύπαρξης τροφοδοσίας και γεί-ωσης. Τα έξι τελευταία πλήκτρα της δεξιάς αυτής μπάρας χρησιμοποιούνται για τη σχε-δίαση σχημάτων και την εισάγωγή τίτλου (τελευταίο κουμπί).

Σχήμα 1.7. Δεξιά μπάρα του κεντρικού παραθύρου του Capture Cis.

Επιλογή και εισαγωγή στοιχείου του κυκλώματος

Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω με την επιλογή του δεύτερου πλήκτρου της δεξιάς μπάρας , εμφανίζεται στην οθόνη το παράθυρο του σχήματος 1.8.

Σχήμα 1.8. Εύρεση στοιχείου.

Στο χώρο αυτό εμφανίζονται τρία μικρότερα τετράγωνα. Στο κάτω αριστερά είναι η λίστα με τις υπάρχουσες βιβλιοθήκες. Με το πρώτο άνοιγμα του παραθύρου δεν υπάρ-χει καμία διαθέσιμη βιβλιοθήκη στο χρήστη, ενώ αυτές εμφανίζονται μέσω της επιλογής Add Library. Με την ενεργοποίηση της ένδειξης Remove Library δίνεται η δυνατό-τητα μεταφοράς βιβλιοθηκών από το δεξί τετράγωνο του παραθύρου σε άλλο χώρο του προγράμματος.

Στο κεντρικό τετράγωνο υπάρχουν τα στοιχεία που περιεχεί η βιβλιοθήκη που επέ-λεξε ο χρήστης, ενώ στο κάτω δεξιά τετράγωνο εμφανίζεται το αντίστοιχο σχηματικό κάθε στοιχείου. Με την εύρεση του επιθυμητού στοιχείου και επιλέγοντας την ένδειξη OK μεταφέρεται το στοιχείο στο σχηματικό.

Με το Part Search μπορεί ο χρήστης αν γνωρίζει τον κωδικό ενός στοιχείου να το αναζητήσει σε όλες τις διαθέσιμες βιβλιοθήκες του προγράμματος. Mε το πάτημα του πλήκτρου εμφανίζεται στην οθόνη το παράθυρο του σχήματος 1.9. Στο πεδίο Part Name ζητείται από το χρήστη να εισάγει το κωδικό όνομα του στοιχείου που αναζητά. Η διαδι-κασία εύρεσης του στοιχείου ενεργοποιείται με την επιλογή Begin Search. Aν το στοι-χείο είναι διαθέσιμο τότε κάτω από την ένδειξη Libraries παρουσιάζεται το όνομα της βιβλιοθήκης που το διαθέτει. Με διπλό δεξί κλικάρισμα πάνω στο όνομα της βιβλιοθή-κης γίνεται αυτόματα η μεταφορά του στοιχείου στο χώρο του σχηματικού. Τέλος με την επιλογή Browse,

δίδεται η δυνατότητα αναζήτησης σε διαφορετικό χώρο στον υπολογι-στή, όπου ενδεχομένως να υπάρχουν αποθηκευμένες βιβλιοθήκες.

Σχήμα 1.9. Αναζήτηση στοιχείου μέσω του κωδικού ονοματός του. Αν ο χρήστης επιθυμεί το ίδιο στοιχείο πολλές φορές στο χώρο του

σχηματικού, τότε κάνει τόσα κλικ στο στοιχείο όσες και οι φορές που το χρειάζεται. Για να σταθερο-ποιήσει το στοίχείο αυτό στο κεντρικό παράθυρο θα πρέπει να κάνει δεξί κλικ πάνω σε αυτό και αφού προκυψει το ακόλουθο παράθυρο, που είναι ένα πολύ χρήσιμο menu (σχήμα 1.10), να επιλέξει την επιγραφή End Mode. Έτσι σταματάει πλέον να εμφανίζε-ται το στοιχείο.

Σχημα 1.10

Στοιχεία όπως πυκνωτές και αντιστάσεις εισέρχονται στο σχηματικό με προκαθο-ρισμένες τιμές, π.χ οι αντιστάσεις εισέρχονται με τιμή 1ΚΩ, οι πυκνωτές με τιμή 1n κ.ο.κ. Για να αλλάξει ο χρήστης την τιμή αυτή, κάνει διπλό κλικ πάνω στην αρχική τιμή του στοιχείου, οπότε εμφανίζεται το κάτωθι παράθυρο. (σχήμα 1.11). Κάνοντας κλικ στο βέλος που υπάρχει δεξιά της επιλογής Default, μπορεί ο χρήστης του προγράμματος να αλλάξει το χρώμα της τιμής του στοιχείου. Ενώ με την ένδειξη Change, ο χρήστης ορί-ζει άλλη γραμματοσειρά και διαφορετικό μέγεθος, στην τιμή του στοιχείου, από αυτή που δίνει από μόνο του το πρόγραμμα. Πρέπει να αναφερθεί ότι το ίδιο παράθυρο θα εμ-φανιστει σε περίπτωση που ο

χρήστης επιθυμει να αλλάξει τον κωδικό του στοιχείου, δηλαδή σε περίπτωση που επιδιώκει μια αντίσταση R1 να την μετονομάσει σε αντίστα-ση R5.

Σχήμα 1.11. Αλλαγή τιμών εξαρτήματος.

Τα στοιχεία του κυκλώματος δε θα πρέπει να έχουν το ίδιο κωδικό όνομα, γιατί αν συμβαίνει κάτι τέτοιο δε θα είναι δυνατή η εξομοίωση του κυκλώματος και θα εμφανι-στεί μήνυμα λάθους από τον υπολογιστή. Δε μπορούν να δηλωθούν σε καμία περίπτωση δύο αντιστάσεις με το ίδιο όνομα παρόλο που μπορεί να έχουν ίδιες τιμές.

2.2.2) Ορισμός ανάλυσης

Αφού ο χρήστης πραγματοποίησε όλη την διαδικασία του προηγούμενου βήματος, είναι σε θέση τώρα να κάνει εξομοίωση του κυκλώματος. Αυτό που επιβάλλεται να κά-νει σε πρώτη φάση είναι να ορίσει τί είδους εξομοίωση θέλει να πραγματοποιήσει. Έτσι από το κεντρικό μενού επιλέγει PSpice και εν συνεχεία Edit Simulation Profile και αυ-τόματα οδηγείται στο παράθυρο του σχήματος 1.12. Είναι το παράθυρο που ο χρήστης θα ορίσει τον τύπο της ανάλυσης που επιθυμεί να πραγματοποιηθεί. Το παράθυρο αυτό βέβαια παρέχει και άλλες σημαντικές ρυθμίσεις,. Έτσι μέσω της επιλογής Probe Window-> Last Plot, δύναται ο χρήστης να κρατήσει προηγούμενες γραφικές παραστά-σεις. Μετά από αυτή τη μικρή παρέμβαση θα γίνει επεξήγηση των δυνατοτήτων αυτού του παραθύρου γύρω από τους τύπους ανάλυσης που προσφέρει. Έτσι μέσα από την επι-λογή Analysis Type προσφέρονται οι εξής επιλογές :

Σχήμα 1.12. Επιλογή τρόπου εξομοίωσης .

α) Bias Point, όπου υπολογίζει τις τιμές των ρευμάτων, των τάσεων και της ισχύος σε όλους τους κόμβους και τα αποτελέσματα τα αποθηκεύει σε αρχείο. Η διαδικασία αυτή δεν ενεργοποιεί το κεντρικό παράθυρο εξομοίωσης του PSpice. β) Time Domain, απ’όπου ο χρήστης μπορεί να πάρει γραφικές παραστάσεις συναρτή-σει του χρόνου. Εδώ πρέπει να ορίσει τον χρόνο εξομοίωσης, τη χρονική καθυστέρηση εκκίνησης του σήματος, όπως επίσης και το βήμα σάρωσης. γ) AC Analysis, απ’όπου ο χρήστης μπορεί να πάρει γραφήματα σε συναρτήση με τη συχνότητα. Για να πάρει το συγκεκριμένο γράφημα, πρέπει να ορίσει αρχική και τελική συχνότητα σάρωσης, όπως επίσης και το βήμα σάρωσης το οποίο θα είναι ορισμένο κα-τά οκτάβες ή κατά δεκάδες. Επίσης υπάρχει δυνατότητα ο άξονας της συνάρτησης να είναι σε γραμμική ή λογαριθμική μορφή. Η εισαγωγή των αποτελεσμάτων μπορεί να γί-νει σε ξεχωριστό αρχείο. δ) DC/Sweep Analysis, όπου ο χρήστης μπορεί να κάνει και παραμετρική ανάλυση αρ-κεί να δηλώσει την μεταβλητή της ανάλυσης, την αρχική και τελική τιμή που θέλει να λάβει καθώς και το βήμα μεταβολής. Ακόμη μπορεί να δηλώσει αν ο άξονας των τιμών θέλει να έχει γραμμική ή λογαριθμική μορφή.

1.3) ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΟΘΟΝΗ.

Η απεικόνιση αποτελεσμάτων στην οθόνη, είναι τα αποτελέσματα της εξομοίωσης του κυκλώματος, η οποία ενεργοποιείται με την επιλογή Run από το κεντρικό menu ή απο το μπλε βελάκι από τη γραμμή εργαλείων του βασικού menu ή ακόμα και από το πληκτρολόγιο μέσω του κουμπιού F11. Αυτόματα ανοίγει και το παράθυρο του PSpice το οποίο έχει τη μορφή του σχήματος 1.13. Η αριστερή του μπάρα βοηθάει το χρήστη να επιστρέψει στο αρχείο εισόδου ή να προχωρήσει στο αρχείο εξόδου, ενώ η μπάρα κάτω από το παράθυρο δείχνει την ολοκλήρωση της εξομοίωσης, εφ’όσον βέβαια παρουσια-στεί το ποσοστό 100%, που φαίνεται ακολούθως.

Σχήμα 1.13. Το παράθυρο του χώρου εξομοίωσης.

Από το κεντρικό menu επιλέγεται Trace και κατόπιν Add Trace, οπότε και εμφα-νίζεται το παράθυρο του σχήματος 1.14. Παρατηρούμε ότι το παράθυρο χωρίζεται σε δύο επιμέρους παραθυράκια. Στο αριστερό παραθυράκι είναι όλες οι μεταβλητές του κυ-κλώματος, όπως τάσεις, ρεύματα, κ.α. Στη μέση των δύο παραθύρων είναι γραμμένος ο συνολικός αριθμός των μεταβλητών, με ταυτόχρονη ομαδοποίησή τους. Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα κάνοντας κλικ δίπλα από την λέξη Currents, να εξαφανίσει από τη λίστα τα ρεύματα, δε μπορεί όμως να εξαφανίσει ορισμένα μόνο ρεύματα. Στο δεξί παραθυ-ράκι και στην επιλογή Analog Operators and Functions υπάρχει μία λίστα από μαθηματικές συναρτήσεις. Επιλέγοντας πρώτα μια συνάρτηση από το δεξί παράθυρο και εν συνεχεία μία ή περισσότερες μεταβλητές από το αριστερό παράθυρο και κάνοντας κλικ στο ΟΚ, εμφανίζεται η γραφική παράσταση στο κεντρικό παράθυρο του PSpice.

Σχήμα 1.14. Παράθυρο επιλογής μεταβλητών και συναρτήσεων.

O κάθετος άξονας έχει ως μεταβλητή αυτή που όρισε ο χρήστης, ενώ ο οριζόντιος ά-ξονας είναι βαθμολογημένος στις μονάδες της μεταβλητής που σαρώνεται, σύμφωνα πάντα με την εντολή ανάλυσης. Δίνεται βέβαια στο χρήστη η δυνατότητα αλλαγής της μεταβλητής του οριζόντιου άξονα, αλλά και του καθέτου μέσω της επιλογής Plot από το κεντρικό menu Pspice και κατόπιν Axis Settings και User Defined, οπότε εμφανίζε-ται το παράθυρο του σχήματος 1.15.

Σχήμα 1.15. Προσαρμογή κλίμακας αξόνων.

Τέλος παρέχεται δυνατότητα επιλογής γραμμικής ή λογαριθμικής κλίμακας για τον κάθε άξονα. Σε περίπτωση που ο χρήστης επιθυμεί να έχει δύο γραφικές διαφορετικών μεταβλητών στην ίδια γραφική παράσταση, μπορεί να το πραγματοποιήσει επιλέγοντας Plot από το κεντρικό menu και εν συνεχεία Add Y. Μια εικόνα του γραφικού σε συν-δυασμό με δύο κάθετους άξονες που

αντιπροσωπεύουν διαφορετικές μεταβλητές, πα-ρουσιάζεται αμέσως παρακάτω.(σχήμα 1.16).

Σχήμα 1.16. Συνδυασμός δύο μεταβλητών σε ξεχωριστούς Υ άξονες.

4) ΑΡΧΕΙΟ ΕΞΟΔΟΥ ΤΟΥ PSPICE

Το αρχείο εξόδου του PSpice είναι άμεσα προσπελάσιμο από το χρήστη. Εκεί κατα-χωρούνται χρήσιμες πληροφορίες, που αφορούν τη λειτουργία του κυκλώματος και είναι χρήσιμες κατά τη φάση της ανάλυσης ή του σχεδιασμού. Επίσης, περιγράφονται τα πι-θανά λάθη, σε περίπτωση, που το αρχείο εισόδου είτε υπό τη μορφή κειμένου, είτε υπό τη σχηματική μορφή δεν είναι σωστό. Τέλος στο χώρο αυτό καταχωρούνται τα αποτελέ-σματα από τη δήλωση της εντολής .οp, .print και .plot.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ORCAD-PSPICE LITE EDITION ΣΕ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ 1) ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει πρακτική εφαρμογή των όσων αναπτύχθηκαν στο πρώτο κεφάλαιο. Έτσι λοιπόν το κεφάλαιο αυτό περιέχει παραδείγματα για .ac, .tran και .dc α-νάλυση, όπου το αρχείο εισόδου έχει εισαχθεί και με τη μορφή κειμένου (text) αλλά και με τη σχηματική μορφή (capture). Αφού ο χρήστης περάσει το αρχείο εισόδου στο πρό-γραμμα PSpice, θα είναι σε θέση να πάρει σε γραφική μορφή οποιαδήποτε αποτελέσμα-τα επιθυμεί. 2) .AC ΑΝΑΛΥΣΗ. Η .ac ανάλυση είναι μια ημιτονική, γραμμική ανάλυση μικρών σημάτων. Κρίθηκε σκόπιμο η .ac ανάλυση να εφαρμοστεί σε κύκλωμα ενισχυτού μιας βαθμίδας BJT σε σύνδεση κοινού εκπομπού, με σκοπό τη μελέτη της απόκρισης σε dB, της αντίστασης ει-σόδου Rin και της αντίστασης εξόδου Rout. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι ο ενισχυτής είναι μια βασική βαθμίδα απαραίτητη σε όλα σχεδόν τα ηλεκτρονικά συστήματα, η επενέρ-γεια του έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση (ενίσχυση) της σταθμής μιάς τάσεως ή και ενός ρεύματος.

2.1) Μελέτη της απόκρισης dB του κυκλώματος.

Η απόκριση ορίζεται ως ο λόγος του μέτρου της τάσης εξόδου Vout προς το μέτρο της τάσης εισόδου Vin, δηλαδή: A= V0ut/ Vin. Τα δύο μεγέθη V0ut και Vin μπορούν να με-τρηθούν σε Volt, που καλύπτει την περιοχή συχνοτήτων και από το λόγο τους προσ-διορίζεται η ενίσχυση Α, σε καθαρό αριθμό. Συνήθως όμως, ενδιαφέρει η τιμή της από-κρισης Α σε dB. Το πρόγραμμα PSpice δίδει τη δυνατότητα απόκρισης σε dB.

2.1.α) Αρχείο εισόδου με σχηματική μορφή ,για ενισχυτή μιας βαθμίδος.

Σύμφωνα λοιπόν με τα όσα αναφέρθηκαν στο πρώτο κεφάλαιο για το γραφικό αρ-χείο εισόδου, ο χρηστης πρέπει να εισαχθεί στο περιβάλλον Capture Cis.

Οπότε περνό-ντας το κύκλωμα στο κεντρικό παράθυρο του προγράμματος παίρνει το σχήμα 2.1.

Σχήμα 2.1. Ενισχυτής μιας βαθμίδας με BJT.

Θα πρέπει να αναφερθεί ότι οι εντολές ανάλυσης που δηλώθηκαν στο

σχηματικό πε-ριβάλλον, έγιναν μέσω του παραθύρου που ενεργοποιήθηκε με την επιλογή Pspice-> Edit simulation profile. Το παράθυρο αυτό φαίνεται στο σχήμα 2.2 και ζητείται λογα-ριθμική ανάλυση με σάρωση συχνοτήτων κατά οκτάβες και με 11 σημεία ανά οκτάβα. Η περιοχή συχνοτήτων βρίσκεται ανάμεσα στα 100Hz και στα 9MHz.

Σχήμα 2.2. Παράθυρο δήλωσης του τρόπου ανάλυσης.

2.1.β) Αρχείο εισόδου με τη μορφή κειμένου, για ενισχυτή μιας βαθμί-δος.

Ο χρήστης για να εισάγει την τοπολογία του κυκλώματος με τη μορφή κειμένου ει-σέρχεται στο περιβάλλον Pspice AD. Το παρακάτω κείμενο (σχήμα

2.3) έχει δημιουρ-γηθεί με οδηγό τις προυποθέσεις που αναφέρονται στο πρώτο κεφάλαιο, οπότε στην αρχή ο χρήστης εισάγει τον τίτλο του αρχείου, εν συνεχεία εισάγει την τοπολογία του κυκλώματος, τον ορισμό μοντέλων και το είδος ανάλυσης που επιθυμεί, που εν προκει-μένω είναι η .ac ανάλυση. Και τέλος τις εντολές εξόδου και την εντολή τερματισμού.

ENISXYTHS KOINOY EKPOMPOY *circuit topology Vs 1 0 ac 1 Rs 1 2 3.3k C1 2 3 1u R1 3 4 120k Rc 4 5 4k R2 3 0 18k RE 6 0 0.5k CE 6 0 1u C2 5 7 1u RL 7 0 1k Vc 4 0 dc 12 Q1 5 3 6 Q2N2222 *models of actives elements .model Q2N2222 npn(IS=14.340000E-15, BF=255.9, NF=1, VAF=74.03, IKF=.2847, +ISE=14.340000E-15, NE=1.307, BR=6.092, NR=1, RB=10, RC=1, CJE=22.010E-12, +MJE=.377, CJC=7.306000E-12, MJC=.3416, TF=411.100000E-12, XTF=3, VTF=1.7, +ITF=.6, TR=46.910000E-09, XTB=1.5, CN=2.42, D=.87 ) *types of analysis .ac oct 11 100 9meg .op *output statements .probe *termination .end

Σχήμα 2.3. Αρχείο εισόδου με τη μορφή κειμένου γιενισχυτή μιας βαθμίδας.

2.1.γ) Απεικόνιση των αποτελεσμάτων στην οθόνη, με σκοπό τη μέτρη-ση της απόκρισης του κυκλώματος.

Μετά την εκτέλεση των βημάτων 2.1.α και 2.1.β, ο χρήστης έχει στη διάθεσή του το γραφικό περιβάλλον το οποίο ενεργοποιεί με την επιλογή Run. Από το γραφικό αυτό πε-ριβάλλον θα πάρει την απόκριση του κυκλώματος.(σχήμα 2.4). Η απόκριση του ενισχυτού όπως φαίνεται από το σχήμα είναι σταθερή στα 26dB, για συχνότητες από 12KHz εως 240KHz. Ενώ για τις άλλες περιοχές συχνοτήτων μετα-βάλλεται συνεχώς.

H περιοχή χαμηλών συχνοτήτων παρουσιάζει υψηπερατή συμπεριφορά (εξασθένι-ση χαμηλών συχνοτήτων), της οποίας η συμπεριφορά ρυθμίζεται από τους εξωτερικούς πυκνωτές του κυκλώματος, δηλαδή από τους C1, C2 και CE. Από την άλλη πλευρά η περιοχή υψηλών συχνοτήτων, βαθυπερατή συμπεριφορά (εξασ-θένιση υψηλών συχνοτήτων), ρυθμίζεται από τους εσωτερικούς πυκνωτές του τραν-ζίστορ.

Frequency

100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHzDB(V(7)/V(1))

-20V

0V

20V

40V

(26.000)

Σχήμα 2.4. Απόκριση κυκλώματος ενισχυτού.

2.2) Μέτρηση της αντίστασης εισόδου Rin του ενισχυτή μιας

βαθμίδας.

Για την μέτρηση της αντίστασης εισόδου του ενισχυτή μιας βαθμίδος, θα πρέπει ο χρήστης να προβεί στη δημιουργία νέου κυκλώματος.

2.2.α) Αρχείο εισόδου με σχηματική μορφή, για την μέτρηση της αντί-στασης εισόδου ενός ενισχυτού μιας βαθμίδος (σχ.2.5).

Σχήμα 2.5. Κύκλωμα για την μέτρηση αντίστασης εισόδου ενός

ενισχυτού μιας βαθμίδας.

Η δήλωση της ανάλυσης που επιθυμείται για το συγκεκριμένο κύκλωμα παρουσιά-ζεται στο παράθυρο του σχήματος 2.6, που όπως υπόθηκε ενεργοποιείται με την εντολή Edit simulation profile (σχ.2.6). Eδώ υπάρχει σάρωση κατά οκτάβες με αρχική συχνό-τητα 1Hz και τελική συχνότητα 0.9ΚΗz.

Σχήμα 2.6. Δήλωση του τρόπου ανάλυσης του κυκλώματος .

2.2.β) Αρχείο εισόδου υπό τη μορφή κειμένου, για τη μέτρηση της αντί-στασης εισόδου ενός ενισχυτού μιας βαθμίδος (σχ.2.7).

Στην προκειμένη περίπτωση γίνεται εισαγωγή του κυκλώματος με τη μορφή κειμέ-νου, με σκοπό τη μέτρηση της αντίστασης εισόδου.

ANTISTASH EISODOY Ri ENISXYTOY BJT *circuit topology I1 0 1 ac 1 R1 1 2 120K

R2 1 0 18K Rc 2 3 4k Q 3 1 4 Q2N2222 RE 4 0 0.5K CE 4 0 1U Vc 2 0 12 *models of active elements .model Q2N2222 npn(IS=14.340000E-15, BF=255.9, NF=1, VAF=74.03, IKF=.2847, +ISE=14.340000E-15, NE=1.307, BR=6.092, NR=1, RB=10, RC=1, CJE=22.010E-12, +MJE=.377, CJC=7.306000E-12, MJC=.3416, TF=411.100000E-12, XTF=3, VTF=1.7, +ITF=.6, TR=46.910000E-09, XTB=1.5, CN=2.42, D=.87 ) *types of analysis .op .ac oct 11 1 0.9k *output statement .probe *termination control statement .end

Σχήμα 2.7. Αρχείο εισόδου με σκοπό τη μέτρηση της αντίστασης εισόδου του

ενισχυτού μιας βαθμίδος. 2.2.γ) Απεικόνιση αποτελεσμάτων στην οθόνη, με σκοπό τη μέτρηση της αντίστασης εισόδου του κυκλώματος(σχ.2.8).

Frequency

1.0Hz 3.0Hz 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHzV(I1:+)/ I(I1)

11K

12K

13K

14K

(13.228K)

Σχήμα 2.8. Αντίσταση εισόδου.

Η Rin ισούται με την τάση εισόδου προς το ρεύμα εισόδου, δηλαδή ισούται με Vin/Iin, όμως επειδή Iin είναι 1Α, το ίδιο αποτέλεσμα θα προκύψει και αν θεωρηθεί ότι Rin= |VIn|. Όπως φαίνεται από το γράφημα η αντίσταση εισόδου παραμένει

σταθερή μέχρι τα 100 Hz και ισούται με Ri =13,228ΚΩ, ενώ εν συνεχεία μειώνεται εως ότου μηδενιστεί. 2.3) Μέτρηση της αντίστασης εξόδου Rout του ενισχυτού μιας βαθμίδος. Για την μέτρηση της αντίστασης εξοδου επιβάλλεται η δημιουργία νέου κυκλώματος. 2.3.α) Αρχείο εξόδου με σχηματικό τρόπο, με σκοπό τη μέτρηση της αντίστασης εξόδου του ενισχυτή BJT(σχήμα 2.9).

Σχήμα 2.9. Κύκλωμα για τη μέτρηση της αντίστασης εξόδου του ενισχυτού.

Η ανάλυση που επιδιώκεται ομοίως και εδώ είναι η .ac, όπου δηλώνεται βήμα ίσο με 11 σημεία ανά οκτάβα, αρχική συχνότητα 10Hz και τελική συχνότητα 0.9KHz.(σχ.2.10)

Σχήμα 2.10. Παράθυρο δήλωσης του τρόπου ανάλυσης.

2.3.β) Τext για τη μέτρηση της αντίστασης εξόδου του κυκλώματος.

Η δήλωση του κυκλώματος 2.9 στο Pspice AD, έχει τη μορφή που αναπαριστάται στο σχήμα 2.11. ANTISTASH EXODOY R0 ENISXYTOY *circuit topology C1 0 1 100U R1 1 2 120K R2 1 0 18K RC 2 3 4K RE 4 0 0.5K CE 4 0 1U Vc 2 0 12V I1 0 3 AC 1 Q 3 1 4 Q2N2222 *models of actives elements .model Q2N2222 npn(IS=14.340000E-15, BF=255.9, NF=1, VAF=74.03, IKF=.2847, +ISE=14.340000E-15, NE=1.307, BR=6.092, NR=1, RB=10, RC=1, CJE=22.0100E-12, +MJE=.377, CJC=7.306000E-12, MJC=.3416, TF=411.100000E-12, XTF=3, VTF=1.7, +ITF=.6, TR=46.910000E-09, XTB=1.5, CN=2.42, D=.87 ) *types of analysis .op .ac oct 11 10 0.9K *output statement .probe *termination control statement .end

Σχήμα 2.11. Αρχείο εισόδου με τη μορφή text. 2.3.γ) Απεικόνιση αποτελεσμάτων στην οθόνη με σκοπό τη μέτρηση της αντίστασης εξόδού(σχήμα 2.12).

Όπως φαίνεται στο σχήμα η μορφή του γραφήματος της αντίστασης εξόδου δε δια-φέρει και πολύ από την αντίστοιχη της εισόδου.

Frequency

10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHzV(I1:+)/ I(I1)

3.9850K

3.9875K

3.9900K

(3.9881K)

Σχήμα 2.12. Αντίσταση εξόδου.

Η R0ut ισούται με την τάση συλλέκτη προς το ρεύμα εξόδου, δηλαδή ισούται με Vout/Iin, όμως επειδή Iin είναι 1Α, το ίδιο αποτέλεσμα θα προκύψει κατά τη θεώρηση Rout= |V0ut|. Tο γράφημα δίνει αντίσταση εξόδου ίση με Rout =3,9881ΚΩ μέχρι τα 100Ηz, ενώ από εκεί και πέρα συνεχώς μειούμενη τιμή αυτής μέχρι τον τελικό μηδενι-σμό της.

3).TRANSIENT ΑΝΑΛΥΣΗ.

H transient ανάλυση είναι μία μη γραμμική ανάλυση, όπου κρίνεται σκόπιμο να εφα-ρμοστεί σε ενισχυτή BJT μιας βαθμίδας. Το κύκλωμα αυτό είναι το ίδιο με αυτό που χρησιμοποιήθηκε στην ac ανάλυση, με τη διαφορά ότι η R1, δε θα έχει την ίδια τιμή που είχε πρωτύτερα , αφού σκοπός του χρήστη είναι να τη μεταβάλλει για να πάρει στην τά-ση του συλλέκτη συμμετρικό ψαλιδισμό.

3.α) Αρχείο εισόδου με σχηματική μορφή, για transient ανάλυση.

Το αρχείο εισόδου λοιπόν θα έχει την μορφή που παρουσιάζεται στο σχήμα 2.13, όπου η R1 έχει τιμή 89.5ΚΩ. H τιμή αυτή προέκυψε μετά από δοκιμές. Στο κύκλωμα εί-ναι σημειωμένες οι τάσεις των κόμβων, οι οποίες ενεργοποιούνται με το εικονίδιο V που υπάρχει πάνω στην πάνω μπάρα του κεντρικού παραθύρου του Capture.

Σχήμα 2.13. Σχηματικό για transient ανάλυση.

Ο τρόπος δήλωσης της tran ανάλυσης στο σχηματικό περιβάλλον γίνεται μέσω του παραθύρου του σχήματος 2.14.

Σχήμα 2.14. Δήλωση του τρόπου ανάλυσης.

3.β) Αρχείο εισόδου υπό τη μορφή κειμένου για transient ανάλυση .

Το συγκεκριμένο αρχείο εισόδου, όπως και το παραπάνω παράθυρο περιλαμβάνει ως εντολή ανάλυσης την εντολή .tran, όπου έχει δηλωθεί με βήμα σάρωσης 0.2u, χρόνο τερματισμού τα 125u sec και χρόνο έναρξης τα 0 sec. Στο σχηματικό 2.15 φαίνεται ανα-λυτικά η τοπολογία του παραπάνω κυκλώματος.

ENISXYTHS BJT ME SKOPO THN EMFANISH SYMMETRIKOY PSALLIDISMOY. *circuit topology Vs 1 0 sin(0 0.2 20k) Rs 1 2 3.3k C1 2 3 1U R1 3 4 89.5k RC 4 5 4K R2 3 0 18K RE 6 0 0.5K CE 6 0 1U C2 5 7 1U RL 7 0 1K Vc 4 0 DC 12 Q1 5 3 6 Q2N2222 *models of actives elements .model Q2N2222 npn(IS=14.340000E-15,BF=255.9,NF=1,VAF=74.03,IKF=.2847, +ISE=14.340000E-15,NE=1.307,BR=6.092,NR=1,RB=10,RC=1,CJE=22.01000E-12, +MJE=.377,CJC=7.306000E-12,MJC=.3416,TF=411.100000E-12,XTF=3,VTF=1.7, +ITF=.6,TR=46.910000E-09,XTB=1.5,CN=2.42,D=.87 ) *types of analysis .tran 0.2U 125U 0 0.2U .op *output statements .probe *termination .end

Σχήμα 2.15. Αρχείο εισόδου με τη μορφή text για transient ανάλυση.

3.γ) Απεικόνιση αποτελεσμάτων στην οθόνη.

Σκοπός του χρήστη είναι να πάρει σε γράφημα την τάση Vdc ( τάση συλλέκτη) για τη οποία να παρουσιάζεται συμμετρικός ψαλλιδισμός. (σχήμα 2.16)

Time

0s 20us 40us 60us 80us 100us 120us 140usV(5)

0V

2.5V

5.0V

(2.9910)

Σχήμα 2.16. Απεικόνιση της τάσης συλλέκτη.

Το άνω γράφημα, αλλά και το σχηματικό αρχείο εισόδου αποκαλύπτουν ότι η τάση Vdc για την οποία παρουσιάζεται συμμετρικός ψαλλιδισμός είναι Vdc=2.991volt.

4).DC ΑΝΑΛΥΣΗ

Η .dc ανάλυση είναι μία μη γραμμική ανάλυση μεγάλων σημάτων. Με την ανάλυση αυτή παρέχεται η δυνατότητα σάρωσης τιμών επιλεγμένων ανεξάρτητων πηγών τάσης ή ρεύματος. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα επιδιώκεται η εύρεση των χαρακτηριστικών μεταφοράς του κυκλώματος μέσω της σάρωσης τάσης της πηγής Vi. Επιδιώκεται, δηλα-δή, η εύρεση του γραφήματος που ο οριζόντιος άξονας θα είναι η τάση εισόδου και ο κάθετος άξονας θα είναι η τάση εξόδου του κυκλώματος.

4.α) Αρχείο εισόδου με σχηματικό τρόπο, με σκοπό την εύρεση των χαρακτηριστικών μεταφοράς του παρακάτω κυκλώματος.(σχ.2.17)

0

V1

V22v

D

D1N4002

R1

10k

Σχήμα 2.17. Σχηματικό αρχείο εισόδου.

Αφού ο χρήστης σχεδιάσει το κυκλωμα , θα πρέπει να δηλώσει και την ανάλυση που επιθυμεί, πράγμα το οποίο γίνεται στο αμέσως παρακάτω παράθυρο του σχήματος 2.18.

Σχήμα 2.18. Δήλωση dc ανάλυσης.

Η ανάλυση που επιδιώκεται στο συγκεκριμένο κύκλωμα είναι .dc με μια πηγή

της οποίας οι τιμές μεταβάλλονται από -5volt στα 5volt.

4.β) Αρχείο εισόδου με την μορφή κειμένου (σχήμα 2.19).

Ο χρήστης δηλώνει το παραπάνω κύκλωμα με τη μορφή κόμβων, στοιχείων και ε-ντολών στο σχήμα 2.19.

DIODE CLIPPER *circuit topology Vi 1 0 R1 1 2 10k D1 2 3 dt V2 3 0 2 *models of active elements .model dt D(VJ =0.6) *types of analysis .dc lin Vi -5 5 .01 .op *output statements .probe *termination control statement .end

Σχήμα 2.19. Αρχείο εισόδου με τη μορφή text για dc ανάλυση. 4.γ) Απεικόνιση αποτελεσμάτων στην οθόνη (σχήμα 4.4).

Στο παρακάτω γράφημα παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές μεταφοράς του πιο πάνω κυκλώματος, όπου παρατηρείται ότι η τάση εξόδου μεταβάλλεται αναλογικά ως προς την τάση εισόδου, από τα –5volt μέχρι τα 2.5volt της τάσης εισόδου. Ενώ εν συνεχεία υπάρχει σταθεροποιήση της τάσης εξόδου στην τιμή 2,5volt.

Vi

-6.0V -4.0V -2.0V 0V 2.0V 4.0V 6.0VV(2)

-5.0V

0V

5.0V

Σχήμα 2.20. Χαρακτηριστική μεταφοράς.

Το συμπέρασμα απ’όλα αυτά εστιάζεται στο ότι το Orcad-Pspice, είναι ένα πολύ χρήσιμο και απαραίτητο εφόδιο για όποιον επιχειρεί να πραγματοποιήσει ανάλυση σε πολύπλοκα γραμμικά και μη γραμμικά κυκλώματα. Όπως αποδείχτηκε τα αποτελέσματα που προκύπτουν είναι τα ίδια, είτε η εισαγωγή γίνεται με τη μορφή κειμένου, είτε με τη μορφή σχηματικού. Έτσι είναι στην κρίση του κάθε χρήστη ποιο τύπο εισαγωγής κυκλώματος θα διαλέξει.