Визуальное моделирование электронных схем

Введение
В 70-х гг. XX в. стали интенсивно разрабатыватьсяпрограммы анализа электронных схем с помощью ЭВМ. Наибольшую известность снекоторых пор получила программа SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанная в Калифорнийскомуниверситете (США). Она оказалась очень удачной и фактически стала эталоном.Принятые в ней математические модели компонентов используются во многихпрограммах систем автоматизированного проектирования (САПР), таких как ДИСП,ДИСП-ПК (Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет), Micro-Cap V и им подобных. Первая версия программы PSpice для персонального компьютера (IBM PC) была создана в 1984 г. корпорацией MicroSim. С тех пор разработано достаточномного версий программы на платформе DOS, а в последнее время – на платформе Windows. Но все последующие версии используют те жеалгоритмы, что и SPICE длякомпьютеров типа IBM 360, тот жеформат представления входных и выходных данных. Основу системы DesignLab составляет программа PSpice [11, 16, 17]. Демонстрационнуюверсию программы DesignLab можнополучить через Internet по адресуwww.microsim.com или www.orcad.com.

1.Управляющаяоболочка Schematics
1.1 Графическийредактор Schematics
Графический редактор Schematics позволяет создавать чертежипринципиальных схем в среде Windowsи осуществлять запуск других программ, в частности PSpice – для моделирования аналоговых устройств и Probe – для графического отображения,обработки и документирования результатов моделирования.
Моделируемаясхема может состоять из резисторов, конденсаторов, индуктивностей, диодов(включая стабилитроны и варикапы), биполярных и полевых транзисторов. Крометого, из этих компонентов можно создавать макромодели или иерархическиеструктуры более сложных электронных устройств – операционных усилителей,компараторов, тиристоров и др.
Графическийредактор вызывается щелчком мыши по пиктограмме Psshed. В процессеего загрузки подключаются библиотеки графических символов компонентов и экранприобретает вид, показанный на рис. 1. Редактор Schematics имеет основное меню и панельинструментов. Основные символы панели инструментов совпадают с принятыми всистемах MicroSoft.
Вначале нужно выбратькоманду File, в ниспадающем меню – строку New, если создаётся новая схема, илистроку Open, если загружается существующаясхема. (Сокращённо порядок этих действий будем обозначать далее как File/ Open, разделяя имена команд и подкоманд косой чертой).

/>
Рис.1 — Экран графического редактора Schematics
Символы компонентовнаносятся на схему по команде Draw/Get New Part (или вызывается также щелчком по пиктограмме). Послеэтого выбирается компонент для размещения на схеме. (Для ускоренного поискакомпонента в строке Part Name можно написать его имя.) Размещаетсякомпонент на чертеже нажатием кнопки Place или Place & Close. Последовательным нажатием левой кнопки мыши можноразместить необходимое количество компо-нентов на чертеже, после нажатия правойкнопки мыши компонент «отвязывается» от курсора мыши. Последние десять символовкомпонентов сохраняются в оперативном списке, из которого они быстроизвлекаются нажатием на стрелку в правой части панели.
Проводники наносятся насхему по команде Draw/Wire или нажатием на пиктограмму сизображением карандаша.
Позиционные обозначениянаносятся на схему автоматически (с возможностью их редактирования вручнуюпосле двойного щелчка левой кнопки мыши по выделенному обозначению компонента).Имена цепей проставляются автоматически и на чертёж не выводятся. Однако, еслиизвестны цепи, характеристики которых будут выводиться в программе Probe, цепи можно маркировать вручную. Дляэтого достаточно щелчком левой кнопки мыши выделить желаемую цепь и последвойного щелчка левой кнопки в меню Label указать имя цепи – цифровое, буквенное или смешанное. Например OUT2, IN, 123 и т.д.
Крометого, при использовании специальных маркеров при нажатии на пиктограммы /> и /> именовать цепине обязательно – достаточно пометить маркером нужную цепь, и на графике послезавершения анализа будет выведена соответствующая характеристика.
Отметим, что освоитьграфический ввод схем достаточно легко, особенно если пользователь уже знаком сработой в любом другом графическом редакторе. Интерфейс графического редактораочень «дружественный» и осваивается достаточно быстро в процессе проб и ошибок.
1.1.1Настройка конфигурации
Работас графическим редактором начинается либо с загрузки созданного ранее файласхемы с расширением *.sch по команде File/Open, либо сочистки поля экрана выбором команды File/New. После этогоприступают к настройке конфигурации схемного редактора с помощью команд меню Option (рис. 2).Параметры конфигурации при загрузке программы устанавливаются автоматически,однако иногда полезно их изменить или убедиться в их правильности. Параметрыконфигурации заносятся в файл msim.ini и сохраняютсяпри работе с последующими схемами.

/> />
Рис. 2 — Меню Option и диалоговое окно команды Option/Display Option
 
1.1.2 Установкапараметров изображения
Устанавливаются следующиепараметры (рис. 2б):
– Grid On – включение/выключение координатной сетки;
– Snap-to-Pin –включение/выключение режима привязки концов проводников при их нанесении насхему к ближайшему выводу компонента, находящегося в области захвата, радиускоторой определяется параметром Gravity– радиусом области захвата;
– Rubberband – включение/выключение режимаперемещения компонента вместе сприсоединёнными к нему проводниками;
– Orthogonal – переключение режимов ввода толькоортогональных проводников и проводников с произвольным наклоном;
– Cursor X and Y – вывод текущих координат курсора в строке состояния(рекомендуется включать всегда);
– Grid Size – шаг координатной сетки (шаг координатной сеткирекомендуется устанавливать равным 1,25 мм, 2,5 мм или 0,1 дюйма – с такимшагом обычно выполнены фирменные библиотеки, поставляемые вместе с DesignLab).
1.1.3 Подключениебиблиотек
В верхней части менюкоманды Editor Configuration в окне Libraries приведён список подключённыхбиблиотек символов компонентов (с расширением.slb), а в строке Library Path – путь доступа к библиотекам.
/> />
Рис. 3 — Подключениебиблиотек символов а) и текстовых библиотек б)
Эти библиотекиподключаются к программе Schematic при её загрузке. Для редактирования списка этих библиотек щелчкомвыбирается кнопка LibrarySetting и открывается меню, показанное нарисунке 3а. Имя файла библиотеки указывается после щелчка по кнопке Browse в стандартном стиле Windows. После имени файла нажимается однаиз кнопок Add* или Add Local. В первом случае библиотека будет доступна для всехпроектов, во втором – только для текущего проекта.
Подключение текстовыхбиблиотек компонентов с расширением.lib выполняется по команде Analysis/Library and include Files –открывается меню, приведённое на рисунке 3б.Дальнейший порядок действия аналогичен подключению библиотек символов.
 
1.2Создание принципиальных схем
1.2.1Размещение компонентов на схеме
Созданиепринципиальной схемы начинается с размещения компонентов. Нажатие напиктограмму /> вызываетпоявление окна выбора имени компонента (рис. 4).

/>
Рис. 4 — Окно выбора именикомпонента
Если в строке Part Name указан символ * (по умолчанию), то в окне выводитсяалфавитный список компонентов, содержащийся во всех подключённых библиотеках.Можно также в строке Part Name набрать имякомпонента или его начальные символы. Нужный компонент указывается щелчкомкурсора, после чего его изображение выводится в центральном окне. После выборакомпонента и нажатия кнопки Placeили Place & Close его символ размещается на схеме, причём изображениеперемещается вместе с курсором. При одновременном нажатии клавиш CTRI+R (Rotate) компонентповорачивается на 90о, CTRL+F (Flip) – зеркально отражается. Щелчок левой кнопки мышификсирует компонент, после чего на схеме можно разместить ещё одну копию.Щелчок правой кнопки мыши прекращает ввод данного компонента. Заметим, чтовыбранный компонент окрашен другим цветом, обычно красным, и перемещается посхеме после фиксации и удержания на нём курсора.
1.2.2Размещение электрических цепей
Послещелчка по пиктограмме /> курсор приобретает формукарандаша. Начало цепи, точка излома, точка соединения с другой цепью иливыводом компонента фиксируется щелчком левой кнопки мыши. Щелчок правой кнопкипрекращает рисование цепи. При этом последний сегмент цепи окрашен в красныйцвет, то есть данная цепь выбрана для редактирования.
Электрическиесоединения проводников обозначаются жирной точкой. Если провести двапроводника, не останавливаясь в точке их пересечения, то электрическоесоединение не образуется. Точка соединения проставляется только для Т-образныхпересечений. Поэтому для обеспечения электрического контакта пересекающихсяпроводников рисование второго проводника нужно закончить в точке пересечения спервым (нажатием левой кнопки). В результате возникнет точка электрическогосоединения, после чего можно продолжить рисование второго проводника от этойточки.
Насхеме обязательно должен быть узел «земли», всегда имеющий имя 0, – к немуприсоединяется символ AGND (аналоговая земля) из библиотеки port.slb.
Внесённыев схему изменения записываются в текущий каталог в файл схемы с расширением.sch (обычным для Windows способом).Если схема создана вновь, дополнительно запрашивается имя схемы (сохранитькак).
1.2.3 Редактированиепараметров компонентов
Всекомпоненты характеризуются списком атрибутов (параметров), который открываетсядвойным щелчком по любой точке, находящейся внутри изображения символакомпонента. На рисунке 5 в качестве примера приведены списки атрибутовбиполярного транзистора и конденсатора.
/> />
Рис.5 — Диалоговое окно редактирования атрибута транзистора а) конденсатора б)
Символ «*» слева от имениатрибута означает, что этот атрибут нельзя редактировать в режиме рисованиясхем (только в режиме редактирования символа). Чтобы сделать этот атрибутдоступным для редактирования в режиме рисования схемы, необходимо войти в режимредактирования символа (пиктограмма />), выполнить команды Part/Attributes и установить флаг в окне Changeable schematics.
Еслипараметры компонента отражены на схеме (например, сопротивление резистора,ёмкость конденсатора, напряжение источника питания), их удобно редактироватьиндивидуально, дважды щёлкнув по нему курсором мыши. В результате открываетсяокно редактирования, пример которого приведён на рисунке 6.
/>
Рис.6 — Панель редактирования ёмкости конденсатора

2.Подготовка к моделированию
Послесоздания схемы моделируемого устройства должны быть введены символы источниковсигнала и источники питающего напряжения.
Источникисигналов представлены в системе моделирования достаточно широко [16, 17].Уделим внимание только наиболее важным и часто используемым.
Источникпитания имеет имя VDC и содержит в качестве изменяемого атрибутанапряжение DC =xxV.
Источникпостоянного тока имеет имя IDC и содержит в качестве изменяемогоатрибута ток DC=xxA.
Источникнапряжения для АС анализа имеет имя VAC и содержит вкачестве редактируемых атрибутов напряжение постоянного тока DC=xxV, напряжениепеременного тока ACMAG=xxV и фазу ACPHASE=xx (в градусах).
Источниктока с именем IAC имеет изменяемые атрибуты, аналогичные по смыслу сатрибутами источника напряжения VAC, но, естественно, единицей измерениятока является [А].
Источниксинусоидального сигнала VSIN содержит в качестве редактируемыхатрибутов напряжение постоянного тока DC=xxV, напряжениепеременного тока AC=xxV, напряжение смещения VOFF=xxV, амплитудусинусоидального сигнала VAMPL=xxV, частоту FRIQ=xx (в Герцах),задержку включения TD=xx (в секундах), коэффициент затухания DF=xx (в 1/с) и фазуPHASE=xx (в градусах).
Источникимпульсного сигнала VPULSE содержит в качестве редактируемыхатрибутов напряжение постоянного тока DC=xxV, напряжениепеременного тока AC=xxV, напряжение V1=xxV в началеимпульса, напряжение V2=xxV по окончанииимпульса, TD – задержку переднего фронта (сек.), TR – длительностьпереднего фронта (сек), TF – длительность заднего фронта (с), PW – длительностьплоской вершины (с) и PER – период повторения.
Отметим,что всем атрибутам должно быть присвоено какое-либо значение, иначе при началемоделирования будет выдано сообщение об ошибках.
2.1Составление задания на моделирование
Передпроведением моделирования составляется задание на моделирование по команде Analysis/Setup или принажатии пиктограммы />. В открывшемся окне (рис. 7)нажатием курсора отмечают нужные директивы моделирования (при этом в графе Enabled появляетсяфлаг). После нажатия соответствующей кнопки открываются диалоговые меню заданиядиректив моделирования.
/>
Рис.7 — Выбор директив моделирования
2.1.1ACSweep-расчётчастотных характеристик и уровня шума
Вдиалоговом окне задания параметров режима AC Sweep имеется трираздела (рис. 8).
Вразделе AC Sweep Type определяютхарактер изменения частоты: Linear – линейная шкала; Octave – изменениечастоты октавами; Decade – изменение частоты декадами.
Вразделе Sweep Parameters задаютсяпараметры диапазона частот: Total Pts – общееколичество точек расчёта при выборе линейного масштаба или количество точек наоктаву или декаду по частоте; Start Freq – начальнаячастота; End Freq – конечнаячастота.
/>
Рис.8 — Расчёт частотных характеристик и уровня шума
Вразделе Noise Analysisустанавливаются параметры расчёта спектральной плотности внутреннего шума: Noise Enabled – включениережима расчёта уровня шума; Output Voltage – выходноенапряжение; I/V – имя входного источника напряженияили тока; Interval – интервал расчёта парциального уровня шума.
Расчётхарактеристик в частотной области производится после определения режима попостоянному току и линеаризации всех нелинейных компонентов. Все независимыеисточники напряжения и тока, для которых заданы значения АС-амплитуды и фазы,являются входными воздействиями.
2.1.2DCSweep– вариацияпараметров при расчёте режима по постоянному току
Расчётрежима по постоянному току производится при вариации одного или несколькихисточников постоянного напряжения или тока, температуры, параметров моделейкомпонентов схемы и глобальных параметров.
Посленажатия на кнопку DC Sweep открываетсяосновное окно (рис. 9), в котором задаются следующие параметры.
Вразделе Sweep Var. Type задаётся типварьируемого параметра: источник напряжения, температура, источник тока,параметры модели компонента, глобальные параметры.
Взависимости от выбранного типа параметра заполняется одна или несколько строк:
Name – имя варьируемого параметра (для источника напряжения, источникатока, глобального параметра);
Model Type – тип модели, например RES, DIOD, NPN(дляModel Parameter);
/>
Рис.9 — Диалоговое окно задания цикла изменения параметров в режиме DC Sweep
Model Name – имя модели, например KT815B (для Model Parameter);
Param. Name – имя параметра (для ModelParameter, Global Parameter).
В разделеSweep Type задаётся тип вариации параметра: Linear – линейный масштаб;Octave – логарифмический масштаб октавами; Decade – логарифмический масштаб декадами;Value List – в виде списка параметров.
Пределыизменения параметров задаются в строках: Start Value – начальноезначение; End Value – конечноезначение; Incremen – приращение; Value – списокпараметров.
Статистическийанализ по методу Монте-Карло (Monte Carlo/Worst Case) нерассматривается.
Ещёодно замечание необходимо сделать о режиме Options – установкапараметров моделирования. До приобретения навыков работы с программой Schematics лучшепользоваться теми опциями, которые система устанавливает по умолчанию. Приошибочно выбранных значениях некоторых параметров моделирования может бытьнарушена сходимость вычислений из-за ограниченности разрядной сеткикомпьютера и моделирование схемы провести не удастся. Однако в некоторыхслучаях за счёт установки необходимых опций удаётся повысить точностьрасчётов, особенно связанных с определением производных.
2.1.3Parametric– многовариантный анализ
Вариацияпараметров назначается по заданию Parametric. На каждомшаге вариации параметров по очереди выполняются все виды анализа характеристикцепи. Варьироваться могут все параметры всех моделей компонентов и глобальныепараметры, за исключением: параметры L и WМОР-транзистора; температурные коэффициенты резисторов и других компонентов.
Приведёмпример проведения многовариантного анализа по глобальному параметру А.Диалоговое окно вариации параметров имеет такое же назначение полей, как и длядирективы DC Sweep (рис. 10).
/>
Рис.10 — Диалоговое окно вариации параметров
Например,многовариантный анализ переходных процессов при изменении амплитуды Агармонического сигнала осуществляется следующим образом: в описаниисинусоидального источника VSIN атрибуту VAMPL присваиваетсязначение {A}. Далее после размещения на схеме символа стандартногокомпонента PARAMETRS двойным щелчком мыши вызывается диалоговоеокно PartName:PARAM (рис. 11).
/>
Рис.11 — Окно спецификации задаваемых параметров
Далееопределяется глобальный параметр А: NAME1=A и задаётся егоначальное значение VALUE1=0. Это означает, что режим попостоянному току будет рассчитан при амплитуде генератора синусоидальногосигнала равной нулю.
Затембудут выполнены расчёты переходных процессов согласно установкам списказначений амплитуд, установленных в окне Parametric (рис. 10): А=1V, A=5V, A=10V.
2.1.4Temperature– вариация температуры
Списоктемператур указывается в диалоговом окне, открывающемся после нажатия на кнопкуTemperature в меню выбора директив моделирования. В этом окнеуказывается список значений температуры (по шкале Цельсия), для которых следуетвыполнить все заданные виды анализа характеристик. Если эта директива неиспользуется, то все расчёты по умолчанию проводятся для номинальнойтемпературы 27 оС по умолчанию.
2.1.5TransferFunction– передаточныефункции по постоянному току
Приработе с управляющей оболочкой Schematics определениепередаточных функций задаётся в диалоговом окне, открывающемся после нажатия накнопку Transfer Function в меню выборадиректив моделирования (рис. 12). В нём указываются имена входной и выходнойпеременной.
/>
Рис.12 — Определение передаточной функции
Вэтом случае рассчитывается передаточная функция dV(OUT1)/dV(V1). Кроме того,всегда рассчитываются входное и выходное сопротивления.
Результатырасчёта выводятся в выходной файл и могут быть просмотрены только в текстовомвиде при выполнении команд Analysis/Examine Output.
2.1.6Transient– расчёт переходных процессов
Определениепараметров расчёта переходных процессов задаётся в диалоговом окне (рис. 13),открывающемся после нажатия на кнопку Transient в меню выборадиректив моделирования.
/>
Рис.13 — Задание параметров расчёта переходных процессов

Переходныепроцессы всегда рассчитываются с момента времени t=0 до момента,указанного в строке Final Time, – конечноевремя. Перед началом расчёта переходных процессов рассчитывается режим попостоянному току. Шаг интегрирования выбирается автоматически =/50. Иногдадля повышения точности расчётов целесообразно уменьшить это время, например, в10 раз. Тогда в строке Step Ceiling необходимоуказать значение времени.
Еслибудет установлен флаг в окошке Skip initial transient solution, то расчётрежима по постоянному току отменяется. Это бывает необходимо при исследованииработы различных генераторов [11, 17].
Врежиме Transient можно провести спектральный анализ. Для этогонеобходимо установить флаг в окне Enable Fourier и указатьчастоту первой гармоники Center Frequency, количествогармоник Number of harmonics и выходной узелOutput Vars. В программе рассчитываются амплитудыпостоянных составляющих всех указанных гармоник. Спектральному анализуподвергается последний период колебаний в конце интервала анализа. Дляповышения точности расчёта рекомендуется шаг интегрирования, как это былоуказано выше.
Результатыспектрального анализа выводятся в выходной файл Examine Output в виде таблицы.
2.1.7Sensitivit– анализ чувствительности выходногонапряжения цепи постоянного тока к разбросам параметров компонентов
Анализчувствительности позволяет установить, какое влияние оказывают измененияотдельных параметров компонентов схемы на узловые напряжения схемы, вчастности, на выходное напряжение. Таким образом можно выяснить, какиекомпоненты необходимо выбирать с как можно меньшими допусками на отклонение,чтобы гарантированно обеспечить работоспособность схемы при её изготовлении ввиде серийной продукции.
Результатанализа чувствительности будет помещён в выходной файл Examine Output в текстовомвиде под заголовком DC Sensitivity Analysis.
Рассмотримв качестве примера достаточно простую схему установления статического режима дляодиночного транзистора (рис. 14).
/>
Рис. 14 — Установлениестатического режима для одиночного транзистора
Чтобы провести анализчувствительности, необходимо выполнить следующие действия: в открытом окне Analysis Setup установить флажок рядом с кнопкой Sensitivity и, щёлкнув по этой кнопке, открытьокно Sensitivity Analysis (рис. 15).
В этом окне необходимоустановить обозначение напряжения, чувствительность которого к изменениюзначений компонентов схемы необходимо исследовать. Если таких напряженийнесколько, их можно разделить в поле ввода с помощью пробела.
Следует отметить, чтовыходной файл в этом случае может оказаться огромным, особенно если схемасодержит много транзисторов. Поэтому, если такого рода процедуры с различнымисхемами проводятся достаточно часто, необходимо периодически проводить «чистку»дискового пространства.

/>
Рис. 15 — Окно Sensitivity Analysis с установкой для проведения анализа чувствительности напряжения в узле 2
Далее необходимо закрытьокно Sensitivity Analysis, щёлкнув по кнопке OK, и окно Analysis Setup, щёлкнув по кнопке Close.
Запустив процессмоделирования, по его окончанию результат анализа можно найти в выходном файлепод заголовком DC Sensitivity Analysis:
DC SENSITIVITIES OF OUTPUT V(2)
ELEMENT ELEMENT ELEMENT NORMALIZED
NAME VALUE SENSITIVITY SENSITIVITY
(VOLTS/UNIT) (VOLTS/PERCENT)
R_R2 1.000E+03 -2.162E-03 -2.162E-02
R_R1 1.980E+03 1.085E-03 2.149E-02
V_V1 5.000E+00 9.997E-01 4.999E-02
V_V2 5.000E+00 -5.000E-01 -2.500E-02
Q_Q1
RB 1.300E+02 3.765E-06 4.894E-06
RC 1.120E+00 6.231E-07 6.978E-09
RE 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00
BF 3.000E+02 -2.551E-05 -7.652E-05
ISE 4.335E-08 6.845E+03 2.967E-06
BR 3.201E+00 3.770E-13 1.207E-14
ISC 5.500E-12 -1.065E+03 -5.856E-11
IS 3.628E-15 -3.576E+12 -1.298E-04
NE 1.347E+01 -5.119E-05 -6.895E-06
NC 2.000E+00 2.928E-09 5.856E-11
IKF 9.635E-02 -4.628E-03 -4.459E-06
IKR 1.000E-01 7.163E-15 7.163E-18
VAF 7.200E+01 1.134E-05 8.168E-06
VAR 3.000E+01 -1.616E-05 -4.849E-06
Смысл параметров ввыходном файле следующий.
В первой колонке указаноимя компонента, по вариации которого определяется чувствительность узловогонапряжения V(2). Если это транзистор, точувствительность оценивается по вариации основных параметров модели.(Физический смысл параметров модели транзистора приведён в [3].)
Во второй колонкеприводится номинальное значение соответствующего компонента или параметров егомодели.
В третьей колонке подименем (VOLTS/UNIT) представлено не что иное, как производная напряженияв узле 2 по соответствующему параметру компонента. Например, в первой строкепредставлена производная:
/>.
В третьей колонке чувствительностьпредставлена следующим образом (для первой строки):
/>. (1)
программамоделирование pspice запуск
Как правило, приисследовании чувствительности нас интересует относительное изменение выходногонапряжения при относительном изменении номинала соответствующего параметра,поэтому классическое определение чувствительности [4] выглядит следующимобразом:
/>, (2)
откуда
/>. (3)
Чтобы из выражения (1)получить выражение, аналогичное (3),необходимо провести вычисления по следующей формуле:
/>. (4)
Естественно, чтовыражения типа (4) должны быть получены для каждой переменной. Однако и такочевидно, что чем больше S2, тем выше чувствительность схемы кизменению номинального значения данного компонента.
2.1.8 MonteCarlo– вероятностный анализ
Вероятностный анализ пометоду Монте-Карло – это своего рода «высший пилотаж» схемотехническогомоделирования. Возможно, для предлагаемого изучения элементарныхсхемотехнических «кирпичиков» такой вид анализа может и не потребоваться.Однако зачастую искусство проектирования радиоэлектронных схем как раз изаключается в умении создать такую схему, которая будет функционировать нетолько в лабораторных условиях, со специально подобранными вручнуюкомпонентами, но и в условиях серийного или мелкосерийного производства сослучайным разбросом параметров компонентов.
До сих пор в процессемоделирования мы исходили из того, что компоненты проектируемых схемдействительно имеют те значения, которые установлены индикатором значения: тоесть если рядом с резистором стоит индикатор 1k, на самом деле резистор имеет сопротивление в 1k. Однако это предположение далеко отистины: все компоненты, используемые в электронных схемах, имеют допуски наноминальное значение.
Программа PSpice позволяет присваивать допускипараметров компонентов. Тогда в ходе одного анализа Монте-Карло одна и та жесхема может моделироваться («прогоняться») до двадцати тысяч раз: каждый раз сновым набором параметров, заданных по принципу случайной выборки. Затемотдельные результаты оцениваются программой по тем критериям, которые заранееоговорены во время предварительной установки анализа.
Программа PSpice позволяет проводить анализМонте-Карло в сочетании с анализами DC Sweep, AC Sweep и Transient. В ходе моделирования первый прогон анализа Монте-Карло всегда является«номинальным», то есть при этом все компоненты имеют свои номинальные значения.
Разброс значений компонентовможет быть задан пользователем как выбором функции распределения, так идиапазоном разброса. Так, по умолчанию программа PSpice предлагает равномерное распределение (опция Uniform) в рамках заданного диапазонадопуска. Возможно также и Гауссово распределение (опция Gaussian) или любое другое, определяемоепользователем (опция User Defined). Этопредоставляет широчайшие возможности профессиональным разработчикам,занимающимся проектированием схем для массового производства. Однако здесь мыограничимся только равномерным распределением параметров разброса, ужеустановленного в программе PSpiceпо умолчанию.
В качестве примераисследуем с помощью вероятностного анализа схему активного фильтра наоперационных усилителях типа μA741с высокой крутизной фронта амплитудно-частотной характеристики (рис. 16). Такиесхемы чрезвычайно чувствительны к разбросам параметров резисторов иконденсаторов.
/>
Рис.16 — Схема активного полосового фильтра на операционных усилителях
На рисунке 17 приведеначастотная характеристика активного полосового фильтра. Эта частотнаяхарактеристика имеет такие крутые фронты, что даже неискушённому схемотехникупридётся задаться вопросом: а сохранит ли эта схема свои качества даже принебольших разбросах параметров компонентов?
/>
Рис. 17 — Частотнаяхарактеристика активного полосового фильтра
Чтобы провести анализМонте-Карло, необходимо проделать следующие шаги. Всем резисторам в схемезададим 1 % допуска, а конденсаторам – 2 %. Для этого можно было бы, войдя втаблицу атрибутов каждого элемента, задатьпараметр Tolerance 1 % или 2 % соответственно. Однако программа PSpice предоставляет другую возможностьзадать допуски.
Вначале необходимовыделить все резисторы, поочерёдно щёлкая по ним правой клавишей мышки,удерживая при этом клавишу Shift.
Далее в меню Edit необходимо выбрать опцию Attributes… В окне, которое затем откроется(рис. 18), необходимо подтвердить своё намерение одновременно изменить атрибутывсех выделенных резисторов (глобально), после чего откроется окно Global Edit Attributes (рис. 18).
/>
Рис.18 — Окно подтверждения намерения глобально редактировать атрибуты
Узнать, какие атрибутыявляются общими для всех выделенных резисторов, можно, щёлкнув по кнопке Browse… и открыв окно Select Attribute (рис. 19).
/>
Рис. 19 — Окно дляодновременного редактирования нескольких атрибутов
Отметив строку Tolerance= (Допуск), необходимо подтвердитьсвой выбор щелчком по кнопке OK,после чего снова откроется окно Global Edit Attributes. В поле Value вводится требуемое значение допуска, в данном случае1 %, и ввод подтверждается щелчком по кнопке OK (рис. 20, 21).
/>
Рис. 20 — Окно суказанием доступных для одновременного изменения атрибутов
/>
Рис. 21 — Окно Global Edit Attributes с установленными для всех резисторовдопусками в размере 1 %
Аналогично задаютсядопуски в 2 % и для всех конденсаторов.
Теперь можно приступатьсобственно к анализу Монте-Карло. Для этого нужно открыть окно Analysis Setup, установить флажок рядом с кнопкой Monte Carlo/Worst Case… (анализ Монте-Карло/Наихудшегослучая) и щёлкнуть по ней. Откроется окно Monte Carlo or Worst Case с установками для проведения анализа Монте-Карло(рис. 22).
Предварительные установкиделаются, как показано на рисунке 22. В ходе моделирования будет проведенодесять прогонов анализа Монте-Карло (опция MC Run) на основе анализа AC Sweep (опция Analysis Type). Всенастройки в разделе Function можнооставить без изменения (по умолчанию). Они имеют значение только для выходногофайла и в данный момент не представляют интереса.
/>
Рис. 22 — Окно дляустановки параметров анализа Monte Carlo or Worst Case
В поле Output Var необходимо указать, какую величину следует пониматькак выход. В списке MC Options выберем опцию All; в этом случае как в PROBE, так и в выходном файле будутпредставлены результаты всех прогонов.
Убедитесь, что всепредварительные установки сделаны так, как вы хотели, и подтвердите выполненныенастройки щелчком по кнопке OK, азатем запустите процесс моделирования. После того как программа завершитвычисления, откроется окно Available Sections, вкотором можно выбрать для отображения на экране постпроцессора PROBE интересующие прогоны анализаМонте-Карло. Если требуются все имеющиеся данные, нужно нажать кнопку OK.
Теперь на экран можетбыть выведена частотная характеристика выходного напряжения полосовогоактивного фильтра для всех десяти прогонов анализа Монте-Карло (рис. 23).
Представленные графикипоказывают, что фильтр не теряет работоспособность, однако его частотнаяхарактеристика претерпевает некоторые изменения.
Наряду с анализомМонте-Карло в программе PROBEможно выполнить стохастический анализ: на экране будет показано статистическоераспределение величин, которые извлекаются из каждого отдельного прогонаМонте-Карло с помощью целевых функций.
/>
Рис. 23 — Поведениечастотной характеристики активного полосового фильтра в ходе анализаМонте-Карло
В качестве примераизобразим в виде гистограммы статистическое распределение ширины полосыпропускания активного фильтра на уровне -3 дБ десяти полученных выше кривых(рис. 23).
В этом случае необходимодействовать следующим образом.
Необходимо удалить сэкрана PROBE все графики, затем активизироватьопцию Performance Analysis через меню Trace. Далее необходимо открыть окно Add Traces и отправить в строку Trace Expression целевую функцию Bandwith (1, db_level), а вскобках ввести Bandwith (V(2), 3). После щелчка по кнопке OK на экране постпроцессора PROBE создаётся гистограмма, подобнаяизображённой на рисунке 24 (с другими статистическими данными, соответствующимивашему моделированию, гистограмма будет выглядеть иначе).
Разумеется, ожидатьподробную статистику после 10 прогонов нельзя, но теперь число прогонов можноувеличить до 399, чтобы создать более совершенную гистограмму. Чем большепрогонов будет сделано, тем тоньше будут столбцы и тем больше их будетотображено. Число столбцов можно установить, выбрав в PROBE в меню Tools/Options строку Number of Histogram Divisions (количество столбцов гистограммы).Если установить количество столбцов гистограммы 30 при 399 прогонах,гистограмма будет выглядеть, как представлено на рисунке 25.
/>
Рис. 24 — Гистограммастатистического распределения полос частот на уровне -3 дБ при 10 прогонах
Отметим, что показатьздесь использование всех целевых функций не представляется возможным. В то жевремя в постпроцессоре PROBEможно ознакомиться с назначением всех целевых функций и правилом их описания попроцедуре Trace/Goal Function – выбор функции – View (рис. 26).

/>
Рис. 25 — Гистограммастатистического распределения полос частот на уровне -3 дБ при 399 прогонах
/>
Рис. 26 — Окно описанияцелевых функций
Приведём ещё небольшойпример того, как можно изменять параметры компонентов, если они недоступнычерез меню атрибутов (как это можно было сделать с резисторами иконденсаторами). Рассмотрим схему простейшего усилителя (рис. 27), у которогороль цепи смещения выполняет источник сигнала V1.

/>
Рис.27 — Схема простейшего усилителя на одиночном транзисторе
Сначала, как и впредыдущих случаях, необходимо маркировать транзистор (чтобы он окрасился вдругой, чаще всего красный цвет), затем открыть меню Edit и выбрать в нём строку Model… Откроется окно Edit Model, где нужно щёлкнуть по кнопке Edit Instance Model (Text)…(Редактировать модель образца…). Откроется редактор моделей с параметрамитранзистора. Рядом с параметром Bf(усиление тока) следует в качестве дополнения ввести допуск Dev=50 % (рис. 28).
/>
Рис. 28 — Редактормоделей с TN15; усиление тока базы имеет разброс50 %
Программа автоматическиприсваивает этой модели новое имя – (TN15-Х). Созданная модель действительна только для даннойсхемы. Она сохраняется в той же директории, что и рисунок, только с расширениемфайла.lib. Новую модель можно присвоить идругим транзисторам схемы. Для этого нужно выделить изменяемый компонент, затемоткрыть окно Edit Model и щёлкнуть в нём по кнопке Change Model Reference… (Изменить название модели…). Воткрывшемся окне можно изменить имя модели на редактированное. Такой способпозволяет создавать локальные модели, не трогая основную текстовую библиотекумоделей.
Анализ коэффициентаусиления по напряжению транзисторного каскада при изменении коэффициентаусиления тока базы на 50 % приведён на рисунке 29. Коэффициент усиления начастоте 10 кГц при номинальном значении коэффициента усиления тока базысоставляет 9,23.
/>
Рис. 29 — Частотнаяхарактеристика усилителя на одиночном транзисторе
Обратите внимание:построение, например, частотной характеристики целесообразно проводить принебольшом числе прогонов, например Далее, после построения гистограммы повыбранной целевой функции при числе прогонов 10 и числе столбцов гистограммытоже 10, целесообразно увеличить число прогонов анализа Монте-Карло вплоть до399 и довести число столбцов до 30-40. В этом случае время, необходимое длявыполнения анализа, и объём выходного файла будут приемлемыми.
Гистограмма, построеннаяс помощью целевой функции, показывающей распределение коэффициента усиления понапряжению исследуемой схемы на частоте 10 кГц, приведена на рисунке 30.
/>
Рис. 30 — Гистограммастатистического распределения коэффициента усиления по напряжению при вариациикоэффициента усиления по току транзистора
Как показываетгистограмма, коэффициент усиления по напряжению меняется от 9,01 до 9,3, чтовполне закономерно, так как через эмиттерный резистор осуществляется достаточноглубокая отрицательная обратная связь, стабилизирующая коэффициент усиления понапряжению.
Если в окне Monte Carlo or Worst Case отметить опцию List,то в выходном файле будет содержаться подробная информация, например, о вкладеотдельных компонентов схемы в общую чувствительность схемы к допускамкомпонентов. Сведения такого рода могут оказаться незаменимыми, еслипроектировщик с наименьшими затратами пытается устранить излишнюючувствительность схемы.

3. Запуск программы PSpice
После создания чертежасхемы, подключения источников стимулирующих сигналов и составления задания намоделирование необходимо осуществить подготовку к запуску программы PSpice. Для этого нужно выполнить следующиепроцедуры.
3.1 Конфигурированиепрограммы Probe
Эта процедура выполняетсяпо команде Analysis/Probe Setup, меню которой (рис. 31) имеет три раздела.
/> />/>
Рис. 31 — Настройкаконфигурации программы Probe
1. Раздел Probe Setup содержит две группы команд:
1) Auto-Ran Option (параметры автоматического запуска):
- Automatically Run Probe After Simulation – автоматический запуск программы Probe после завершения моделирования;
- Monitor Waveform (auto update) – построение графиков в процессе моделирования;
- Du not auto-ran Probe – незапускать программу Probeавтоматически;
2) At Probe Startup (спецификация выводимых параметров):
- Restorelast Probe session – вывод данных последнего сеанса Probe;
- Show all markers – вывод графиков, соответствующих всем маркерам;
- Show selected markers – вывод графиков, соответствующих выбранным на схемемаркерам;
- None –графики не выводятся.
2. Раздел Data Collection содержит команды:
Data Collection (перечень данных, помещаемых ввыходной файл):
- At markers only – данные, отмеченные маркерами;
- All – все данные о схеме;
- All except subcircuit data – все данные о схеме, за исключением данных оподсхемах;
- None –ничего.
3. Раздел Checkpoint содержит две группы команд:
1) Automatically load data for open checkpoint – автоматическая загрузка данных дляоткрытых вариантов схем;
2) Show Results in (окна для показа результатов):
- Samewindow for all schematic (working and checkpoint) – в одном и том же окне длявсех схем;
- Aseparate window for each schematic including its checkpoint – в отдельных окнахдля каждой основной схемы, в том числе и для её вариантов;
- A separate window for each schematic (working andcheckpoint) –в отдельных окнах для каждой схемы (основная схема и её варианты).
3.2 Запуск программымоделирования PSpice
Моделирование текущейсхемы начинается после выбора команды Analysis/Simulate (илипосле нажатия клавиши F11либо пиктограммы />). Экран программы PSpice показан на рисунке 32.

/>
Рис. 32 — Экран программыPSpice
3.3 Просмотррезультатов моделирования
Результаты моделирования,представленные в текстовом виде в файле *.out (текстовое описание схемы, директивы моделирования,параметры математических моделей компонентов, карта режимов по постоянному токуи др.), просматриваются по команде Analysis/ExamineOutput. Графики результатов моделированияпросматриваются с помощью программы Probe, которая вызывается автоматически, если включена опция Automatically Run Probe After Simulation. Автономный вызов Probe выполняется командой Analysis /Run Probe или нажатием клавиши F12 (если моделирование было проведено ранее).
В верхней части экранапрограммы Probe помещается имя файла данных, наследующей строке – горизонтальное меню команд, а ниже – набор пиктограмм дляоперативного вызова наиболее употребительных команд.
3.3.1 Построениеграфиков
После выбора команды Trace/Add открывается окно выбора переменных (рис. 33). Типыпеременных, перечень которых приведён в окне, определяются положением«выключателей-флагов»:
Analog – аналоговые переменные;
Digital – цифровые переменные;
Voltage – напряжения;
Current – токи;
Noise (V2/Hz) – спектральнаяплотность напряжения выходного шума;
Alias Name – псевдонимы;
Subcircuit Nodes – внутренние узлы макромоделей (только напряжения).
/>
Рис. 33 — Окно выборапеременных
Переменные помечаютсякурсором, и их имена переносятся в командную строку Trace Expression. В расположенном справа окне Function or Macros можно выбрать математические функции и макросы. Такможно выбрать несколько переменных и отредактировать образованную строку длязаписи математических выражений.
На экран выводитсякоординатная сетка, по горизонтальной оси которой откладывается независимаяпеременная, соответствующая выбранному режиму, например Frequency. На экране может располагатьсянесколько окон – по команде Plot/Add Plot, в каждом из которых строится несколько графиков.Активное окно, в котором строятся в данный момент графики, помечается слевасимволами SEL>>. В каждом окне по команде Plot/Add Y Axis может быть добавлено 1-2 дополнительные оси Y с разными масштабами.
На одном графике можетбыть помещено несколько кривых, которые на мониторе выделяются цветом, а привыводе на чёрно-белый принтер или графопостроитель помечаются различнымизначками.
По умолчанию по оси Хоткладывается независимая переменная, соответствующая выбранному режиму,которая может быть изменена по команде Plot/X Axis Settings (рис. 34).
/>
Рис. 34 — Окно дляустановки масштаба по оси Х и замены переменных
После нажатия кнопкиопции Axis Variable появляется окно выбора переменных(рис. 33) и можно произвести замену переменных. Эта команда очень полезна, таккак позволяет построить зависимость любой переменной, откладываемой по оси Y от любой переменной, откладываемойпо оси X. Так, например, можно строитьфазовый портрет динамической системы, исследуя процесс выхода на режимгенератора гармонических колебаний.
3.3.2 Электронныйкурсор
Координаты точек награфике можно считывать при помощи двух электронных курсоров. Курсорывключаются по команде Tools/Cursor/Display или щелчком по пиктограмме />. На графике помещаются курсоры иокно, в котором отображаются текущие координаты курсора и расстояния между нимипо двум осям ординат. Курсоры могут быть связаны с одним или двумя графиками.Переключение курсора с одного графика на другой происходит при выделении значкасоответствующего графика в нижней строке Trace Expression, причём управление курсорамиосуществляется левой и правой кнопками мыши.
Чтобы повысить точностьпозиционирования электронного курсора, им можно управлять с клавиатуры. Первыйкурсор перемещается вдоль выбранной кривой при нажатии клавиш (® ¬), второй курсор управляется теми же клавишами, но принажатой клавише Shift. Каждоенажатие на клавишу производит перемещение курсора на один пиксель.
Нажатием на пиктограмму /> текущиекоординаты курсора могут быть нанесены на график в виде меток.
3.3.3 ПреобразованиеФурье
По команде Trace/Fourier или при нажатии пиктограммы /> производится вычисление быстрогопреобразования Фурье всех функций, графики которых выведены на экран дисплея.Разрешающая способность такого анализа по частоте обратно пропорциональнаинтервалу анализа Т. Так, если Т=100 мс, то разрешающая способность составляет10 кГц. Такое преобразование Фурье целесообразно проводить только для быстроустанавливающихся переходных процессов (стационарных или близких кстационарным).
3.3.4 Сохранениеатрибутов экрана
По команде Tools/Display Control сохраняются атрибуты экрана дисплея для последующих регенераций экрана графиков (рис. 35).
В строке New Name указывается имя текущего экрана, далее нажимаютсякнопки Save/Close. Вызов сохранённого имени вызывается щелчком курсорапо имени и нажатием на кнопку Restore.Таким образом удаётся существенно экономить время на вывод графиков, особенноесли в строке Trace Expression записана достаточно сложная функцияили графики выведены в различных окнах.
По команде Tools/Copy to Clipboard содержание текущего окна копируетсяв буфер обмена для передачи в другие программы Windows, например в графический или текстовые редакторы. Приэтом сохраняется палитра цветов экрана программы Probe!

/>
Рис. 35 — Окно сохраненияи вызова атрибутов экрана
Полезный совет: если вдальнейшем копия экрана будет использоваться для составления отчёта,целесообразно уменьшить экран постпроцессора Probe до реального размера, помещаемого в отчёт, и толькопосле этого выполнить операцию Tools/Copy to Clipboar. После этого можно обработать копиюэкрана в одном из редакторов графических изображений, например в Paint (обратить цвета, сделать чёрно-белыми т.д.). В этом случае шрифты оцифровки осей графиков и метки, нанесённые награфик, сохранят свои размеры и в дальнейшем, при размещении в отчётетекстового редактора, будут удобочитаемы.
3.3.5 Печать графиков
Непосредственный выводграфиков на печать принтером или плоттером производится обычным для Windows способом. При этом, если принтерчёрно-белый, программа автоматически маркирует цветные кривые графиков значкамии делает инверсию цвета. Для цветной печати цвета графиков, фона и переднегоплана назначаются в разделе PROBE PRINTERCOLORC файла конфигурации системы MSIM.INI, находящемся в папке Windows. Однако приступать к редактированию файлаконфигурации системы можно, только достаточно хорошо освоив правила работы спрограммным продуктом. В любом случае целесообразно иметь резервную копию файлаконфигурации!

4. Примерымоделирования аналоговых устройств
Системасквозного проектирования DesignLab – мощный и во многомуниверсальный инструмент в руках разработчика радиоэлектронных схем, своегорода «паяльник» и набор различных измерительных приборов. Но хорошо оснащённая«лаборатория» без хороших схемотехников – это потраченные впустую средства. Ксожалению, очень часто исследуемые с помощью программы Schematics схемы «неработают» из-за низкой квалификации пользователя. Основных причин здесь три:
- неграмотно спроектированная или неправильно «спаянная» схема;
- неверно осуществлённый параметрический синтез элементов;
- неумение «заставить» работать радиоэлектронную схему при моделированиииз-за незнания некоторых особенностей работы программы PSpice, а также невполне адекватные условия моделирования.
Отбросивдве первых причины, рассмотрим третью.
4.1Моделирование схемы по постоянному току (DCSweep)
Режимпо постоянному току рассчитывается всегда в начале моделирования передвыполнением других видов анализа без указания специальных директив. Результатырасчётов выводятся в текстовый файл с расширением.out в виде таблицыузловых потенциалов.
Впрограмме PSpice режим по постоянному току рассчитывается методомНьютона-Рафсона. В отсутствии сходимости рекомендуется по директиве Option в меню Setup Analysis увеличитьмаксимальное количество итераций ILT1 (по умолчанию ILT1=40). Дляповышения скорости сходимости рекомендуется по команде Nodeset устанавливатьначальные значения узловых потенциалов по постоянному току наиболее близкими кожидаемым. Приближённое значение узловых потенциалов по команде Nodeset необходимоустанавливать при анализе схем, имеющих несколько устойчивых состояний.
Смыслприменения этой команды заключается в том, что перед расчётом режима попостоянному току к выделенным узлам подключаются источники ЭДС с небольшимвнутренним сопротивлением. После окончания расчёта эти источники отключаются ивыполняется задание на моделирование. Включение команды Nodeset осуществляетсяиз меню библиотеки стандартных компонентов.
Приведёмпример применения команды Nodeset. Так, из рассмотрения схемыстабилизатора напряжения (рис. 36а) видно, что для нормальной её работынеобходима цепь запуска. Действительно, для того чтобы выходное напряжениестабилизатора приняло заданное значение, необходимо появление тока коллекторатранзистора Q2. Этот ток появится только после отпирания транзистора Q4, а он неоткроется, пока напряжение на выходе стабилизатора равно нулю. То есть налицотриггерный эффект: схема имеет два устойчивых состояния.
/>
Рис. 36 — Схемастабилизатора напряжения а) и меню задания на моделирование в режиме DC Sweep б)
Предполагаемые узловые напряжения в некоторых случаяхочевидны, в других случаях требуют проведения некоторых инженерных расчётов.
Напряжениев узле 7:

V(7) = V(1) – UБЭ2 = 9,3 В,
анапряжение в узле 5 после выхода схемы в режим стабилизации:
V(5) = V(1) – UБЭ2 – UБЭ3 — UСТ1 = 1,8 В,
еслиначальное напряжение источника питания V1 = 10 В, анапряжение стабилизации стабилитрона D1 UСТ1 =6,8 В.
Напряжениев узле 2 будет определяться типом выбранного стабилитрона D2 и параметрамирезисторов R3, R4:
V(2) = (UСТ2 + UБЭ5 ) (1+R4 /R3 ) = 8 В,
где UСТ2 = 3.3 В – напряжение стабилизациистабилитрона; R3 = R4 = 1k.
Тогдаустановка начальных приближений будет заключаться в установке атрибута VALUE=xxV.
Заметим,что чем в большем количестве узлов и чем точнее заданы начальные приближения,тем быстрее будет проведён анализ схемы на этапе расчёта статического режима.
Ещёодно замечание, касающееся проведения анализа на постоянном токе. Обратитевнимание, что источник тока, включённый на выходе стабилизатора, может бытьлинейным независимым (I) или источником тока, управляемымнапряжением (G) [16, 17]. С по-мощью линейного источника тока можноисследовать нагрузочную способность стабилизатора напряжения, используя вкачестве варьируемой переменной ток через него. Однако, ввиду идеальности этогоисточника тока (выходное сопротивление стремится к бесконечности), приизменении тока нагрузки не будет изменяться сопротивление нагрузки и, какследствие, практически не будет изменяться петлевое усиление схемы, охваченнойглубокой отрицательной обратной связью. Такая ситуация неадекватна реальности.Поэтому в программе Schematic с помощью источников напряжения (Е),управляемых собственным током, и источников тока (G), управляемыхсобственным напряжением, можно имитировать резистор, то есть источник токаприобретает конечное внутреннее сопротивление. Формат для записи нелинейныхпередаточных функций в текстовом файле выглядит следующим образом:
EVALUE={}
GVALUE={}.
Послеключевого слова VALUE в фигурных скобках приводитсяалгебраическое выражение, зависящее от узловых потенциалов, разности узловыхпотенциалов, токов через независимые источники напряжения и тока. Например, дляисследования нагрузочной способности стабилизатора напряжения процедураимитации активного сопротивления нагрузки (переменного резистора) в текстовомфайле с расширением *.cir выглядит следующим образом:
G1 2 0 VALUE={V(2)*V(10)*0.0125}.
Независимыйисточник напряжения V2 включён между узлами 10 и 0, начальное значениенапряжения которого – 0 В. В процессе выполнения анализа его напряжениеменяется от 0 до 1 В с шагом 10 мВ (рис. 36б); таким образом осуществляетсяуправление током зависимого источника тока G1. Токзависимого источника есть функция напряжения в узле 2 (выход СН) и управляющегонапряжения источника напряжения V1. С помощью масштабного коэффициента(0,0125) выбирается абсолютное значение тока зависимого источника тока G1. Например,если V(2) = 8,5 В, максимальное напряжение источника V2 составляет 1В, максимальный ток на выходе G1 составит 106 мА.
Приустановке источника тока типа G в схему в его атрибутах в строке Template существуетзапись:
G^@REFDES%3 %4 %1 %2 @GAIN.
Символы%3 %4 обозначают узлы выхода этого источника и указывают на то, что программа Schematics автоматическипронумерует эти узлы. Далее на место текста %1 %2 @GAIN необходимо записатьтекст в формате *.cir. В результате строка Template будетвыглядеть следующим образом:
G^@REFDES %3 %4 VALUE={V(2)*V(10)*0.0125}.

Далееприступают к моделированию. Задав вариацию напряжения источника V1, убеждаются вработоспособности СН, проверив его статический режим при начальных условиях,затем приступают к построению графиков в программе Probe.
Нарисунке 37 приведены графики выходного напряжения и коэффициента стабилизацииСН при добавлении дополнительной оси Y с другим масштабом. Выражениедля коэффициента стабилизации записывается «по определению».
Далее,задав вариацию источника V2, можно построить график зависимостивыходного напряжения СН от изменения напряжения в узле 10, а затем произвестизамену переменных – по оси Х будет откладываться ток через зависимый источниктока G1 (рис. 38).
Обратитевнимание: выходное сопротивление имеет отрицательное значение. Это означает,что с ростом тока нагрузки напряжение на выходе СН снижается. Но это иозначает, что выходное сопротивление СН на самом деле имеет положительный знак.
/>
Рис.37 — Зависимость выходного напряжения СН при изменении входного (/>) и коэффициент стабилизации (/>)

/>
Рис.38 — Зависимость выходного напряжения при изменении тока нагрузки (/>) и выходноесопротивление (/>) СН
4.2Моделирование схемы по переменному току (ACSweep)
Особенностимоделирования схемы на переменном токе приведём на примере исследованияусилителя напряжения на операционном усилителе μА741 (рис. 39).
/>
Рис. 39 — Схема исследуемого усилителя а) и задание намоделирование в режиме AC Sweep б)
Результатымоделирования схемы рисунка 39 приведены на рисунке 40.
Обратите внимание на то,что характеристики построены в логарифмическом масштабе. В этом случаевыражение DB(V(out)) означает,что на экран выведен график АЧХ усилителя (кривая, отмеченная знаком),охваченного ООС АЗ = 20lg[V(out)/V(in+)], поскольку напряжение V(in+) = 1 В. На этой же оси построен график ЛАЧХ усилителя безобратной связи (кривая, отмеченная знаком ◊), который представляет собойследующее математическое выражение:
/>,
посколькуОУ усиливает разность напряжений между входами.
Надругой оси построена фазовая характеристика разомкнутого усилителя как разностьфаз между фазами выходного напряжения и разностью входных (кривая ■).Если бы была указана трасса P(V(out), был быпостроен график фазовой характеристики замкнутого усилителя по отношению кгенератору напряжения входного сигнала V3!
/>
Рис. 40 — Результатымоделирования усилителя напряжения схемы рисунка 39
4.3Моделирование переходных процессов (Transient)
Переходныепроцессы всегда рассчитываются с момента времени t = 0 до момента , заданного в режиме Transient. Если анализ схем, в которыхиспользуются внешние сигналы, обычно не представляет трудностей, тоисследование генераторных схем не всегда завершается успешно.
Рассмотримв качестве конкретного примера особенности расчёта переходного процесса вгенераторе пилообразного напряжения (рис. 41) [18].
Периодколебаний этого генератора ориентировочно можно оценить из выражения:
T » (U0+ UБЭ2)R3 C1 /(U0– UБЭ6),
гдеU0= ER2/(R2+R1);
E – напряжение источника питания V1.
АмплитудуUП пилообразного напряжения, снимаемого с конденсатора С1, можнопредставить как:
UП @ (U0+ UБЭ2) – UОСТ,
гдеUОСТ – остаточное напряжение на открытых и насыщенныхтранзисторах Q2–Q4.
/>
Рис. 41 — Генераторпилообразного напряжения на основе аналога однопереходного транзистора

Сначаларассчитываем режим генератора по постоянному току в соответствии с заданием,предварительно определив параметры элементов для частоты колебаний 6–10 кГц иамплитуды пилообразного напряжения 5 В (ток коллектора транзистора Q1 выберем около1 мА).
Врезультате расчёта в выходном файле (*.out) создаётсятаблица узловых потенциалов. Нажатие на пиктограмму /> вызывает появление картыпотенциалов на экране (рис. 41):
V(1)=10, V(2)=5.25, V(3)=4.575, V(4)=9.325,
V(5)=0.67697, V(6)=3.9.
Еслипосле расчёта режима по постоянному току сразу перейти к расчёту переходныхпроцессов, то генератор, находящийся в одном из устойчивых состоянийравновесия, не возбудится. Можно предложить два способа запуска математическоймодели генератора пилообразного напряжения (и любых других генераторов).
1.Перед началом анализа в режиме Transient с помощью стандартного символа IC задаютсяначальные значения узловых потенциалов и(или) начальные значения напряжений наконденсаторах (и токи через индуктивности при их наличии в схеме), отличные отзначений в состоянии равновесия. Далее в задании указывается директива расчётапереходного процесса, при этом нужно отменить расчёт по постоянному току, таккак он уже задан с помощью стандартных символов IC.
Еслиавтоколебания не возникли, рекомендуется уменьшить шаг интегрирования,например, в десять раз, указав его конкретное значение в соответствующем пунктеменю Analysis/Transient.
2.Имитируя включение напряжения питания, задавать источник напряжения в виде либокусочно-линейной функции (единичного скачка), либо импульсной функции слинейным передним фронтом и длительностью в несколько наносекунд идлительностью плоской вершины, больше или равной конечному времени анализа.
Крометого, если генератор симметричен (например симметричный мультивибратор),необходимо ввести незначительную асимметрию плеч (достаточно 1 %), так какматематическая модель такого мультивибратора абсолютно симметрична!
Результатымоделирования схемы генератора пилообразного напряжения, приведённые на рисунке42, довольно хорошо согласуются с расчётными аналитическими выкладками.
/>
Рис.42 — Выходное напряжение генератора пилообразного напряжения
Естественно,приводимые примеры не исчерпывают многообразия вопросов, которые могутвозникнуть при использовании программы PSPICE. Абсолютно незатронуты вопросы моделирования цифровых схем.

Библиографический список
 
1. АктивныеRC-фильтры на операционныхусилителях / пер. с англ.; под ред. Г.Н.Алексакова. – М.: Энергия, 1974. – 64 с.
2. АлексенкоА.Г. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексенко, Е.А.Коломбет, Г.И. Стародуб. – М.: Радио и связь, 1985. – 256 c.
3. Аналоговыеи цифровые интегральные микросхемы: справ.пособие / Н.А. Барканов [и др.]; под ред С.В. Якубовского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь,1984. – 432 с.
4. АнисимовВ.И. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В.И. Анисимов,М.В. Капитонов, Ю.М. Соколов, Н.Н.Прокопенко. – Л.: Энергия, 1979. – 168 с.
5. Источники вторичного электропитания / под ред. Ю.И.Конева. – М.:Радио и связь, 1983. – 280 с., ил. (Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).
6. Model of BD329. Philips Semiconductor. Product specification (электронный ресурс). – URL: www.philips.com/_Models.
7. НогинВ.Н. Аналоговые электронные устройства: учеб. пособие для вузов / В.Н. Ногин. – М.: Радио и связь, 2010. – 304 с.
8. Полупрововодниковыеприборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронныеприборы: cправочник / под общ. ред.Н.Н. Горюнова.– 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 2008. – 744 с.
9. РазевигВ.Д. Применение программ P-CAD и Pspise для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. В 4 вып.Вып. 2. Модели компонентованалоговых устройств / В.Д. Разевиг. – М.: Радио и связь, 2009. – 70 с.
10.  Разевиг В.Д. Системасквозного проектирования электронных устройствDesingLab 8.0 / В.Д. Разевиг. – М.:СОЛОН-Р, 2008.– 704 с.
11.  Синтез активных RC-цепей. Современноесостояние и проблемы / под ред. А.А. Ланнэ. – М.: Связь, 2010. – 296 с.
12.  Соклофф С. Аналоговыеинтегральные схемы: пер. с англ. / С. Соклофф. – М.: Мир, 2008. – 583с.
13.  Старченко Е.И. PSpice пользователю: пособие/ Е.И. Старченко. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2009. – 37 с.
14.  Старченко Е.И. Базовыематричные кристаллы. Схемотехника типовых аналоговых микроэлектронных устройств:пособие по изучению теоретической части дисциплины «Аналоговые электронныеустройства» / Е.И. Старченко, В.Г. Манжула. – Шахты: ШТИБО, 2010. – 61 с.
15.  Степаненко И.П. Основытеории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко. – М.: Энергия, 2007.– 615 с.
16.  Титце У.Полупроводниковая схемотехника: пер. с нем. / У. Титце, К. Шенк. – М.: Мир, 2008.– 586 с.
17.  Шило В.Л. Линейныеинтегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре / В.Л. Шило. – 2-е изд.,перераб. и доп. – М.: Советское радио, 2009. – 386 с.
18.  Шкритек П. Справочноеруководство по звуковой схемотехнике: пер. с нем. / П. Шкритек. – М.: Мир,2010.– 446 с.
19.  Старченко Е.И. Принципы проектированиянизковольтных прецизионных аналоговых перемножителей напряжения / Е.И. Старченко// Альтернативные естественно возобновляющиеся источники энергии иэнергосберегающие технологии, экологическая безопасность регионов: Выезднаясессия Секции энергетики Отделения энергетики, машиностроения и процессовуправления РАН: материалы сессии, Ессентуки, 12–15 апреля 2008. В 2 ч. Ч. 2 / под ред. Я.Б. Данилевича. – Шахты:Изд-во ЮРГУЭС, 2008. – С. 155–163.
20.  Pat. 4,322,688US. CascodeFid-Forward amplifier / G. Kennet Schltzhauer, 2010.
21.  Карелин В.С.Проектирование рычажных и зубчато-рычажных механизмов:справочник / В.С. Карелин. – М.: Машиностроение, 2009. – 184 с.
22.  Пат. № 2287892.Российская Федерация, МПК 7 H0 3А 3/45. Преобразователь напряжение-ток / Старченко Е.И., Гавлицкий А.И.; заявительи патентообладатель Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса. №2005114551/09; заявл. 13.05.09 г.; опубл.20.11.09, Бюл. № 32. – 6 с.
23.  Пат. № 2287892.Российская Федерация, МПК 7 H0 3А 3/45. Преобразователь напряжение-ток / Старченко Е.И., Гавлицкий А.И.; заявительи патентообладатель Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса. № 2006109624/09; заявл. 27.03.08 г.; опубл.27.09.08, Бюл. № 27. – 6 с.
24.  Хайнеман, Р. Визуальноемоделирование электронных схем в PSPICE: пер. с нем. / Р. Хайнеман. – М.: ДМК Пресс,2008. – 336 с.
25.  Старченко Е.И. Аналоговыеперемножители напряжения: монография / Е.И.Старченко. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2009. – 57 с.