Cuprins

1. Memoriu tehnic ............................................................................................ 2. Prezentarea simulatorului digital .................................................................. 2.1. Tipuri de analize permise in PSpice ................................................ 2.2. Reguli pentru fisiere de date in PSpice ........................................... 2.3. Alte instructiuni de comanda .......................................................... 2.4. Probleme de convergenta ................................................................ 3. Simulare digitala cu PSpice .......................................................................... 3.1. Noduri digitale si stari logice .......................................................... 3.2. Dispozitive digitale ......................................................................... 3.3. Biblioteci ......................................................................................... 4. Circuite digitale ............................................................................................ 4.1. Caracteristici statice ale unor familii de circuite logice .................. 4.2. Hazardul combinational .................................................................. 5. Circuite mixte analogice si digitale .............................................................. 5.1. Timer-ul 555D ................................................................................ 5.2. Circuit monostabil cu timer 555D ................................................... 5.3. Circuit astabil cu timer 555D .......................................................... 5.4. Modulator in durata al impulsurilor cu timer 555D ........................ 5.5. Convertor tensiune frecventa cu timer 555D ............................... 5.6. Convertor liniar tensiune frecventa cu timer 555D...................... 5.7. Convertor digital analogic de patru biti ....................................... 5.8. Generator de tensiune liniar variabila in trepte ............................... 5.9. Convertor analogic digital de patru biti ....................................... 6. Programul Schematics .................................................................................. 6.1. Realizarea unui modul functional ................................................... 6.2. Modulul functional generator de semnale dreptunghiulare ............ 7. Aplicatii ........................................................................................................ 7.1. Sumator de doi biti .......................................................................... 8. Realizare practica.......................................................................................... 8.1. Schema bloc a unui convertor analogic digital de patru biti........ 8.2. Schema in PSPICE Schematics... 8.3. Fisierul netlist si analiza circuitului................................................. 9. Bibliografie ...................................................................................................

1 5 5 1 0 2 5 2 8 3 0 3 0 3 1 3 3 3 4 3 4 4 0 4 1 4 1 4 2 4 4 4 5 4 6 4 8 5 0 5 1 5 4 5 8 5 8 6 8

Capitolul 1. MEMORIU TEHNIC

Dezvoltarea tehnicilor de simulare i proiectare asistat de calculator este rezultatul creterii complexitii sistemelor electronice i al necesitii reducerii ciclurilor de cercetare, proiectare i totodat de punere n fabricaie ale noilor sisteme. Prin simulare, cu ajutorul calculatorului, se pot analiza i testa componente, circuite electrice i electronice, att analogice ct i digitale, fr s fie necesar realizarea lor experimental. Astfel, se pot efectua analize complexe, flexibile, precise, fiabile i ieftine, care s ia n considerare efectele variaiilor parametrilor unor componente, efectele cderilor unor componente, comportarea unor dispozitive scumpe i/sau greu procurabile precum i comportarea unor dispozitive i circuite n anumite condiii fizice foarte greu sau imposibil de analizat practic. Simularea permite utilizatorului studierea i nelegerea rapid a funcionrii unor circuite, ntr-o manier care se situeaz ntre teorie i practic, iar proiectantului i asigur gsirea mult mai rapid a soluiei optime. Pe aceast cale, se pot efectua determinri asupra punctului static de funcionare, a rspunsului la semnal mic n regim sinusoidal, a senzitivitii la variaia unor parametri de circuit, a variaiilor statice ale parametrilor componentelor electronice i a efectelor acestora asupra rspunsului circuitelor simulate, a rspunsului n regim tranzitoriu, a comportrii componentelor i circuitelor electronice n situaiile cele mai nefavorabile, a efectului temperaturii, zgomotului, distorsiunilor, precum i a comportrii n frecven (analiz Fourier). n problemele de simulare trebuie avut n vedere i convergena algoritmilor numerici. Sunt o serie de condiii care, n cazul unor modele neadecvate pentru componente sau n cazul unor circuite complicate, previn soluii eronate. Neconvergena apare la modele cu derivate discontinue, la reelele puternic neliniare, la circuitele simetrice i la cele cu reacie foarte puternic. Soluia de eliminare a neconvergenelor este specific fiecrui caz n parte, realizndu-se, n general, prin schimbarea condiiilor iniiale. De exemplu, la circuitele cu reacie foarte puternic se va ncerca analiza n bucl deschis; valorile obinute pot fi luate ca puncte de plecare ntr-o nou

2

analiz cu bucla refcut (nchis). Din fericire, cei mai muli productori prevd programe pentru diagnosticarea nonconvergenelor. Pachetul de programe SPICE este destinat analizei prin simulare cu ajutorul calculatorului, a funcionrii circuitelor electronice, coninnd modele pentru componente i dispozitive de circuit fiind capabil s simuleze circuite analogice i digitale, datele de intrare determinnd circuitul ce se dorete a fi simulat. Dei programele de simulare a circuitelor electronice difer considerabil ca mrime i performane, structura celor mai multe dintre ele, deci i a programelor SPICE, este similar, coninnd n principal subprograme de editare, analiz i de prezentare a rezultatelor obinute (programele fiind de tipul IDE - Integrated Development Environment). SPICE (Simulation Program with Integrate Circuits Emphases) este un program de simulare elaborat ncepnd cu anii 1960 la Universitatea Berkeley din California USA. Este un program larg utilizat att n mediile academice ct i n industrie i reprezint o referin pentru toi productorii de simulatoare. El cuprinde, n esen, o parte de descriere a circuitului (editare), o parte de osciloscopie-soft (forme de und, rspuns n frecven etc), o seciune de modelare i un ansamblu de biblioteci aferente. Varianta iniial i primele variante comerciale derivate din ea au fost concepute s lucreze pe calculatoare main-frame, pe cnd variantele urmtoare, cum ar fi de exemplu varianta PSPICE a firmei MicroSim Corporation, sunt concepute s lucreze i pe PC-uri. A treia generaie de simulatoare, dezvoltate n prezent, beneficiaz de multiple faciliti asigurate de dezvoltarea actual a componentelor hard i soft ale sistemelor de calcul: grafic special i de mare rezoluie, interfee interactive, reprezentarea schematic a circuitelor i algoritmi rapizi, lucrnd direct cu ecuaii difereniale, performani i cu convergen mbuntit. Cea mai important parte a programului de simulare o reprezint subprogramul de analiz, care execut analizele de circuit specificate n fiierul editat, ieirile din acest subprogram furniznd date pentru a fi utilizate ulterior de subprogramul de prezentare a rezultatelor care, de regul, materializeaz aceste date sub form de grafice i texte. Subprogramul de analiz conine procedeele numerice ale reprezentrii matematice a circuitului. Pentru a trece de la circuitul propriu-zis la un sistem matematic de ecuaii, elementele de circuit utilizate n SPICE- rezistoare, condensatoare, inductoare simple i cuplate, surse de curent i tensiune, diode, tranzistoare bipolare cu jonciuni, tranzistoare cu efect de cmp cu poart izolat - sunt reprezentate prin modele matematice. Sistemul de ecuaii care descrie ntregul circuit este determinat de ecuaiile fiecrui element i relaiile topologice care sunt date de interconectarea3

elementelor. Relaiile topologice au la baz legile lui Kirchhoff iar comportarea general a circuitului este descris printr-un sistem de ecuaii algebrice-diferenial, ale crui soluii se obin prin analiza circuitului, pentru diferite cazuri particulare de abordare: analiza de curent continuu (.DC), analiza de curent alternativ (.AC), analiza regimurilor tranzitorii (.TRAN), i altele. Aceste analize se realizeaz pe baza unor metode numerice, care implic: formularea ecuaiilor, rezolvarea ecuaiilor liniare, a ecuaiilor neliniare i integrarea numeric. Simulatorul conine i alte posibiliti de analiz, cum ar fi: - n cadrul analizei de curent alternativ, se poate face i analiza de zgomot; - n cadrul analizei de regim tranzitoriu se poate face i analiza Fourier, iar pentru toate aceste analize se mai pot efectua analize parametrice, analize de senzitiviti, analize Monte Carlo i analize ale cazului cel mai defavorabil. Se mai pot efectua analize de performan i analize de integritatea semnalelor. Acest program ofer urmtoarele avantaje: uurin i eficien n exploatare, simplitate i generalitate n proiectare. Evident, un program de simulare trebuie s fie uor de folosit de ctre proiectanii de circuite electronice, programul de simulare fiind un instrument prin care se dorete uurarea activitii de proiectare i analiz. Eficiena unui program de simulare este determinat de costul simulrii pe calculator (timpul de execuie, capacitatea memoriei interne, capacitatea memoriei externe, la care se adaug timpul necesar unor analize repetate pentru diverse valori ale parametrilor electrici i climatici). Circuitele electronice care pot fi simulate n SPICE pot conine: rezistene, condensatoare, bobine, bobine cuplate, surse independente de curent i tensiune, patru tipuri de surse dependente, linii de transmisie, comutatoare comandate n tensiune i n curent, dispozitive semiconductoare - diode, tranzistoare bipolare, JFET, MOSFET, GaAsFET i IGBT, circuite integrate analogice, circuite integrate digitale, circuite integrate mixte (de exemplu convertoare A/D i D/A), elemente electromecanice etc. SPICE are incluse modele implicite pentru dispozitive semiconductoare, iar utilizatorul trebuie s specifice numai valorile parametrilor de model corespunztoare dispozitivului folosit. Pentru circuitele integrate mai sus menionate, exist biblioteci specializate care conin modelul acestora. Precizia i veridicitatea rezultatelor simulrii care se efectueaz cu ajutorul programului SPICE, depind fundamental de precizia modelrii dispozitivelor semiconductoare i a elementelor de circuit, care trebuie s fie ct mai aproape de condiiile de funcionare i domeniul de frecven dorite de utilizator, i uneori de limitrile versiunii de program respective. Programul SPICE a fost conceput iniial pentru simularea circuitelor integrate, i de aceea toate modelele dispozitivelor active in seama de elemente de circuit parazite, asociate cu tehnologia de fabricaie. De exemplu, modelele4

tranzistoarelor conin ntotdeauna un nod care corespunde substratului. Dac acest nod nu se specific, atunci se consider c el este legat la mas i n mod automat, n modelul tranzistorului, se introduc capaciti parazite colector-substrat CCS, baz-substrat CBS, capacitatea jonciunii de izolare la polaritate zero CJS etc. n SPICE, utilizatorul poate defini subcircuite sau poate s utilizeze subcircuite din biblioteci. Un subcircuit conine listingul unui circuit electronic, definit i testat anterior i poate fi folosit n scheme mai complexe, ca o cutie neagr care prezint intrri i ieiri. Conceptul de subcircuit uureaz mult munca de analiz i simulare, permind lucrul la nivel de scheme bloc (cnd se dispune de o bibliotec de subcircuite foarte puternic) i reduce mult timpul de elaborare a fiierului iniial de date. De exemplu, n biblioteca de circuite integrate liniare LINEAR.LIB, toate circuitele integrate sunt definite ca subcircuite. Bibliotecile de circuite integrate analogice, digitale sau mixte sunt de regul create de productorul softului de simulare sau chiar de productorul componentei (lucru foarte frecvent n ultima vreme), dar acest fapt nu l oprete pe utilizator s i creeze, n timp, propria bibliotec de subcircuite. Deoarece bibliotecile de modele i de subcircuite sunt realizate sub form de texte ASCII, este foarte util pentru utilizator s examineze coninutul acestora, din care poate nva suficient de mult.

5

Capitolul 2. PREZENTAREA SIMULATORULUI DIGITAL

2.1 Tipuri de analize premise in PSpiceAnaliza de current continuu (.DC) Acest tip de analiza permite determinarea punctului static de functionare a circuitului electronic analizat, cu bobine in scurtcircuit si condensatoare in gol. Analiza de curent continuu se face in mod automat inaintea unei analize de current alternativ, in scopul liniarizarii circuitului. In exemplul de analiza a unui circuit diferential cu doua tranzistoare folosind simulatorul PSPICE, tensiunea de intrare este variat, n cadrul analizei de curent continuu, de la -0,125 Voli pn la +0,125 Voli, cu pas de 0,005 Voli. Dup efectuarea analizei de curent continuu, se poate trasa caracteristica de transfer n curent continuu, se pot calcula senzitiviti pentru diferite variabile de ieire etc. Instruciunea pentru analiza n curent continuu are una din formele urmtoare: .DC [LIN] Nume_Surs V_Start V_Stop V_Incr .DC[OCT] [DEC] Nume_Surs V_Start V_Stop Nr_Puncte .DC Nume_Surs LIST Valori Se determin curba de transfer n curent continuu n care valoarea sursei de curent continuu, cu numele Nume_Surs, este modificat liniar, n octave sau decade, ntre valoarea iniial V_Start i valoarea final V_Stop, cu pasul V_Incr, sau printr-un numr de puncte, Nr_Puncte. Ultima form permite listarea rezultatelor doar pentru anumite valori ale sursei Nume_Surs.

Calculul punctului static de funcionare (.OP) Calculul punctului static de funcionare a unui circuit se face indiferent dac se specific sau nu comanda .OP. Cnd comanda .OP nu este prezent n fiierul de date de intrare, n registrul de ieire se tipresc numai tensiunile din noduri, n6

situaia specificrii unei comenzi .OP, n listingul de ieire se vor tipri n plus curenii i puterile disipate, precum i toi parametrii de model ai tuturor dispozitivelor semiconductoare i ai surselor controlate neliniare din circuit. Instruciunea pentru determinarea punctului static de funcionare este: .OP Dup ce s-a efectuat calculul punctului static de funcionare, se poate efectua una din urmtoarele analize (dac n fiierul de intrare se solicit acest lucru): analiza de zgomot; analiza de curent alternativ; calculul senzitivittilor; calculul funciei de transfer. Analiza de curent alternativ (.AC) In cadrul analizei de curent alternativ, variabilele de ieire de curent alternativ se calculeaz ca funcii de frecven. Dup ce se calculeaz mai nti punctul static de funcionare a circuitului i se liniarizeaz circuitul, se face analiza ntr-un domeniu de frecven specificat de utilizator. Instruciunea pentru analiza de curent alternativ - n domeniul frecven, parcurs n decade [DEC], n octave [OCT] sau liniar [LIN], ntre limitele F_Start i F_Stop - are una din formele: .AC LIN Nr_Puncte_LIN F_Start F_Stop .AC OCT Nr_Puncte_OCT F_Start F_Stop .AC DEC Nr_Puncte_DEC F_Start F_Stop unde Nr_Puncte_LIN este numrul total de puncte la analiza liniar, Nr_Puncte_OCT este numrul de puncte pe octav, iar Nr_Puncte_DEC numrul de puncte pe decad, la analiza pe octave, respectiv pe decade. F_Start trebuie s fie mai mic dect F_Stop i amndou trebuie s fie mai mari dect zero. Pentru analiza de c.a. este nevoie ca modelul circuitului s conin cel puin o surs independent de c.a. de semnal mic. Analiza de zgomot (.NOISE) Acest tip de analiz se efectueaz simultan cu analiza de curent alternativ. La analiza de zgomot poate fi determinat contribuia tuturor elementelor din circui la zgomotul dintr-un nod de ieire. Valorile surselor echivalente de zgomot sunt determinate automat din punctul static de funcionare. Contribuia fiecrei surse de zgomot este sumat n modul specificat de utilizator, la zgomotul7

total de ieire Nivelul total al zgomotului la ieire i nivelul zgomotului echivalent la intrare sun determinate pentru fiecare frecven la care se face analiza de c.a. Instruciunea pentn analiza zgomotelor are forma: .NOISE V(Nod_l [Nod_2]) Nume_Surs [Interval] unde: V(Nod_1 [Nod_2]) Reprezint tensiunea de ieire Nume_Surs Interval Reprezint numele unei surse independente de curent sau tensiune creia i se calculeaz zgomotul echivalent la intrare Reprezint intervalul la care este tiprit un sumar al contribuiei la zgomotul total, a tuturor componentelor ce intervin cu cel puin o surs de zgomot.

O instruciune .NOISE trebuie s fie precedat n mod obligatoriu de o instruciune .AC. Calculul senzitivitilor (.SENS) Cu acest tip de analiz se poate calcula i tipri senzitivitatea tensiunii dintrun nod fa de fiecare parametru de dispozitiv. Se folosesc modelele liniarizate, calculate n punctul static de funcionare. Instruciunea pentru calculul senzitivitilor tuturor variabilelor de ieire, Var ies_i, fa de toate componentele i pentru fiecare variabil de intrare specificat, are forma general: .SENS Var ies_l[ Var ies_2 ] [ Var ies 3]...

Calculul funciei de transfer (.TF) Comanda .TF permite calculul i tiprirea unor caracteristici de semnal mic ale circuitului, folosind modelele liniarizate din punctul de funcionare. Rezultatele apar n listingul de ieire (fiierul .OUT) la rubrica SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS. Instruciunea pentru calculul funciei de transfer (n c.c.) are forma: .TF Var_ies_Surs_de_intrare i calculeaz funcia de transfer (intrare/ieire, n c.c), ca raport al semnalului de la nodul de ieire, Var_ies, fa de cel de la intrare, dat de Sursa_de_intrare.

8

Analiza de regim tranzitoriu (.TRAN) Acest tip de analiz calculeaz variabilele de ieire ca funcii de timp, ntr-un interval specificat de utilizator. Condiiile iniiale rezult din calculul punctului de funcionare, sau pot fi specificate explicit (IC). Instruciunea pentru analiza n regim tranzitoriu este: .TRAN Pas_timp Timp_Final [Timp_Start [Timp_Max]] [UIC] i determin rspunsul circuitului dat n domeniul timp, cu pasul Pas_Timp pn la momentul Timp_Final. Timp_Start poate specifica momentul de timp ncepnd de la care se tiprete rspunsul (implicit, Timp_Start = 0), iar Timp_Max reprezint pasul maxim de integrare (implicit, n SPICE, Timp_Max = Pas_Timp). UIC - Use Iniial Conditions apare n instruciunea de comand atunci cnd sunt specifcate condiii iniiale (.IC) pentru inductane i condensatoare. Condiii iniiale Instruciunea pentru stabilirea condiiilor iniiale n punctul static de funcionare, att pentru calculul punctului de funcionare (.OP), ct i pentru regim tranzitoriu .(TRAN) are forma: IC V(Nod_l) = Valore_1 [ V(Nod_2) = Valoare_2 [...]] Analiza Fourier (.FOUR) Odat cu efectuarea analizei de regim tranzitoriu se poate face i analiza Fourier a semnaiului de la ieire. Instruciunea pentru analiza Fourier are forma: FOUR Frecv_Fundam Var_ies_l [Var_ies_2 [...]] Se face analiza Fourier (componenta de curent continuu i primele nou armonici) a rezultatului analizei de regim tranzitoriu. Var_ies_1 sunt variabilele de ieire pentru care se dorete analiza, iar Frecv_Fundam, este frecvena fundamental. n PSPICE, ncepnd cu versiunea 5.1, se poate specifica i numrul de armonici dorite (diferit de 9- cel implicit, mai mic sau mai mare). O instruciune .FOUR trebuie s fie precedat n mod obligatoriu de o instruciune .TRAN.9

Analiza Monte Carlo (.MC) Permite asignarea de tolerane valorilor componentelor, tolerane care vor fi apoi utilizate la analize DC, AC sau de regim tranzitoriu, n timpul analizelor de tip Monte Carlo, valorile componentelor sunt variate aleator n cadrul limitelor toleranelor asignate. Instruciunea pentru analiza statistic (Monte Carlo) are una din formele urmtoare: .MC Nr_analize DC Var_ies FUNC Opiuni .MC Nr_analize AC Var_ies FUNC Opiuni .MC Nr_analize TRAN Var_ies FUNC Opiuni unde: Nr_analize Reprezint numrul de analize. Prima analiz se face pentru valorile nominale ale tuturor valorilor componentelor. Urmtoarele se fac cu varierea parametrilor specificai prin toleranele DEV i LOT din liniile cu modelul componentelor (.MODEL...). Specific operaiile ce se realizeaz i poate fi: YMAX - gsete cea mai mare diferen a variabilei de ieire, n fiecare analiz, fa de prima analiz. MAX - gsete valoarea maxim a mrimii de ieire n fiecare analiz. MIN - gsete valoarea minim a mrimii de ieire n fiecare analiz. RISE EDGE (VAL) - gsete prima apariie a unei valori mai mari dect VAL. FALL EDGE (VAL) - gsete prima apariie a unei valori mai mici dect VAL.

FUNC

Analiza de Senzitiviti i a Cazului cel mai defavorabil (.WCASE) Opiunea Monte Carlo include analiza de tip Monte Carlo propriu-zis i analiza de Senzitiviti i a cazului cel mai defavorabil (Worst Case - .WCASE).

10

La analiza de Senzitiviti i a Cazului cel mai defavorabil, la fiecare rulare se modific valoarea unei singure componente i se evalueaz efectul asupra performanelor circuitului iar, n final, se stabilete cazul cel mai defavorabil pentru circuitul analizat i dac elementele din circuit se abat de la valorile lor nominale, n cadrul tolerantelor admise. Instruciunea pentru determinarea cazului cel mai defavorabil are una din urmtoarele forme: .WCASE DC Variabila_ieire FUNC .WCASE AC Variabila_ieire FUNC .WCASE TRAN Variabila_ieire FUNC FUNC specific operaiile ce se realizeaz. Sunt aceleai ca la analiza statistic (Monte Carlo). n acelai circuit nu se pot gsi i instruciuni .MC i instruciuni .WCASE. Toleranele componentelor sunt specificate n SPICE prin comanda .MODEL. Toate modelele parametrilor pot avea asignate o toleran de dispozitiv (DEV), sau o tolerana de lot (LOT), sau ambele. Analiza parametric (.STEP) Permite calculul evoluiei unei mrimi de iesire in funcie de un element al circuitului, variabil, declarat ca parametru. Instruciunea pentru analiza parametric are una din formele urmtoare: .STEP LIN Parametru Val_Start Val_Stop Val_Incr .STEP OCT Parametru Val_Start Val_Stop Nr_Puncte_OCT .STEP DEC Parametru Val_Start Val_Stop Nr_Puncte_DEC .STEP Parametru LIST VI [ V2 [...]] Analiza circuitului se face variind valoarea parametrului Parametru, ntre valoarea iniial Val_Start i valoarea final Val_Stop, liniar cu incrementul Val_Incr sau logaritmic cu Nr_Puncte_OCT puncte pe octav sau Nr_Puncte_DEC puncte pe decad. Se poate face analiza doar pentru anumite puncte precizate.

2.2 Reguli pentru fiiere de date n PSpiceFormatul datelor i al comenzilor n SPICE Formatul de intrare al datelor i comenzilor pentru SPICE este nerestrictiv: cmpurile dintr-o linie de intrare pot fi separate de unul sau mai multe blank-uri, de11

virgule, de un semn egal (=) sau de o parantez, i, n afar de prima i ultima linie, ordinea celorlalte linii poate fi aleas oricum. O instruciune de descriere de circuit sau o comand poate s continue i pe linia urmtoare punndu-se la nceputul liniei, sau liniilor (pe care se continu), semnul plus (+). Orice identificator (de exemplu, nume de rezisten, nume de condensator etc.) trebuie s nceap cu o liter i nu poate s continue cu nici unul dintre delimitatorii amintii. Numrul maxim de caractere pentru un identificator, care este luat n considerare n SPICE, este opt. Orice numr poate fi urmat de unul din factorii de scal: T = tera; G = giga; MEG = mega; K = kilo; MIL = 2,54*micro; M = mili; U = micro; N = nano; P = pico; F = fempto. Literele care nu reprezint un factor de scal admis, i urmeaz imediat dup un numr, sau dup un factor de scal admis, sunt ignorate. Ca exemplu, aceste valori sunt echivalente n SPICE: 275E-3; 275E-3V; 275E-3Voli; 275MV. Dac dup un numr nu urmeaz nimic, valoarea respectiv se consider n sistemul internaional de uniti (Si). Descrierea circuitului n SPICE n SPICE, fiierul de date de intrare se formeaz din descrierea topologiei circuitului i un set de comenzi. n prima linie din fiierul de date de intrare, care conine descrierea circuitului, trebuie s fie scris titlul, iar la sfritul descrierii trebuie s se gseasc comanda .END. Ordinea n care se vor alege nodurile pentru a realiza descrierea circuitului este arbitrar. Fiecare element de circuit este specificat ntr-o instruciune de descriere ce conine urmtoarele cmpuri: - numele elementului; - dou sau mai multe noduri, la care este conectat; - un nume de model sau valorile de baz ale elementului; - ali parametri care caracterizeaz elementul. Nodurile trebuie s fie numere ntregi, pozitive dar nu este obligatoriu s fie notate n ordine. Masa circuitului este implicit nodul zero. n alte tipuri de programe de simulare, de exemplu PSPICE sau Design Center, nodurile pot fi notate i cu combinaii de cifre i litere. n descrierea circuitului n standardul SPICE, n fiierul de date de intrare, sunt obligatorii urmtoarele reguli: 1) - n fiecare nod este obligatoriu s fie conectate minim dou elemente, excepie tcnd nodurile liniilor de transmisie;12

2) - fiecare element de circuit trebuie s fie conectat la cel puin dou noduri; 3) - circuitul nu poate s conine o bucl format numai cu surse de tensiune i/sau bobine; 4) - circuitul nu poate conine o seciune de circuit sau un nod legat n exterior numai prin surse de curent i/sau condensatoare; 5) - pentru fiecare nod trebuie s existe cel puin o cale n curent continuu la masa. n cele ce urmeaz va fi dat sintaxa unei linii program din fiierul de intrare, pentru fiecare din elementele de circuit acceptate de SPICE. De remarcat ca o observaie foarte important, faptul c pe prima poziie din numele elementului de circuit nu se accept alt liter n afar de cea specificat. Rezistene R_nume NI N2 VAL[TC1=VAL1 [TC2=VAL2]] unde: N1,N2 R_nume Reprezint nodurile ntre care se conecteaz rezistena Reprezint numele elementului de circuit n care litera R indic faptul c elementul este o rezisten, iar nume (ir cu maximum apte caractere, care pot fi cifre sau litere) indic numrul rezistenei din circuit (de exemplu Rl, R12, RS123, RL, etc. Reprezint valoarea rezistenei, care poate s fie pozitiv sau negativ. Reprezint coeficienii de variaie a valorii VAL cu temperatura (cnd nu sunt specificai ei au valoarea zero). Dac sunt specificai, valoarea rezistenei se calculeaz cu relaia: VAL(TEMP) = VAL(TNOM)*( 1+TC1 *(TEMP-TNOM)+ TC2*(TEMP-TNOM)*2)

VAL TC1,TC2

Inductane i condensatoare L_nume N+ N-VAL [IC=INCOND] C_nume N+ N-VAL [IC=INCOND] unde: L_nume C_nume N+,NReprezint numele inductanei; Reprezint numele condensatorului; Reprezint nodurile pozitive i negative ntre care se conecteaz bobina sau condensatorul;

13

VAL INCOD

Reprezint valoarea inductanei, respectiv a condensatorului; Reprezint condiiile iniiale n element (curent iniial, respectiv tensiune iniial).

Inductane cuplate K_nume L_nume_1L_nume_2 VAL K_nume L_numel L_nume_2 L_nume_3 [L_nume_4] VAL unde: L nume I VAL Sunt numele bobinelor cuplate; Este valoarea coeficientului de cuplaj ntre bobine, 0 } G_nume N+N- TABLE { } = + G_nume N+N- LAPLACE { } = { } G_nume N+N- FREQ {} = + unde: N + i NNCl + i NClPOLY N TC P0, Pl, P2... Sunt nodurile la care se conecteaz sursa de curent Gnume ca generator; Sunt nodurile la care se aplic tensiunea de comand; Sursa este de tip polinomial; Reprezint gradul polinomului; Reprezint transconductana sursei; Sunt coeficienii polinomului.

La sursele controlate polinomial, tensiunea de ieire este numeric egal cu valoarea unei expresii de forma: V(N+, N-) = P0 + P1 * V(NC1+, NC1-) + P1 * (V(NC1+, NC1-)) ^2... + P1 * (V(NC1+,NC1-))^N n care P0 reprezint componenta de curent continuu. Curentul generat de sursa G_nume este: (G_nume) =V(NC1+, NC1-) *TC Tipurile VALUE, TABLE, LAPLACE i FREQ sunt disponibile numai cu opiunea Analog Behavioural Modeling. Pentru celelalte surse comandate se prezint numai forma simplificat, parametrii avnd semnificaii similare celor de mai sus. Surse de tensiune comandate n tensiune E_nume N+N-NC1+NC1-G E_nume POLY(N)NCl + NC1-P0 P1 [P2...1PN]...] E_nume N+N-VALUE = { } E_nume N+N-TABLE {} = + E_nume N+N-LAPLACE {} = {} E_nume N+N-FREQ { } = + > unde: G -amplificarea (sursei de tensiune comandat) Pentru sursa controlat polinomial, tensiunea de ieire este egal numeric cu valoarea expresiei; V(N+, N-) = PO + PI *V(NC1+, NC1-) + PI * (V(NC1+, NC1-)) ^2+... + PI *V(NCl+,NCl-))^N15

Surse de curent comandate n curent F_nume N+N-Nume_surs_comand G F_nume POLY(N) Nume_surs_comand P0 P1 [P2... [PN]...] unde: Nume_surs_comand - este numele sursei de curent care comand sursa F_nume; G reprezint ctigul sursei. Valoarea curentului generat de sursa F_nume, pentru cazul unei surse polinomiale, este numeric egal cu valoarea expresiei: 1 (F_nume) = P0 + P1 * l_comand + P1 * (l_comand) ^2-K.. + P1 * (1_ comand) ^N unde l_comand reprezint curentul generat de sursa de comand i P0 reprezint componenta de curent continuu. Surse independente de tensiune sau curent V_nume N+N-[[DC] VAL] [AC [VALMAG [VALPHASE][ [TS] I_nume N+ N- [[DC] VAL] [AC [VALMAG [VALPHASE]]] [TS] unde: N+ i N[DC]VAL - sunt nodurile de conectare a sursei. - este valoarea sursei n curent continuu i poate fi omis dac este zero - sunt valorile amplitudinii i fazei semnalului pentru analiza de ca. de semnal mic. Faza se exprim n grade. Dac se dorete ca o surs s intervin n analiza de ca. atunci trebuie s conin n descrierea ei cuvntul cheie AC. - reprezint specificaia de regim tranzitoriu, i poate fi: EXP pentru o form de und exponenial; PULSE pentru o form de und pulsatorie; PWL pentru o form de und cu variaie liniar; SFFM pentru o form de und modulat n frecven; SIN pentru o form de und sinusoidal.

VALMAG i VALPHASE

TS

16

PULSE (VI V2 TD TR TP PW PER) unde: VI V2 TD TR TF PW PER Tensiunea iniial Tensiunea de palier Timpul de ntrziere Timpul de cretere Timpul de descretere Lungimea impulsului Perioada

SIN (VOFF VAMPL FREQ TD DF PHASE) unde: VOFF VAMPL FREQ TD DF PHASE Tensiunea de offset; Amplitudinea semnalului; Frecvena; Timp de ntrziere; Factor de amortizare; Faza.

EXP (VI V2 TDI TCI TD2 TC2) unde: VI V2 TDI TCI Tensiune iniial; Amplitudinea semnalului; ntrzierea timp de cretere; Constanta timp de cretere;

17

TD2 TC2

ntrzierea timp de descretere; Constanta timp de descretere.

PWL(T1 VI [T2 V2[T3 V3...]]) Perechile (Ti, Vi) specific valoarea amplitudinii Vi la momentul Ti, i=l,2, SFFM (VOFF VAMPL FC MOD FM) unde: VOFF VAMPL FO MOD FM Tensiune de offset; Amplitudinea; Frecvena purttoare; Indicele de modulaie; Frecvena modulatoare.

In cele ce urmeaz sunt date descrierile concrete ale unor stimuli de tipul celor amintii anterior, creai cu editorul de stimuli, StmEd. Pentru surse de tensiune, numele ncepe obligatoriu cu litera V, urmat de combinaii de cifre i litere. n cadrul definirii stimulilor respectivi, tensiunile sunt specificate n voli, timpii n secunde, frecvenele n Hertzi i faza n grade. Pentru sursele independente de curent se definesc aceleai cinci forme de und, numele sursei ncepnd cu litera I n mod obligatoriu, iar parametrii sunt similari ca semnificaii. Comutatoare comandate n tensiune S_nume N+ N-NC+NC-Nume .MODEL Nume VSWITCH [[RON] [ROFF] [VON] [VOFF]] unde: N +, N- sunt nodurile ntre care se conecteaz comutatorul; NC+, NC- - sunt nodurile a cror diferen de potenial realizeaz comanda comutatorului;

18

N+, NNO+,NONume RON ROFF VON VOFF

Sunt nodurile ntre care se conecteaz comutatorul; Sunt nodurile a cror diferen de potenial realizeaz comanda Reprezint numele modelului comutatorului; Rezistena n conducie, valoare implicit 1 ohm; Rezistena n blocare, valoare implicit 1 Megaohm; Tensiunea de comand n conducie, valoarea implicit fiind 1 volt; Tensiunea de comand n blocare, valoarea implicit fiind 0 voli.

Comutatoare comandate n curent W_nume N+ N- VCN Nume .MODEL Nume ISWITCH [ [RON] [ROFF] [ION] [IOFF]] unde: Nume VCN ION IOFF Reprezint numele modelului comutatorului; Este dispozitivul electronic care comand comutatorul; Este curentul de comand n conducie, valoarea implicit fiind 1mA; Este curentul de comand n blocare, valoare implicit zero;

Ceilali parametri au semnificaie similar ca la comutatoarele controlate n tensiune. Dispozitive semiconductoare Fiecare linie program de descriere a unui dispozitiv semiconductor conine: numele dispozitivului (diod, tranzistor bipolar, JFET MOSFET, GaAsFET, subcircuit, circuit integrat); nodurile la care se conecteaz

19

numele modelului ce trebuie asociat dispozitivului (n care sunt precizai parametrii dispozitivului); opional - ali parametri. Dioda semiconductoare D_nume Nod_anod Nod_catod Nume_model unde: Nod_anod Nod_catod Nume_model - sunt nodurile (anod i catod) la care se conecteaz dioda D_nume. - este numele modelului ce va conine parametrii specifici

Modelul diodei semiconductoare Caracteristicile de curent continuu ale diodei sunt determinate de parametrii IS i N. Modelul conine i o rezistent onmic serie RS. Efectele sarcinii stocate sunt modelate de timpul de tranzit TT iar capacitatea neliniar de barier este determinat de parametrii CJO, VJ i M. Dependena de temperatur a curentului de saturaie este definit prin intermediul parametrilor EG (banda interzis) i XTI (exponentul cu care variaz, cu temperatura, curentul de saturaie IS). Strpungerea diodei este modelat prin creterea exponenial a curentului invers prin diod la tensiuni inverse mai mari dect tensiunea de strpungere i este determinat de parametrii tensiune i curent de strpungere invers, BV i IBV. Linia cu modelul diodei are forma urmtoare: .MODEL Nume_model D [(parametri)] Modelul diodei este dat n figura urmtoare:

20

Parametrii de model la dioda semiconductoare i valorile lor implicite (dat( ntre paranteze) sunt: IS N ISR NR IKF BV IBV RS TT CJN VJ M EG FC XTI TIKF TRSl TRS2 KF AF Curentul de saturaie (IE-14) Coeficientul de emisie electronic (1) Parametru pentru curentul de recombinare (0) Coeficient de emisie pentru ISR (2) Curentul de injecie cu purttori (infinit) Tensiunea de strpungere invers (infinit) Curentul de strpungere invers (10E-10) Rezistena parazit serie (0) Timpul de tranziie (0) Capacitatea jonciunii nepolarizate (0) Potenialul jonciunii (1) Coeficientul jonciunii (0,5) Tensiunea de barier (1.11 e V) Coeficient de neidealizate pentru capacitatea de barier, la polarizare direct (0.5) Coeficient de temperatur pentru S (t) Coeficient de temperatur pentru IKF (0) Coeficient liniar de temperatur pentru RS (0) Coeficient ptratic de temperatur pentru RS (0) Coeficient de zgomot (0) Exponentul coeficientului de zgomot (1)

21

Tranzistorul bipolar Q_nume N_Colector N_Baza N_Emitor Nume_model unde: Sunt nodurile la care sunt conectate colectorul, baza i emitorul; Nume_model Este numele modelului ce va conine parametrii tranzistorului Qnume Modelul tranzistorului bipolar (npn i pnp) n SPICE, modelul tranzistorului bipolar este o adaptare a modelului de control integral al sarcinii, al lui G imunei i Poon. Cnd nu se specific toi parametrii, se folosete modelul Ebers-Moll simplificat. Modelul de curent continuu este definit de parametrii B F, IS E, IKF i NC care determin caracteristica amplificrii curentului n conducie invers, VAF i VAR care determin conductana de ieire pentru regiunea direct i invers i IS care este curentul de saturaie. ntruct IVK, IKR, VAF i VAR nu pot lua valori zero, se face urmtoarea convenie: valoarea zero semnific faptul c aceti parametri se neglijeaz, modelul reducndu-se la modelul Ebers-Moll simplificat. n model sunt incluse i trei rezistene ohmice serie RB, RC i RE. Stocarea sarcinii n baz este modelat de timpul de tranzit direct i invers TF i TR. Capacitile neliniare de barier sunt determinate prin CJE, VJE i MJE pentru jonciunea B-E i CJC, VJO i MJC pentru jonciunea B-C. Dependena de temperatur a curentului de saturaie este determinat de banda interzis (EG) i de exponentul cu care variaz, cu temperatura, curentul de saturaie (XTI). Modelul tranzistorului bipolar este dat n figura urmtoare: N_Colector, N_Baza i N_Emitor

22

Linia cu modelul tranzistorului bipolar are una din formele urmtoare: .MODEL Nume_model NPN [parametri] .MODEL Nume_model PNP [parametri] .MODEL Nume_model LPNP [parametri] Unii dintre cei mai utilizai parametri de model pentru tranzistorul bipolar, i valorile lor implicite, sunt: IS Curentul de saturaie (IE-16) BF Factorul de amplificare n curent, beta (100) VAF Tensiunea Early direct (infinit) ISE Curentul de saturaie baz-emitor (0) NE Coeficient pentru ISE (2) BR Factorul de transfer invers n curent (1) NR Coeficient de emisie pentru curent invers (1) VAR Tensiunea Early invers (infinit) ISC Curent de saturaie colector-baz (0) NC Coeficient pentru ISC (2) RB Rezistena bazei (O) RE Rezistena emitorului (0) RC Rezistena colectorului (0) RBM Rezistena minim a bazei (0) CJE Capacitatea jonciunii baz-emitor (0) CJC Capacitatea jonciunii baz-colector (0) TF Timpul de tranziie direct (0) TR Timpul de tranziie invers (0) EG Tensiunea de barier (1.11 eV)23

TRB1 TRB2 TREI TRE2 TRC1 TRC2 KF AF

Coeficient liniar de temperatur pentru RB (0) Coeficient ptratic de temperatur pentru RB (0) Coeficient liniar de temperatur pentru RE (0) Coeficient ptratic de temperatur pentru RE (0) Coeficient liniar de temperatur pentru RC (0) Coeficient ptratic de temperatur pentru RC (0) Coeficient de zgomot (0) Exponentul coeficientului de zgomot (O)

Tranzistorul J.FET J_nume N_Drena N_Grila N_Sursa Nume_model unde: N_Drena N_Sursa Numemodel N_Grila i Nodurile la care se conecteaz drena, grila i sursa; Este numele modelului ce specifici tranzistorului Jnume. va conine parametrii

In SPICE, modelul tranzistorului JFET este derivat din modelul lui Shichman i Hodges. Caracteristicile de curent continuu sunt definite de parametrii: VTO i BETA care determin variaia curentului de drena cu tensiunea de poart , LAMBDA (care determin conductana de ieire) i IS care este curentul de saturaie al jonciunilor porii. Sunt incluse dou rezistene ohmi ce RO i RS. Sarcina variaz pentru ambele jonciuni ale porii cu tensiunea jonciunii, la puterea 1/2 i sunt definite de parametrii CGS, CGD i PB. n figura urmtoare se d modelul tranzistorului JEET.

24

Unii dintre cei mai utilizai parametri de model pentru tranzistorul MOSFET, sunt: L W AD AS PD PS NRD NRG NRB M Lungime canal Lrgime canal Aria de difuzie drena Aria de difuzie surs Perimetru de difuzie drena Perimetru de difuzie surs Rezistena relativ drena Rezistena relativ gril Rezistena relativ substrat Factor de multiplicare, cnd se leag mai multe tranzistoare n paralel Tensiunea de prag (0) Rezistena serie a drenei (0) Rezistena serie a sursei (0) Capacitatea gril -surs (0) Capacitatea gril -drena (0)25

VTO RD RS CGSO CGDO

CGBO CBD CBS TOX KF AF IS N FC PB

Capacitatea gril -substrat (0) Capacitate de barier substrat-dren (0) Capacitate de barier substrat-surs (0) Grosime strat oxid Coeficientul de zgomot (0) Exponentul coeficientului de zgomot (0) Curent de saturaie (TE- 14) Coeficient de emisie pentru IS (1) Coeficient de neidealitate (0.5) Potenial de barier, substrat-dren, substrat-surs

2.3. Alte instructiuni de comandaPrecizarea numelui circuitului se face cu o linie avnd urmtoarea form general: Nume circuit - se gsete n prima linie a fiierului de date de intrare. Instruciunea pentru introducerea unui comentariu are forma: Comentariu - se poate plasa oriunde n fiierul de date de ntrare. O linie a fiierului de date de ntrare, n care s-a introdus un comentariu, are forma: Linia de date - comentariul din linie. Instruciunea pentru inserarea unui fiier disc n fiierul curent are forma: .INC [nume fsierdisc] Instruciunea care marcheaz sfritul fiierului de date de ntrare, are forma: .END i este ultima instruciune executabil n standardul SPICE ea este obligatorie, dar la versiunile mai noi i n PSPICE aceasta este opional Instruciunea pentru definirea distribuiei toleranelor elementelor de circuit are forma: .DISTRIBUTION Curba de distribuie, prin care se controleaz generarea numerelor aleatoare ataate ca tolerane elementelor de circuit, este definit de perechea de valori: deviaie cu valori n gama (-1,+1) i probabilitatea - care poate fi pozitiv sau 0. Pot fi specificate 100 perechi , cu deviaiile n ordine strict cresctoare. Instruciunea pentru definirea unui model are forma:

26

.MODEL Nume_model Nume_element ([PARAM=VAL (TOL )])Nume_model PARAM TOL Nume_element Este numele modelului i de obicei ncepe cu aceeai liter ca i dispozitivul al crui Este numele parametrului i VAL este valoarea sa Reprezint specificaii asupra toleranei valoriiparametrului. Se poate specifica tolerana fiecrui dispozitiv prin cuvntul cheie DEV i tolerana de lot prin cuvntul cheie LOT. Este numele CAP - condensator; IND - inductan; RES - rezisten; D -diod; NPN - tranzistor bipolar NPN; PNP - tranzistor bipolar PNP; NJF - JFET cu canal N; PJF - JFET cu canal P; NMOS -MOSFET cu canal N; PMOS MOSFET cu canal P CORE Transformator

Instruciunea pentru tiprirea / trasarea grafic a rezultatelor, n fiierul de ieire cu extensia .OUT, are una din formele: .PRINT DC Var_ies_1 [ Var ies_2 ... Var ies_8] .PRINT AC Var_ies_1 [Var_ies_2 ... Var_ies_8] .PLOT NOISE Var_ies_l [Var ies_2 ... Var_ies_8] .PLOT TRAN Var_ies_l [ Var_ies_2 ... Var_ies_8] unde variabilele de ieire, Var_ies_i, (tensiune sau curent) sunt de forma: V(N1 [,N2]) VR(N1 [,N2]) V1(N1 [,N2]) VM(N1 [,N2]) VP(N1[N2]) VDB(N1 [,N2]) I(V_nume) IR(V nume) TI(V nume) Dvl(V nume) lP(V_nume) IDB(Vnume) Indic diferena de potenial ntre nodul Partea real Partea imaginar Amplitudinea Faza 20 Ig (Amplitudine) Curentul prin sursa independent de tensiune V_nume Partea real Partea imaginar Amplitudinea Faza 20 Ig (Amplitudine)27

Pentru analiza de zgomot, variabilele de ieire sunt de forma: INOISE (x) - zgomot echivalent la intrare ONOISE (x) - zgomot la ieire Instruciunea PROBE (valabil numai n PSPICE) ere forma: .PROBE Var ies_l [ Var_ies_2 ... Var_ies_i ] Instruciunea PROBE scrie rezultatele unei analize DC, AC sau TRAN ntrun fiier cu extensia .DAT pentru a fi utilizate de post-procesorul grafic PROBE. Variabilele de ieire au aceeai semnificaie ca n cazul instruciunilor PRINT i PLOT. Instruciunea pentru descrierea unui subcircuit este: .SUBCKT Nume_Subcircuit NI [N2 [N3...]] unde: Nume_Subcircuit (care ncepe cu o liter i continu cu o combinaie de cifre i litere) este numele subcircuitului ce urmeaz a fi definit, iar N1,N2, N ... sunt nodurile sale externe (conectate cu restul circuitului n care va fi inclus). N1,N2, N3 nu pot fi zero (nodul zero al subcircuitului se va conecta n mod automat la nodul zero din schema n care este inclus). Subcircuitul descris poate fi apelat n cadrul descrierii unui circuit ori de cte ori este nevoie. Nu exist nici o limit n ceea ce privete dimensiunea i complexitatea unui subcircuit. Ultima instruciune din definiia unui subcircuit cu numele Nume_Subcircuit este (n mod obligatoriu): .ENDS [ Nume_Subcircuit] Instruciunea pentru inserarea (apelul) unui subcircuit cu numele Nume_Subcircuit ntr-un circuit de analizat este: .X nume NI [N2[N3...] ] Nume_Subcircuit Nodurile NI, N2, N3... sunt nodurile din circuitul total analizat la care se leag subcircuitul n momentul expandrii. Semnificaia sau poziia nodurilor din apel trebuie s fie identic celei din definiie. Instruciunea de definire a parametrilor are forma: .PARAM Nume_Parametru Val_Parametru unde: NumeParametra - este numele parametrului iar Val_Parametru - este valoarea lui. Instruciunea de definire a temperaturii are una din formele: .TEMP Valoare_temperatura .TEMP Valoare_temperatura_1... Valoare_temperatura_l Implicit valoarea temperaturii este de 27 grade Celsius. Instruciunea de definire a limii paginii de ieire, pentru datele ce vor fi scrise n fiierul .OUT, are forma: .WIDTH OUT = Valoare_lime_pagin28

Valoare_lime_pagin este numrul de coloane i poate fi 80 (valoarea implicit) sau 132. Pentru asignarea unor valori iniiale, ale tensiunilor din noduri, se utilizeaz comanda: .NODESET V n nodui = Valoareiniial Tensiunea specificat pentru un nod nu este folosit dect ca soluie de plecare, deoarece valoarea ei adevrat va fi ulterior calculat. In PSpice se pot defini diferite funcii matematice, cu instruciunea: .FUNC Nume_funcie Definiia_funciei Intr-o funcie pot figura maxim zece argumente. La apelul unei funcii, tipul i numrul argumentelor trebuie s corespund cu cele din comanda de definire a funciei. Cnd se lucreaz cu elemente de circuit, al cror model se afl n biblioteci de modele, trebuie specificat biblioteca sau bibliotecile n care trebuie s caute programul: .LIB Nume_bibliotec_l ... Nume_bibliotec _i

2.4. Probleme de convergentaToate analizele care se pot efectua n programele de tip SPICE, utilizeaz algoritmi iteractivi. n cadrul fiecrui algoritm se ncepe cu un set de tensiuni n noduri, i la fiecare iteraie se calculeaz un nou set care s fie ct mai aproape de soluiile date de legile lui Kirchhoff, privind tensiunile i curenii. Se presupune c fiecare dintre algoritmi, dup un numr de iteraii mai mare sau mai mic, funcie de complexitatea analizei cerate, asigur convergena. Dac dup un numr de iteraii nu se poate asigura convergena, atunci analiza se oprete i se afieaz un mesaj de eroare. Apariia unor probleme de convergen la calculul punctului static de funcionare oprete efectuarea tuturor celorlalte tipuri de analize. n majoritatea cazurilor de acest fel utilizatorul a fcut greeli n cerinele de analiz ; exist i cazuri pentru care puterea algoritmilor este limitat. cazul analizei de curent continuu Cele mai multe cazuri n care apar probleme de convergen la analiza de curent continuu sunt circuitele cu reacii regenerative simple sau multiple, circuitele cu histerezis i circuitele care lucreaz n puncte statice de funcionare critice. In aceste situaii nu se recomand efectuarea analizei de curent continuu deoarece, la un anumit moment de timp, algoritmul se va bloca n jurul unui punct n care sunt posibile dou sau mai multe soluii. De aceea, n astfel de cazuri, utilizai analiza de regim tranzitoriu n care stimulul de intrare s fie un semnal ramp lent (PWL cu amplitudinea de 5 Voli,29

desfurat pe 1 secund). In acest fel suntei sigur c timpii de comutare ai circuitului nu vor afecta nivelele de histerezis. De fapt, se ntmpl ceva asemntor cu ceea ce facei n laborator cnd modificai ncet tensiunea de intrare pn cnd circuitul comut. Avantajul folosirii analizei de regim tranzitoriu n astfel de situaii este acela c pasul de timp este reglabil automat nainte i napoi i, dac pentru un pas de timp se constat variaii mari ale parametrilor dorii, atunci se micoreaz pasul i se reiau calculele, n cadrul aceleeai analize. La analiza de curent continuu se merge cu pasul de analiz numai ntr-o singur direcie, fie nainte fie napoi. cazul calculului punctului static de funcionare n situaia apariiei unor probleme de convergen la calculul punctului static de funcionare, cel mai bun remediu l constituie folosirea comenzii .NODESET, n care unor noduri, sau tuturor nodurilor, li se asigneaz valori iniiale. De exemplu, dac putei aproxima cu 0,5 Voli tensiunile ntr-un nod, este bine s specificai n fiierul de date de intrare acest lucru, folosind comanda .NODESET. Sau, folosind comanda .IC, putei specifica de asemenea condiii iniiale. Comanda .IC este prioritar comenzii .NODESET. Pentru un amplificator operaional este util s specificm semnalul de intrare, dar specificarea ieirii este de un real ajutor. Cu toate acestea, cazurile n care apar probleme de convergen, la calculul punctului static de funcionare, sunt rare. Aceasta deoarece n algoritmul de calcul, de exemplu la PSPICE, dac apare o astfel de problem, se micoreaz valoarea sursei de alimentare, pn la zero dac este necesar, i se reia calculul, oprindu-se la valoarea la care se poate obine o soluie. Cnd se micoreaz valoarea sursei de alimentare, din cauza apariiei unor probleme de convergen, pe ecran apare un mesaj de tipul: Power supplies cut back to 25 % sau alt procent i programul va relua calculele. cazul analizei de regim tranzitoriu n cazul apariiei de probleme de convergen la analiza de regim tranzitoriu exist cteva remedii. ncercai modificarea toleranei relative, RELTOL, de la 0,001 la 0,01 (selecia opiunilor n PSPICE, de exemplu), ncercai de asemenea modificarea numrului de iteraii, ITL4=50 sau mai mic, VNTOL de la IjiV la 1 m V, ABSTOL de la 1 pA la InA, sau chiar 1 uA. De cele mai multe ori ns, problemele de convergen la analiza de regim tranzitoriu apar din cauza modelrii incorecte a unor elemente neliniare de circuit, de obicei nespecificarea sau specificarea incorect a unor elemente parazite (capaciti, inductiviti etc).

30

Capitolul 3. SIMULARE DIGITAL CU PSPICEOpiunea Digital Simulation pentru PSPICE permite simularea eficient a circuitelor care conin circuite digitale i a circuitelor care conin i circuite analogice i digitale (mixte). Componentele digitale se includ n circuitul de intrare (fiierul .CIR) la fel ca i cele analogice. Istoric, s-au utilizat diferite programe pentru simularea circuitelor analogice i digitale. Simulatoarele analogice calculeaz cureni i tensiuni, n timp ce simulatoarele digitale calculeaz stri logice, de exemplu 1,0, necunoscut etc. Algoritmii care se utilizeaz sunt foarte diferii. Din aceast cauz mult timp cele dou tipuri de simulatoare s-au dezvoltat fr a exista comunicaie ntre ele. Astfel, un utilizator care ar avea un circuit mixt ar trebui s l separe n dou i fiecare parte s o analizeze separat cu un simulator corespunztor. O astfel de operaie este foarte dificil, mai ales dac exist reacii ntre cele dou pri. Opiunea Digital Simulation pentru PSPICE permite simularea unor circuite analog-digitale n mod normal, fr mprirea circuitului n parte analogic i parte digital , i conine un procesor logic i algoritmi de calcul al tranziiilor, ntrzierilor de propagare precum i pentru interfaarea ntre componente analogice i digitale.

31

Rularea fiierelor care conin i, sau numai, circuite cu componente digitale, se face similar cazului analogic.

3.1. Noduri digitale i stri logiceNodurile digitale sunt acele noduri n care se conecteaz numai componente digitale. Numele unui nod digital poate fi un numr ntreg sau o combinaie de cifre i litere. Simularea unui circuit digital nseamn calculul valorii tuturor nodurilor, valori numite stri logice. Uzual, nodurile digitale au numai dou nivele logice (1 i 0) dar n practic mai este necesar un nivel (x - necunoscut). Astfel, n PSPICE exist:

Semnificaie Low, false, no, off High, true, yes, on Unknown: poate f High, Low,intermediar,instabil. Pentru a calcula nivelul unui nod digital legat la mai multe noduri de ieire, este necesar asignarea unei semnificaii fiecrei ieiri. Astfel, n PSPICE exist: F D W Z - Fora (de ex., alimentarea); -Conductor (ieire poart); - Vrf (pull-up resistor); -High-Z

Nivel 0 1 X

Combinnd cele trei nivele cu cele patru tipuri de ieiri care pot fi legate la un nod, rezult 12 combinaii, pe care le vom numi stri logice. n plus, mai exist nc 16 stri interne cu care PSPICE i descrie mai n detaliu fiecare nod. Aceste considerente sunt necesare pentru cazurile cnd mai multe ieiri sunt legate la un nod. Mai exist i nodul O sau masa, care are zero voli i nodul neconectat (unde se leag ieiri ce nu sunt folosite). Astfel, n PSPICE exist, pentru simularea digital : $ D HI 1 $ D LO O $D_X X32

$ D_NC

Neconectat

3.2. Dispozitive digitaleDispozitivele digitale au forme similare celor analogice. Forma general: U ([(parameter)valuej) +^(timing model) name> U STM ( ,< (format)value>) + [TIMESTEP= < (stepsize)value>] + < (waveform description)> n continuare se descriu parametrii pentru modelul IO. JNL - capacitate de intrare; OUTLD - capacitate de ieire; DRVH - rezistena de ieire n starea sus; DRVL - rezistena de ieire n starea jos; A to D - numele subcircuitului A to D; D to A - numele subcircuitului D to A. Numele componentelor digitale ncepe cu litera U. Exist un format pentru componente i unul pentru generatoarele de stimuli digitali. Componentele pot fi pori, bistabile, latch-uri, iar generatoarele de stimuli sunt similare surselor de tensiune sau curent independente, care aplic ntr-un nod o anumit form de und, specificat. Dup numele componentei urmeaz tipul ei i posibilii parametri. Numrul parametrilor depinde de tipul componentei i denot lucruri ca de exemplu, numrul de intrri, etc. Dup parametri urmeaz unul sau mai multe noduri. Intr-un nod se pot conecta dispozitive analogice sau digitale. Dac ntr-un nod sunt legate att componente analogice ct i digitale, PSPICE creeaz un bloc de interfa pentru translaia ntre stri logice i tensiuni. Multe componente au dou modele care urmeaz dup noduri. Primul model conine caracteristicile de timp, al doilea caracteristicile de ncrcare pe intrri i pe ieiri (IO model). Unele componente (pull-up resistors) au numai model IO. Componentele digitale primitive joac acelai rol ca i rezistoarele, condensatoarele, tranzistoarele etc, n circuitele analogice. Fiecare component poate avea una sau mai multe intrri i una sau mai multe ieiri. Unele componente digitale prezint memorie. Generatoarele de stimuli nu au model de timp separat, el fiind inclus n descrierea intern. Ele au numai model IO, care este urmat de specificator referitor la unda generat.33

Tipul ieirii (sau ieirilor) unei componente este determinat de parametrii DRVH i DRVL din modelul IO i de opiunile DIGSTRF, DIGSTRD i DIGSTRW din linia .OPTIONS. Dac rezistenta de comand n modelul IO este mai mic dect DIGSTRF atunci componenta este F; dac nu, dar este mai mic dect DIGSTRD este D; dac nu, dar este mai mic dect DIGSTRW este W, altfel aste Z. Cnd ieirile trei-stri sunt dezactivate ele se consider tot Z. Dac numerele DRVH i DRVL din modelul IO sunt diferite atunci nivelele O i 1 au diferite puteri. Acest lucru l ntlnim la dispozitivele open-collector. Caracteristicile de timp ale componentelor digitale sunt determinate att de caracteristicile de timp din modelul de timp ct i de modelul IO. Modelul de timp fixeaz constrngeri de timp, ca timpul de poziionare (propagare) i timpul de pstrare (memorie), ntrzierile de propagare sunt fixate de suma ntrzierilor dintre valorile din modelul de timp i ntrzierile suplimentare date de ncrcarea circutelor. ntrzierile de ncrcare sunt calculate pentru fiecare dispozitiv innd cont de ncrcarea extern pe fiecare pin i de capacitile interne (luate din modelul IO). Aceste capaciti, combinate cu rezistenele de comand (luate tot din modelul IO), dau ntrzierile de ncrcare ale fiecrui dispozitiv. Aceste calcule se fac la citirea circuitului i ele rmn fixe att timp ct circuitul nu se schimb. ntrzierile finale vor fi suma ntrzierilor din model i ntrzierilor datorate ncrcrilor.

3.3. BiblioteciOpiunea Digital Simulation conine biblioteci cu cele mai utilizate componente TTL, LS, CMOS etc. Toate componentele sunt modelate cu definiii de subcircuite. Astfel, plasarea unui dispozitiv digital din bibliotec nseamn plasarea unui dispozitiv "X" (un subcircuit), n fiierul curent (.CIR). Acest lucru este similar cu plasarea amplificatoarelor operaionale sau comparatoarelor de tensiuni din bibliotecile analogice. Bibliotecile sunt accesate incluznd n fiierul surs linia .LIB nume bibliotec. Ca i bibliotecile analogice, bibliotecile digitale sunt fiiere text care pot fi examinate, modificate i chiar mbuntite. Este foarte indicat ca utilizatorii s examineze coninutul bibliotecilor pentru c ele conin comentarii i informaii folositoare pentru dezvoltri ulterioare.

34

Capitolul 4. CIRCUITE DIGITALE 4.1. Caracteristici statice ale unor familii de circuite logiceFolosind schemele interne ale porilor elementare ale familiilor de circuite logice, putem analiza funcionarea acestor pori cu tehnici de analiz analogic. Ne propunem, n continuare, s refacem cteva din aceste analize folosind tehnicile analogice PSPICE. Poarta TTL standard Poarta elementar a acestei familii de circuite logice este poarta I-NU (NAND). Pentru a putea face o analiz PSPICE, utilizm schema prezentat mai jos n care circuitul are o singur intrare; comportarea circuitului este aceeai cu a circuitului cu dou intrri (care realizeaz funcia logic F=A*B), doar c funcia logic realizat este NU(F = A). Rezultatele analizei convenionale pot fi sintetizate n caracteristica de transfer a porii TTL standard i regimurile de lucru ale tranzistoarelor.

35

Pentru o analiz PSPICE utilizai urmtorul fiier de intrare: Poarta TTL standard VIN 200V VCC 1 O 5V Ql 4 3 2 QNPN Q2 6 4 5 QNPN Q3 9 5 O QNPN Q4 7 6 8 QNPN .MODEL QNPN NPN D 8 9 DINT .MODEL DINT Rl 1 3 4K R2 16 1.6K R3 5 0 1K R4 17 130 .OP .DC VIN OV 5V 0.01V .TEMP 0.0 27.0 100.0 .PROBE V(9) V(2) .END

36

Pentru trasarea caracteristicii, rulai programul i selectai, la ncrcarea datelor n Probe, seciunea T = 27C. Trasai tensiunea de ieire V(9) avnd pe axa X tensiunea de intrare V(2). Comparai caracteristica de transfer obinut cu PSPICE cu cea obinut prin analiza convenional. Diferenele se explic prin faptul c ambele analize sunt aproximative, dar nu au aplicat exact aceleai aproximaii. i nu uitai c n PSPICE circuitul lucreaz fr sarcin. Observai n programul anterior prezena instruciunii TEMP care determina o analiz a circuitului la trei temperaturi ambiante: OC, 27C i 100C Pentru a vedea influena temperaturii asupra caracteristicii de transfer, v propunem s rencrcai fiierul de date anterior selectnd de data aceasta opiunea AII pentru a ncrca toate cele trei seciuni de date din fiier. Trasnd V(9), avnd pe axa X mrimea V(2), vei obine cele trei caracteristici, cte una pentru fiecare temperatur de analiz. Remarcai timpul lung de ncrcare a datelor n Probe. n fereastra de trasare a curbelor, putei observa un numr foarte mare de mrimi calculate de PSPICE pe care le putei selecta pentru afiare. Pentru a micora durata de ncrcare i, mai ales, pentru a nu sufoca programul Probe cu o cantitate foarte mare de date inutile, instruciunea .PROBE permite precizarea mrimilor de interes. Poarta NMOS static Aceast poart are la baz circuitul inversor prezentat n figura urmtoare, unde Ml este un MOSFET cu canal iniial de tip n, iar M2 este un MOSFET cu canal cu mbogire de tip n. n figura de mai jos este prezentat circuitul inversor NMOS:

37

Pentru o analiz PSPICE folosim urmtorul program: Poarta NMOS static VDD1 0 5V VIN 300V Ml 12 2 2 MOSCI .MODEL MOSCI NMOS (VTO=-2.5V KP=10E-5) M2 2 3 O O MOSCB .MODEL MOSCB NMOS (VTO-1.25V KP=20E-5) .OP .DC VIN OV5V0.05V .PROBE .END

Circuite logice combinaionale Programul PSPICE permite simularea uoar i eficient a circuitelor care conin att componente analogice ct i componente digitale. Se pot simula i circuite care conin doar componente digitale. n timp ce opiunea de simulare analogic calculeaz tensiuni i cureni, opiunea de simulare digital permite i calculul nivelurilor logice. Nivelurile logice nu trebuie n mod neaprat s corespund unei anumite tensiuni. Nivelurile logice utilizate de PSPICE sunt: Nivel 0 1 R F X Z Semnificaie sczut ridicat (front) cresctor (front) descresctor necunoscut impedan ridicat

38

Toate analizele PSPICE (AC, DC, TRAN) pot fi aplicate circuitelor care conin i componente digitale. Totui, PSPICE permite modelarea limitat a componentelor numerice, suficient pentru testarea funcionalitii unor circuite mixte analogice i digitale. Pentru proiectarea i simularea complet, realist, a circuitelor digitale se recomand utilizarea unor programe specializate n simularea digital, cum ar fi programul PLogic al firmei MieroSim Corporation. In continuare, vom prezenta principalele posibiliti ale opiunii de simulare digital, fr a avea pretenia de a face o prezentare complet. Poarta logic SAU-NU de tip 7402 Cele mai simple circuite logice combinaionale sunt porile logice. Versiunea de evaluare a programului PSPICE furnizeaz n biblioteca sa cteva exemple de variante comerciale de pori logice: circuitul SAU-NU cu dou intrri 7402, inversorul 7404, inversorul open-colector 7405, triggerul Schmitt 7414. Versiunea complet PSPICE (varianta profesional) este livrat cu o bibliotec de componente digitale cu sute de dispozitive digitale comerciale. Un circuit care cuprinde o singur poart SAU-NU este prezentat n figura:

Cele dou semnale de la intrrile circuitului sunt generate ca trenuri de impulsuri utiliznd opiunea PWL a sursei independente de tensiune. Poarta SAUNU este descris printr-un apel la subcircuitul 7402 definit n biblioteca DC3EVAL.LDB. Nodurile din instruciunea de apel sunt cele dou intrri urmate de ieire. Fiierul de intrare pentru analiza circuitului aste urmtorul: Poarta SAU-NU 740239

VCC40 5V X 1 2 3 7402 .LIB DC3EVAL.LIB VI10PWL(0s 0V 0.1ms 5v s 5V 1.000 1s 0V 2s 0V + 2.0001s 5V 3s 5V 3.0001s 0V 4s 0V 4.0001 5V 5s 5V) V220PWL(0s 0V 1.5s 0V 1.5001 s5V 1.7s 5V 1.7001s + 0V3.5s 0V 3.5001s 5V 4.5s 5V 4.5001s 0V 5s 0V) R 4 3 100K .TRAN 0.01ms 5s .PROBE .END PSPICE recunoate trei tipuri de noduri: analogice, digitale i de interfa. Tipul unui nod este determinat de tipul componentelor care sunt conectate la acel nod. Dac toate componentele sunt analogice / digitale, atunci nodul este analogic / digital. Dac la nod sunt conectate att componente analogice ct i digitale, atunci nodul este considerat de interfa. PSPICE separ automat fiecare nod de interfa ntr-un nod analogic i un nod digital, insernd ntre ele unul sau mai multe circuite interfa analogic-digitale. Putei observa aici c PSPICE a generat automat instruciuni de apel al subcircuitelor de interfa pentru fiecare nod considerat de interfa. De asemenea, PSPICE genereaz automat instruciuni de apel al subcircuitelor pentru descrierea surselor de alimentare digitale. Remarcai c adugarea rezistenei R la ieirea porii logice, care funcional nu era necesar, a determinat transformarea nodului digital 3 n nod de interfa. Astfel, dispunem att de varianta digital a semnalului din nodul 3 (referit prin 3$DtoA), ct i de varianta analogic a aceluiai semnal (referit prin V(3)). Pentru a nelege diferena de reprezentare analogic i digital a nodului de interfa, v propunem pentru nceput s afiai cu Probe, pe acelai grafic, mrimea V(3) i corespondentul digital 3$DtoA. Remarcai faptul c semnalul digital este reprezentat separat pe treimea superioar a graficului, reprezentarea fiind de tip logic (pe niveluri logice). Activai modul cursor n Probe i, deplasndu-v pe curba V(3), de la stnga la dreapta, observai c fereastra Probe Cursor afieaz pe trei coloane poziia pe axa X, amplitudinea mrimii analogice afiate i nivelul logic corespunztor. De asemenea, observai c nivelul logic corespunztor poziiei cursorului este afiat i n dreptul semnalului digital asociat nodului (n legend, ntre numele i reprezentarea logic a semnalului). n continuare, deschidei din nou n Probe fiierul de date i trasai pe grafice separate semnalele din nodurile analogice ale circuitului i anume mrimile V(l),40

V(2) i V(3). Apoi adugai versiunile digitale ale acestor trei semnale (din nodurile digitale asociate nodurilor analogice): l$AtoD, 2$AtoD i 3$DtoA. Verificai dac circuitul realizeaz funcia logic SAU-NU. Exist posibilitatea ca analiza regimului tranzitoriu s nu poat fi terminat cu succes, mai ales dac duratele impulsurilor sunt mari (de ordinul secundelor); tranziiile (fronturile) sunt prea rapide pentru scara de timp aleas. O soluie simpl de rezolvare a acestei probleme este micorarea duratelor semnalelor aplicate la intrare.

4.2. Hazardul combinationalPorile logice sunt utilizate la realizarea unor circuite combinaionale sau secveniale cu grade mari de complexitate. Porile logice reale se caracterizeaz printr-un timp de propagare finit. Prezena acestuia poate duce la apariia unor impulsuri false, n general de scurt durat, care, ns, pot compromite sigurana n funcionare a ansamblului. Situaiile respective se numesc situaii de hazard. Vom ilustra cele spuse mai sus pe un exemplu simplu de circuit combinational (hazard combinational) prezentat n figura urmtoare:

41

Circuit logic combinational pentru ilustrarea hazardului combinational: Funcia logic realizat de circuit este: Y=X1*X2 V X2*X3. Pentru a ilustra apariia fenomenului de hazard combinational datorit timpilor de propagare (de ntrziere), vom considera c inversorul UI este unul real, avnd un timp de propagare nenul., n timp ce toate celelalte pori sunt considerate ideale, avnd timpul de propagare nul.

Capitolul 5. CIRCUITE MIXTE ANALOGICE I DIGITALE 5.1. Timer-ul 555D

42

Unul dintre cele mai populare i rspndite circuite integrate este circuitul temporizator (timer) 555. Succesul su se datoreaz ctorva caracteristici cum ar fi versatilitatea, stabilitatea i preul sczut. Timer-ul 555 este constituit din dou comparatoare de tensiune, un circuit basculant bistabil (CBB), un etaj de ieire, un tranzistor de descrcare i o reea rezistiv de divizare. Pentru a nelege funcionarea timer-ului, n figura urmtoare este prezentat schema intern.

Schema bloc intern a timer-ului 555 Reeaua rezistiv de divizare este folosit pentru a fixa pragurile pentru comparatoare. Cum cele trei rezistene au valori egale, comparatorul de prag are referina la 2/3 din tensiunea de alimentare Vcc, iar comparatorul de declanare are referina fixat la 1/3 din Vcc. Ieirile comparatoarelor comand CBB. Cnd intrarea de declanare este cobort sub Udecianare=Vcc/3, comparatorul i schimb starea i seteaz CBB, comandnd ieirea la un nivel ridicat. Intrarea de prag monitorizeaz n mod normal tensiunea de pe condensatorul unei reele de temporizare RC. Cnd tensiunea pe condensator depete Uprag=2 Vcc/3, comparatorul de prag reseteaz43

CBB, comandnd ieirea la un nivel cobort. n aceast stare, tranzistorul de descrcare este deschis, descrcnd astfel condensatorul extern de temporizare. Odat ce condensatorul este descrcat, ciclul de temporizare este complet i timerul ateapt un nou impuls pe intrarea de declanare. Timer-ul 555D este varianta MOS a timer-ului 555 realizat n tehnologie bipolar. Modelul su este inclus n biblioteca DC3EVAL.LIB a versiunii de evaluare PSPICE. El este modelat ca un subcircuit, ordinea de definire a pinilor fiind la fel cu numerotarea pinilor n capsula cu opt terminale. Pentru detalii privind implementarea modelului putei s vizualizai cu un editor de texte fiierul bibliotec, n continuare, vom folosi acest model pentru ilustrarea funcionrii ctorva circuite fundamentale realizate cu circuitul timer 555D.

5.2. Circuit monostabil cu timer 555DAceasta configuraie necesit doar dou componente externe (R i C) conectate ca n figura urmtoare. Se mai poate aduga un condensator CD de decuplare a tensiunii de referin pentru comparatoare, care mrete imunitatea la zgomot a timer-ului. Timer-ul 555 este un circuit mixt analogic i digital, astfel c subcircuitul care l modeleaz are att noduri analogice ct i digitale. Pentru a fora PSPICE s converteasc nodul de ieire, care este unul digital, ntr-un nod analogic, cuplm la ieire o rezisten de sarcin Rg (care este o component analogic). Durata impulsului furnizat la ieire de acest monostabil este T - 1,1 RG Pentru valorile particulare din schem obinem T = 1,1 ms. S analizm cu PSPICE funcionarea circuitului folosind urmtorul fiier de intrare:

Monostabil cu 555D VCC 3 O IOV X O 1435223555D .LIB dc3eval.lib R 23 1K RS40 10K C20 luF CD5 0 10nF44

Vcomanda 1 O PULSE + (8VOV0.5ms 1us + 1us 0.5ms 3ms) .TRAN 0.05ms 10ms .PROBE .END

Circuit monostabil cu 555D Rulai programul i, n Probe, trasai pe grafice separate urmtoarele mrimi: V(l) -tensiunea de comand, V(2) -tensiunea pe condensatorul de temporizare i V(4) -tensiunea analogic de ieire. Folosind modul cursor al programului PSPICE, putei msura tensiunea de prag UPRAG =6,6436 V precum i durata impulsului generat T = 1,0945 ms. Aceste valori sunt foarte apropiate de valorile teoretice calculate: 6,666 V i 1,1 ms

5.3. Circuit astabil cu timer 555DCu nc o component suplimentar RB adugat reelei de temporizare formate din RA i C, se obine circuitul astabil din figura urmtoare. Frecvena de oscilaie este dat de relaia: f=l,49/(RA+2RB)*C

45

Trasai cu Probe tensiunea pe condensatorul de temporizare V(3) i, pe un grafic separat, formele de und de la ieirea timer-ului: semnalul digital 4$DtoA i semnalul analogic V(4). Deoarece avei un singur semnal logic afiat i PSPICE aloc implicit acestor semnale 33% din ecran, este util, pentru o vizualizare mai bun a semnalelor analogice, s setai parametrul Percentage of Plot to be Digital (accesibil din Plot Digital Size) la valoarea sa minim, 14. Putei uor msura i calcula: UDECLANARE = 3,3605 V; UPRAG = 6,6558 V; T = 8,3347 ms i f = 119,98 Hz. Aceste valori sunt foarte apropiate de cele calculate: 3,33 V; 6,66V; 8,053 ms i 124,16 Hz.

5.4. Modulator n durat al impulsurilor cu timer 555DControlnd tensiunea de referin a comparatorului de prag, i implicit pe cea a comparatorului de declanare, care este jumtate din prima tensiune, cu ajutorul unei surse VCONTROL legat la intrarea de control a timer-ului conectat ntr46

o configuraie de monostabil, se obine modulatorul n durat al impulsurilor din figura urmtoare:

Considernd un semnal de ceas (VIN) de 4 kHz pentru declanarea monostabilului i un semnal de comand (UCOMAND) sinusoidal de 200 Hz, avnd amplitudinea de 3V centrat pe un offset de 5V, fiierul PSPICE utilizat pentru analiza funcionrii circuitului este urmtorul: Modulator n durata al impulsurilor cu 555D VCC 1 O 9V Vcontrol 5 O SIN(5V 3V 200Hz) VIN 3 O PULSE(8V IV 50us 2us 2us 5us 250us) X03 4 1522 1 555D LIBdc3eval.lib R 1 2 5K RS4010K C 2 O lOnF TRAN lOus 5ms Ous lOus .PROBE .END Rulai programul i trasai cu Probe, pe grafice separate, semnalul de ceas V(3), semnalul de comand V(5), tensiunea pe condensatorul de temporizare V(2) i tensiunea de ieire V(4), Pe graficele obinute putei urmri foarte clar funcionarea circuitului, condensatorul de temporizare ncrcndu-se pn la tensiunea de control VCONTROL i descrcndu-se pn la tensiunea VCONTROL / 2.

47

5.5. Convertor tensiune-frecvent cu timer 555Dn cazul n care controlul tensiunilor de referin ale comparatoarelor se face analog cu cazul precedent, pentru timer-ul conectat ntr-o configuraie de astabil, se obine un convertor tensiune-frecvent. Pentru analiza acestui circuit, prezentat n figura urmtoare putei utiliza urmtorul fiier de intrare: Convertor tensiune frecvena cu 555D VCCIOIOV Vcontrol 5 O PWL(Oms 6V lOms 6V 30ms 3V 40ms 3V + 80ms 9V 90ms 9V lOOms 6V) XO 3 41 5 3 2 1 555D LIB dc3eval.lib RAI 2 1K RB2 3 8K RS 4 O 10K C 3 0 0.2uF .OPTION ITL5-OITL1-500 .TRAN O.lmslOOms .PROBE .END

48

Convertor tensiune-frecvent cu 555D Pentru a obine formele de und care descriu funcionarea acestui circuit, trasai cu Probe mrimea V(4) i, pe un grafic separat, V(5) mpreun cu V(3). Observai c, i n acest caz tensiunea pe condensatorul de temporizare variaz ntre VCONTROL i VCONTROL/2, valorile celor dou tensiuni de referin ale comparatoarelor controlate de sursa extern aplicat la intrarea de control. Putei msura perioada generat pentru diverse valori ale tensiunii de control alegnd un domeniu corespunztor de afiare pe axa X. Rezultatele obinute sunt prezentate n tabelul urmtor: Domeniu ax X [ms] 4-8 30-34 80-88 Vcontrol [V] 6 3 9 T [ms] 2,1445 1,5071 4,167 f[Hz] 999,76 663,52 239,98 K =f/VcontroI [Hz/V] 166,62 221,17 26,664

In acest tabel s-au calculat att frecvena generat ct i raportul ntre frecvena generat i valoarea tensiunii de control. Remarcai c acest ultim coeficient k nu este constant, ceea ce demonstreaz c acest convertor tensiunefrecven nu este liniar.

5.6. Convertor liniar tensiune-frecven cu timer 555DUtiliznd un amplificator operaional mpreun cu timer-ul 555D se poate obine o conversie liniar tensiune-frecven. O variant a unui astfel de convertor avnd un coeficient de transfer de aproximativ 3 kHz/V este cel din figura urmtoare:

49

Folosind cel mai simplu model de AO real, programul PSPICE de analiz a acestui circuit poate fi urmtorul: Convertor liniar tensiune-frecvena VCC80 15V XI234A01 .subckt AOI min pin out e out O pin min 2e5 rin min pin Imeg .ends X204687558 555D .LIB dc3eval.lib VIN101VPWL(OinslVImsIv2ms3V3ms3V4ms5V5ms5V) R112 100K R2 3 6100K R3 8 5 10K CI 3 02nF C2 2 4 2nFIC=-5V C3 4 0 10nF IC=-5V

50

C4 5 0 2nF C5 7 0 10nF .TRAN0.2ms 5mns UIC .PROBE .END Pentru verificarea liniaritii conversiei, folosii datele din rularea programului, pentru afiarea cu Probe, pe grafice diferite, a tensiunii de intrare V(l) i a semnalului de ieire V(6). Alegnd un domeniu adecvat pentru axa X, putei msura perioada generat i putei calcula frecvena generat i coeficientul de conversie pentru diverse tensiuni de intrare: Domeniu ax X [ms] 0,5 + 1 2,5A2,7 4,5A4,7 Vw [V] 1 3 5 T [ms] 327,93 109,69 65,971 f [Hz] 3,0493 9,116 15,158 k = f/ViN [Hz /V] 3049,3 3038,6 3031

Observai c nu am utilizat pentru aceste msurri primele 0,5 ms, deoarece acestea reprezint durata procesului tranzitoriu de la alimentarea circuitului. Neliniaritile obinute sunt sub 0,5%, o performan bun pentru circuitul simplu i ieftin utilizat. Pentru o mai bun nelegere a funcionrii circuitului putei vizualiza cu Probe i alte mrimi, ca de exemplu V(C2), V(3), V(4) i V(5),

5.7. Convertor digital-analogic de patru biiConvertorul digital-analogic este un circuit care furnizeaz la ieire o mrime analogic (curent sau tensiune) proporional cu numrul aplicat la intrare sub form de combinaie de variabile binare.

51

Legtura intrare-ieire este o funcie definit pe o mulime discret (mulimea numerelor aplicate la intrare) cu valori ntr-un anumit interval de tensiuni sau cureni de ieire. Pentru un convertor digital-analogic ideal cu ieire n tensiune, respectiv curent: Vo =N*V, respectiv i0 =N *1 unde N reprezint numrul aplicat la intrare, iar AV i AI reprezint treptele de tensiune, respectiv de curent, corespunztoare unei uniti aplicate la intrare (pentru N =1 avem V0 =V respectiv i0 = l). O variant simpl de convertor digital-analogic cu ieire de tensiune o reprezint un circuit sumator cu AO cu reea de rezistene ponderate. Schema pentru patru bii de intrare este prezentat n figura:

n schema din figura urmtoare, numrul binar de la intrarea convertorului digital-analogic este generat de un numrtor binar de patru bii de tipul 74393. Circuitul constituie un generator de tensiune liniar variabil n trepte. Nu ne putem atepta la o precizie i o liniaritate foarte bune deoarece tensiunile furnizate la52

ieirile numrtorului nu sunt riguros egale cu OV (pentru bic=0) respectiv cu VR (aproximativ 3,5 V pentru bk = 1). Aceste tensiuni variaz datorit ncrcrii diferite a ieirilor numrtorului.

5.8. Generator de tensiune liniar variabil n treptePentru verificarea funcionrii circuitului i trasarea caracteristicii intrareieire, pentru convertorul digital-analogic cu care este realizat circuitul, utilizai urmtorul program: Convertor D/A de patru bii XI ceas reset l 2 3 4 74393 .LIB dc3eval.lib X2506AO .SUBCKTAOmin pin out EGaO pin min 1E5 E c O b O 1.0 RIN mm pin 1MEG R a b 1K ROUT c out 50

53

C b O 15.91uF.ENDS.subcktAOImin pin out e out O pin min 2e5 nn min pin Imeg .ends USTILM(2,11) $G_DPWR + $DGND + reset ceas IO_ STD + OmsOl Ims II 2ms 01 + LABEL BUCLA + +lmsOO + +lms01 + +lms GOTO BUCLA 20 TIMES RU 5 { 8 * R } R2 2 5 { 4 * R} R335{2*R} R445{R) R5 5 6 {R} .PARAMR-1K .TRAN O.lms 50ms Qms O.lms .PROBE .END Pentru nceput, remarcai faptul c AO a fost modelat ca un AO real cu band finit (subcircuitul utilizat pentru descrierea lui este cel avnd denumirea AO). Dispozitivul digital de comand U furnizeaz impulsurile de resetare i ceas necesare pentru analiza circuitului. Rulai programul i trasai cu Probe tensiunea analogic de ieire V(6), semnalele digitale de comand ale numrtorului reset i ceas, precum i semnalele digitale de intrare n convertor 4$DtoA, 3$DtoA, 2$DtoA, l$DtoA. Mai adugai un traseu, i anume {4$DtoA 3$DtoA 2$DtoA l$DtoA};cod. Ultima expresie va determina gruparea celor patru semnale digitale de la intrarea convertorului sub numele cod i afiarea lui ca un singur traseu, valorile semnalelor fiind date grupat sub forma unei singure cifre hexazecimale. Activai cursorul Probe i completai tabelul de mai jos cu valorile tensiunii de ieire pentru cele aisprezece numere binare distincte aplicate la intrare: Noduri de intrare [valori digitale] 4 3 2 1 0 0 0 0 Tensiunea de ieire [V] -0,167

54

0 0 1

0 0 1

0 1 ... 1

1 0 ... 1

-0,586 -0,992

Att din acest tabel ct i din formele de und se remarc liniaritatea i precizia mic a acestui circuit, aa cum ne-am ateptat de la nceput. S verificm n continuare dac neliniaritatea circuitului analizat este dat de modul de generare a tensiunilor la intrarea sumatorului. Pentru aceasta, modificai programul de analiz anterior, astfel: Convertor D / A de patru bii * intrri generate cu surse de tensiune * XI5 O ieire AO.SUBCKTAOmin pin out EGaO pin min 1E5 EcObO 1.0 RIN min pin 1MEG R a b 1K ROUT c out 50 C b 015.91uF .ENDS R115 {8*R} R2 2 5 {4*R} R3 3 5 {2*R} R4 4 5 {R} R5 5 ieire {8/3.5 *R} .PARAM R-1K VOI 05 V VI 2 05V V2 3 OOVV3400V .DC VO LIST OV 3.5V VI LIST OV 3.5V .STEP V2 LIST OV3.5V .PRINT DC V(2) V([ieire]) .END Pentru a obine un coeficient de transfer unitar, trebuie s alegem R5=Ro=(23 / VR)-R4. Din pcate, nu avem posibilitatea s baleiem simultan patru variabile (cei patru bii de intrare). De aceea, primii doi bii sunt baleiai cu instruciunea . DC

55

(care nu permite dect maxim dou variabile baleiate), iar al treilea bit este baleiat cu o instruciune. STEP. Dac dorii s baleiai i bitul 4, trebuie s copiai tot programul nc o dat n acelai fiier, s modificai valoarea bitului 4 n programul al doilea i s rulai fiierul de intrare astfel obinut (putei ncerca singuri acest lucru).Remarcai c, dac un nod este denumit cu un nume i nu cu un numr, referina la potenialul su trebuie fcut punnd numele ntre paranteze drepte: V([numenod]). Rulai programul i vizualizai rezultatele din fiierul de ieire. Se vede foarte clar liniaritatea convertorului (V2 corespunde bitului 2, V(2) corespunde bitului 1, iar VO corespunde bitului O - cel mai puin semnificativ).

5.9. Convertor analogic-digital de patru biiConvertorul analogic-digital este un circuit care furnizeaz la ieire un numr proporional cu raportul dintre valoarea mrimii analogice aplicate la intrare i o mrime de referin. O posibilitate de realizare a unui convertor analogic-digital este cea cu reacie (avnd schema bloc din figura urmtoare) i cu generare de tensiune n trepte. Blocul de generare a numerelor furnizeaz o secven de numere cresctoare ncepnd cu 0. Generarea secvenei se blocheaz n momentul n care tensiunea la ieirea convertorului analogic-digital devine mai mare dect tensiunea de intrare VIN. Numrul prezent la intrarea convertorului analogc-digital n acest moment este tocmai conversia digital a tensiunii de intrare.

56

Pentru analiza acestui circuit, programul PSPICE este urmtorul: Convertizor A/D de 4 bii cu reacie * cu generare de tensiune n trepte VIN 7 O -8V XI 9resetl23 4 74393 .LIB dc3eval.lib X2 5 06 AO .SUBCKT AO min pin out EGaOpinmin 1E5 EcObO 1.0 RIN min pin 1MEG RablK ROUTcout50 Cb015.91uF .ENDS Rl 1 5 {8*R} R2 2 5{4*R} R3 3 5 {2*R} R4 4 5{R}

57

R5 5 6 {2.6*R} .PARAMR=1K X3 8 ceas 9 PAND .SUBCKT P AND A B Y OPIONAL: + DPWR-$G_DPWR DGND=$G_DGND U AND(2) DPWR DGND A E Y T_AND IO_STD .MODEL T_AND UGATE TFLHTY-20ns TPHLTY-20ns .ENDS * comparatorul Ecomp 8 $G_DGND TABLE {V(6,7)*1E5} (OV,OV 5V,5V) Rcomp 6 7 1MEG USTIM(2,11) $G_DPWR $G_DGND reset ceas IO_STD + 0ms 01 1ms 11 2ms 01 + LABEL BUCLA + +lms 00 + +lms 01 + +lms GOTO BUCLA 14 TIMES .TRAN O.lms 35ms Ora O.lms .PROBE .END

Convertor analogic-digital de patru bii58

Valoarea lui R5 este ajustat, fa de cazul din paragraful anterior, pentru a obine o constant de conversie unitar. Comparatorul este modelat cu ajutorul opiunii TABLE a sursei comandate de tensiune Ecomp. Dispozitivul digital de stimulare U furnizeaz semnalele digitale reset i ceas necesare funcionrii circuitului. Rulai programul i trasai cu Probe, pe acelai grafic, tensiunea de la ieirea convertorului analogic-digital V(6), tensiunea de intrare V(7) i urmtoarele semnale digitale: comenzile reset i ceas, ieirea digital a comparatorului 8$AtoD, semnalul de ceas la intrarea numrtorului 9, ieirile digitale ale numrtorului 4$DtoA, 3$DtoA, 2$DtoA, ISD to A (aceste ultime patru semnale reprezint de fapt ieirea convertorului analogic-digital) i, n final, ieirea digital a convertorului analogic-digital vzut ca un singur semnal digital cu valoarea precizat n hexazecimal: {4$DtoA 3$DtoA 2$DtoA ISDtoA); cod. Dac avei un adaptor grafic cu o rezoluie mai mic, s-ar putea s avei nevoie s mrii zona alocat afirii semnalelor digitale (Plot, Digital Size, Percentage of Plot to be Digital 40 pentru un adaptor VGA) pentru a putea avea pe ecran toate semnalele digitale dorite. Activai cursorul Probe i deplasai-1 pn dup momentul n care ieirea comparatorului (nodul 8) devine 0. Putei citi acum la ieirea convertorului codul 1000 (8 n hexazecimal), ceea ce n zecimal reprezint cifra 8, egal cu modulul tensiunii aplicate la intrare (VIN = - 8 V). Rulai din nou programul pentru diverse valori ale tensiunii de intrare convertorului analogic-digital) i, n final, ieirea digital a convertorului analogicdigital vzut ca un singur semnal digital cu valoarea precizat n hexazecimal: {4$DtoA 3$DtoA 2$DtoA ISDtoA}; cod. Dac avei un adaptor grafic cu o rezoluie mai mic, s-ar putea s avei nevoie s mrii zona alocat afirii semnalelor digitale (Plot, Digital Size, Percentage of Plot to be Digital 40 pentru un adaptor VGA) pentru a putea avea pe ecran toate semnalele digitale dorite. Activai cursorul Probe i deplasai-1 pn dup momentul n care ieirea comparatorului (nodul 8) devine 0. Putei citi acum la ieirea convertorului codul 1000 (8 n hexazecimal), ceea ce n zecimal reprezint cifra 8, egal cu modulul tensiunii aplicate la intrare (VIN = - 8 V). Rulai din nou programul pentru diverse valori ale tensiunii de intrare VIN cuprinse ntre 0 V i 15 V i verificai corectitudinea codului digital generat de convertor. VIN cuprinse ntre 0 V i 15 V i verificai corectitudinea codului digital generat de convertor.

59

Capitolul 6. PROGRAMUL SCHEMATICSFirma Microsim Corporation pune la dispoziia doritorilor un pachet de programe de evaluare cunoscut sub numele de Design Center. Dup instalarea sa, urmtoarele programe sunt disponibile: PSpice, Probe, Parts, Stimulus Editor (StmEd) i Schematics. Programul Schematics este un editor grafic de circuite (scheme) care va permite utilizatorului s-i deseneze circuitul ntr-o form adecvat analizei PSPICE. Ne propunem n continuare s ilustrm modul de lucru cu acest program, pe cteva exemple reprezentative.

6.1. Realizarea unui modul funcionalAnaliza n curent continuu a unei puni rezistive Primul exemplu considerat pentru desenarea i analiza circuitului folosind programul Schematics este cel prezentat n figura de mai jos:

60

Crearea fiierului grafic pentru circuit Lansai programul Schematics i observai c fereastra care apare conine o linie de meniuri i o zon disponibil pentru desenare. Pentru uurina plasrii componentelor, aceast zon de lucru este marcat cu o reea de puncte (caroiaj). Din meniul Draw selectai comanda Get New Part..., apoi din fereastra Add Part care apare, selectnd butonul Browse..., obinei o nou fereastr denumit Get part. Aceasta are n partea dreapt o list cu bibliotecile de componente disponibile (ABM.SLB, ANALOG.SLB, BREAKOUT.SLB etc.) iar n partea stng are o list cu componentele coninute n biblioteca aleas. Cu un clic cu butonul mouse-ului selectai biblioteca SOURCE.SLB iar apoi, din lista Part din stnga, alegei sursa de tensiune VSRC. Dup comanda OK observai forma modificat a cursorului grafic care s-a transformat n simbolul sursei; aceast component o vei putea plasa oriunde pe suprafaa de lucru (n colul din stnga jos sunt indicate coordonatele). Dup poziionarea corect a componentei, printr-un simplu clic cu butonul din stnga al mouse-ului fixm sursa pe ecran adugnd-o n schema desenat. Deoarece nu avem nevoie i de alte surse, cu un clic pe butonul din dreapta al mouse-ului dezactivm comanda Get New Part... i cursorul revine la normal. Dup ce o component este plasat n schem (ca sursa de mai sus), aceasta va putea f deplasat prin tehnici specifice interfeei grafice Windows. Executai un clic cu butonul din stnga pe componenta pe care dorii s-o deplasai; ea i schimb culoarea n rou, aceasta nsemnnd c ea este selectat. Prin apsarea i meninerea butonului stng al mouse-ului concomitent cu deplasarea sa, componenta este mutat n noua poziie dorit. Se pot selecta ( i apoi muta simultan) mai multe componente deodat prin ncadrarea lor cu un dreptunghi meninnd apsat butonul stng al mouse-ului (click and drag). De semenea, se pot face selectri / deselectri multiple succesive de componente prin clic pe componenta respectiv, innd n acelai timp tasta Shift apsat. Dac dorii s tergei o component (sau un grup de componente), mai nti selectai-le, iar apoi dai comanda Cut din meniul Edit (sau apsai tasta Delete). Dup amplasarea sursei, urmeaz s adugai cele ase rezistoare ale schemei astfel: din meniul Draw alegei comanda Get New Part... i n fereastra Add Part tastai R (sau cu Browse... selectai din biblioteca ANALOG.SLB componenta R). Dup comanda OK cursorul se transform n simbolul unui rezistor n poziie orizontal. Amplasai-1 deasupra sursei apsnd butonul din stnga iar apoi pe cel din dreapta, pentru dezactivarea comenzii. Din Edit selectai comanda Rotate care va roti simbolul rezistorului cu 90 (Atenie: nainte de comanda Rotate asigurai-v c rezistorul este selectat.) Dac este necesar, putei deplasa rezistorul n poziia dorit utiliznd procedeul descris anterior.61

Plasai n mod identic celelalte cinci rezistoare din schem. Dup selecia componentei R prin comanda Get New Part..., putei plasa cele cinci rezistoare prin cinci clie-uri succesive n cinci poziii diferite fr s dezactivai comanda). Dac este necesar, putei roti componenta cu 90, nainte de plasarea sa, utiliznd comanda scurt pentru Rotate (Shift+R). n continuare, elementele de circuit trebuie interconectate ntre ele. Pentru aceasta, din meniul Draw alegei comanda Wire (sau direct Ctrl + W). Remarcai transformarea cursorului grafic ntr-un creion. Cu un clic pe butonul stng marcai punctul de nceput al traseului; deplasai cursorul i observai c legtura este trasat temporar cu linie punctat; marcai apoi punctul de sfrit al traseului, moment n care linia trasat se transform ntr-una continu de culoare verde. Dac pe traseu dorii s schimbai direcia cu 90, atunci executai un clic n acel punct, apoi continuai trasarea conexiunii. Dac dup analizarea unei conexiuni dorii s trecei la o alt legtur ntr-o alt parte a schemei, apsai tasta Space, deplasai-v n noul punct al schemei (deplasarea are boc fr trasarea conexiunii) i realizai noua conexiune prin aceeai procedur ca mai nainte. Cu un dublu clic pe butonul din stnga sau cu un clic pe butonul din dreapta dezactivai comanda Wire. tergerea unui traseu nedorit se face astfel: selectai traseul (un clic cu butonul din stnga pe traseu) i dai comanda Cut din meniul Edit (sau apsai tasta Delete). Dup tergeri multiple este util s executai o comand Redraw din meniul Draw (Ctrl + L) pentru a efectua o redesenare a circuitului. Pentru ca schema s fie complet, este nevoie s-i adugai un punct de mas. Acesta se ia din biblioteca PORT.SLB cu denumirea AGND, printr-o procedur de plasare a unei componente descris anterior. In acest moment, avem schema desenat, dar dac privii cu atenie, toate rezistoarele au valoarea predefinit de 1 k, iar sursa nu are nici o valoare pentru tensiune. Puntea rezistiv desenat cu programul Schematics:

62

Pentru a preciza valoarea sursei procedai astfel: - selectai sursa din schem; - din meniul Edit selectai comanda Atrributes...; - din fereastra care apare selectai DC= apoi Change Display; - n noua fereastr Change Attribute nscriei ia Value valoarea 12V apoi activai Display Value (pentru ca valoarea s fie vizibil n schem); - cu dou clic-uri succesive pe OK nchidei cele dou ferestre. Remarcai c n schem, alturi de simbolul sursei, este nscris valoarea de 12V. Dac dorii s deplasai acest text, procedai ca la deplasarea unei componente sau legturi (selectai obiectul, iar apoi mutai-1 cu butonul stng al mouse-ului inut apsat). n continuare, selectai pe rnd rezistoarele i utiliznd algoritmul expus anterior, schimbai valorile rezistoarelor. Dac dorii s realizai acest lucru un pic mai repede, dai un dublu clic pe valoarea rezistenei i, n fereastra Set Attribute Value care apare, tastai valoarea dorit. Dac v declarai mulumii cu schema pe care ai desenat-o (care trebuie s semene cu cea din figura anterioar) salvai fiierul grafic cu numele EX.SCH. Crearea fiierului Netlist (lista de legturi)63

Pentru ca programul PSPICE s poat analiza circuitul desenat anterior, el are nevoie de un fiier creat din examinarea schemei care s conin tipul componentei, nodurile ntre care este conectat i valoarea ei. Aceast operaie o face programul Schematics n mod automat dac, din meniul Analysis, alegei comanda Create Netlist, n urma executrii acestei comenzi se creeaz fiierul EX.NET. Putei s examinai coninutul acestui fiier cu comanda Examine Netlist din meniul Analysis De exemplu, linia: R_R l $N_0001 $N_0002 50 in