1 Střídavé analýzy Cílem cvičení je osvojení práce s jednotlivými střídavými analýzami, kmitočtovou analýzou, a šumovou analýzou. Prováděna bude analýza kmitočtových závislostí obvodových veličin v harmonickém ustáleném stavu. Porovnáním úrovně šumu, tedy fluktuací elektrického signálu a charakteristik, s úrovněmi užitečného signálu na vstupu nebo výstupu bude posuzován odstup signálu od šumu. Výstupní šum přepočtený přes vstupně-výstupní přenos zpět na vstupní svorky odráží vnitřní zdroje šumů a jejich šíření obvodem. Cíle cvičení 1.1 RC článek o RC článek (kmitočtová (.AC) analýza, šumová analýza (.NOISE)) o Základy kmitočtové a šumové analýzy o Zobrazení výsledků kmitočtové analýzy o Kmitočtová analýza BJT zesilovače Vykreslete převodní, modulovou a fázovou charakteristiku C-R článku. Zjistěte rezonanční frekvenci tohoto článku. Proveďte šumovou analýzu obvodu. C_C1 IN OUT 1u R_R1 0 OUT 1k V_VAC IN 0 DC 0Vdc AC 1Vac Postup (a) AC analýza: Nakreslit schéma, Zdroj VAC: pojmenovat VAC, nastavit ACMAG=1, nezapomenout zem. Nastavit simulační profil pro.ac analýzu (AC sweep): dekadicky, 10 bodů na dekádu, od 10Hz do 10kHz. Použít sondy pro amplitudu a úhel fáze vdb a vphase (posloupnost PSpice -> Markers -> Advanced > db Magnitude of voltage) na uzel "out". Stejnou posloupností přidat sondu pro fázi napětí (Phase of Voltage). Poznámka: volba Advanced je aktivní až po nastavení simulačního profilu.
Spustit analýzu, ověřit a editovat průběhy v PSpice A/D dosáhnout grafického výstupu podobnému tomu, jaký je uveden níže. 1.0V 0.5V SEL>> 0V V(OUT) 1 0 2 100d -20 50d -40 >> 0d 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 1 DB(V(OUT)) 2 P(V(OUT)) Obr. 1.1: Požadovaný grafický výstup Frequency o Všimněte si, že amplitudu výstupního napětí lze vynést zadáním příkazu DB(V(OUT)), fáze pak P(V(OUT)). Ověřte použitím posloupnosti Trace-Add Trace a vložením příkazu do řádku Trace Expression. o Pro vložení dalšího grafu (dva grafy nad sebou) použijte posloupnost Plot > Add Plot to Window. o Do grafu budete také přidávat další svislou osu: Obr. 1.2: Nápovědná poznámka (b) Šumová analýza: Smazat sondy ze schématu (v, vdb a vphase). Nastavit šumovou analýzu (Noise Analysis v rámci AC sweep): - povolit analýzu (zatrhnout ENABLE NOISE ). Nastavit výstupní proměnnou (Output Voltage): V(out) a také vstupní zdroj (I/V Source): VAC. Spustit simulaci a přidat průběhy (Trace -> Add): V(ONOISE) a V(INOISE), tj. výstupní (out) a vstupní šum (in). Nastavit logaritmickou osu y. Výsledky
100nV 10nV 1.0nV 100pV 10pV 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz V(INOISE) V(ONOISE) Obr. 1.3: Výstup šumové analýzy 1.2 Základy kmitočtové a šumové analýzy Pro jednoduchý R-C-C-R obvod zobrazte kmitočtovou závislost: napětí na výstupu obvodu, vstupní impedance, šumového napětí na výstupu. Frequency R_R2 0 OUT 1k C_C1 1 OUT 1u C_C2 0 1 1n R_R1 1 IN 1k V_VAC IN 0 DC 0Vdc AC 1Vac Obr. 1.4: zapojení obvodu R-C-C-R Postup Nakreslit schéma. VAC: ACMAG = 1. Nastavit simulační profil kmitočtové analýzy (AC sweep): Dekadicky, 10 bodů na dekádu, od 10Hz do 10megHz. Přidat sondu pro amplitudu napětí (posloupnost Pspice -> Markers -> Mark Advanced -> db Magnitude of voltage). Uložit. Spustit analýzu. Zobrazit průběh. Odečíst hodnotu přenosu na 10kHz (zapnout kurzor a odečíst). Zobrazit průběh vstupní impedance: Přidat osu (Plot -> Add Y Axis nebo Ctrl-Y). Přidat průběh (Trace -> Add Trace), definovat co má být vykresleno: Trace Impression VM(IN)/IM(R1) (tj. modul napětí na vstupu dělený modulem proudu rezistorem R1). Odečíst velikost vstupní impedance na kmitočtu 10kHz.
Pro opakovanou práci s již nastavenými grafy může být nápomocné, aby bylo zachováno nastavení posledního grafu. Dosáhne se toho tím, že v okně pro nastavení simulace se v záložce Probe Window se zatrhne Last Plot. V simulačním profilu AC sweep povolit šumovou analýzu (Noise Analysis Enabled). Definovat výstupní napětí, tj. Output Voltage = V(out); definovat vstupní zdroj, tj. I/C source = VAC. Zrušit markery. Uložit. Spustit analýzu. Zobrazit průběh šumového napětí: Přidat průběh V(ONOISE). Odečíst velikost šumového napětí na 10kHz (s použitím vyhledávacího příkazu SXVAL(10k). Výsledky Obr. 1.5: Výstupní charakteristiky obvodu R-C-C-R 1.3 Zobrazení výsledků střídavé analýzy Pro jednoduchý L-C filtr (dolní propust) s proměnnou velikostí odporu R (R = 25 Ω, 50 Ω, 100 Ω, 200 Ω) zobrazte:
frekvenční závislost amplitudy, přenosu, fáze a skupinového zpoždění napětí na výstupu, frekvenční závislost velikosti, fáze, reálné a imaginární složky vstupní impedance Zi (tedy Zi, φ(zi), Re(Zi) a Im(Zi)), frekvenční závislost velikosti, fáze, reálné a imaginární složky výstupní impedance Zo (tedy Zo, φ(zo), Re(Zo) a Im(Zo)). C_C1 1 OUT 1u R_R1 1 IN {ODPOR} L_L1 OUT 0 10mH V_VAC IN 0 DC 0Vdc AC 1Vac.PARAM ODPOR=25 Obr. 1.6: zapojení L-C filtru Postup Nakreslit schéma (prvky VAC, PARAM a další). Nastavit simulační profil.ac analýzy (AC sweep), dekadicky, 100 bodů na dekádu, od 100Hz do 10kHz. Vložit markery (posloupnost Pspice -> Markers -> Advanced a pak vybrat jednotlivé sondy: vdb; vphase a vgroupdelay). Zatrhnutím Parametric Sweep nastavit parametrickou analýzu: krokovat globální parametr ODPOR dle seznamu 25 50 100 200. Uložit. Spustit analýzu. Zobrazit průběh. Zobrazení všech závislostí v jednom grafu je nepřehledné. Proto je vhodné vykreslit tyto 4 průběhy do dvou oken a v každém okně dva průběhy nezávisle: o Otevřít nové okno (Window - New). Přidat průběh modulu napětí (Trace - Add) VM(OUT). Přidat nové zobrazení (Plot > Add Plot). Přidat průběh hodnot modulu napětí v decibelech (Trace -> Add) VDB(OUT). o Obdobně přidat další okno s průběhem argumentu (počáteční fáze) výstupního napětí - P(V (OUT)) - a skupinového zpoždění - G(V (OUT)) -. o Zobrazit okna vedle sebe (Window - Tile Vertical). Obdobně pro zobrazení průběhů vstupní impedance: o modul vstupní impedance Zi : V(IN)/I(R1) o reálná část vstupní impedance: IR(R1) / (I(R1) * I(R1)) o imaginární část vstupní impedance: II(R1) / (I(R1) * I(R1)) o fáze vstupní impedance: -IP(R1)
Výsledky Obr. 1.7: Výstupní charakteristiky L-C filtru
1.4 Kmitočtová analýza BJT zesilovače Proveďte AC analýzu zesilovače s BJT: Vykreslete frekvenční (modulovou a fázovou) charakteristiku napěťového přenosu. Odečtěte Av (napěťový přenos) na 10kHz a mezní kmitočty Av. Určete Ai na 10kHz a mezní kmitočty Ai. Určete šumy Vinoise a Vonoise na 10kHz. Určete modul vstupní impedance Zin na 10kHz. Určete modul výstupní impedance Zout na 10kHz. Zdroj Iout paralelně s Rz; Rz změnit na 10 megohm. C_C2 C OUT 1u C_C1 IN B 1u R_Rz 0 OUT 6k R_Rb1 B Vcc {Rb} R_Rb2 0 B 5.5k R_Re 0 E 173 R_Rc C Vcc 6k Q_Q1 C B E Q2N2222 V_Vpower Vcc 0 12V V_VAC IN 0 DC 0Vdc AC 1Vac.PARAM Rb=139.75 Obr. 1.8: zapojení BJT zesilovače pro kmitočtovou analýzu Výsledky Vykreslete frekvenční (modulovou a fázovou) charakteristiku napěťového přenosu. Určete hodnoty: Hodnota Av (10kHz) Mezní kmitočty Av Hodnota Ai (10kHz) Mezní kmitočty Ai Vinoise (10kHz) Vonoise (10kHz) Hodnota modulu Zin (10kHz) o Zdroj Iout paralelně s Rz; Rz změnit na 10megOhm Hodnota modulu Zout (10kHz) o Zdroj Iout paralelně s Rz; Rz změnit na 10megOhm