Исследование переходных процессов в режиме Probe Transient Analysis
Введение
В настоящее время при проектировании электронных устройств широко применяются различные системы моделирования электронных схем. Моделирование схем позволяет на ранней стадии выявить ошибки, определить основные характеристики устройства, не прибегая к дорогостоящему макетированию. При этом значительно сокращается время и стоимость проектирования электронных устройств. Системы схемотехнического проектирования с успехом могут использоваться для более глубокого изучения электронных приборов и устройств.
В методическом пособии рассматриваются основные методы анализа аналоговых схем в системе схемотехнического проектирования MicroCAP. Приводится методика анализа переходных процессов, расчет частотных характеристик, определение статических характеристик. Пособие содержит индивидуальные задания и примеры их выполнеия, позволяющие освоить методику анализа и проектирования аналоговых схем с использованием современных систем моделирования. Система MicroCAP работает под управлением операционной системы Windows 9x и более поздних версий.
Более полную информацию о системе моделирования MicroCAP можно получить в книге: Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования MicroCAP. Дополнительную информацию о системе, ее новых версиях, а также демонстрационную студенческую версию бесплатно можно получить на сайте разработчика – http://www.spectrum-soft.com..
Из меню Help можно вызвать демонстрационную программу Demo, которая в анимационном режиме показывает основные возможности системы моделирования. Целесообразно перед изучением системы моделирования MicroCAP запустить программу Demo.
1. Создание принципиальных схем
Процесс моделирования аналоговых схем можно разбить на ряд этапов:
- ввод принципиальной схемы устройства;
- задание параметров источников сигнала;
- задание параметров моделирования;
- моделирование и анализ полученных результатов.
Для работы с MicroCAP используется интерактивный графический интерфейс.
1.1. Интерфейс системы моделирования MicroCAP
Система моделирования MicroCAP имеет удобный стандартный интерфейс, принятый в Windows, что облегчает ее использование. Основное окно (рис. 1.1) состоит из системного меню, кнопок меню схем, строк кнопок инструментов, рабочего окна, в котором рисуется схема, вертикальная и горизонтальная линейки прокрутки рабочего поля, линейки прокрутки листов схемы. В правом нижнем углу расположены две кнопки: просмотр списка флагов и кнопка переключения окно схем – окно текста. Рассмотрим кнопки меню схем.
Меню File содержит команды для работы с файлами схем, текстовыми заданиями в формате SPICE, вывода на печать.
Меню Edit содержит команды редактирования стандартные для операционной системы Windows и команды редактирования системы MicroCAP.
Меню Component содержит библиотеки аналоговых и цифровых компонентов (элементов). Библиотеки имеют иерархическую структуру с ниспадающими окнами. Библиотеки аналоговых компонентов содержат пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, стабилитроны), активные компоненты (транзисторы различных типов, операционные усилители), источники сигналов и питания и некоторые другие.
Меню Windows содержит команды управления окнами и команды вызовов программ редактирования библиотеки компонент, редактирования графических изображений компонентов, идентификации параметров моделей аналоговых компонентов.
Меню Options содержит команды выборов режима редактирования схем, задания различных параметров системы MicroCAP и выбора панелей списков компонентов (Component Palette). На панели списков компонентов размещают имена наиболее часто употребляемых компонентов. При использовании панели списков компонент нет необходимости обращаться к сложному иерархическому меню Component. При выборе одной из панелей в рабочем окне появляется список выбранных компонентов. Список компонентов можно редактировать. Всего можно создать 9 различных панелей. Система MicroCAP поставляется с четырьмя готовыми панелями. Создание и редактирование панелей списков компонент описано в приложении В. Панели раскрываются нажатием клавиш Ctrl+<номер панели>.
Меню Analysis содержит перечень различных видов моделирования:
- Transient Analysis – анализ переходных процессов;
- AC Analysis – анализ частотных характеристик;
- DC Analysis – анализ передаточных функций по постоянному току.
Каждый из видов моделирования может работать в режиме Probe. Режим Probe дает удобное средство для быстрого просмотра сигналов в различных узлах схемы.
1.2. Создание принципиальных схем устройства
Создание принципиальных схем устройства осуществляется в следующей последовательности:
- в рабочем окне в режиме добавления компонентов в схему (Component mode) размещают все требуемые компоненты схемы;
- в режиме выбора объектов (Select mode) располагают и ориентируют компоненты согласно заданной схеме;
- в режиме ввода ортогональных проводников (Wire mode) соединяют выводы компонент;
- с помощью команды "Номера узлов" (Node numbers) выводят номера узлов схемы, необходимые для формирования задания для моделирования.
Режимы и команды редактора схем могут задаваться с помощью кнопок, выведенных на панель инструментов. В таблице 1 приводятся изображения кнопок и действия, совершаемые при их активизации.
Добавление компоненты в схему осуществляется в режиме выбора компоненты (Component mode) путем выбора нужной компоненты из иерархического меню Component. Однако более просто выбрать необходимую компоненту из списка компонентов (Component Palette). Component Palette выводится в окно схем из меню Options. При выборе компоненты появляется окно, в котором для пассивных компонентов необходимо задать их величину, а при выборе активных - задать модель или тип из предлагаемого списка справа. Например, транзистора типа 2N3904 (Рис.1.2).
Таблица 1
| Режим | Назначения |
 Select mode
(Выбор)
| Выбор объектов для выполнения следующих операций: редактирование, очистка (без копирования в буфер обмена), удаление (с копированием в буфер обмена), перемещение, вращение. Отдельный объект выбирается щелчком мыши. |
 Components mode(Компоненты)
| Добавление компонентов в схему |
 Wire mode(Цепи)
| Ввод ортогональных проводников (цепей) |
 Node numbers(Номера узлов)
| Вывод номеров узлов схемы |
Числовые значения параметров компонентов представляются в виде:
- действительных чисел с фиксированным десятичным знаком (точкой). Например, сопротивление 1,5 кОм, записывается как 1500, а емкость 1 мкФ как 0.000001;
- действительных чисел с плавающим десятичным знаком - научная нотация. Например, емкость 1 мкФ записывается как 1Е-6;
- действительных чисел с плавающим десятичным знаком - инженерная нотация, согласно которой различные степени 10 обозначаются следующими суффиксами:
F фемто 10 –15 K кило 10 3
P пико 10 –12 MEG мега 10 6
N нано 10 –9 G гига 10 9
U микро 10 –6 T тера 10 12
M милли 10 –3
При этом большие и малые буквы не различаются. Для большей наглядности после стандартных суффиксов разрешается помещать любые символы, которые при интерпретации чисел не будут приниматься во внимание. Например, сопротивление 1,5 Мом может быть записано как 1.5MEG, 1.5meg или 1500К, емкость 1 мкФ как 1U, 1u, 1uF или 1UF. Пробелы между числом и буквенным суффиксом не допускаются.
Перемещение компоненты осуществляется в режиме Выбор (Select mode)
с помощью манипулятора "мышь" путем выбора ее и удержания левой кнопкой. Ориентация компоненты производится после ее выбора последовательным нажатием правой кнопки до тех пор, пока компонента не примет нужное положение.
Соединение компонентов между собой осуществляется в режиме ввода ортогональных проводников (Wire mode). Для этого указатель "мыши" устанавливается в точку, из которой будет выходить проводник. Затем, нажимая и удерживая левую кнопку, ведут линию в конечную точку соединения и там кнопку отпускают.
При создании схем доступны еще некоторые полезные кнопки, приведенные в таблице 2.
Таблица 2
| Режим | Назначения |
| Редактирование и опрос | |
 Text mode
(Текст)
| Нанесение на схему текстовых надписей: |
 Diagonal mode
(Диагональные цепи)
| Ввод цепей под определенным углом |
 Graphics mode
(Графика)
| Рисование графических объектов: линий, прямоугольников, ромбов, эллипсов, дуг, секторов круга |
 Info mode
(Информация)
| Ввод информации о параметрах выбранного щелчком мыши компонента с возможностью редактирования |
 Help mode
(Помощь)
| Вызов текстовой информации о модели компонента, выбранного щелчком курсора. Нажатие Alt+F1 выводит описание синтаксиса директивы, указанной в окне текста, в формате SPICE или схемного ввода |
| Отображение информации | |
 Grid text mode
(Текст)
| Высвечивание всех текстовых надписей |
 Attribute text mode
(Позиционные обозна- чения)
| высвечивание позиционных обозначений всех компонентов |
 Node voltage/ states
(Узловые потенциалы/ логические состояния)
| Вывод узловых потенциалов аналоговых узлов и логических состояний цифровых узлов в режиме по постоянному току |
 Pin connections
(Выводы компонентов)
| Обозначение выводов всех компонентов |
 Command text mode
(Команды)
| Высвечивание всех команд, размещенных на схеме |
 Grid
(Сетка)
| Высвечивание сетки |
 Border
(Рамка схемы)
| Заключение чертежа схемы в рамку |
 Title
(Угловой штамп)
| Нанесение изображения углового штампа (основной надписи) |
1.3. Задание параметров компонентов
При моделировании схем используются различные тестовые сигналы. Для аналогового моделирования наиболее часто используются источники синусоидального и импульсного сигнала. Для этого в MicroCAP есть компоненты двух типов источников тестового сигнала Sine source и Pulse source. Перед моделированием необходимо задать параметры этих источников. Источник синусоидального сигнала воспроизводит кривую вида:
.
В таблице 3. приведены параметры источника синусоидального сигнала.
Таблица 3
| Обозначение параметра | Параметр | Размерность | Значение по умолчанию |
| F | Частота | Гц | 106 |
| A | Амплитуда | В | |
| DC | Постоянная составляющая | В | |
| PH | Начальная фаза | Град. | |
| RS | Внутреннее сопротивление | Ом | 0,001 |
| RP | Период повторения затухающего сигнала | с | |
| TAU | Постоянная времени изменения амплитуды сигнала по экспоненциальному закону | с |
Форма импульсного сигнала Pulse показана на рис.1.3, а его параметры приведены в таблице 4.
Таблица 4
| Обозначение параметра | Параметр | Размерность | Значение по умолчанию |
| VZERO | Начальное значение | В | 0 |
| VONE | Максимальное значение | В | |
| P1 | Начало переднего фронта | с | 10-7 |
| P2 | Начало плоской вершины импульса | с | 1.1×10-7 |
| P3 | Конец плоской вершины импульса | с | 5×10-7 |
| P4 | Момент достижения уровня VZERO | с | 5,1×10-7 |
| P5 | Период повторения | с | 10-6 |
Параметры компонентов (в частности источников сигнала) задаются в окне задания параметров. Окно задания параметров появляется при помещении компоненты в окно редактора схем или после двойного нажатия левой кнопки мыши на выбранной компоненте схемы в режиме выбора компоненты. Величины параметров задаются в полях ввода, при этом необходимо соблюдать принятые единицы измерения для каждого параметра. Единицы измерения обычно можно понять по параметрам заданных поумолчанию или из описания модели компоненты.
Например для синусоидального сигнала амплитудой 5 В, и частотой 1000Гц необходимо задать F = 1000, A = 5, DC = 0, PH = 0, RS =1M, RP = 0, TAY = 0.
При моделировании аналоговых схем часто надо определять переходную функцию на выходе схемы, т.е. реакцию схемы на единичный скачек напряжения. В качестве входного сигнала используется импульсный источник сигнала Pulse. Время переднего фронта выбирается на много меньше длительности переходного процесса в схеме, длительность импульса должна быть больше времени переходного процесса и времени моделирования. Например, для RC цепочки с постоянной времени t = 0,01с параметры модели импульсного элемента могут быть:
.MODEL IMPULSE PUL (VONE=1 P1=0 P2=1e-6 P3=1 P4=2 P5=4).
Пример схемы усилителя с общим эмиттером представлен на рис. 1.4.
2. Моделирование во временной области (Transient Analysis)
2.1 Режим моделирования во временной области (Transient Analysis)
После перехода в режим анализа во временной области и при отсутствии ошибок открывается окно задания параметров моделирования Transient Analysis Limits рис. 2.1.
В окне задания параметров моделирования имеются команды, числовые параметры, управляющие процессом моделирования, параметры, управляющие выводом результатов моделирования и опции.
Команды:
RUN или F2 - начало моделирования;
Add – добавление еще одной спецификации вывода результатов после строки, отмеченной курсором;
Delete - удаление строки спецификации вывода результатов, отмеченной курсором;
Expand - открытие дополнительного окна для ввода текста большого размера при расположении курсора в одной из граф, содержащих выражения, например Y Expresion;
Stepping – открытие диалогового окна задания вариации параметров;
Help – вызов помощи.
Числовые параметры моделирования:
Time Range - определяет конечное и начальное время моделирования в формате Tmax[,Tmin]. По умолчанию Tmin = 0. Например, задание "1.2ms,0.4ms" задает интервал моделирования от 0,4 до 1,2 мс;
Maximum Time Step – максимальный шаг интегрирования. Расчет переходных процессов ведется с выбираемым автоматически переменным шагом, величина которого определяется допустимой относительной ошибкой RELTOL = 0.001 , определяемая в глобальных установках Global Settings. Изменяя этот параметр можно повысить точность вычислений и улучшить качество кривой переходного процесса, выводимого на экран.
Number of Points – количество точек, выводимых в таблицы, по умолчанию принимается 51, минимальное значение 6.
Temperature – диапазон изменения температуры в градуса Цельсия. Формат High[,Low[,Step]]. При изменении температуры изменяются параметры компонентов, имеющие ненулевой температурный коэффициент ТС, а также ряд параметров полупроводниковых приборов. Если параметр Step (шаг) опущен, то анализ выполняется при двух значениях температуры: Low (минимальный) и High (максимальный). Если опущены оба параметра Low и Step, то расчет производится при единственной температуре, равной High.
Вывод результатов моделирования:
Управление выводом результатов осуществляется с помощью пиктограмм и выражений.
Ниже приводятся пиктограммы в порядке их изображения в окне слева направо и действия, выполняемые при их выборе.
- переключение между логарифмической и линейной шкалой по оси Х;
- переключение между логарифмической и линейной шкалой по оси Y;
- выбор цвета графика;
- при нажатии этой кнопки в текстовый выходной файл заносится таблица отсчетов функции, заданной в графе Y Expresion. Запись производится в файл "<имя схемы>.TNO". Таблица просматривается в окне Numeric Output (открывается клавишей F5). Количество отсчетов функции задается параметром Number of Points в разделе Числовые параметры для моделирования;
- при нажатии этой кнопки на диске создается файл, в который заносятся отсчеты функции, заданной в графе Y Expresion. В дальнейшем при анализе другой цепи эта функция может служить входным сигналом, если в разделе Waveform sourses выбрать тип сигнала User source. Запись производится в файл "<имя схемы>.USR".
- выбор функции, для которой производится статистический анализ по методу Монте-Корло. Выбрана, может быть только одна функция.
Выражения:
Plot Group – в графе Р числом от 1 до 9 указывается номер графического окна, в котором должна быть построена данная функция. Все функции, помеченные одним и тем же номером, выводятся в одном окне. Если это поле пусто, график функции не строится.
X Expresion – имя переменной, откладываемой по оси Х. Т – время при анализе переходных процессов, F – частота при расчете спектра сигнала с помощью преобразования Фурье.
Y Expresion – математическое выражение для переменной, откладываемой по оси Y. Это может быть напряжение в узле V(5), падение напряжения на двухполюсном компоненте V(L1), тока ветви I(2,3), I(L1), ток коллектора биполярного транзистора IC(Q1), напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора VBE(VT1), или математическое выражение, например VCE(Q1)*IC(Q1). В приложении Б более подробно показано, как используются переменные и выражения.
X Range – максимальное и минимальное значение переменной Х на графике в формате High[,Low]. Для автоматического выбора диапазона переменных в этой графе указывается Auto.
Y Range – максимальное и минимальное значение переменной Х на графике в формате High[,Low]. Для автоматического выбора диапазона переменных в этой графе указывается Auto.
Fmt – формат представления числовых данных при построении таблиц, при выводе текущего значения переменных X и Y.
Опции:
Run Options – управление выдачей результатов расчетов:
Normal – результаты расчетов не сохраняются;
Save – сохранение результатов расчетов в бинарном дисковом файле <имя схемы >.TSA;
Retrive – считывание последних результатов расчета из дискового файла <имя схемы >.TSA, созданного ранее. При этом производится построение графиков и таблиц переходных процессов, как после обычного расчета.
State Variables – установка начальных условий;
Operation Point – включение режима расчета по постоянному току перед началом каждого расчета переходных процессов.
Operation Point Only - расчет только режима по постоянному току (расчет переходных процессов не производится);
Auto Scale Ranges - автоматическое масштабирование по осям X и Y.
После задания режима моделирования появляется окно с графиками переменных, при этом меняется состав меню команд. Для нашего примера окно с результатами моделирования показано на рис. 2.2.
Для более подробного анализа полученных графиков переходных процессов можно перейти в режим детального просмотра, нажав клавишу 
рис. 2.3. В этом режиме доступны два курсора, которые управляются левой и правой кнопками "мыши". Курсоры дают временные срезы. Под каждым графиком появляются окна со значениями переменных, соответствующие временным срезам. Кроме того, выводятся разность значений (Delta) и наклон (крутизна) между двумя точками кривой, отмеченными курсорами. Перемещая курсоры можно выполнить различные измерения. Например, определить амплитуду или период сигнала. Так сигнал в узле 1 имеет размах 1,72 В, а амплитуду – 0,86 В. Период сигналов в узлах 5 и 6 равен 1,003 мС.
Здесь появляются новые возможности по исследованию кривых, которые становятся доступными после нажатия соответствующих кнопок на панели инструментов. Например, можно определить локальный или абсолютный минимум и максимум функции, определить и вывести на график значения между двумя точками функции, как по вертикальной, так и горизонтальной оси и некоторые другие.
После проведения моделирования в режиме рисования схем можно посмотреть значения напряжений в узлах по постоянному току. Для этого нужно выйти из режима моделирования, нажав клавишу F3 или через меню, затем выбрать икону 
(Рис. 2.4.).
Исследование переходных процессов в режиме Probe Transient Analysis
Режим оперативного построения графиков Probe работает после проведения моделирования. В режиме Probe появляются два окна. В одном изображена схема устройства, а в другом будут появляться графики сигналов в узле схемы, помеченного курсором после нажатия левой кнопки "мыши". Если же отметить курсором компонент схемы, будет построен график падения напряжения на
двухполюсном компоненте или разность напряжений между ближайшими выводами многополюсного компонента. Вывод графиков тока или напряжения можно задать с помощью опции меню Vertical. Работа в режиме Probe показана на рис.2.5.
Многовариантный режим моделирования
В системе моделирования MicroCAP есть полезная возможность проведения многовариантного анализа при вариации любого параметра компонента схемы или его модели. Для этого в окне задания параметров нажатием на панель Stepping открывают окно для задания варьируемых параметров. В этом окне в строке Step What указывают имя варьируемого параметра, в последующих строках задаются пределы изменения параметра и шаг его изменения. В графе Status включают кнопку On. На рис. 2.6. показано окно режима Stepping и результаты расчета напряжения на коллекторе транзистора усилителя с общим эмиттером при изменении коллекторного сопротивления с 8 кОм до 11 кОм с шагом 1 кОм. Амплитуда входного сигнала при этом равна 0,2 В.
2.2. Задание по моделированию переходных процессов
Определить переходные процессы в электрической цепи, состоящей из источника сигнала и последовательно включенных R, L и С элементов. В качестве источника сигнала взять импульсный источник PULSE. Определите как изменяются во времени ток и напряжения на элементах цепи. Параметры электрической цепи взять из таблицы вариантов 1. Параметры источника PULSE: VZERO =0, VONE=5, P1=0, P2=0.01u, P3=1, P4=2, P5=4. Ориентировочное время моделирования (Time Range)100 мкС (100u).
| Таблица вариантов 1 | |||||||||||
| № вар | R Ом | L мГ | C мкФ | № вар | R Ом | L мГ | C мкФ | № вар | R Ом | L мГ | C мкФ |
| 0.01 | 0.001 | 0.001 | |||||||||
| 0.02 | 0.002 | 0.002 | |||||||||
| 0.03 | 0.003 | 0.003 | |||||||||
| 0.04 | 0.004 | 0.004 | |||||||||
| 0.05 | 0.005 | 0.005 | |||||||||
| 0.01 | 0.001 | 0.001 | |||||||||
| 0.02 | 0.002 | 0.002 | |||||||||
| 0.03 | 0.003 | 0.003 | |||||||||
| 0.04 | 0.004 | 0.004 | |||||||||
| 0.05 | 0.005 | 0.005 |
3. Определение частотных характеристик (AC Analysis)
3.1. Режим построения частотных характеристик (AC Fnalysis)
В режиме моделирования AC Analysis можно определить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристику электронного устройства. Ко входу схемы должен быть подключен источник синусоидального или импульсного сигнала. При расчете частотных характеристик комплексная амплитуда этого источника сигнала полагается равной 1 В, начальная фаза нулевая, а частота меняется в пределах, задаваемых в меню AC Analysis Limits.
После перехода в режим анализа частотных характеристик появляется окно задания параметров моделирования AC Analysis Limits, очень похожее на окно в режиме Transient Analysis (рис. 3.1).
Рассмотрим задание числовых параметров:
Frequency Range – задает значение конечной и начальной частоты в формате Fmax,Fmin;
Namber of Points – количество точек по частоте, в которых производится расчет частотных характеристик;
Temperature – диапазон изменения температуры в формате High[,Low[,Step]];
Maximum Change,% - максимально допустимое приращение графика первой функции на интервале шага по частоте (в процентах от полной шкалы);
Noise Input – имя источника сигнала, подключенного к входным зажимам цепи. При указании переменной INOISE в графе Y expression выводится график квадратного корня спектральной плотности напряжения или тока внутренних шумов цепи, пересчитанной к этим зажимам. Если в качестве источника входного сигнала включается источник напряжения, то на пересчитывается спектральная плотность напряжения, а если источник тока, то спектральная плотность тока;
Noise Output – номера узлов выходных зажимов цепи, в которых вычисляется спектральная плотность напряжения выходного шума цепи. Формат узел1[,узел2].
Выражения:
X Expresion – имя переменной, откладываемой по оси Х. Обычно по этой оси откладывается частота F;
Y Expresion – математическое выражение для переменной, откладываемой по оси Y. Это может быть коэффициент усиления в линейном масштабе v(6) или в логарифмическом масштабе db(v(6)), фаза в градусах ph(v(6));
X Range – максимальное и минимальное значение переменной Х на графике по формату High(,Low);
Y Range – максимальное и минимальное значение переменной Y на графике;
Fmt – формат представления числовых данных при построении таблиц, при выводе текущего значения переменных X и Y при нажатии клавиши Р и при работе в режиме детального просмотра графиков.
Пример расчета амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристики усилителя с общим эмиттером приведен на рис.3.2. Коэффициент усиления выводится в логарифмическом и линейном масштабе. Для анализа полученных графиков можно использовать те же средства, что и в режиме исследования переходных процессов.
После проведения расчета частотных характеристик становится доступен режим Probe, в котором можно получить частотные характеристики в точках схемы или на двухполюсных компонентах путем выбора их "мышью". Выбор вида частотной характеристики осуществляется с помощью меню Vertical.
При определении частотных характеристик удобно использовать многовариантный расчет, варьируя величину одной из компонент. На рис.3.3 показан расчет частотных характеристик усилителя с общим эмиттером при изменении емкости С1.
3.2. Задание по определению частотных характеристик
Определить частотны характеристики электрической цепи, состоящей из источника сигнала и последовательно включенных R, L и С элементов (см. задание в пп 2.2). В качестве выхода возьмите напряжение на емкости. Ориентировочные параметры моделирования: диапазон частот (Frequncy Range, X Range) 1000k,10k; Y Range 20,-20 для амплитудно-частотной характеристики и -180,0 для фозо-частотной характеристики. Параметры элементов схемы взять из таблицы вариантов 1.
4. Определение статических характеристик (DC Analysis)
4.1. Режим исследования статических характеристик
В режиме DC рассчитываются передаточные характеристики по постоянному току. К входам цепи подключаются один или два независимых источников сигнала. Для этих источников задаются пределы изменения сигналов. В качестве выходного сигнала, например, может рассматриваться напряжение в узле, разность потенциалов между двумя узлами ток через ветвь, в которую включен резистор, токи транзистора. При расчете режима DC программа закорачивает индуктивности, исключает конденсаторы и затем рассчитывает режим по постоянному току при нескольких значениях входных сигналов. Например, при подключении одного источника постоянного напряжения рассчитывается передаточная функция усилителя, а при подключении двух источников – семейство статических выходных характеристик транзистора.
После вызова режима DC появляется окно задания параметров расчета передаточных характеристик рис 4.1.
Числовые параметры:
Input 2 range – пределы изменения второго варьируемого источника тока или напряжения; формат Final[,Initial[,Step]. Если изменяется только один источник, то можно оставить строку пустой.
Input 2 – имя второго источника постоянного напряжения или тока. Если источник один, то следует записать NONE/
Input 1 range – пределы изменения второго варьируемого источника тока или напряжения; формат Final[,Initial[,MaxStep]. Источник Input 1 использует переменный шаг изменения, а Input 2 – постоянный.
Input 1 – имя основного источника постоянного напряжения или тока.
Number of Points – количество точек, выводимых в таблицы.
Temperature – диапазон изменения температуры.
Maximum change, % - максимально допустимое приращение графика первой функции на интервале шага изменения первого источника Input 1 ( в процентах от полной шкалы). Если график функции изменяется быстрее, то шаг приращения величины первого источника автоматически уменьшается.
Рассмотрим пример определения передаточной характеристики и семейства выходных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером рис. 4.2. Здесь используется только один – основной источник 
сигнала V2, который изменяется в пределах от 0 В до 1В с максимальным шагом 0.1В. Для улучшения качества кривой выводимой на экран в графе Maximum change задано максимальное допустимое приращение графика функции 1%. На графике по оси Х выводится напряжения источника V2 в диапазоне от 0 до 1В, а по оси Y - ток коллектора транзистора IC(Q1) в диапазоне от 0 до 10 мА.
На рис.4.3 показано окно задания параметров, а на рис.4.4 - результат расчета передаточной характеристики.
Для расчета семейства выходных характеристик транзистора (зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при различных значениях тока базы) необходимо использовать два источника сигналов: источник тока, задающий ток базы, и источник напряжения, задающий напряжение коллектор-эмиттер. Причем основным источником является источник напряжения коллектор-эмиттер, а источник тока – вторым варьируемым источником. Схема моделирования показана на рис.4.5.
На рис.4.6 представлено окно задания параметров, а на рис. 4.7 – выходные характеристики транзистора. Обратите внимание, что в строке Input 1 задается имя основного источника сигнала V1, а в строке Input 2 – имя второго варьируемого источника I1. Напряжение коллектор-эмиттер изменяется в пределах от 0 до 10 В с шагом 1 В. Для улучшения качества выводимого графика в Maximum change задается равным 0,1%. Пределы изменения тока базы (источник I1) от 0,01 мА до 0,1 мА с шагом 0.02 мА.
4.2. Задание по определению вольт-амперной характеристики диода
Построить вольтмперную характеристику диода. Тип диода возьмите из таблицы вариантов 2.
| Таблица вариантов 2 | |||||
| № вар | Тип диода | № вар | Тип диода | № вар | Тип диода |
| 1N3016A | 1N3026A | 1N3036A | |||
| 1N3017A | 1N3027A | 1N3037A | |||
| 1N3018A | 1N3028A | 1N3038A | |||
| 1N3019A | 1N3029A | 1N3039A | |||
| 1N3020A | 1N3030A | 1N3040A | |||
| 1N3021A | 1N3031A | 1N3041A | |||
| 1N3022A | 1N3032A | 1N3042A | |||
| 1N3023A | 1N3033A | 1N3050A | |||
| 1N3024A | 1N3034A | 1N3051A | |||
| 1N3025A | 1N3035A | 1N3064 |
Приложение А. Наименования компонент
| Имя компонента | Тип |
| Passive components (Пассивные компоненты) | |
| Resistor | Резистор |
| Capacitor | Конденсатор |
| Inductor | Индуктивность |
| Diode | Диод |
| D45 | Диод, повернутый на 45° |
| Zener | Стабилитрон |
| Tline | Линия передачи |
| Transformer | Трансформатор высокочастотный |
| K | Взаимная индуктивность |
| Active components (Активные компоненты) | |
| NPN | Биполярный n-p-n транзистор |
| PNP | Биполярный p-n-p транзистор |
| NPN4 | Биполярный боковой n-p-n транзистор |
| PNP4 | Биполярный боковой p-n-p транзистор |
| NMOS | МОП-транзистор со встроенным каналом n-типа |
| PMOS | МОП-транзистор со встроенным каналом p-типа |
| DNMOS | МОП-транзистор с наведенным каналом n-типа |
| DPMOS | МОП-транзистор с наведенным каналом p-типа |
| NJFET | Полевой транзистор с управляющим p-n переходом и каналом n-типа |
| PJFET | Полевой транзистор с управляющим p-n переходом и каналом p-типа |
| Opamp | Операционный усилитель |
| GaAsFET | Арсенид-галиевый полевой транзистор с аналом n-типа |
| Waveform sources (Источники сигналов) | |
| Battery | Источник постоянного напряжения (батарея) |
| Pulse sourse | Источник импульсного напряжения |
| Isource | Источник постоянного тока |
| User sourse | Источник напряжения, задаваемый пользователем |
| Sine source | Источник синусоидального напряжения |
| V | Независимый источник переменного напряжения |
| I | Независимый источник переменного тока |
Приложение Б. Представление математических выражений
При создании принципиальных схем используются математические выражения. В математических выражениях могут использоваться следующие переменные:
| V(A) | Напряжение в узле А (напряжения измеряются относительно узла "земли") |
| V(A,B) | Разность потенциалов между узлами А и В |
| V(D1) | Напряжение между выводами устройства D1 |
| I(D1) | Ток через устройство D1 |
| I(A,B) | Ток через ветвь между узлами А и В (между узлами должна быть включена только одна ветвь) |
| IR(Q1) | Ток, втекающий в вывод R |
| VRS(Q1) | Напряжение между выводами R и S устройства Q1 |
| CRS(Q1) | Емкость между выводами R и S устройства Q1 |
| QRS(Q1) | Заряд емкости между выводами R и S устройства Q1 |
| R(R1) | Сопротивление резистора R1 |
| C(X1) | Емкость конденсатора или диода Х1 |
| Q(X1) | Заряд конденсатора или диода Х1 |
| L(X1) | Индуктивность катушки индуктивности или сердечника Х1 |
| X(X1) | Магнитный поток в катушке индуктивности или сердечнике Х1 |
| B(L1) | Магнитная индукция сердечника L1 |
| H(L1) | Напряженность магнитного поля в сердечнике L1 |
| T | Время |
| F | Частота |
В этом перечне символы А и В обозначают номера узлов схемы, D1 – имя компоненты с двумя выводами или управляемого источника, Q1 – имя любого активного устройства или линии передачи. Символы R и S заменяются аббревиатурами выводов устройств согласно следующей таблице:
| Устройство | Аббревиатура выводов | Название выводов |
| МОП-транзистор (MOSfets) | D, G, S, B | Сток, затвор, исток, подложка |
| Полевой транзистор (Jfets) | D, G, S | Сток, затвор, исток |
| Арсенид- галлиевый транзистор (GaAsfets) | D, G, S | Сток, затвор, исток |
| Биполярный транзистор | B, E, C, S | База, эмиттер, коллектор, подложка |
Например, следующие выражения означают: I(R1) – ток через резистор R1; IC(VT1) – ток коллектора транзистора VT1; VBE(Q1) – напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора Q1.
Ниже приведен список обозначений переменных типа напряжение и ток для некоторых компонентов:
| Компонент | Напряжение | Ток |
| Резистор | V | I |
| Конденсатор | V | I |
| Индуктивность | V | I |
| Диод | V | I |
| Биполярный транзистор | VBE, VBC, VEB VEC, VCB, VCE | IB, IE, IC |
| МОП – транзистор | VGS, VGD, VGB VDS, VDG, VDB VSG, VSD, VSB VBG, VBD, VBS | IG, IS, ID, IB |
| Полевой транзистор с управляющим p-n переходом | VGS, VGD, VSG VSD, VDG, VDS | IG, IS, ID |
| Арсенид-галлиевый транзистор | VGS, VGD, VSG VSD, VDG, VDS | IG, IS, ID |
| Источники тока или напряжения | V | I |
Приложение В. Создание палитры компонент
При создании схем удобно пользоваться специальными панелями со списками компонент (Component Palette). Всего можно создать 9 таких панелей. Программа MicroCAP поставляется с четырьмя такими панелями, куда занесены имена наиболее употребляемых аналоговых и цифровых компонентов. Эти панели можно отредактировать или создать новые с помощью редактора компонентов Component Editor меню Windows, используя опцию User.
В окне User можно выбрать нужную панель из списка. В правом окне приведены группы компонент (Component). Двойной щелчок "мыши" на выбранной группе раскрывает список компонентов этой группы. Если выбрать из списка нужную компоненту, то в окне User появится None, если эта компонента не входит ни в одну панель, или имя панели, в которой она содержится. Для внесения компонента в список соответствующей панели необходимо в окне User выбрать нужную панель. При выходе из Component Editor не забудьте выполнить команду Save.
Приложение Г. Назначение функциональных клавиш
F1 – вызов меню помощи;
F2 - начало моделирования после выбора одного из видов анализа в меню Analysis;
F3 – выход из режима AC, DC, или Transient Analysis и возвращение в окно схем;
F4 – отображение окна графиков результатов анализа (например, если было открыто окно текстового выходного файла);
Ctrl+F4 – закрытие активного окна;
F5 – отображение текстового выходного файла в окне Numeric Output;
F6 – возвращение к исходному масштабу в выбранном окне графиков;
Ctrl+F6 – циклическое переключение открытых окон;
F7 – переключение в режиме Scale масштабирования фрагмента графика на весь экран;
F8 – переключение в режим электронного курсора Cursor изменения координат графиков;
F9 – очистка окна графиков в режиме Probe и вызов окна задания параметров Analysis Limits в режиме анализа характеристик;
F11 – открытие окна варьирования параметров Parameter Stepping;
F12 – вызов редактора переменных состояния State Variables Editor.