- PDF Stažení zdarma

Transkript

1 Dalibor Biolek Øešíme elektronické obvody pøíruèka pro naprosté zaèáteèníky aneb kniha o jejich analýze Praha 2004

2 Dalibor Biolek ØEŠÍME ELEKTRONICKÉ OBVODY aneb kniha o jejich analýze Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Všechny registrované nebo jiné obchodní známky použité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva. Veškerá práva vyhrazena Dalibor Biolek, Brno 2003 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Dalibor Biolek: Øešíme elektronické obvody aneb kniha o jejich analýze BEN technická literatura, Praha vydání ISBN X

3 Obsah MÍSTO ÚVODU ANALÝZA ELEKTRICKÝCH OBVODÙ Modelování, analýza, simulace Metody analýzy heuristické a algoritmické Metody analýzy podle charakteru modelu Nejèastìjší cíle a postupy analýzy METODY ANALÝZY LINEÁRNÍCH OBVODÙ Pøehled heuristických a algoritmických metod Heuristické metody Algoritmické metody Pøíklady na heuristické postupy Øešení stejnosmìrných pomìrù v pasivních odporových obvodech Výpoèty napìtí a proudù u obvodù v harmonickém ustáleném stavu Øešení støídavých pomìrù v linearizovaných obvodech Øešení pøechodných dìjù v jednoduchých setrvaèných obvodech Analýza odporových obvodù s operaèními zesilovaèi VFA Analýza setrvaèných obvodù s operaèními zesilovaèi VFA Analýza obvodù se zesilovaèi OTA Analýza obvodù s proudovými konvejory (CCII) a s proudovými operaèními zesilovaèi (CFA) A ANALÝZA ELEKTRICKÝCH OBVODÙ 3

4 2.3Maticové algoritmické metody se zamìøením na MMUN Klasická metoda uzlových napìtí (MUN) PODSTATA METODY ILUSTRATIVNÍ PØÍKLAD PRAVIDLA PRO SESTAVOVÁNÍ ROVNIC VODIVOSTNÍ MATICE SE SKLÁDÁ Z MATIC DÍLÈÍCH PRVKÙ MATICOVÝ LINEARIZOVANÝ MODEL TRANZISTORU A MUN SOUVISLOST MATICOVÉHO POPISU SE ZJEDNODUŠENÝM MODELOVÁNÍM TRANZISTORU PØÍKLADY NA ANALÝZU LINEARIZOVANÝCH OBVODÙ S TRANZISTORY ANALÝZA OBVODÙ SE ZESILOVAÈI OTA ZPÙSOB VÝPOÈTU OBVODOVÝCH FUNKCÍ Z ADMITANÈNÍ MATICE Modifikovaná metoda uzlových napìtí (MMUN) METODA RAZÍTEK METODA ZAKÁZANÉHO ØÁDKU METODA U/I PODROBNÌJI O ANALÝZE OBVODÙ S PROUDOVÝMI KONVEJORY CCII ANALÝZA OBVODÙ S MAGNETICKÝMI VAZBAMI Závìreèná shrnutí a doporuèení Grafové algoritmické metody se zamìøením na M-C grafy Klasické M-C grafy s vlastními neorientovanými smyèkami SESTAVENÍ M-C GRAFU VYHODNOCENÍ M-C GRAFU ZOBECNÌNÝM MASONOVÝM PRAVIDLEM ÚPLNÝ A ZKRÁCENÝ M-C GRAF ILUSTRATIVNÍ PØÍKLADY Modifikované M-C grafy pro obvody s OZ a dalšími aktivními prvky MODIFIKACE NA PRINCIPU METODY RAZÍTEK M-C GRAFY MODIFIKOVANÉ NA PRINCIPU METODY ZAKÁZANÉHO ØÁDKU M-C GRAFY MODIFIKOVANÉ NA PRINCIPU METODY U/I DALIBOR BIOLEK: ØEŠÍME ELEKTRONICKÉ OBVODY A

5 2.4.3 Shrnutí a doporuèení Maticové nebo grafové metody? METODY ANALÝZY NELINEÁRNÍCH OBVODÙ Pøehled metod Pøíklady øešení jednoduchých obvodù Zjednodušování stejnosmìrných charakteristik Metoda zatìžovací pøímky (køivky) Numerické øešení nelineárních rovnic RUÈNÍ ØEŠENÍ ALGORITMICKÝ POSTUP PØI POÈÍTAÈOVÉ SIMULACI Analýza po èástech lineárních odporových obvodù s operaèními zesilovaèi Pøibližná analýza obvodù s diodami a tranzistory Shrnutí a doporuèení POÈÍTAÈOVÁ ANALÝZA A SIMULACE Úvod Symbolické, semisymbolické a numerické výsledky analýzy lineárních obvodù Symbolické, semisymbolické a numerické algoritmy analýzy lineárních obvodù Struktura simulaèního programu, založeného na symbolických algoritmech (SNAP) Základy práce s programy pro (nejen symbolickou) analýzu obvodù Úvod První praktické kroky k poèítaèové simulaci v programu SNAP A ANALÝZA ELEKTRICKÝCH OBVODÙ 5

6 LEKCE 1 RYCHLÉ SEZNÁMENÍ SE ZÁKLADNÍMI MOŽNOSTMI PROGRAMU; SOUBOR DEMRC.CIR LEKCE 2 REZONANÈNÍ OBVOD RLC JAKO PÁSMOVÁ PROPUST, SOUBOR DEMRLC1.CIR LEKCE 3 OPERAÈNÍ ZESILOVAÈ ZAPOJENÝ JAKO SLEDOVAÈ NAPÌTÍ JEDNOPÓLOVÝ MODEL, SOUBOR DEMOPA1.CIR Tvorba vlastního zadání MÙJ PRVNÍ OBVOD VE SNAPU OBVOD SE SOUÈÁSTKAMI, KTERÉ JSOU POPSÁNY NÌKOLIKA PARAMETRY OBVOD S NÌKOLIKA SOUÈÁSTKAMI STEJNÉHO TYPU VAZBY MEZI PARAMETRY RÙZNÝCH SOUÈÁSTEK Princip tvorby modelù prvkù SNAPu na základì modifikované metody uzlových napìtí Shrnutí a zobecnìní Struktura simulaèního programu, založeného na numerických algoritmech (MicroCap) Základy práce s programy pro numerickou analýzu obvodù Úvod První praktické kroky v programu MicroCap LEKCE 1 TOULKY SCHEMATICKÝM EDITOREM LEKCE 2 ANALÝZA TRANSIENT LEKCE 3 ANALÝZA DC LEKCE 4 ANALÝZA AC Tvorba vlastního zadání MÙJ PRVNÍ OBVOD V MICROCAPU PRÁCE S MODELY SPICE ZAÈLEÒOVÁNÍ MODELÙ PRVKÙ DO VSTUPNÍCH SOUBORÙ PRÁCE S PØÍKAZEM.DEFINE A S FORMULA TEXTEM Analýza pomocí numerického simulátoru Typy analýz, analyzaèní módy a režimy Co je dobré vìdìt pøed zahájením vlastní analýzy DALIBOR BIOLEK: ØEŠÍME ELEKTRONICKÉ OBVODY A

7 ZÁPIS NAPÌTÍ A PROUDÙ VÝZNAM SYMBOLÙ V A I V RÙZNÝCH TYPECH ANALÝZ ZÁPIS ODVOZENÝCH VELIÈIN POMOCÍ VZORCÙ CO MAJÍ VŠECHNY ZÁKLADNÍ ANALÝZY SPOLEÈNÉ Analýza Transient neboli èasová analýza CÍLE ANALÝZY INTELIGENTNÍ OSCILOSKOP STAVOVÉ PROMÌNNÉ A POÈÁTEÈNÍ PODMÍNKY PRO ÈASOVOU ANALÝZU JAK POSTUPUJE SIMULÁTOR PØI ÈASOVÉ ANALÝZE MENU TRANSIENT ANALYSIS LIMITS TYPICKÁ NASTAVENÍ ÈASOVÉ ANALÝZY PØI ØEŠENÍ RÙZNÝCH TYPÙ OBVODÙ KONKRÉTNÍ PØÍKLADY ÈASOVÉ ANALÝZY VYUŽÍVÁNÍ PØÍKAZÙ.IC A.NODESET FOURIEROVA ANALÝZA Analýza AC neboli kmitoètová analýza CÍLE ANALÝZY INTELIGENTNÍ OBVODOVÝ ANALYZÁTOR JAK POSTUPUJE SIMULÁTOR PØI KMITOÈTOVÉ ANALÝZE ATRIBUTY SOUÈÁSTEK PØI KMITOÈTOVÉ ANALÝZE MENU FREQUENCY ANALYSIS LIMITS ZÁSADY PRO PRÁCI S PROMÌNNÝMI U ANALÝZY AC KONKRÉTNÍ PØÍKLADY KMITOÈTOVÉ ANALÝZY ŠUMOVÁ ANALÝZA INVERZNÍ FOURIEROVA TRANSFORMACE Analýza DC neboli stejnosmìrná analýza CÍLE ANALÝZY INTELIGENTNÍ CHARAKTEROGRAF JAK POSTUPUJE SIMULÁTOR PØI STEJNOSMÌRNÉ ANALÝZE ATRIBUTY SOUÈÁSTEK PØI STEJNOSMÌRNÉ ANALÝZE MENU DC ANALYSIS LIMITS PØÍKLADY STEJNOSMÌRNÉ ANALÝZY Rozšiøující typy analýz DYNAMICKÁ STEJNOSMÌRNÁ ANALÝZA ( DYNAMIC DC ) A ANALÝZA ELEKTRICKÝCH OBVODÙ 7

8 PØENOSOVÁ FUNKCE ( TRANSFER FUNCTION ) CITLIVOSTNÍ ANALÝZA ( SENSITIVITY ) Analyzaèní režimy KROKOVÁNÍ ( STEPPING ) TEPLOTNÍ ANALÝZA VYHODNOCOVACÍ ANALÝZA ( PERFORMANCE ANALYSIS ) STATISTICKÁ ANALÝZA ( MONTE CARLO ) OPTIMALIZACE ( OPTIMIZATION ) VEØEJNÉ A PRIVÁTNÍ KNIHOVNY MODELÙ A JEJICH ÚLOHA V ANALYZAÈNÍCH REŽIMECH Další speciální funkce simulátoru MOŽNOSTI DETAILNÍHO SLEDOVÁNÍ PROMÌNNÝCH A TRASOVÁNÍ BÌHEM ANALÝZY DALŠÍ UŽITEÈNÉ FUNKCE Problémy pøi poèítaèové simulaci a jak se s nimi vypoøádat Vybrané problémy pøi simulaci a jejich pøíèiny Problémy s konvergencí vnitøních algoritmù a cesty k jejich øešení GLOBAL SETTINGS (GLOBÁLNÍ NASTAVENÍ SIMULÁTORU) MOŽNÉ PØÍSTUPY K ØEŠENÍ PROBLÉMÙ S KONVERGENCÍ PØÍKLAD ANALÝZY TRANZISTOROVÉHO BISTABILNÍHO KLOPNÉHO OBVODU PØÍKLAD ANALÝZY OBVODU S NESNADNO ZJISTITELNÝM PRACOVNÍM BODEM MÍSTO ZÁVÌRU PØÍLOHY P1 Elektrické obvody a jevy v nich P1.1 Klasifikace elektrických obvodù P1.2 Stavy a jevy v obvodech P1.3 Stavy a dìje podrobnìji P1.4 Malosignálové linearizované modely nelineárních obvodù DALIBOR BIOLEK: ØEŠÍME ELEKTRONICKÉ OBVODY A

9 P1.5 Vybrané charakteristiky obvodù P2 Pøehled nástrojù pro popis jevù v lineárních obvodech P2.1 Charakteristika používaných metod popisu P2.2 Operátorový popis obvodù P2.2.1 METODA OPERÁTOROVÝCH SCHÉMAT P2.2.2 METODA LAPLACEOVY TRANSFORMACE A PØENOSOVÉ FUNKCE P2.2.3 CO VŠECHNO SE DÁ URÈIT Z OPERÁTOROVÉ PØENOSOVÉ FUNKCE P3Vybrané principy a postupy využívané k analýze obvodù P3.1 Zákon, princip, metoda P3.2 Princip superpozice a metoda superpozice P3.3 Princip ekvivalence a jeho konkrétní varianty a aplikace P3.3.1 PRINCIP EKVIVALENCE P3.3.2 PRINCIP KOMPENZACE (SUBSTITUCE) P3.3.3 PRINCIP NÁHRADNÍHO ZDROJE (THÉVENINÙV NORTONÙV TEORÉM) P3.3.4 METODA EKVIVALENCE NAPÌ OVÝCH A PROUDOVÝCH ZDROJÙ P3.3.5 TRANSFIGURACE HVÌZDA TROJÚHELNÍK P4 Pøepoèty dvojbranových parametrù tranzistoru P5 Pøehled vybraných aktivních prvkù P6 Struèný slovník a vybrané vlastnosti Laplaceovy transformace P7 Vyjadøování èísel v programech SNAP a MicroCap P8 Prvky z knihovny programu SNAP P9 Seznam elektronických pøíkladù v instalaci programu SNAP P10 Vybrané prvky programu MicroCap A ANALÝZA ELEKTRICKÝCH OBVODÙ 9

10 P10.1 Napájecí a signálové zdroje, zdroje pro transformaci signálù P GENERÁTORY SIGNÁLÙ P OBVODY PRO TRANSFORMACI SIGNÁLÙ P VÝZNAM ATRIBUTÙ ZDROJÙ V RÙZNÝCH TYPECH ANALÝZ P10.2 Pasivní prvky typu R, C a L, obvody s magnetickými vazbami a transformátory P REZISTORY P KAPACITORY P INDUKTORY P TRANSFORMÁTORY P10.3 Polovodièové a aktivní prvky P DIODY P TRANZISTORY P OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE P10.4 Jiné prvky P11 Nìkteré konstanty, promìnné a funkce programu MicroCap P11.1 Nìkteré konstanty a systémové promìnné MicroCapu P11.2 Nìkteré funkce MicroCapu LITERATURA A ODKAZY REJSTØÍK DALIBOR BIOLEK: ØEŠÍME ELEKTRONICKÉ OBVODY A

11 MÍSTO ÚVODU Kniha, kterou máte pøed sebou, byla napsána zejména pro ty z vás, kteøí ovládají Ohmùv zákon a Kirchhoffovy zákony, mají základní vìdomosti o elektrických souèástkách a jejich aplikacích, èasto zkoumají dìje v nejrùznìjších analogových obvodech, nebojí se analyzovat problémy s tužkou a papírem ani experimentovat s poèítaèem, a mají dostatek vnitøní motivace k tomu stát se skuteènì znalými uživateli souèasných komerèních simulaèních programù, aniž by byli nuceni studovat stohy obtížnì ètivých a vìtšinou cizojazyèných manuálù. Pokud však nìkterému z uvedených atributù nevyhovujete, nemusí to být na závadu, jak zjistíte letmým pohledem na obsah s názvy jednotlivých kapitol. Na následujících stranách je velké množství informací z oblasti efektivních metod analýzy analogových obvodù. Neménì dùležité než tyto informace je však jejich pojivo, totiž øetìz øešených pøíkladù. Tyto pøíklady vás budou provázet metodami jak ruèní analýzy obvodù, tak i metodami jejich øešení na poèítaèi prostøednictvím simulaèních programù. Jak èíst tuto knihu, aby vám pøinesla co nejvìtší užitek? Døíve než se pokusím o návod, dovolte nìkolik vysvìtlujících údajù. Kniha je sestavena ze tøí èástí v prvních dvou se píše o metodách ruèní analýzy a poèítaèové analýzy, tøetí èást je pøílohová. Pro ty z vás, kteøí se chtìjí skuteènì dobøe nauèit analyzovat elektronické obvody, doporuèuji ètení od zaèátku. To znamená nejprve se uèit øešit jednodušší obvody ruènì, na základì snahy o pochopení jejich fungování, a teprve pak se vìnovat studiu automatizované analýzy na poèítaèi. V této druhé fázi je vhodné stáhnout si z domovské stránky nakladatelství BEN technická literatura instalaèní soubory programù SNAP a MicroCap spolu s elektronickými výukovými pøíklady. Souèasné simulaèní programy vesmìs pracují na základì modifikované metody uzlových napìtí. Proto je této metodì vìnováno hodnì prostoru v úvodních kapitolách o metodách ruèní analýzy, hned po heuristických metodách, kterých využívají zejména ti z nás, kteøí rádi øeší problémy po svém tvùrèím využíváním základních zákonù a principù elektrotechniky. Jsou popsány do podrobností postupy rychlé analýzy obvodù s klasickými i moderními obvodovými prvky (rùzné typy operaèních zesilovaèù vèetnì transimpedanèních a transkonduktanèních, proudové konvejory atd). Metody jsou jednoduchou formou a na množství pøíkladù objasòovány jak v maticovém tvaru, tak i ve formì tzv. grafù signálových tokù. Nìkteré uvedené postupy rychlé analýzy dosud nebyly jinde publikovány. To platí i o ponìkud exotických A ANALÝZA ELEKTRICKÝCH OBVODÙ 11

12 metodách øešení obvodù pomocí grafù signálových tokù. Jejich mistrným zvládnutím lze dosáhnout pozoruhodných efektù, napøíklad okamžitého napsání výsledku analýzy pøímo ze schématu obvodu, tj. bez jakýchkoliv mezivýpoètù. Kapitolou 4 vstoupíte do svìta poèítaèové analýzy a simulace obvodù. Zde se na zhruba 250 stranách seznámíte s abecedou, jejíž zvládnutí vám otevøe cestu k efektivní práci s jakýmkoliv souèasným simulaèním programem z rodiny SPICE. Jestliže se vám podaøí tuto kapitolu doèíst do konce a ètení budete prokládat pokusy na svém poèítaèi, ovìøovat popisované experimenty na demonstraèních souborech a pøemýšlet o výsledcích, které vám budou poskytovat programy SNAP a MicroCap, pak uèiníte mnoho pro to, aby vaše cesta na vrchol byla co nejpoctivìjší. Nejen proto, že platí rovnice: Micro- Cap = SPICE + nìco navíc. Do problematiky poèítaèové simulace budete zasvìcováni postupnì, pøes relativnì jednodušší programy založené na symbolických algoritmech (SNAP) až po numerické simulátory (MicroCap). Program SNAP jsme vytvoøili právì pro studenty, kteøí potøebují rychle zvládnout první krùèky v poèítaèové simulaci obvodù. K zvládání výše zmínìné abecedy by vám mìla hodnì napomoci netradiènì pojatá kapitola 4.5, v níž jsou koncentrovány 3 na sebe navazující lekce poèítaèové simulace v programu SNAP. K umocnìní celkového výukového efektu je tato èást formálnì upravena ponìkud odlišnì od ostatních kapitol (pøevaha grafické informace nad textovou, vynechání èíslování obrázkù atd.). Nechybí zde ani námìty na samostatné experimentování v SNAPu. Máte možnost pokraèovat v øešení sady 123 elektronických pøíkladù, které si mùžete stáhnout na váš poèítaè z Jejich popis je uveden v pøíloze P9. Pokrývají širokou škálu problémù a jsou setøídìny do kategorií Základy elektrotechniky, Zesilovaèe, Oscilátory, Syntetické prvky, Filtry, Vysokofrekvenèní obvody. Tuto úvodní èást však doporuèuji i zkušeným uživatelùm komerèních simulátorù. SNAP totiž poskytuje na rozdíl od simulátorù rodiny SPICE výsledky v tzv. symbolické formì, což vám umožòuje získávat nìkterá øešení, která prostì komerèní simulátory neumí. Navazující kapitoly o numerických simulaèních programech je sice možno studovat nezávisle na pøedchozích èástech, efektivnìjší je ovšem nejprve projít pøedchozími základy. Uvedený skok je možné doporuèit snad jen zkušenìjším uživatelùm nìkterého z komerèních simulátorù. Nauèíte se pohybovat v profesionálním schematickém editoru, seznámíte se se základními pojmy a pravidly, jak pracovat s modely souèástek, s knihovnami, jak správnì používat pøíkazy typu.model a.define atd. Nauèíte se pracovat s nejrùznìjšími typy analýz, v rùzných analyzaèních módech a režimech. V závislosti na vašich 12 DALIBOR BIOLEK: ØEŠÍME ELEKTRONICKÉ OBVODY A