Симулятор EasyEDA: конфигурирование источников напряжения и тока
Добавил(а) microsin
Библиотеки EasyEDA предоставляют набор источников напряжения (Voltage Source, V) и тока (Current Source, I), выходной сигнал которых определяется списком значений или параметров. Выход источников не зависит о чего-то еще.
Эти источники уже обсуждались в контексте их внутренних сопротивлений и путей распространения постоянного тока (DC path), см. [2]. В большинстве примеров источники напряжения и тока использовались как напряжения питания постоянного тока (DC supply voltage), либо как идеальные источники напряжения, либо как Thevenin Source или Norton Source.
Из Википедии [3]: "Теоре́ма Тевене́на (теорема Тевенина, теорема Тевенина — Гельмгольца) — утверждение о том, что любой источник может быть эквивалентно заменён на последовательно соединённые идеальный источник напряжения и внутреннее сопротивление; является двойственным утверждением к теореме Нортона об эквивалентной замене произвольной цепи на параллельно соединённые идеальный источник тока и внутреннее сопротивление".
Их использование для обеспечения сигналов во временной области (time domain, изменение сигнала во времени) было представлено в примерах о трансформаторах, но до сих пор не было объяснено.
В этой статье (перевод документации [1]) подробно описывается, как настраивается любой источник V и I для получения сигнала следующих типов:
SINE или SIN: синусоидальный сигнал.
PULSE: импульсы.
EXP: одиночный импульс с экспоненциальной формой фронта нарастания и спада уровня.
SFFM: (Single Frequency Frequency Modulated) одиночная синусоидальная несущая, модулированная по частоте одиночным синусоидальным сигналом.
PWL: (PieceWise Linear sources) источник сигнала произвольной формы, который создан как список интервалов времени и уровней, с линейной интерполяцией между каждой точкой во времени.
Хотя примеры в этой документации иллюстрируют только способ конфигурирования источников V, источники I конфигурируются совершенно аналогично. Имейте в виду, что описания и примеры различных источников описывают наиболее общие конфигурации. LTspice предоставляет некоторые уникальные возможности источников напряжения (V Source) и тока (I Source), которые выходят за рамки этого документа. Более подробно про эти продвинутые опции V Source и I Source см. оригинальный LTspiceXVII Help, установленный локально, или на сайте LTwiki [4, 5].
Конфигурированием опций SFFM создают источник сигнала простой частотной модуляции. Одночастотная синусоидальная несущая модулируется по частоте другой одиночной синусоидальной частотой.
Помимо своего более очевидного использования для генерации сигналов time domain (зависимость сигнала от времени), предназначенных для симуляции и анализа переходного процесса в схемах, Transient Analysis (time domain), источники V и I можно также сконфигурировать как AC Source для симуляций AC Analysis (frequency domain, зависимость сигнала от частоты). В SPICE-директиве AC Analysis указываются амплитуда и фаза AC Source, а также список частот, на которых схема должна быть проанализирована. Результатом AC Analysis будет набор амплитуд и фаз, которые рисуются как график зависимости амплитуды и фазы от частоты (Amplitude and Phase versus Frequency plot), такой как график Боде (Bode plot), показывающий частотный отклик схемы.
Важно понимать, что эти участки графика генерируются не так, как это было бы для реального мира в физической схеме, в которой анализатор частотной характеристики представляет синусоидальный сигнал, медленно или ступенчато меняющийся на ряде дискретных частот. Этот сигнал подается на вход схемы, и затем измеряется амплитуда и фаза выхода в какой-либо другой точке схемы относительно входного сигнала во временной области.
Способ, которым генерируется результат симуляции - чисто математический анализ. Проще говоря, проверяется рабочая точка постоянного тока схемы, и все компоненты в схеме заменяются их линеаризованными небольшими моделями сигнала. Другими словами предполагается, что все является линейным около рабочей точки постоянного тока, так что схема может быть представлена как небольшая линейная система для прохождения сигнала в частотной области. Выходной сигнал из этого набора линейных уравнений затем решается на каждой из входных частот, указанных в SPICE-директиве AC Analysis.
Может быть довольно трудно визуализировать, что на самом деле означают настройки амплитуды (Amplitude) и фазы (Phase) в параметрах источника переменного тока (AC Source) источников V и I, когда сигналы в AC Analysis не могут просматриваться во временной области (time domain) анализа переходного процесса (Transient Analysis). Чтобы помочь визуализировать эти настройки, и что они собой представляют, следующие примеры демонстрируют настройки таким образом, что их можно связать с эквивалентами во временной области (time domain).
Первый пример показывает, как можно сконфигурировать несколько AC Source, чтобы представить различные источники сигнала на одной и той же частоте, но с разными фазами. Этот пример также показывает, как настройки фазы относятся к тем же сигналам во временной области.
В этом примере оба AC Source установлены в одинаковую амплитуду 1. Они могут быть установлены на разные амплитуды: попробуйте это и сравните результаты с одинаковыми изменениями амплитуды во временной области источников сигнала.
Отметим, однако, что AC Analysis предполагает, что схема является совершенно линейной, поэтому даже если должна быть задана амплитуда 100 для AC Source, выход все равно будет выглядеть так, как если бы он пришел из совершенно линейной схемы. Сравните это с тем, что происходит, если части источников во временной области установлены на 100. Смещение по постоянному току (DC offset) для inphase AC Source в этом примере важно, потому что оно смещает Q1 в диапазон, где колебания амплитуды эмиттера и коллектора происходят в линейной области.
Это можно ясно увидеть, установив пробники сигнала (Voltage Probe) в точки V(Q1E) и V(Q1C) Transient Analysis. Если DC Offset увеличено, то в конце концов V(Q1C) снижается и V(Q1E) повышается, пока они не сблизятся, что означает насыщение Q1, и V(Q1E) снова начинает подтягивать V(Q1C) вверх. В точке, где это происходит, небольшое усиление сигнала на выходе коллектора проходит через нуль и затем становится неиинвертирующим усилением, несколько меньшим единицы.
Если DC offset уменьшается до значения, близкого с уровнем земли, или даже опускается ниже его, то Q1 обрезает малые сигналы и на коллекторе, и на эмиттере, и они эффективно становятся нулевыми. Это так же можно легко увидеть в Transient Analysis.
Что не так очевидно, так это то, что, хотя эти эффекты все еще возникают в AC Analysis, поскольку условия постоянного тока не могут быть представлены на графиках частотной области, результаты иногда трудно интерпретировать.
Таким образом, из этого следует извлечь следующее: если анализ переменного тока, по-видимому, показывает более низкое, чем ожидалось, усиление, то стоит проверить, что рабочая точка постоянного тока схемы не заставляет некоторую ее часть насыщаться или отключаться. Одним из примеров этого является неправильное смещение входа операционного усилителя, так что выход выпадает на уровень одной из шин питания. Еще одна распространенная ошибка - забыли подключить одну из шин питания.
AC Analysis можно использовать только для изучения частотного ответа малых сигналов в схеме. Поскольку линейность большинства схем меняется с мгновенным значением входного сигнала, то результаты AC Analysis не могут использоваться для вывода отклика для большого сигнала в frequency domain.
Необходимо также соблюдать осторожность при настройке правильной рабочей точки постоянного тока при применении AC Analysis тока к схемам, включая АРУ и другие формы сжатия и расширения динамического диапазона, где рабочая точка постоянного тока устанавливается каким-либо долгосрочным (по сравнению с периодом сигнала) усреднением, или устройство работает как аналогичная функция от амплитуды выхода самой схемы.
Еще один момент влияния рабочей точки постоянного тока заключается в том, что AC Analysis не может использоваться для изучения частотной характеристики таких схем, как контур ФАПЧ (Phase Locked Loop, PLL), импульсный источник питания и усилитель класса D, поскольку эти схемы обычно содержат элементы, которые всегда переключаются в то или иное состояние, где линеаризованное усиление снижается до нуля (ключевой режим). Существуют способы изучения частотных характеристик таких схем, но они требуют более продвинутых методов моделирования для замены коммутации и других элементов (таких как ГУН в ФАПЧ) линеаризованными эквивалентными схемами.
Также нужно понимать, что хотя в схему можно поместить любое количество AC Source, каждый из которых настроен на свою собственную амплитуду и фазу, все эти источники будут работать на одной частоте, как это определено в настройках AC Analysis, и это не определяется настройками самих источников. В схеме с несколькими Independent Source, источники переменного тока (AC Source) можно просто добавлять, удалять или перемещать, просто добавляя значения амплитуды и фазы AC в требуемый источник. Таким образом в примере, показанном выше, отклик синфазной и не синфазной стороны всех цепочек прохождения сигнала можно наблюдать просто установкой одного AC Source или другого источника в нулевую амплитуду, или простым удалением частей AC из конфигурации источника.
Другой пример: АЧХ усилителя может быть построена с использованием AC Source на входном источнике, в то время как частотная характеристика усилителя от пульсации источника питания к выходному сигналу может быть построена путем замены установок AC Source на Voltage Source, используемый для питания.
