ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ PSPICE ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ DOS

Transcript

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ PSPICE ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ DOS

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΟΥ SPICE Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ SPICE ΜΟΡΦΕΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΟΝΟΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΩΝ ΑΝΟΙΓΟΝΤΑΣ ΤΟ SPICE ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

3 Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια όλο και περισσότερες εταιρίες σχεδιασμού τεχνολογικών εφαρμογών χρησιμοποιούν προγράμματα προσομοίωσης με τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης των προγραμμάτων προσομοίωσης είναι πολλά. Ένα από τα πολλά πλεονεκτήματα που προσφέρουν αυτά τα προγράμματα είναι η δυνατότητα του χρήστη να παίρνει feedback. Αυτό επιτρέπει στον σχεδιαστή να καθορίσει την ορθότητα και την αποτελεσματικότητα ενός σχεδίου πριν την πραγματική κατασκευή του. Κατά συνεπεία, ο χρήστης μπορεί να εξερευνήσει τα πλεονεκτήματα ή και τα μειονεκτήματα εναλλακτικών σχεδίων χωρίς να χρειαστεί να υλοποιήσει στη πραγματικότητα όλα αυτά τα σχεδία,πράγμα πολύ δαπανηρό και πολλές φόρες επίπονο. Μια ακόμη δυνατότητα που προσφέρουν τα προγράμματα προσομοίωσης είναι η πιο εύκολη κατανόηση από το χρήστη της φύσης και της λειτουργίας των εξαρτημάτων από το οποίο περιλαμβάνεται το σχέδιο του,καθώς και πως αυτά επηρεάζουν τα αποτελέσματα που πιθανώς να επιφέρει αυτό το σχέδιο, πράγμα πολύ δύσκολο αν γίνει η άμεση κατασκευή ενός σχεδίου. Στο παρόν φυλλάδιο παρουσιάζεται η λειτουργιά και η χρίση ενός από τα πιο ευρέως διαδεδομένα προγράμματα προσομοίωσης,το PSPICE. Γενικά,το SPICE είναι ένα γενικού σκοπού πρόγραμμα προσομοίωσης κυκλωμάτων για μη γραμμικές DC,για γραμμική transient ανάλυση και AC ανάλυση μικρών σημάτων. Τα κυκλώματα αυτά μπορούν να περιέχουν αντιστάσεις,πυκνωτές,πηνία,αμοιβαία πηνία,πηγή τάσης,πηγή ρεύματος,διακόπτες και από ημιαγωγούς (διόδους,bjts,mosfet,mesfet κ.α.).. Περιλαμβάνει επίσης μια μονάδα ανάλυσης της θερμοκρασίας, καθώς και δυνατότητες ανάλυσης θορύβου. Υπάρχουν πολλές εκδόσεις του προγράμματος SPICE,με διάφορα που περιλαμβάνουν χρήσιμα εργαλεία λογισμικού τα οποία έχουν προστεθεί για να κάνουν ευκολότερη την χρήση του. Εδώ, όπως είπαμε προηγουμένως, θα κάνομε χρήση του πακέτου PSpice το οποίο είναι μια παραλλαγή του SPICE που ανέπτυξε η εταιρία MicroSim. Το PSpice, εκτός των άλλων, περιλαμβάνει τα προγράμματα Schematics και Probe. Το Schematics χρησιμοποιεί GUI (Graphical User Interface) ώστε μπορεί να σχεδιάζει κανείς στην οθόνη του υπολογιστή το κύκλωμα με τα γνωστά σύμβολα των στοιχείων και με διάφορα μενού (menu) μπορεί να κάνει κάθε αλλαγή εύκολα. Σε αυτό όμως το φυλλάδιο χρησιμοποιούμε το PSPICE σε περιβάλλον DOS. Όσο και παράδοξο και αν φαίνεται αυτό,αν λάβει κάνεις υπόψιν του την πρόοδο της τεχνολογίας

4 υπολογιστών τα τελευταία χρόνια,ως μηχανικοί ηλεκτρονικών και υπολογιστικών συστημάτων μας ενδιαφέρει περισσότερο να εξετάσουμε ένα κύκλωμα ή ένα αποτέλεσμα που μπορεί να επιφέρει αυτό το κύκλωμα από τη μηχανική σκοπιά πάρα να αρκεστούμε μόνο σε μια γραφική παράσταση. Έτσι γίνεται πιο κατανοητό το αποτέλεσμα που θα πάρουμε,καθώς φτάνουμε πιο κοντά στη μηχανή. Η ιστορία του SPICE Το λογισμικό SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis=πρόγραμμα προσομοίωσης με έμφαση σε ολοκληρωμένα κυκλώματα )είναι ένα πρόγραμμα προσομοίωσης κυκλωμάτων που δημιουργήθηκε στο πανεπιστήμιο της California του Berkeley στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικής από τον Dr Lawrence Nagel. Η προέλευση του SPICE βρίσκεται σε μεγάλο βαθμό πίσω από ένα άλλο πρόγραμμα προσομοίωσης,το CANCER(ανάλυση υπολογιστή γραμμικών κυκλωμάτων χωρίς ακτινοβολία). Το πρώτο πρόγραμμα που αναπτύχθηκε ήταν το SPICE[1] το 1973 το οποίο ήταν γραμμένο σε FORTRAN και χρησιμοποιούσε κομβική ανάλυση για την κατασκευή των εξισώσεων κυκλώματος. Η κομβική ανάλυση έχει περιορισμούς στην αναπαράσταση πηνίων,πηγών τάσης και διαμορφωμένων ελεγχόμενων πηγών. Η πραγματική δημοτικότητα του SPICE ήρθε με το SPICE[2] το 1975,το οποίο ήταν και αυτό γραμμένο σε FORTRAN,ήταν ένα πολύ πιο βελτιωμένο πρόγραμμα με περισσότερα στοιχειά κυκλώματος,μεταβλητή timestep transient ανάλυσης με τη χρήση είτε του τραπεζοειδούς (δεύτερης τάξης Adams - Moulton) ή τη μέθοδο ολοκλήρωσης Gear (επίσης γνωστή ως BDF). Η τελευταία εκδοσή του SPICE σε FORTRAN ήταν το SPICE 2G.3 (SPICE[3])το οποίο αναπτύχθηκε από τον Thomas Quarles το 1989.Είναι γραμμένο σε C,χρησιμοποιεί την ίδια σύνταξη netlist και έχει προσθετει το σύστημα σχεδίασης X Window. Ακομα περιλαμβάνει pole-zero ανάλυση και τα νέα μοντέλα τρανζίστορ για MESFETs και MOSFET και τέλος περιεχέι και στοιχεία διακόπτη. Το SPICE εμπνεύστηκε και χρησίμευσε ως βάση για πολλά άλλα προγράμματα προσομοίωσης κυκλωμάτων, στον ακαδημαϊκό χώρο, τη βιομηχανία, και σε εμπορικά προϊόντα.η πρώτη εμπορική έκδοση του SPICE ήταν το ISPICE,μια διαδραστική εκδοχή σε μια υπηρεσία χρονομεριστικής μίσθωσης. Οι πιο σημαντικές εμπορικές εκδόσεις του SPICE περιλαμβάνουν το HSPICE και PSPICE και σε αυτο το φυλλαδιο ε3εταζουμε την τελευταια. Λειτουργια του SPICE Για να τρέξουμε μια ανάλυση στο SPICE απαραίτητη προϋπόθεση είναι η δημιουργία ενός αρχείου εισόδου (source file).το συγκεκριμένο αρχείο έχει την κατάληξη(.cir) και μέσα σ

5 αυτό περιέχονται τα στοιχεία του κυκλώματος που θέλουμε να κάνουμε την ανάλυση(π.χ πυκνώτες,αντιστάσεις).ολα τα παραπάνω για να γίνουν κατανοητά από το πρόγραμμα θα πρέπει να περιέχει στο αρχείο εισόδου τις εντολές δεδομένων που περιγράφουν το κύκλωμα ελέγχου που καθορίζουν την ανάλυση που θέλουμε να πραγματοποιήσουμε, και τέλος να περιέχει τις εντολές εξόδου οι οποίες περιγράφουν το είδος και το τρόπο παρουσίασης των αποτελεσμάτων. Για να δημιουργήσουμε ένα αρχείο εισόδου αρχικά γράφουμε τα στοιχεία που αποτελούν το κύκλωμα-η ονομασία πραγματοποιείται με την εγγραφή του κεφαλαιού γράμματος του καθέ στοιχειου ξεχωριστά.στη συνέχεια ορίζουμε στο κύκλωμα κόμβους που σύμφωνα μ αυτούς θα γίνει η περιγραφή του κυκλώματος. Συγκεκριμένα,αρχικά ορίζουμε έναν <κόμβο αναφοράς >στον οποίο η τάση θα είναι 0 (γείωση) και στη συνέχεια ορίζουμε και τους υπολοίπους κόμβους σε σχέση πάντα με τον κόμβο αναφοράς,ο ορισμός γίνεται με τη χρήση αριθμών χωρίς βέβαια η διάταξη τους να είναι διαδοχικοί. Η έξοδος του SPICE αποτελείται από πολλά μέρη. Τα μέρη αυτά καθορίζονται από τις εντολές που ήδη έχουμε γράψει στο αρχείο εισόδου και επίσης καθορίζουν τον τρόπο που θα εμφανιστούν τα αποτελέσματα. Στο πρώτο μέρος υπάρχει η περιγραφή του κυκλώματος και η λίστα των εντολών που βρίσκονται στο αρχείο εισόδου. Στο δεύτερο μέρος περιέχει την προκαθορισμένη έξοδο για κάποιες από τις εντολές ανάλυσης που δημιουργούν έξοδο χωρίς οδηγίες από το αρχείο εισόδου. Στο τρίτο μέρος γίνεται η εκτύπωση των αποτελεσμάτων και των γραφικών που έχουν ζητηθεί προηγουμένως στο αρχείο εισόδου. Η εκτύπωση πραγματοποιείται με τις εντολές.print για τα δεδομένα ανάλυσης και.plot για τα γραφήματα. Στο τέταρτο μέρος πληροφορίες που κάνουν την ανάλυση πιο αποτελεσματική αυτές είναι οι απαιτήσεις για μνήμη και ο χρόνος εκτέλεσης. Τα φυσικά μεγέθη δίνονται στις βασικές μονάδες μέτρησης στο σύστημα S.I. και τα πολλαπλάσια-υποπολλαπλάσια δηλώνονται με τα παρακάτω σύμβολα: T - Terra 1012 G - Giga 109 M - Mega 106 K - Kilo 103 M - Milli 10-3 U - Micro 10-6 N - Nano 10-9 P - Pico 10-12

6 F - Femto Παρακάτω παρουσιάζεται ένα παράδειγμα σε κωδικά ενός κυκλώματος ενισχυτή κοινού εκπομπου Αρχείο εισόδου PSPICE Common emitter amplifier Vs 1 0 ac 1 Vc 4 0 dc 12 C u Rs k Υποχρεωτικός τίτλος αρχείου εισόδου Aνεξάρτητη πηγή τάσης εναλλασσομένου Aνεξάρτητη πηγή τάσης συνεχούς Iδανικός πυκνωτής Iδανικός αντιστάτης R k R k RC 4 5 4k RE k CE 6 0 1u C u Q qtest.model qtest npn(bf=200 VJE=0.75 VJC=0.75 VAF=1e20 CJC=10p).op ;.ac oct meg ; Προσδιορισμός πολώσεων Hμιτονική ανάλυση Aκολουθούν οι εντολές εξόδου.print ac V(7).Probe ;.End Ενεργοποίηση περιβάλλοντος γραφικών Τελος προγραμματος (ειναι υποχρεωτικο)

7 Γενικά κάνουμε τα εξής βήματα: 1.Δημιουργούμε το αρχείο εισόδου για το SPICE με τη χρήση ενός επεξεργαστή κειμενου.το αρχειο αυτο ειναι τύπου.cir 2.Στη πρώτη γραμμή υπάρχει τίτλος (είδος του κυκλώματος) 3.Στη τελευταία γραμμή είναι η εντολή.ενd 4.Οι υπόλοιπες γραμμές αποτελούν το κώδικα 5.Μόλις τρέξουμε το πρόγραμμα το SPICE θα διαβάσει το αρχείο εισόδου,θα κάνει την ανάλυση του κυκλώματος και τέλος δημιουργεί το αρχείο εξόδου που είναι τύπου.οut Μορφές Ανάλυσης ΑΝΑΛΥΣΗ OP Προσδιορίζονται όλες οι συνεχείς τιμές τάσεων και ρευμάτων στο κύκλωμα, τα σημεία λειτουργίας των στοιχείων του κυκλώματος και οι παράμετροι των μοντέλων τους. Πρόκειται για μη γραμμική ανάλυση, που εκτελείται ανεξάρτητα του αν έχει δηλωθεί στο αρχείο εισόδου. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης καταχωρούνται στο αρχείο εξόδου μόνον αν η εντολή έχει δηλωθεί στο αρχείο εισόδου. AC ΑΝΑΛΥΣΗ Αυτού του είδους η ανάλυση έχει να κάνει με την αντίδραση του συστήματος σε μικρά σήματα πηγής εναλλασσομένου ρεύματος Πρόκειται για ημιτονοτονική γραμμική ανάλυση μικρών σημάτων. Της ανάλυσης προηγείται η εκτέλεση της εντολής.op, με την οποία προσδιορίζονται τα σημεία λειτουργίας των στοιχείων στο κύκλωμα και βάσει αυτών οι παράμετροι των γραμμικών μοντέλων, που χρησιμοποιεί το SPICE. Με την.ac ανάλυση προσδιορίζονται το μέτρο και η φάση) όλων των τάσεων και των ρευμάτων στο κύκλωμα. Με τον τύπο αυτόν ανάλυσης επιδιώκεται ο προσδιορισμός της απόκρισης συχνότητας μέτρου και φάσης των κυκλωμάτων. Πρόκειται για ανάλυση στο πεδίο των συχνοτήτων. Η εντολή ελέγχου είναι:.ac LIN NP FSTART FSTOP.AC DEC ND FSTART FSTOP.AC OCT NO FSTART FSTOP FSTART:είναι η ελάχιστη συχνότητα(δε μπορεί να είναι 0 η αρνητική)

8 FSTOP:είναι η μεγίστη συχνότητα LIN NP: θα γίνει ανάλυση σε NP πλήθος συχνοτήτων που είναι ισαπεχουσες μεταξύ FSTART και FSTOP DC ND: η περιοχή συχνοτήτων υποδιαιρείται με ND συχνότητες ανά δεκάδα. Οι συχνότητες κατανέμονται λογαριθμικά OCT NO:το εύρος συχνοτήτων χωρίζεται σε οκτάβες με NO συχνότητες ανά οκτάβα. Οι συχνότητες κατανέμονται λογαριθμικά Πρέπει να υπάρχουν οι εντολές.print και.plot για να γραφτούν τα αποτελέσματα στο αρχείο εξόδου xxx.out ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ.AC DEC M DC ΑΝΑΛΥΣΗ Πρόκειται για μη γραμμική ανάλυση μεγάλων σημάτων. Επιδιώκεται ο προσδιορισμός των μέγιστων διαδρομών των τάσεων και των ρευμάτων στο κύκλωμα. Παρέχεται η δυνατότητα σάρωσης τιμών επιλεγμένων ανεξάρτητων πηγών τάσης ή ρεύματος. Μέσω της ανάλυσης αυτής είναι εφικτός ο προσδιορισμός των I-V χαρακτηριστικών καμπυλών στοιχείων καθώς και των χαρακτηριστικών μεταφοράς κυκλωμάτων. Η εντολή ελέγχου είναι:.dc SRC START STOP INCR SRC: είναι η ανεξάρτητη πηγή τάσης ή ρεύματος που μεταβάλλεται START: είναι η αρχική τιμή της τάσης η του ρεύματος STOP: είναι η τελική τιμή της τάσης η του ρεύματος INCR: είναι το βήμα της μεταβολής Πρέπει να υπάρχουν οι εντολές.print και.plot για να γραφτούν τα αποτελέσματα στο αρχείο εξόδου xxx.out ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ.DC VIN TRANSIENT ΑΝΑΛΥΣΗ Μέσω μη γραμμικής ανάλυσης προσδιορίζονται οι μεταβλητές τάσεων και ρευμάτων κυκλώματος συναρτήσει του χρόνου. Για τον προσδιορισμό αυτόν, δηλώνονται οι αρχικές συνθήκες τιμών των τάσεων μεταξύ κόμβων, είτε με την εντολή.ic (initial conditions), είτε με τις εντολές εισόδου πυκνωτών και επαγωγών. Πρόκειται για ανάλυση στο πεδίο του χρόνου. Η εντολή ελέγχου είναι:.tran TSTEP TSTOP <TSTART> <TMAX><UIC.

9 TSTEP: είναι το βήμα χρόνου για εκτύπωση και γραφήματα TSTOP:είναι ο μέγιστος (τελικός) χρόνος ανάλυσης TSTART:είναι το σημείο από όπου αρχίζει η εκτύπωση και το γράφημα. Υπάρχει προκαθορισμένη τιμή που είναι μηδέν. Η ανάλυση γίνεται πάντα από χρόνο μηδέν αλλά τα αποτελέσματα δεν παρουσιάζονται στο xxx.out TMAX:είναι το μέγιστο βήμα για τους υπολογισμούς με το SPICE. Αν δεν καθοριστεί θα ληφθεί από το SPICE το ελάχιστο μεταξύ των TSTEP και (TSTEP-TSTART)/50 UIC:είναι η χρήση των αρχικών συνθηκών ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ.TRAN ΑΝΑΛΥΣΗ FOURIER Ακολουθεί της εντολής.tran εκτελώντας ανάλυση Fourier σε επιλεγμένες μεταβλητές τάσεων και ρευμάτων κυκλώματος, που ήδη έχουν προσδιοριστεί ως συναρτήσεις του χρόνου. Προσδιορίζονται το μέτρο και η φάση για τις εννέα πρώτες αρμονικές θεμελιώδους συχνότητας fo καθώς και η συνεχής συνιστώσα Η εντολή ελέγχου είναι:.four FREQ OV1 <OV2 OV3...> FREQ: είναι η θεμελιώδης συχνότητα OV1:είναι η μεταβλητή εξόδου στην οποία γίνεται η ανάλυση Fourier Η ανάλυση δεν γίνεται σε όλο το χρονικό διάστημα του 28 μεταβατικού φαινομένου αλλά στο χρονικό διάστημα από TSTART μέχρι TSTOP ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ.TRAN FOUR 10 V(5) V(7) ΑΝΑΛΥΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Χρησιμοποιείται για την πραγματοποίηση αναλύσεων σε διάφορες θερμοκρασίες. Η εξ ορισμού θερμοκρασία στο SPICE είναι 27οC.Για αναλύσεις parametric και temperature,το PSpice αλλάζει βηματικά τις τιμές του κυκλώματος, με συχνότητα η οποία ορίζεται από το χρήστη και η εξομοίωση τρέχει για κάθε τιμή Η εντολή ελέγχου είναι:.temp VAL1 VAL2 VAL3 Eκτελει την ανάλυση για κάθε θερμοκρασία VAL ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ.TEMP

10 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣIΑΣ Γίνεται ανάλυση ευαισθησίας και βρίσκεται η ευαισθησία σε μικρά σήματα dc για μία ή περισσότερες μεταβλητές εξόδου ως προς κάθε παράμετρο του κυκλώματος. Η εντολή ελέγχου είναι:.sens OV1 <OV2> OV1:είναι η μεταβλητή εξόδου, όπως για παράδειγμα τάση κόμβων ή ρεύμα που διέρχεται μέσα από πηγή τάσης ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ.SENS V(1) I(VCC) ΑΝΑΛΥΣΗ MONTE CARLO Οι αναλύσεις Monte Carlo και sensitivity/worst-case, είναι στατιστικού χαρακτήρα. Το PSpice αλλάζει τις τιμές των παραμέτρων του μοντέλου της μονάδας, με σεβασμό και ανοχή που ορίζονται, και η εξομοίωση τρέχει για κάθε τιμή. Η εντολή ελέγχου είναι:. MC <NUMRUNVAL> <ANALYSIS> <OUTVAL> <FUNCTION> NUMRUNVAL:είναι ο συνολικός αριθμός διαδρόμων που θα εκτελεστούν ANALYSIS:καθορίζει τουλάχιστον έναν τύπο ανάλυσης(dc, AC, TRAN) OUTVAL:είναι η μεταβλητή εξόδου FUNCTION:καθορίζει την πράξη που θα πραγματοποιηθεί -YMAX:βρίσκει την απολυτή τιμή της μεγαλύτερης διαφοράς σε κάθε κυματομορφη -MAX:βρίσκει τη μεγίστη τιμή κάθε κυματομορφης -MIN:βρίσκει τη μικρότερη τιμή κάθε κυματομορφης -RISE_EDGE:βρίσκει την πρώτη εμφάνιση της κυματομορφης πάνω από το ένα ορισμένο όριο -FALL_EDGE: βρίσκει την πρώτη εμφάνιση της κυματομορφης κάτω από το ένα ορισμένο όριο ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ.MC 50 DC IC(Q7) YMAX ΑΝΑΛΥΣΗ ΘΟΡΥΒΟΥ Η αναλυση θορυβου γινεται μαζι με την.ac Η εντολη ελέγχου ειναι:.noise OUTPUTV INPUTSRC NUMSUM

11 OUTPUTV:είναι μια τάση η οποία είναι το σημείο άθροισης εξόδου για το θόρυβο INPUTSRC:είναι το όνομα του μιας ανεξάρτητης πηγής τάσης ή ρεύματος που θα είναι η είσοδος θορύβου αναφοράς NUMSUM:είναι το διάστημα περίληψης, δηλαδή το διάστημα για το οποίο θα τυπωθεί περίληψη των συμβολών όλων των γεννητριών θορύβου ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ.NOISE V(5) VIN ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Ανάλυση παραμόρφωσης σε συνδυασμό με την εντολή.ac Η εντολη ελέγχου ειναι:.disto RLOAD INTER <SKW2> <REFPWR> <SPW2> RLOAD:ειναι το ονομα της αντιστασης εξοδου μεσα στην οποια θα υπολογιστεί όλη η ισχύς της παραμόρφωσης INTER:είναι το διάστημα στο οποίο θα τυπωθεί μια περίληψη της συνβολης όλων των μη γραμμικών διατάξεων στην ολική παραμόρφωση SKW2:η προκαθορισμένη τιμή είναι 0.9 και γράφεται F2=SKWR2*F1 REFPWR:είναι η στάθμη ισχύος αναφοράς που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της παραμόρφωσης SPW2: είναι το πλάτος για την F2, αν παραληφθεί είναι SPW2=1 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ.DISTO RL E-3 1 Επίσης εχουμε:.ic Αυτή η εντολή μπορεί να καθορίζει τις αρχικές συνθήκες για την transient ανάλυση Η εντολη ελέγχου ειναι:.ic V(N) = VALUE V(J,K) = VALUE N,K,J:είναι κόμβοι( 0) VALUE:είναι η τιμή της τάσης του κόμβου.tf Με αυτή την εντολή ελέγχου γίνεται ανάλυση τύπου Συνάρτησης Μεταφοράς (Transfer Function) για μικρά σήματα Η εντολη ελέγχου ειναι:.tf OUTPUTVAR INPUTSCR

12 OUTPUTVAR:είναι η μεταβλητή εξόδου μικρού σήματος (τάση ή ρεύμα) INPUTVAR: είναι η μεταβλητή εισόδου μικρού σήματος (τάση ή ρεύμα) Ονοματολογία Εξαρτημάτων 1.ΑΝΤΙΣΤΑΤΗΣ Για την ονομασία του αντιστάτης κάνουμε τα εξής:αρχικά ονομάζουμε την αντίσταση με ένα αριθμό διπλά από το σύμβολο( R ),στη συνέχεια γράφουμε τους κόμβους που είναι συνδεδεμένη η αντίσταση η σειρά γραφής δεν μας απασχολεί και τέλος γράφουμε τη τιμή που έχει η αντίσταση. Γενικα θα έχουμε: R(ονομα) Ν1(κομβος 1) Ν2(κομβος2) Τιμη αντίστασης ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ R K 2.ΠΥΚΝΩΤΗΣ Για την ονομασία του πυκνωτή κάνουμε τα εξής:αρχικά ονομάζουμε τον πυκνωτή όπως εμείς επιθυμούμε,στη συνέχεια γράφουμε τους κόμβους που είναι συνδεδεμένος ο πυκνωτής. Προσοχή, διότι εάν είναι ηλεκτρολυτικός παίζει ρόλο ο τρόπος που θα τους γράψουμε καθώς πρώτα γράφουμε το θετικό πόλο και μετά τον αρνητικό πόλο,εάν δεν είναι, ο τρόπος γραφής δεν έχει σημασία και τέλος γράφουμε τη τιμή που έχει ο πυκνώτης. Γενικα θα έχουμε: C(oνομα) Ν1(κόμβος1 ή +) Ν2 (κομβος 2 ή -) Τιμη αντίστασης ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ C U 3.ΕΠΑΓΩΓΟΣ Για την ονομασία του επαγωγεα κάνουμε την ίδια διαδικασία όπως και στον πυκνωτή. Γενικα θα έχουμε: L(oνομα) Ν1(κόμβος1 ή +) Ν2 (κομβος 2 ή -) Τιμη αντίστασης

13 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ L U Το SPICE μπορεί να προσομοιώσει τις λειτουργίες που αφορούν όλες τις γνωστές βασικές διατάξεις ημιαγωγών ( Δίοδοι, Διπολικά Τρανζίστορ, MOSFET κλπ) για όλα τα μέχρι σήμερα γνωστά μοντέλα. Επισης για τα παραπανω εξαρτηματαμα πρεπει να βαλουμε και την εντολή ελεγχου.model καθως το SPICE δεν ειναι σε θεση να αναγνωρισει το καθε ειδος διοδου τρανζιστορ κ.ο.κ 4.ΔΙΟΔΟΣ Για την ονομασία της διόδου κανουμε την εξής διαδικασία.αρχικα ονομαζουμε τη δίοδο όπως εμείς επιθυμούμε,στη συνεχεία γράφουμε τους κόμβους που είναι συνδεδεμενη. Προσοχη,διότι ο τρόπος γραφής έχει σημασία καθώς πρέπει να δούμε πως είναι συνδεδεμένη η δίοδος,εάν είναι ορθά πολωμένη τότε πρώτα γράφουμε την άνοδο της και μετά την κάθοδο,εάν είναι ανάστροφα πολωμένη τότε πρώτα γράφουμε την κάθοδο και μετά την ανοδο. Γενικα θα έχουμε: Ορθά πολωμένη D(ονομα) Ν1(θετικος κομβος) Ν2(αρνητικος κομβος) ονομασια μοντελου.model ονομα χαρακτηριστικα διοδου Ανάστροφα πολωμένη D(όνομα) Ν1(αρνητικός κόμβος) Ν2(θετικός κόμβος) ονομασία μοντέλου.model όνομα χαρακτηριστικά διόδου ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ D1 5 7 kostas.model Kostas (χαρακτηριστικά διόδου) Παρακάτω μπορούμε να δούμε τον πινάκα με τα χαρακτηρίστηκα της διόδου # Σύμβολο Παράμετρος Μονάδες Προκαθορισμένες τιμές 1 IS saturation current A 1, RS ohmic resistance Ω 0

14 3 N emission coefficient TT transit time s 0 5 CJO zero bias junction capacitance F 0 6 VJ junction potential V 1 7 M grading coefficient - 0,5 8 EG activation energy ev 1,11 9 XTI saturation current temperature exponent 10 KF flicker noise coefficient 11 AF flicker noise exponent 12 FC coefficient for forward bias depletion capacitance formula - 3, ,5 13 BV reverse breakdown voltage 14 IBV current at breakdown voltage V A Infinite 5.Διπολικο Τρανζίστορ(BJT) Για το διπολικο τρανζιστορ κανουμε τα εξης :Αρχικα ονομαζουμε το τρανζιστορ,η ονομασία είναι αυθαίρετη,στη συνεχεία γράφουμε τους κόμβους που είναι συνδεδεμένο το τρανζιστορ. Η γραφή γίνεται με τον εξής τρόπο:πρώτα γράφουμε τον κόμβο που είναι συνδεδεμένος ο συλλέκτης, στη συνεχεία τον κόμβο που είναι η βάση και τέλος τον κόμβο που είναι ο εκπομπος,στη συνέχεια ονομάζουμε το μοντελο του τρανζίστορ με την εντολή.model.γενικά θα έχουμε Q(όνομα) ΝΣ(κόμβος συλλέκτη ) ΝΒ(κόμβος βάσης ) ΝΕ(κόμβος εκπέμπουμε) ονομασία μοντέλου.model ονομασία μοντέλου (χαρακτηριστικά τρανζίστορ)

15 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Q eleni.model eleni pnp (or npn) (χαρακτηριστικά τρανζίστορ) Παρακάτω μπορούμε να δούμε τον πινάκα με τα χαρακτηρίστηκα του τρανζίστορ # Ονομα Παράμετρος Μονάδες Προκαθορισμένες τιμές 1 IS transport saturation current A 1, BF ideal maximum forward beta 3 NF forward current emission coefficient ,0 4 VAF forward early voltage V Infinite 5 IKF corner for forward beta high current roll-off A Infinite 6 ISE B-E leakage saturation current A 1, NE B-E leakage emission coefficient 8 BR Ideal maximum reverse beta 9 NR reverse current emission coefficient - 1, VAR reverse Early voltage V Infinite 11 IKR corner for reverse beta high current roll-off A Infinite 12 ISC B-C leakage saturation current A 0 13 NC B-C leakage - 21,5

16 emission coefficient 14 RB zero bias base resistance Ohms 0 15 IRB current where base resistance galls halfway to its min value 16 RBM minimum base resistance at high currents A Ohms Infinite RB 17 RE emitter resistance Ohms 0 18 RC collector resistance Ohms 0 19 CJE B-E zero-bias depletion capacitance F 0 20 VJE B-E built-in potential V 0,75 21 MJE B-E junction exponential factor 22 TF ideal forward transit time 23 XTF coefficient for bias dependence of TF - 0,33 sec VTF voltage describing VBC dependence of TF V Infinite 25 IRF high-current parameter for effect of TF 26 PRF excess phase at freq=1,0/(tf*2pi)hz 27 CJC B-C zero-bias depletion capacitance A 0 deg 0 F 0 28 VJC B-C built-in potential V 0,75 29 MJC B-C junction exponential factor - 0,33

17 30 XCJC fraction of B-C depletion capacitance connected to interval base node 31 TR ideal reverse transit time 32 CJS zero-bias collectorsubstrate capacitance 33 VJS substrate junction built-in potential 34 MJS substrate junction exponential factor 35 XTB forward and reverse beta temperature exponent 36 EG energy gap for temperature effect on IS 37 XTI temperature exponent for effect on IS 38 KF flicker-noise coefficient 39 AF flicker-noise exponent 40 FC coefficient for forward-bias depletion capacitance formula - 1 Sec 0 F 0 V 0, EV 1, ,5 6.FET's Για τα JFET κάνουμε την εξής διαδικασία:στην αρχή δίνουμε το όνομα,μετά γράφουμε τον κόμβο που είναι συνδεδεμένος το Drain, στη συνεχεία τον κόμβο που είναι το Base και τέλος τον κόμβο που είναι το Source,στη συνέχεια ονομάζουμε το μοντέλου του Fet με την εντολή.model.γενικά θα έχουμε J(όνομα) ΝD(κόμβος Drain) ΝB(κόμβος Base) ΝS(κόμβος Source) ονομασία μοντέλου

18 .MODEL ονομασία μοντέλου (χαρακτηριστικά FET) Την ίδια διαδικασία κάνουμε και για τα MOSFET μόνο που τώρα πρέπει να βάλουμε και τον κόμβο που είναι το Bulk. Γενικα θα έχουμε: M(όνομα) ΝD(κόμβος Drain) ΝB(κόμβος Base) ΝS(κόμβος Source) NBU(κόμβος Bulk) ονομασία μοντέλου.model ονομασία μοντέλου (χαρακτηριστικά FET) Παρακάτω μπορούμε να δούμε τον πινάκα με τα χαρακτηρίστηκα του FET # Σύμβολο Παράμετρος Μονάδες Προκαθορισμένες τιμές 1 AF Flicker noise exponent ALPHA Ionization coefficient 1/V 1e BETA Transconductance coefficient 4 BETATCE BETA exponential temperature coefficient 5 CGD Zero-bias gate-drain p-n capacitance 6 CGS Zero-bias gatesource p-n capacitance 7 FC Forward-bias depletion capacitance coefficient 8 IS Gate p-n saturation current 9 ISR Gate p-n recombination current parameter 10 KF Flicker noise coefficient 11 LAMBDA Channel-length modulation 12 M Gate p-n grading coefficient 13 N Gate p-n emission coefficient A/V^ %/ C -0.5 F 1e-012 F 1e A 1e-014 A 0-1e-018 1/V 1e

19 14 NR Emission coefficient for ISR PB Gatep-n potential V RD Drain ohmic resistance 17 RS Source ohmic resistance 18 VK Ionization knee voltage Ohm 1.0 Ohm 1.0 V VTO Thresold voltage V VTOTC VTO temperature coefficient 21 XTI IS temperature coefficient V/ C ΠΗΓΗ ΤΑΣΗΣ - ΡΕΥΜΑΤΟΣ Για τις πήγες τάσης η ρεύματος κάνουμε την εξής διαδικασία :Ονομάζουμε τη πηγή τάσης και στη συνεχεία γράφουμε τους κόμβους,πρώτα τον θετικό και μετά τον αρνητικό, τα υπόλοιπα εξαρτιόνται από την ανάλυση που θελουμε. Την ίδια διαδικασία κάνουμε και για τη πηγή ρευματος. Παρακατω βλέπουμε τις 2 πιο βασικές αναλύσεις. A) PULSE(ΠΑΛΜΟΣ):Για την συγγραφή ενός παλμού αρχικά ορίζουμε την αρχική V1 και τελική τιμή τάσης V2, στη συνεχεία ορίζουμε τη χρονική καθυστέρηση TD,τον χρόνο ανόδου TR και καθόδου TF,το εύρος του παλμού PW και τελος τη περίοδο του παλμού PER. Δηλαδη θα έχουμε V(ονομα) N+ N- PULSE (V1 V2 TD TR ΤF PW PER) Β) SIN(ΗΜΙΤΟΝΟ).Για την συγγραφή της αρμονικής τάσης πρέπει αρχικά να ορίσουμε την απόκλιση V0,στη συνέχεια να ορίσουμε το πλάτος της τάσης VA,τη συχνότητα F και τέλος να ορίσουμε τη καθυστέρηση TD και το συντελεστή απόσβεσης (έχουν προκαθορισμένη τιμή).δηλαδή θα έχουμε V(ονομα) N+ N- SIN(V0 VΑ F TD,και συντελεστης αποσβεσης(theta)) Παρακατω αναφερουμε και αλλες βασικες αναλυσεις

20 Γ) EXP(ΕΚΘΕΤΙΚΗ):Για την εκθετική πρέπει πρώτα να ορίσουμε την αρχική τιμή της τάσης V1 και την μεγίστη τιμή της V2.Μέτα, ορίζουμε τον χρόνο ανόδου TD1 και τη σταθερά του χρόνου ανόδου T1,που ισούται με TSTEP και τέλος ορίζουμε τον χρόνο καθόδου TD2 και τη σταθερά καθόδου T2,που ισούται με TSTEP. Δηλαδή θα έχουμε V(ονομα) N+ N- EXP(V1 V2 TD1 T1 TD2 T2 Δ) PWL(ΣΥΝΕΧΕΙΣ ΓΡΑΜΜΕΣ):Για τη κυματομορφη αυτή που αποτελείται από συνεχόμενες συνεχείς γραμμές μεταξύ διαδοχικών σημείων πρέπει να προσδιορίσουμε δύο ζεύγη τιμών χρόνου και τάσης ή ρεύματος Tn(n-οστή τιμή χρόνου) και Vn(n-οστή τιμή τάσης ή ρεύματος).δηλαδή θα έχουμε V(ονομα) N+ N- SWL(T1 V1 T2 V2...Tn Vn) Ε) SFFM(ΔΙΑΦΟΤΟΥΜΕΝΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ):Για τη διαφορουμενη συχνότητα πρώτα ορίζουμε την τάση μηδενισμού(offset) V0 και μετά το πλάτος της τάσης VA. Μετα γράφουμε την φέρουσα συχνότητα FREQ,τον δείκτη διαμόρφωσης Mdi και τη συχνότητα του σήματος FS σε Hz. Δηλαδη έχουμε V(ονομα) N+ N- SFFM(V0 VA FREQ MD FS) Σημείωση: σε όλα τα παραπάνω ότι ισχύει για τις τάσεις ισχύει και τα ρευματα. Για να δηλώσουμε μια πηγή ρεύματος αρκεί να ακολουθήσουμε τις παραπάνω διαδικασίες και αντί για V να βάλουμε I. Ανοίγοντας το SPICE Σε αυτο το σημειο υποθετουμε οτι ο αναγνωστης αυτου του φυλλαδιου εχει εγκατεστημενο στον υπολογιστη του το PSPISE το οποιο τρεχει σε περιβαλλον DOS. Ανοιγοντας το προγραμμα βλεπουμε στην οθονη το παραθυρο εργασιας του SPICE.

21 Στο πανω μερος της οθονης εχουμε το menu του PSPICE κάτω μέρος έχουμε τα HOT KEYS ενώ στο Για να δημιουργήσουμε ένα καινούριο αρχείο πατάμε πρώτα στην επιλογή Files και επειτα Current file όπου θα μας ζητηθεί να γράψουμε το όνομα με το οποίο θέλουμε να αποθηκευτεί το αρχείο μας. Πρέπει όμως να δώσουμε προσοχή στο όνομα που θα βάλουμε διότι αν ονομάσουμε ένα αρχείο το ίδιο όνομα ενός προηγούμενου μας αρχείου,το SPISE αντικαθιστά το παλιό αρχείο με το καινούριο με αποτέλεσμα να χάσουμε ότι εργασία είχαμε κάνει. Επίσης το SPICE διαβάζει διαφορετικά τα κεφάλαια και τα πεζά γράμματα. Το αρχείο μας θα έχει τη κατάληξη.cir Στη συνέχεια για να περιγράψουμε το κύκλωμα μας στο SPICE, πατάμε Files/Edit. Στην οθόνη μας θα εμφανιστεί ο κειμενογράφος του SPICE οποί θα περιγράψουμε το κύκλωμα μας

22 Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω η πρώτη σειρά είναι μόνο για τον τίτλο και δε διαβάζεται από το SPICE.Η αρίθμηση των σειρών αρχίζει μετά τον τιτλο. Αφου έχουμε τελειώσει με τον κωδικά πατάμε ESC,θα μας εμφανιστεί ένα παράθυρο το οποίο μας ρωτάει αν θέλουμε να αποθηκεύσουμε το αρχείο μας,πατάμε S για save ή D για discard. Καλό θα ήταν αφού έχουμε τελειώσει με την περιγραφή του κυκλώματος να πατήσουμε F6 για να γίνει έλεγχος της ορθότητας του κωδικά μας. Άμα ο κώδικας μα είναι σωστός τότε κάτω αριστερά στη οθόνη μας θα έχει γραφτεί η λέξη LOADED αλλιώς θα μας γράφει ERRORS με το αντίστοιχο παράθυρο που θα μας εμφανίζει σε ποια σειρά βρέθηκε το λάθος. Τα λάθη είναι 2 ειδων.συντατκτηκα(λάθος δήλωση εξαρτήματος,ελλειψη παραμέτρων κ.α.),τα οποία εύκολα,μπορούν να εντοπιστούν και τα λογικά τα οποία εμπεριέχουν το εμπειρικό στοιχείο ώστε να εντοπιστούν και να διορθωθούν Για να τρέξουμε τον κωδικά μας και για να κάνουμε την επιθυμητή μας ανάλυση πατάμε από το μενού το ANALYSIS/RUN SPICE.Στο ίδιο παράθυρο θα μας εμφανίσει και άλλες πιθανές αναλύσεις που θα θέλαμε να κάνουμε

23 Αφού τρέξουμε το πρόγραμμα στην οθόνη μας θα εμφανιστούν δυο άξονες x,y με μοναδικό αριθμημένο τον x. Στο κάτω μέρος της οθόνης βλέπουμε το menu της ανάλυσης Για να τοποθετήσουμε στον άξονα την επιθυμητή κυματομορφη πατάμε πάνω στο Add_trace και μετά πατάμε F4.Στην οθόνη μας θα εμφανιστεί ένα παράθυρο με μεταβλητές-σημεια τα οποία είναι είτε τάσεις είτε ρεύματα,και επιλέγουμε αυτό που επιθυμούμε να εμφανιστεί στην οθόνη μας. Η επιλογή X_axis και η επιλογή Y_axis μας επιτρέπουν να επεξεργαστούμε τους άξονες Η επιλογή Plot_control μας επιτρέπει να προσθέσουμε ένα νέο παράθυρο αξόνων πάνω από το αρχικό μας Σε περίπτωση που θέλουμε να προσθέσουμε έναν τίτλο ή ένα σχόλιο στη κυματομορφη μας πατάμε την επιλογή Label Η επιλογή Ζοοm με τη βοήθεια του κέρσορα μας βοηθάει να δούμε καλύτερα το αποτέλεσμα της ανάλυσης Σε περίπτωση που θέλουμε να δούμε τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται το κύκλωμα μας αρκεί να πατήσουμε το Circuit από το menu το οποίο θα μας εμφανίσει ένα παράθυρο με τις επιλογές Devices,Models και Parameters

24 και πατώντας μια από αυτές τις επιλογές στη οθόνη μας θα εμφανιστούν τα παρακάτω Σε περίπτωση που θέλουμε να δούμε όλες τις εντολές ή όλα τα εξαρτήματα που υποστηρίζει το SPICE αρκεί να πατήσουμε F3 από τα HOT KEYS στην αρχική οθόνη.αυτή η επιλογή ουσιαστικά είναι ένα manual του SPICE τα εξαρτήματα που υποστηρίζει το SPICE

25 εντολες του SPICE

26 Βιβλιογραφια ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ Ε.Μ.ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ SPICE/PSpice ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΗΣΤΙΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ORCAD PSPICE-LITE EDITION MICHAEL B. STEER SPICE:USER'S GUIDE AND REFERENCE LINKS