Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Предисловие

Методы анализа цепей широко варьируются в зависимости от сложности задач. Одни схемы требуют решения единственного уравнения, для других требуется решение системы уравнений. Если реакция схемы лежит в широкой полосе частот, анализ проводится как во временной, так и в частотной областях. Чтобы облегчить задачу объемных вычислений, применяются различные инструменты анализа: от тригонометрических таблиц и логарифмических линеек до калькуляторов и компьютеров.

Во многих случаях для решения задач студенту необходимо осознать, на каких базовых законах и принципах должно основываться решение. В некоторых случаях топология цепи задается с помощью описания компонентов, помещенных между различными узлами, и для решения используются компьютерные программы. Существует несколько десятков таких программ для различных областей применения. Если использовать такие языки программирования, как Бейсик, Паскаль или Фортран, можно разработать собственные программы для решения задач различных типов. Более мощные программы, предназначенные для расчета широкого класса электрических цепей при различных условиях, требуют многолетней работы для разработки и модификации.

Такие программные продукты, как Spice, предлагаются преимущественно в качестве программ моделирования интегральных схем. В настоящей книге используется версия Spice, называемая PSpice, коммерческий продукт, разработанный MicroSim Corporation. В 1998 году эта компания влилась в компанию OrCAD, производящую 9 программ. Демонстрационная версия программы, которой комплектуется данная книга, достаточна для выполнения всех упражнений и примеров моделирования, приведенных в ней. Демонстрационная версия полностью функциональна, но работает только с файлами ограниченного объема.

Программа SPICE является одновременно мощной и гибкой. Конечно, это может испугать и озадачить начинающего пользователя, перед которым встает вопрос: «Как использовать этот мощный инструмент наиболее простым способом?»

Вероятно, может показаться глупым решать на PSpice задачи, решение для которых известно заранее, но новички после выполнения такой работы получат уверенность для более успешного дальнейшего продвижения. Поэтому данная книга начинается с анализа цепей постоянного тока, продолжается анализом цепей на переменном токе и только затем переходит к более сложным темам, включая и цепи с полупроводниковыми приборами. 

PSpice широко применяется в промышленности, позволяя исследовать работу схем без создания реальных макетов в лаборатории. При этом достигается существенная экономия материалов и рабочего времени. Если проект требует изменений или улучшений, результаты легко могут быть получены на компьютере при изменении исходных условий. Разработчик просто заменяет компоненты, которые обычно используются в реальных цепях, и после этого снова исследует работу и электрические свойства устройства. Обычно трудно бывает предсказать, сколько таких компонентов должно быть заменено. Когда же этим занимается компьютерная программа, она производит утомительные вычисления с меньшей вероятностью ошибок и намного быстрее, чем человек.

Должен ли каждый студент, практик, разработчик изучить SPICE и применять его? Я уверен, что ответ будет, несомненно, положительным. Это справедливо как для академического, так и для профессионального мира. Ваше образование не будет полным без овладения этим ценным инструментом.

Сможет ли SPICE научить вас осуществлять анализ и разработку электрических схем? Я уверен, что ответ будет, безусловно, отрицательным. Изучение основных законов, управляющих поведением электрических цепей, стало в настоящее время еще важнее, чем прежде. A SPICE и другие компьютерные средства лишь освобождают вас от повторения нудных и длительных вычислений.

В процессе вы, конечно, получите некоторые дополнительные знания, которые могли бы иначе пропустить. Вы можете использовать также программу Probe, которая является частью PSpice и позволяет вам, среди прочего, графически построить реакцию цепи на входное воздействие во временной и частотной областях.

Целью этой книги было желание создать простой и легкий для освоения путеводитель по PSpice для студентов, желающих больше узнать о компьютерных средствах анализа цепей. Материал представлен таким образом, чтобы любой изучающий или изучивший различные теоретические разделы мог бы сразу же применить PSpice на практике.

Важным качеством книги является наличие моделей для таких приборов, как биполярные транзисторы (BJT), полевые транзисторы (FET) и операционные усилители (ОУ). Модели должны быть не сложнее тех, что используются для ручного расчета. Например, если Вас интересуют токи и напряжения смещения для биполярных транзисторов, нет необходимости использовать модели, в которых учитываются параметры транзистора на переменном токе. Надеемся, что читатель сможет создать собственные модели для каждого прибора, особенно для тех случаев, когда достаточно использовать линейные аппроксимации.

Следует отметить, что хотя простое чтение материала и может принести вам пользу, гораздо больше информации вы получите при разборе каждой задачи на компьютере. При этом важно, чтобы вы самостоятельно создали входной файл (схему), исследовали ее с помощью PSpice и получили затем выходной файл и/или использовали программу Probe, чтобы получить наглядный графический результат. Только при фактическом эксперименте на компьютере вы сможете оценить свои возможности и получить удовлетворение, когда решение появится на вашем мониторе или будет распечатано на принтере. 

Программа, которая позволяет разработчику размещать в схеме различные компоненты, создавая их изображения на дисплее, и проводить в дальнейшем анализ на PSpice, называется Schematics. Кампания MicroSim поддерживала Schematics до слияния с OrCAD. Затем она была заменена программой Capture CIS, разработанной OrCAD. Эти две программы не очень похожи. Поэтому если раньше вы использовали для работы Schematics, вам потребуются дополнительные усилия, чтобы начать моделировать схемы с помощью Capture CIS. В этой книге автор решил ввести вас в SPICE в той форме, которая была принята исторически.

Вы начинаете с нарисованной от руки электрической или электронной схемы, в которой нумеруются узлы, обычно в нарастающей последовательности. Точкой заземления является нулевой узел, все остальные узлы вы должны пометить. Затем вам следует идентифицировать элементы схемы один за другим в отдельных строках файла, который называется схемным (или входным) файлом. Эти файлы имеют расширение *cir (от circuit — схема). После того как вся схема идентифицирована, можно проводить анализ (моделирование). Результат сообщит вам (иногда больше, иногда меньше) о поведении схемы при различных условиях.

Если вы выберете для создания схемы программы Schematics или Capture, вся схема будет изображена на дисплее, и вы сможете выбрать опции и тип проводимого анализа. Конечный результат будет таким же, как и при описанном выше непосредственном вводе схемы. Выбор характера ввода — непосредственного или с помощью Schematics или Capture CIS — зависит от вас. Следует отметить, что прямой ввод на PSpice является наиболее простым, в то время как освоение Schematics или Capture CIS достаточно утомительно и сложно.

Как можно было ожидать, после слияния MicroSim и OrCAD внешний вид и механизм работы PSpice изменился по сравнению с предыдущей версией программы. Материал последней редакции основан на 9 версии программного продукта. Эта или более поздняя версия (если такая имеется) приведена на компакт-диске, приложенном к книге[1].

Предполагается некоторое знакомство пользователя с Windows 95 или 98. Порядок установки программы описан в приложении С, однако вы можете просто вставить компакт-диск в компьютер и следовать указаниям, появляющимся на экране. Появится общее меню OrCAD, но при желании вы можете использовать последовательность команд Start, Run, после чего набирайте d:orcadstart.exe (если драйвер вашего CD-ROM обозначается буквой d).

Главы 1-13 описывают большинство задач, касающихся анализа цепей на постоянном и переменном токе, полупроводниковых приборов и схем, операционных усилителей, четырехполюсников и фильтров. В главах 14-17 изложена методика анализа для тех же цепей с применением программы Schematics. Программа была усовершенствована, с тем чтобы обеспечить более широкую доступность цифровых приборов в библиотеках устройств.

Все задачи были переделаны для использования с Windows 98 и последними версиями PSpice и все графики Probe были пересмотрены применительно к новому виду выходных файлов Probe. Есть небольшие различия в недавно полученных результатах и результатах, полученных в прежних версиях. Одно из различий, заслуживающих внимания, заключается в том, что, в зависимости от типа используемого принтера, различаются графики, полученные в Probe для новой и прежних версий программы. Вообще говоря, графики, полученные на лазерных принтерах, превосходят по качеству графики, полученные на струйных принтерах.