Knjižnica merilnih skriptov za simulator SPICE

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Štefan Karba

KNJIŽNICA MERILNIH SKRIPT ZA SIMULATOR SPICE

Diplomsko delo

Maribor, avgust 2016

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Štefan Karba

KNJIŽNICA MERILNIH SKRIPT ZA SIMULATOR SPICE

Diplomsko delo


KNJIŽNICA MERILNIH SKRIPT ZA SIMULATOR

SPICE

Diplomsko delo

Študent: Štefan Karba

Študijski program: Univerzitetni študijski program

Elektrotehnika

Smer: Elektronika

Mentor: doc. dr. Tomaž Dogša

Lektor: Leon Banko, prof. slov


Zahvala

Iskreno se zahvaljujem staršema za podporo in potrpežljivost.

Zahvaljujem se tudi mentorju doc. dr. Tomažu Dogši za nasvete in strokovno pomoč.

IV

KNJIŽNICA MERILNIH SKRIPT ZA SIMULATOR

SPICE

Ključne besede: merilni skripti, SPICE, NUTMEG, elektronska vezja, simulacija vezij

UDK: 621.3.049-75(043.2)

Povzetek

Opisani so merilni skripti za programski paket Intusoft Spice (ICAP/4 Demo: 8.3.11 Build

4142), ki so del nastajajoče knjižnice merilnih skriptov za simulator SPICE. Skripti so

napisani v skriptnem jeziku NUTMEG. Knjižnica vsebuje skript za merjenje vhodne

impedance vezja, skript za merjenje pasovne širine ojačevalnika, skript za merjenje

kompleksnih parametrov dvovhodnih vezij in skripte za merjenje enosmernih

inkrementalnih parametrov dvovhodnih vezij. Predstavljeni so v knjižnici (seznamu) na

spletni strani.

V

LIBRARY OF MEASUREMENT SCRIPTS FOR SPICE SIMULATOR

Key words: measuring scripts, SPICE, NUTMEG, electronic circuits, Simulator

UDK: 621.3.049-75(043.2)

Abstract

Measuring scripts for program package Intusoft Spice (ICAP/4 Demo: 8.3.11 Build 4142)

are described. They are a part of measuring script library for SPICE simulator which is being

created. Scripts are written in the script language called NUTMEG. The library includes

script for circuit input impedance measurement, script for amplifier bandwidth

measurement, script for measurement of complex two-port network parameters, and scripts

for measurement dc incremental parameters of two-port network. They are presented in the

library (list) on the web page.

Knjižnica merilninih skript za simulator SPICE

VI

KAZALO

1 UVOD .............................................................................................................. 1

2 INTUSOFT ICAP/4 IN SKRIPTNI JEZIK NUTMEG ........................................ 2

3 MERILNI SKRIPTI IN PREDLOGE ................................................................. 4

3.1 Vhodna impedanca............................................................................................................... 4

3.1.1 Opis .................................................................................................................................... 4

3.1.2 Skript .................................................................................................................................. 5

3.1.3 Navodila .............................................................................................................................. 6

3.1.4 Predloga ........................................................................................................................... 10

3.1.5 Testiranje pravilnosti merilnega skripta ............................................................................ 11

3.2 Pasovna širina ojačevalnika .............................................................................................. 12

3.2.1 Opis .................................................................................................................................. 12

3.2.2 Skript ................................................................................................................................ 13

3.2.3 Navodila ............................................................................................................................ 13

3.2.4 Predloga ........................................................................................................................... 15


3.3 Kompleksni parametri dvovhodnih vezij ......................................................................... 17

3.3.1 Opis .................................................................................................................................. 17

3.3.2 Skript ................................................................................................................................ 21

3.3.3 Navodila ............................................................................................................................ 23

3.3.4 Predloga ........................................................................................................................... 25


3.4 Enosmerni inkrementalni admitančni parametri dvovhodnih vezij .............................. 29

3.4.1 Opis .................................................................................................................................. 29

3.4.2 Merilni skript ..................................................................................................................... 31

3.4.3 Navodila ............................................................................................................................ 32

3.4.4 Predloga ........................................................................................................................... 39

3.4.5 Testiranje pravilnosti merilnih skriptov ............................................................................. 40

3.5 Enosmerni inkrementalni parametri dvovhodnih vezij................................................... 43

3.5.1 Opis .................................................................................................................................. 43

3.5.2 Merilni skript ..................................................................................................................... 44

3.5.3 Navodila ............................................................................................................................ 49


VII

3.5.4 Predloga ........................................................................................................................... 51

4 SKLEP ........................................................................................................... 53

5 LITERATURA ................................................................................................ 54

KAZALO SLIK

Slika 1.1: Knjižnica merilnih skriptov opisana z jezikom html ............................................................................. 1

Slika 3.1: Vhodna impedanca vezja ................................................................................................................... 4

Slika 3.2: Shema vezave za merjenje vhodne impedance ................................................................................. 6

Slika 3.3: Lastnosti tokovnega vira ..................................................................................................................... 6

Slika 3.4: Lastnosti generatorja V1 za nastavitev delovne točke........................................................................ 7

Slika 3.5: Parametri AC-simulacije ..................................................................................................................... 7

Slika 3.6: Okno Simulation Control – zavihek Measurements ............................................................................ 7

Slika 3.7: Measurement wizard – prvo okno ...................................................................................................... 8

Slika 3.8: Cursor Wizard .................................................................................................................................... 8

Slika 3.9: Measurement Wizard – drugo okno ................................................................................................... 9

Slika 3.10: Okno Simulation Control – zavihek Main .......................................................................................... 9

Slika 3.11: Vezalni načrt merjenja vhodne impedance RC-člena ..................................................................... 10

Slika 3.12: Izpis merilnega skripta za merjenje vhodne impedance ................................................................. 10

Slika 3.13: Absolutna vrednost vhodne napetosti v odvisnosti od frekvence ................................................... 11

Slika 3.14: Fazni kot v odvisnosti od frekvence................................................................................................ 11

Slika 3.15: Pasovna širina ojačenja ................................................................................................................. 12

Slika 3.16: Shema vezave za merjenje pasovne širine ojačevalnika ............................................................... 14

Slika 3.17: Lastnosti napetostnega vira ........................................................................................................... 14

Slika 3.18: Parametri AC-analize ..................................................................................................................... 15

Slika 3.19: Vezalni načrt ojačevalnega vezja z bipolarnim tranzistorjem s skupnim emitorjem [4] ................... 15

Slika 3.20: Izpis merilnega skripta za merjenje pasovne širine ojačevalnika ................................................... 15

Slika 3.21: Izhodno ojačenje v odvisnosti od frekvence ................................................................................... 16

Slika 3.22: Dvovhodno vezje ............................................................................................................................ 17

Slika 3.23: Karakteristika nelinearnega dvopola .............................................................................................. 18

Slika 3.24: Konfiguracija za merjenje parametrov y11 in y21 ............................................................................. 19

Slika 3.25: Konfiguracija za merjenje parametrov y12 in y22 ............................................................................. 20

Slika 3.26: Konfiguracija za merjenje kompleksnih admitančnih parametrov s procesnim skriptom

TwoPort.scp ............................................................................................................................................ 20

Slika 3.27: Vezalni načrt za merjenje kompleksnih parametrov dvovhodnih vezij ............................................ 23

Slika 3.28: Nastavitev AC-analize – v tem primeru merimo parametre pri frekvenci 10 kHz ............................ 24

Slika 3.29: Zavihek Measurements okna Simulation Control po vnosu vseh merilnih skriptov ........................ 24

Slika 3.30: Okno Simulation Control za merjenje dinamičnih dvovhodnih parametrov ..................................... 24

Slika 3.31: Vezalni načrt enostopenjskega ojačevalnika za merjenje dinamičnih četveropolnih parametrov ... 25

Slika 3.32: Frekvenčna odvisnost kompleksnih admitančnih parametrov ........................................................ 28

Slika 3.33: Merilno vezje za merjenje enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov Y11 in Y21 ............ 30


VIII

Slika 3.34: Merilno vezje za merjenje enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov Y12 in Y22 ............ 30

Slika 3.35: Določitev enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov ..................................................... 30

Slika 3.36: Merjeno vezje – plast z imenom Vezje ........................................................................................... 33

Slika 3.37: Vzbujanje v plasti z imenom Y11_Y21 za merjenje parametrov Y11 in Y21 ..................................... 33

Slika 3.38: Vzbujanje v plasti z imenom Y12_Y22 za merjenje parametrov Y12 in Y22 ..................................... 33

Slika 3.39: Konfiguracija vezave za parametre Y11 in Y21 .............................................................................. 34

Slika 3.40: Konfiguracija vezave za parametre Y12 in Y22 .............................................................................. 34

Slika 3.41: Obe konfiguraciji ............................................................................................................................ 35

Slika 3.42: Parametri DC Sweep analize za napetostni vir V1 in UQ = 620 mV ................................................ 35

Slika 3.43: Parametri DC Sweep analize za napetostni vir V2 in UQ = 620 mV ................................................ 36

Slika 3.44: Simulation Control z dvema testnima konfiguracijama – prva za merjenje Y11 in Y21, druga za

merjenje Y12 in Y22................................................................................................................................... 36

Slika 3.45: Vnos merilnih skriptov .................................................................................................................... 37

Slika 3.46: Measurement Wizard za parameter Y11 ......................................................................................... 37

Slika 3.47: Zavihek Measurements po vnosu vseh štirih merilnih skriptov ....................................................... 38

Slika 3.48: Vezalni načrt za merjenje enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov Y11 in Y21 ............ 39

Slika 3.49: Izpis izmerjenih enosmernih inkrementalnih parametrov Y11 in Y21 ................................................ 39

Slika 3.50: Vezalni načrt za merjenje enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov Y12 in Y22 ............ 39

Slika 3.51: Izpis izmerjenih enosmernih inkrementalnih parametrov Y12 in Y22 ................................................ 40

Slika 3.52: Enosmerna karakteristika I1-U1 ..................................................................................................... 40




Slika 3.56: Določitev enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov z OP-analizo ................................ 43

Slika 3.57: Vezalni načrt za merjenje enosmernih inkrementalnih četveropolnih parametrov v enem koraku . 50

Slika 3.58: Zavihek Measurements okna Simulation Control po vnosu vseh merilnih skriptov ........................ 50

Slika 3.59: Okno Simulation Control za merjenje enosmernih inkrementalnih dvovhodnih parametrov v enem

koraku ..................................................................................................................................................... 51

Slika 3.60: Vezalni načrt za merjenje enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov v delovni točki .... 51

Slika 3.61: Izpis izmerjenih enosmernih inkrementalnih parametrov v delovni točki ........................................ 52


1

1 UVOD

V diplomskem delu smo predstavili merilne skripte za merjenje vhodne impedance vezja,

merjenje pasovne širine ojačevalnika, merjenje kompleksnih parametrov dvovhodnih vezij

in merjenje enosmernih inkrementalnih parametrov dvovhodnih vezij.

Pri vsakem merilnem skriptu smo podali kratek teoretični opis meritve. Sledi opis skripta s

komentarji posameznih ukazov, nato pa navodila za pripravo analize, čemur sledi predloga

(zgled) preprostega vezja, na katerem opravimo določeno meritev. Na koncu vsake meritve

pravilnost rezultatov merilnega skripta preverimo še v grafičnem postprocesorju Intuscope.

Skripti so predstavljeni v knjižnici (seznamu) na spletnih straneh, ki so dosegljive s samega

programskega paketa Intusoft ICAP/4 Demo.

Slika 1.1: Knjižnica merilnih skriptov opisana z jezikom html


2

2 INTUSOFT ICAP/4 IN SKRIPTNI JEZIK NUTMEG

Pri delu smo uporabljali programski paket Intusoft ICAP/4 Demo, ki ima vgrajen skriptni

jezik, imenovan NUTMEG1, in je bil razvit na univerzi Berkeley kot del programske opreme

SPICE3 [1]. Ker uporabljamo demo verzijo programskega paketa, smo omejeni na vezje z

največ 20 elementi.

Skriptni jezik NUTMEG uporabljamo za izvajanje dodatnih analiz, optimizacijo ter

avtomatiziran izračun (meritev) določenih lastnosti električnega vezja. Sintaksa in opisi

posameznih ukazov, funkcij ter operatorjev jezika se nahajajo v Help-u samega

programskega paketa [2].

Merilni skript izvede določeno meritev (npr. iz izhodnih podatkov AC-analize izračuna

pasovno širino). Rezultat merilnega skripta je vedno ena ali več spremenljivk z neko

skalarno vrednostjo, npr.: pasovna_sirina. Če želimo uporabiti katero od posebnih

analiz (npr. Monte Carlo analiza, analiza najbolj neugodnega primera itd.), moramo sami

napisati ustrezni merilni skript. Večinoma uporabljamo ukaze za delo s kurzorji (npr.

HomeCursors, MoveCursorRight, SetCursor) [2].

Merilne skripte lahko pišemo direktno v vhodno datoteko znotraj kontrolnega bloka, v

krmilno okno, v grafičnem postprocesorju Intuscope, v tekstovno datoteko in klicanjem

merilnega skripta z ukazom include ali pa zapišemo merilni skript s pomočjo čarovnika.

Mi smo uporabili zapis merilnega skripta s pomočjo čarovnika.

Procesni skript izvede določeno analizo (npr. Monte Carlo analiza). Za svoje delovanje

vedno potrebuje merilni skript, ki ga mora napisati uporabnik. V primerjavi z merilnim

skriptom je v večini primerov zahtevnejši, saj je treba dobro obvladati delo z vektorji [2]. Mi

smo zapisali dva preprosta procesna skripta: TwoPort.scp in TwoPort_DC.scp, ki smo ju

uporabili pri merjenju kompleksnih in enosmernih inkrementalnih parametrov dvovhodnega

vezja.

Vektor je niz podatkov. Lahko je rezultat analize vezja (npr. analize OP, AC ali TRAN).

Lahko ga ustvarimo tudi sami, z deklaracijo polja [2].

1 Nutmeg (slov. muškatni orešček) je seme dreves iz rodu Myristica. Med drugim se uporablja kot začimba.


3

Vsaka analiza tvori skupino vektorjev (plot), ki ima v imenu dodan indeks. Npr. za delovno

točko: op1, op2, op3 itd. V vsaki skupini se nahaja enako število določenih vektorjev [2].

Sintakso in podrobnejši opis ukazov skriptnega jezika NUTMEG najdemo v Help-u (Help -

> Script Syntax).


4

3 MERILNI SKRIPTI IN PREDLOGE

3.1 Vhodna impedanca

3.1.1 Opis

S pomočjo skripta bomo izračunali vhodno impedanco vezja. To je impedanca, ki jo »vidi«

vir, ki je priključen na vhod vezja. Pri tem nas zanimata vhodni tok in vhodna napetost.

Î

Merjeno vezje

+

-

Û

Slika 3.1: Vhodna impedanca vezja

Vhodna impedanca je na splošno kompleksna veličina. Določa jo vhodna karakteristika I-

U. Če v vezju nastopajo nelinearni elementi, le-ta ni linearna, zato vhodna upornost v

različnih delovnih točkah ni konstantna. Če je vir izmenična veličina, je odvisna tudi od

frekvence vhodnega signala.

Definicija vhodne impedance:

�̂�𝑣ℎ =|�̂�|

|𝐼| [Ω] (3.1)

Če vezje krmilimo s tokovnim virom I = 1A, je napetost identična vhodni impedanci:

�̂�𝑣ℎ =|�̂�|

1 ≡ |�̂�|[Ω] (3.2)


5

Absolutna vrednost vhodne impedance:

𝑍𝑣ℎ = |�̂�𝑣ℎ| [Ω] (3.3)

Fazni kot:

𝜑 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 (𝐼𝑚{�̂�𝑣ℎ}

𝑅𝑒{�̂�𝑣ℎ}) [°] (3.4)

3.1.2 Skript

Skript bo izračunal vhodno impedanco vezja za male izmenične signale pri izbrani

frekvenci2 1 kHz in delovni točki U1. Hkrati bo možno v grafičnem postprocesorju Intuscope

izrisati potek impedance v odvisnosti od frekvence vzbujevalnega signala.

Opis merilnega skripta za merjenje absolutne vrednosti vhodne impedance:

; meritev vh. impedance pri izbrani frekvenci

; Vnesi frekvenco, ki mora lezati znotraj intervala,

; ki je nastavljen pri AC analizi

frekvenca=1k

; ustvarimo nov vektor mag_vzvh z absolutnimi vrednostmi

mag_vzvh=mag(vzvh)

; kurzor 0 postavimo na vrednost frekvence pri kateri

; zelimo izmeriti vhodno upornost

SetCursor 0 frekvenca

; izracunamo vhodno impedanco ob upostevanju vhodnega toka ,

; ki ima vrednost 1A

Vhodna_Impedanca=(getCursorY0 (mag_vzvh))

; zbrisemo pomozno spremenljivko

unlet mag_vzvh

Opis merilnega skripta za merjenje faznega kota vhodne impedance:

; meritev faznega kota vh. impedance pri izbrani frekvenci

; Vnesi frekvenco, ki mora lezati znotraj intervala,

; ki je nastavljen pri AC analizi

frekvenca=1k

; ustvarimo nov vektor ph_vzvh z vrednostmi faznega kota

ph_vzvh=ph(vzvh)

; kurzor 1 postavimo na vrednost frekvence pri kateri

; zelimo izmeriti vhodno upornost

SetCursor 1 frekvenca

; izmerimo fazni kot

2 Če želimo izračunati upornost pri drugačni frekvenci, moramo v skriptu spremeniti vrednost spremenljivke frekvenca.


6

Fazni_Kot=(getCursorY1 (ph_vzvh))


unlet ph_vzvh

3.1.3 Navodila

Izvedemo AC-analizo (malosignalna kompleksna analiza), kjer simulator predpostavlja, da

je izmenični signal dovolj majhen, da veljajo linearne razmere. Zato najprej izračuna

delovno točko in v tej točki vezje linearizira. Za lineariziran model vezja nato za vsako

frekvenco izračuna kompleksne vrednosti napetosti in tokov.

Merjeno vezje

I1

AC=1A

V1

DC=UQ

Nastavitev delovne

točke

Zvh

Slika 3.2: Shema vezave za merjenje vhodne impedance

Imeti moramo vsaj en generator s spremenljivo frekvenco (Slika 3.2), zato na vhod vezja

vežemo tokovni generator I1 z amplitudo 1A (Slika 3.3).

Slika 3.3: Lastnosti tokovnega vira

Na vhod vežemo merilno sondo za merjenje vhodne napetosti (Test Point -> Voltage).


7

Zaporedno vežemo napetostni generator V1 (Slika 3.2), ki nam bo služil za nastavitev

delovne točke. Vrednost parametra DC nastavimo na vrednost delovne točke UQ (Slika

3.4).

Slika 3.4: Lastnosti generatorja V1 za nastavitev delovne točke

V oknu Simulation Setup označimo AC Analysis in vnesemo ustrezne parametre simulacije

(Slika 3.5).

Slika 3.5: Parametri AC-simulacije

Skript vnesemo tako, da odpremo okno Simulation Control (Actions -> ICAPS/Simulation

Control) in odpremo zavihek Measurements (Slika 3.6).

Slika 3.6: Okno Simulation Control – zavihek Measurements


8

Označimo ustrezno analizo, v našem primeru AC, in kliknemo na gumb Add. Odpre se

okno Measurement Wizard (Slika 3.7), kjer v razdelku Method označimo Script in v

vnosno polje Name vnesemo ime izhodne spremenljivke, pod katerim bo shranjena

izmerjena vrednost vhodne impedance. V našem primeru je to spremenljivka z imenom

Vhodna_Impedanca. Ime spremenljivke se mora ujemati z imenom spremenljivke v

merilnem skriptu.

Slika 3.7: Measurement wizard – prvo okno

Kliknemo na gumb Next in v naslednjem oknu Cursor Wizard (Slika 3.8) še enkrat na gumb

Next, saj smo vse ukaze za delo s kurzorji vnesli v merilnem skriptu.

Slika 3.8: Cursor Wizard

Naslednje okno, ki se odpre, ima prav tako ime Measurement Wizard (Slika 3.9). V to okno

prilepimo zgornji merilni skript za merjenje vhodne upornosti pri frekvenci frekvenca.

V merilnem skriptu spremenljivki frekvenca priredimo vrednost, pri kateri želimo izmeriti

vhodno impedanco, in kliknemo na gumb Finish.

Postopek ponovimo še za vnos merilnega skripta za merjenje faznega kota vhodne

impedance. Tokrat merilni skript poimenujemo s Fazni_Kot.


9

Slika 3.9: Measurement Wizard – drugo okno

V oknu Simulation Control se premaknemo na zavihek Main, v razdelku Mode označimo

Simulation Template in izberemo procesni skript STD (Slika 3.10).

Slika 3.10: Okno Simulation Control – zavihek Main

Simulacijo poženemo s klikom na gumb Simulate Selections.


10

3.1.4 Predloga

Merjenje absolutne vrednosti vhodne impedance in faznega kota RC-člena pri frekvenci 1

kHz in delovni točki UQ = 0 V:

Slika 3.11: Vezalni načrt merjenja vhodne impedance RC-člena

Izpis izmerjene vhodne impedance in faznega kota v oknu simulatorja IsSpice4 – Output:

Slika 3.12: Izpis merilnega skripta za merjenje vhodne impedance

1

Vzbujanje

R1

1k

C1

1u

3

I1

AC = 1

V1

0nastavitev delovne tocke

Zvh


11

3.1.5 Testiranje pravilnosti merilnega skripta

Pravilnost merilnega skripta preverimo v Intuscopu.

Slika 3.13: Absolutna vrednost vhodne napetosti v odvisnosti od frekvence

Če vezje krmilimo s tokovnim virom I = 1A, je vrednost napetosti identična vhodni

impedanci.

Slika 3.14: Fazni kot v odvisnosti od frekvence

1 vmagzvh

1 10 100 1k 10k 100kfrequency in hertz

100

300

500

700

900

vm

ag

zvh

in

vo

lts

Plo

t1

1

x = 1.00k hertz, y = 157 volts

1 vphzvh

1 10 100 1k 10k 100kfrequency in hertz

-80.0

-60.0

-40.0

-20.0

0

vp

hzvh

in

de

gre

es

Plo

t1

1

x = 1.00k hertz, y = -81.0 degrees


12

3.2 Pasovna širina ojačevalnika

3.2.1 Opis

Pasovna širina je razlika med zgornjo in spodnjo frekvenčno mejo opazovanega signala v

frekvenčnem prostoru. Frekvenčna meja je po dogovoru tista frekvenca, pri kateri pade

maksimalno ojačenje za 3 dB (Slika 3.15: Pasovna širina ojačenja).

fsp fzg

Pasovna širina = fzg - fsp

1 ojacenje

1 10 100 1k 10k 100k 1Meg 10Meg 100Megfrekvenca in hertz

-30.0

-20.0

-10.0

0

10.0

oja

ce

nje

in

db

(vo

lts)

Plo

t1

1

Spodnja frekvenčna meja = A(fmax) - 3dBZgornja frekvenčna meja = A(fmax) - 3dB

A(fmax)

Slika 3.15: Pasovna širina ojačenja

Zanima nas frekvenčna odvisnost napetosti izhodnega signala merjenega vezja.

Uporabimo AC-analizo in generatorju izmeničnega napetostnega signala nastavimo

amplitudo 1 V. Na ta način dobimo na izhodu napetost v odvisnosti od frekvence, ki je

izražena v dB enaka ojačenju.


13

3.2.2 Skript

Opis merilnega skripta:

; vektor vizhod ima kompleksne vrednosti

; ustvarimo nov vektor db_vizhod in mu s funkcijo db(vizhod)

priredimo absolutne vrednosti v dB (logaritemska skala)

let db_vizhod=db(vizhod)

; najdemo maksimalno vrednost in jo zapisemo v spremenljivko

db_vizhod_max

db_vizhod_max=max(db_vizhod)

; kurzor 0 pomikamo v desno tako dolgo, da doseže vrednost

db_vizhod_max-3 (ojacanje pade za 3dB)

movecursorright(0,db_vizhod,db_vizhod_max-3)

; kurzor 1 pomikamo v levo tako dolgo, da doseže vrednost

db_vizhod_max-3 (ojacanje pade za 3dB)

movecursorleft(1,db_vizhod,db_vizhod_max-3)

; vrednost spodnje frekvencne meje priredimo spremenljivki fsp

fsp=getcursorx(0)

; vrednost zgornje frekvencne meje priredimo spremenljivki fzg

fzg=getcursorx(1)

; izracunamo frekvencno sirino in vrednost priredimo spremenljivki

frekvencna_sirina

frekvencna_sirina=fzg-fsp


unlet db_vizhod_max

V merilnem skriptu moramo ustrezno spremeniti ime izhodnega vozlišča. V našem primeru

je izhodno vozlišče V(3).

3.2.3 Navodila

Izvedemo AC-analizo (malosignalna kompleksna analiza), kjer simulator predpostavlja, da

je izmenični signal dovolj majhen, da veljajo linearne razmere. Zato najprej izračuna

delovno točko in v tej točki vezje linearizira. Za lineariziran model vezja nato za vsako

frekvenco izračuna kompleksne vrednosti napetosti in tokov.


14

Merjeno vezje

V1AC=1V

Uiz

Slika 3.16: Shema vezave za merjenje pasovne širine ojačevalnika

Imeti moramo vsaj en generator s spremenljivo frekvenco, zato na vhod vezja vežemo

napetostni generator V1 z amplitudo 1 V (Slika 3.17).3

Slika 3.17: Lastnosti napetostnega vira

V oknu Simulation Setup označimo AC Analysis in vnesemo ustrezne parametre AC-

analize (Slika 3.18).

Merilni skript vnesemo in poženemo enako kot v prejšnji meritvi. Izberemo standardni

procesni skript STD, merilnemu skriptu pa določimo ime frekvencna_sirina.

3 Če na vhodu vezja ni ločilnega kondenzatorja, ga dodajte, sicer merilni skript ne bo uspel določiti spodnje frekvenčne meje.


15

Slika 3.18: Parametri AC-analize

3.2.4 Predloga

Izmerimo pasovno širino ojačevalnega vezja z bipolarnim tranzistorjem s skupnim

emitorjem:

Slika 3.19: Vezalni načrt ojačevalnega vezja z bipolarnim tranzistorjem s skupnim emitorjem [4]

Izpis pasovne širine ter spodnje in zgornje frekvenčne meje ojačenja v oknu Output:

Slika 3.20: Izpis merilnega skripta za merjenje pasovne širine ojačevalnika

1 5

Cb23.5u

4

R147k

R25.1k

2

3

Q12N2222

Re470

Rc4.7k

Vcc10V

Vizhod

6

Rs50

V1

Merjeno vezje

Vzbujanje


16


Pravilnost merilnega skripta preverimo v grafičnem postprocesorju – Intuscope.

1 vdbizhod

1 10 100 1k 10k 100k 1Meg 10Meg 100Megfrequency in hertz

2.00

6.00

10.0

14.0

18.0

vd

biz

ho

d in

db

(vo

lts)

Plo

t1

1

A(fmax)=19,13dB

fsp = 1.55 hertz, A(fsp) = 16.1 db

fzg = 5.75Meg hertz, A(fzg) = 16.1 dB

fsp fzg

Slika 3.21: Izhodno ojačenje v odvisnosti od frekvence

𝑓𝑝š = 𝑓𝑧𝑔 − 𝑓𝑠𝑝 = 5,75 ⋅ 106 − 1,55 = 5,75 𝑀Hz (3.5)

Vidimo, da se rezultata zelo dobro ujemata.


17

3.3 Kompleksni parametri dvovhodnih vezij

3.3.1 Opis

Splošno četveropolno vezje lahko obravnavamo kot dvovhodno, če velja:

𝐼1 = 𝐼1′ , 𝐼2 = 𝐼2

′ (3.6)

Vezje

I1

I1´

I2

I2´

+ +

- -

U1 U2

Slika 3.22: Dvovhodno vezje

Dvovhodno vezje opisujejo štiri spremenljivke: 𝑈1, 𝑈2, 𝐼1 in 𝐼2, od katerih sta le dve neodvisni.

Glede na to, kateri dve spremenljivki izberemo za neodvisni, lahko dvovhodno vezje

opišemo z impedančnimi, admitančnimi, hibridnimi ali inverznimi hibridnimi parametri.

Zaradi enostavnejše izvedbe simulacije smo izbrali admitančne (y) parametre. Iz teh bomo

izračunali še druge tri.

𝐼1 = 𝑓1(𝑈1, 𝑈2), 𝐼2 = 𝑓2(𝑈1, 𝑈2) (3.7)

𝐼1 = 𝑌11𝑈1 + 𝑌12𝑈2 (3.8)

𝐼2 = 𝑌22𝑈1 + 𝑌22𝑈2 (3.9)

Neodvisni spremenljivki sta vhodna in izhodna napetost, vhodni in izhodni tok pa sta odvisni

spremenljivki. Pri tem velja:

𝑌11 =𝐼1

𝑈1|

𝑈2=0 , 𝑌12 =

𝐼1

𝑈2|

𝑈1=0 , 𝑌21 =

𝐼2

𝑈1|

𝑈2=0in 𝑌22 =

𝐼2

𝑈2|

𝑈1=0 (3.10)


18

Večinoma imamo opravka z nelinearnimi dvovhodnimi vezji, katerih karakteristike so

nelinearne funkcije. Predpostavimo, da vezje krmilimo z dovolj majhnimi izmeničnimi

signali. Potem lahko karakteristiko v okolici delovne točke lineariziramo in s tem

poenostavimo meritev admitančnih parametrov.

V okolici delovne točke Q(𝑈𝑄1, 𝐼𝑄1) na U-I-karakteristiki nelinearnega dvopola tako velja

naslednja poenostavitev.

u

i

UQ1

IQ1

Δu

Δi´Δi

Q(UQ1, IQ1)

Tangenta v delovni točki Q

Slika 3.23: Karakteristika nelinearnega dvopola

Δ𝑖´ ≈ Δ𝑖 = 𝑑𝑖

𝑑𝑢⋅ Δ𝑢 = 𝐺(𝑈𝑄1) ⋅ Δ𝑢 (3.11)

Pri četveropolih gre za podobno poenostavitev, s tem da so spremenljivke tokrat vektorji.

𝑖1 = 𝑓1(𝑢1, 𝑢2) (3.12)

𝑖2 = 𝑓1(𝑢1, 𝑢2) (3.13)

ali: 𝑖 = 𝑖(𝑢) (3.14)

V okolici delovne točke Q(𝑈𝑄1, 𝐼𝑄1) velja za majhne spremembe:


19

Δ𝑖 = 𝜕𝑖

𝜕𝑢⋅ Δ𝑢 (3.15)

Δ𝑢 → 0 ⇒ 𝑑𝑖 = 𝜕𝑖

𝜕𝑢⋅ 𝑑𝑢 (3.16)

Z odvajanjem toka po napetosti dobimo diferencialno admitančno (prevodnostno) matriko:

𝜕𝑖

𝜕𝑢 = [

𝜕𝑖1

𝜕𝑢1

𝜕𝑖1

𝜕𝑢2

𝜕𝑖2

𝜕𝑢1

𝜕𝑖2

𝜕𝑢2

] (3.17)

[𝑌(𝑢)] = 𝜕𝑖

𝜕𝑢 (3.17)

S simulacijo meritve ali iz karakteristike dobimo inkrementalno admitančno (prevodnostno)

matriko:

[𝑌(𝑢)] = Δ𝑖

Δ𝑢 (3.18)

Za merjenje admitančnih parametrov v odvisnosti od frekvence bomo uporabili AC-analizo,

ki najprej določi delovno točko in potem vezje v tej točki linearizira.

Za določitev vseh štirih admitančnih parametrov navadno uporabimo dve različni

konfiguraciji merilnega vezja za dve ločeni simulaciji.

Za merjenje admitančnih parametrov 𝑦11 =𝑖1

𝑢1|

𝑢2=0 in 𝑦21 =

𝑖2

𝑢1|

𝑢2=0 uporabimo naslednjo

konfiguracijo (Slika 3.24).

Vezje

Vtok2Vtok1

U1

Udt1

AC=1

DC=Uq

DC=0V DC=0V

u1=1V

i1 i2

u2=0

Slika 3.24: Konfiguracija za merjenje parametrov y11 in y21


20

Za merjenje parametrov 𝑦12 =𝑖1

𝑢2|

𝑢1=0in 𝑦22 =

𝑖2

𝑢2|

𝑢1=0 pa uporabimo spodnjo konfiguracijo

(Slika 3.25).

Vezje

Vtok2Vtok1

U2

Udt2

AC=1

DC=Uq

DC=0V DC=0V+

u1=0 u2=1V

i1 i2

Slika 3.25: Konfiguracija za merjenje parametrov y12 in y22

U1 in U2 sta generatorja izmeničnih signalov s spremenljivo frekvenco z amplitudo 1 V. Vtok1

in Vtok2 sta napetostna generatorja z DC = 0. Služita za merjenje vhodnega in izhodnega

toka ter indikacijo smeri toka. Ker smo generatorjema U1 in U2 nastavili amplitudo 1 V, je

vrednost izmerjenega toka že kar enaka vrednosti admitančnih parametrov. Le enoto amper

moramo zamenjati s siemens. Napetostna generatorja Udt1 in Utd2 služita za nastavitev

delovne točke.

S posebej za ta namen pripravljenim procesnim skriptom (TwoPort.scp), ki bo opravil dve

simulaciji eno za drugo, pa lahko izmerimo vse štiri admitančne parametre v enem koraku.

Dovolj je le ena konfiguracija merilnega vezja (Slika 3.26), v procesnem skriptu pa opravimo

ustrezne zamenjave parametrov določenih elementov.

Vezje

Vtok1

V1

Vdt1

AC=1/AC=0

DC=Uq/DC=0

DC=0V

u1=1V/u1=0V

i1Vtok2

V2

Vdt2

AC=1/AC=0

DC=Uq/DC=0

DC=0V+

u2=1V/u2=0V

i2

Slika 3.26: Konfiguracija za merjenje kompleksnih admitančnih parametrov s procesnim skriptom

TwoPort.scp


21

3.3.2 Skript

Opis procesnega skripta TwoPort.scp:

printstatus -t "Dolocitev dvovhodnih parametrov v delovni tocki"

#tolerance

#vector

#noprint

set printmode = print

printstatus -t "//// 1. simulacija"

; amplitudo generatorja V2 spremenimo na vrednost 0

alter @V2[ACmag]=0

; v spremenljivko DT shranimo vrednost delovne točke na Vdt2

DT=@Vdt2[DC]

; Vrednost parametra DC na Vdt2 postavimo na vrednost 0

; Vdt2 deluje sedaj kot kratek stik

alter @Vdt2[DC]=0

; zagon 1. simulacije v konfiguraciji za merjenje y11 in y21

#simulation

; vrednosti vektorja @Vtok1[i] shranimo v vektor constants.x11

; vrednosti vektorjev constants.xx ostanejo v pomnilniku

; tudi po zagonu naslednje simulacije

constants.x11=@Vtok1[i]



#mprint

printstatus -t "//// 2. simulacija"


alter @V2[ACmag]=1


alter @V1[ACmag]=0

; Vrednost parametra DC na Vdt1 postavimo na vrednost 0

; Vdt1 deluje sedaj kot kratek stik

alter @Vdt1[DC]=0

; Vrednost parametra DC na Vdt2 postavimo na vrednost DT

alter @Vdt2[DC]=DT

; zagon 2. simulacije v konfiguraciji za merjenje y12 in y22

#simulation




22



#mprint

printstatus -t "//// 2. Konec"

version ; izpis verzije SPICE programa

echo "Verzija skripta: TwoPort.SCP 4.8.2016"

printstatus -t "Verzija skripta: TwoPort.SCP 4.8.2016"

Za vsak parameter imamo en merilni skript, torej skupaj 16 merilnih skriptov.

Merilni skripti za admitančne y parametre:

y11=constants.x11

y12=constants.x12

y21=constants.x21

y22=constants.x22

Merilni skripti za impedančne z parametre:

; izračunano determinanto

det=(y11*y22)-(y12*y21)

z11=y22/det

z12=-y12/det

z21=-y21/det

z22=y11/det

Merilni skripti za hibridne h parametre:

h11=1/y11

h12=-y12/y11

h21=y21/y11

h22=det/y11

Merilni skripti za inverzne hibridne g parametre:

g11=det/y22

g12=y12/y22


23

g21=-y21/y22

g22=1/y22

3.3.3 Navodila

V SpiceNet vnesemo merjeno vezje. Nato dodamo in povežemo dodatne elemente, kot je

prikazano spodaj (Slika 3.27).

Slika 3.27: Vezalni načrt za merjenje kompleksnih parametrov dvovhodnih vezij

Vsi elementi morajo biti poimenovani enako, kot na zgornji sliki!

Napetostnima generatorjema V1 in V2 nastavimo parameter AC na vrednost 1 V.

Napetostnima generatorjema Vtok1 in Vtok2 nastavimo parameter DC na vrednost 0 V. Pri

tem pazimo na orientacijo obeh generatorjev!

Z napetostnima generatorjema Vdt1 in Vdt2 nastavimo delovno točko.

Pripravimo simulacijo (Actions -> Simulation Setup -> Edit …). V oknu ISSpice4

Simulation Setup v razdelku Analyses kliknemo na AC Analysis … V oknu AC Analysis

– Bode Plot vnesemo vrednost 1 v polje No. of Points. V okvirju Frequency vnesemo v

polje Starting frekvenco, pri kateri želimo meriti admitančne parametre, v polje Ending pa

vnesemo vrednost, ki je večja od vrednosti v polju Starting (Slika 3.28), vendar nižja od

naslednje dekade. Na ta način izvedemo AC-analizo le pri eni vrednosti frekvence. S klikom

na gumb OK in v naslednjem koraku na Done zapremo in potrdimo nastavitve simulacije.

1

2

V1

AC = 1V

Vdt1

1V

4

Vtok1

0V

Merjeno

vezje

3

Vtok2

0V

6

V2

AC = 1V

Vdt2

1V

Vzbujanje na vhodu Vzbujanje na izhodu

Nastavitev

delovne točke

Nastavitev

delovne točke


24

Slika 3.28: Nastavitev AC-analize – v tem primeru merimo parametre pri frekvenci 10 kHz

Odpremo okno Simulation Control (Actions -> ICAP/Simulation Control). Odpremo

zavihek Measurements in vnesemo zgornje merilne skripte, kot smo jih vnesli v prejšnjih

meritvah. Posamezne merilne skripte poimenujemo z ustreznim parametrom. Torej merilni

skript za parameter y11 poimenujemo y11, parameter y12 z y12 in tako naprej. Skupno

moramo vnesti 16 merilnih skriptov (Slika 3.29).

Slika 3.29: Zavihek Measurements okna Simulation Control po vnosu vseh merilnih skriptov

V zavihku Main v okvirju Mode označimo Simulation Template in poiščemo ter označimo

procesni skript z imenom TWOPORT.

Slika 3.30: Okno Simulation Control za merjenje dinamičnih dvovhodnih parametrov


25

Meritev zaženemo s klikom na gumb Simulate Selections.

Po končani simulaciji v oknu IsSpice4 odpremo izhodno datoteko (Actions -> Text Edit),

tako da v oknu IsEdit kliknemo na gumb Out na orodni vrstici ali pa preko menija (Window

-> .OUT File).

Izmerjene vrednosti parametrov najdemo v odseku ac analysis measurements.

3.3.4 Predloga

Dinamični parametri enostopenjskega ojačevalnika pri frekvenci 10 kHz in delovni točki UQ

= 620 mV.

Slika 3.31: Vezalni načrt enostopenjskega ojačevalnika za merjenje dinamičnih četveropolnih

parametrov

Rezultati v .OUT datoteki (izsek):

***

ac analysis measurements

test 1 y11

y11 = 7.105149e-005,1.430302e-006

test 2 y12

y12 = -4.00001e-005,-9.66666e-008

2

3

Q12N22226

R15k

R220k

1

R3500

Vcc10V

4

5

V1AC = 1V

Vdt1620mV

Vtok10V

8

Vtok20V

7

V2AC = 1V

Vdt2620mV

Vzbujanje na vhodu

Vzbujanje na izhodu

Merjeno vezje


26

test 3 y21

y21 = -6.95697e-005,1.209044e-008

test 4 y22

y22 = 2.040000e-003,4.434733e-007

test 5 z11

z11 = 1.434378e+004,-2.93831e+002

test 6 z12

z12 = 2.812638e+002,-5.14285e+000

test 7 z21

z21 = 4.891594e+002,-1.02118e+001

test 8 z22

z22 = 4.997878e+002,-2.85701e-001

test 9 h11

h11 = 1.406860e+004,-2.83208e+002

test 10 h12

h12 = 5.627721e-001,-9.96837e-003

test 11 h21

h21 = -9.78745e-001,1.987280e-002

test 12 h22

h22 = 2.000848e-003,1.143774e-006

test 13 g11

g11 = 6.968737e-005,1.427539e-006

test 14 g12

g12 = -1.96079e-002,-4.31230e-005

test 15 g21

g21 = 3.410281e-002,-1.33403e-005

test 16 g22


27

g22 = 4.901960e+002,-1.06563e-001

Program: IsSpice4, version: ver. 8.11D_4142

Date built: 2/26/2014

verzija skripta: twoport.scp 4.8.2016


Pravilnost merilnega skripta preverimo v Intuscopu. Pri tem izvedemo AC-simulacijo s

širšim obsegom frekvenc, narišemo realne in imaginarne vrednosti admitanc v odvisnosti

od frekvence (ker je amplituda vzbujanja 1 V, so vrednosti admitančnih parametrov enake

vrednosti tokov) in odčitamo vrednosti pri frekvenci 10 kHz.

1 yre11 2 yim11


0

40.0u

80.0u

120u

160u

yim

11

in

am

pe

res

-180u

-80.0u

20.0u

120u

220u

yre

11

in

am

pe

res

Plo

t1

1

2

x = 10.0k hertz, y = 71.1u amperes

x = 10.0k hertz, y = 1.43u amperes

1 yre12 2 yim12


-6.00u

-2.00u

2.00u

6.00u

10.0u

yim

12

in

am

pe

res

-60.5u

-55.5u

-50.5u

-45.5u

-40.5u

yre

12

in

am

pe

res

Plo

t1

1

2

x = 10.0k hertz, y = -40.0u amperes

x = 10.0k hertz, y = -96.7n amperes


28

Slika 3.32: Frekvenčna odvisnost kompleksnih admitančnih parametrov

Vidimo, da se vrednosti ujemajo z izmerjenimi.

1 yre21 2 yim21


-40.0n

360n

760n

1.16u

1.56u

yim

21

in

am

pe

res

-70.6u

-70.1u

-69.6u

-69.1u

-68.6u

yre

21

in

am

pe

res

Plo

t1

1

2

x = 10.0k hertz, y = -69.6u amperes

x = 10.0k hertz, y = 12.1n amperes

1 yre22 2 yim22


600u

2.60m

4.60m

6.60m

8.60m

yim

22

in

am

pe

res

2.031m

2.035m

2.039m

2.043m

2.047m

yre

22

in

am

pe

res

Plo

t1

1

2

x = 10.0k hertz, y = 2.04m amperes

x = 10.0k hertz, y = 443n amperes


29

3.4 Enosmerni inkrementalni admitančni parametri dvovhodnih vezij

3.4.1 Opis

Enačbe, ki opisujejo dvovhodno vezje, so podane na začetku poglavja Kompleksni

parametri dvovhodnih vezij, s tem da tu vezje vzbujamo z enosmernimi signali.

Enosmerne inkrementalne admitančne parametre dvovhodnega vezja določimo na podlagi

štirih I-U-karakteristik:

𝑌11 =𝐼1

𝑈1|

𝑈2=0

Iz karakteristike vhodnega toka v odvisnosti od vhodne napetosti pri

kratko sklenjenem izhodu.

𝑌12 =𝐼1

𝑈2|

𝑈1=0

Iz karakteristike vhodnega toka v odvisnosti od izhodne napetosti pri

kratko sklenjenem vhodu.

𝑌21 =𝐼2

𝑈1|

𝑈2=0

Iz karakteristike izhodnega toka v odvisnosti od vhodne napetosti pri

kratko sklenjenem izhodu.

𝑌22 =𝐼2

𝑈2|

𝑈1=0

Iz karakteristike izhodnega toka v odvisnosti od izhodne napetosti

pri kratko sklenjenem vhodu.

Če je vezje rezistivno, bodo I-U-karakteristike linearne in vrednosti posameznih enosmernih

inkrementalnih admitančnih parametrov bodo konstantne v vseh delovnih točkah.

Če imamo opravka z nelinearnimi vezji – in v realnosti je večina vezij nelinearna –, bodo I-

U-karakteristike nelinearne in s tem se bodo tudi vrednosti enosmernih admitančnih

parametrov v različnih delovnih točkah razlikovale.

Najprej bomo dvovhodnemu vezju določili vse štiri transkonduktančne karakteristike, in

sicer tako, da bomo uporabili DC Sweep analizo:

𝐼1 = 𝑓1(𝑈1)|𝑈2=0

𝐼1 = 𝑓2(𝑈2)|𝑈1=0

(3.19)

𝐼2 = 𝑓3(𝑈1)|𝑈2=0

𝐼2 = 𝑓4(𝑈2)|𝑈1=0

Potrebovali bomo dve konfiguraciji merilnega vezja. Eno za karakteristiki I1-U1 in I2-U1:


30

Vezje

Vtok21Vtok11

DC=0V DC=0V

I1 i2

U2=0V1 U1

Slika 3.33: Merilno vezje za merjenje enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov Y11 in

Y21

Druga konfiguracija za karakteristiki I1-U2 in I2-U2:

Vezje

Vtok22Vtok12

DC=0V DC=0V

I1 I2

U2U1=0 V2

Slika 3.34: Merilno vezje za merjenje enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov Y12 in

Y22

Na podlagi karakteristik bomo z merilnim skriptom določili enosmerne inkrementalne

admitančne parametre.

U

I

UQ

IQ

ΔU

ΔI

Q(UQ, IQ)

Slika 3.35: Določitev enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov

𝑌𝑄 = ΔI

ΔU=

𝐼(𝑈𝑄+ Δ𝑈)−𝐼𝑄

Δ𝑈(3.19)


31

Delovno točko pri obeh konfiguracijah bomo nastavljali v merilnih skriptih. Na zgornji sliki

lahko vidimo, da bo vrednost admitančnega parametra odvisna od izbire velikosti ΔU.

3.4.2 Merilni skript

Uporabili bomo štiri samostojne merilne skripte.

Skript za določitev Y11:

; ročno vnesemo delovno točko

delovna_tocka=0.62

homecursors

; določimo ΔU, ki znaša 1% razpona U

delta=(getcursorx(1)-getcursorx(0))/100

; kurzor 0 postavimo v delovno točko

setcursor 0 delovna_tocka

; kurzor 1 postavimo na točko ki je za delta U večja od DT

setcursor 1 delovna_tocka+delta

; po zgornji enačbi izračunamo parameter y11

y11=(getcursory(i(vtok11), 1)-getcursory(i(vtok11), 0))/delta



delovna_tocka=0.62

homecursors








y12=(getcursory(i(vtok12), 1)-getcursory(i(vtok12), 0))/delta



32


delovna_tocka=0.62

homecursors








Y21=(getcursory(i(vtok21), 1)-getcursory(i(vtok21), 0))/delta



delovna_tocka=0.62

homecursors








Y22=(getcursory(i(vtok22), 1)-getcursory(i(vtok22), 0))/delta

3.4.3 Navodila

Vezje sestavljajo trije sklopi. V SpiceNetu posamezne sklope vezja vnesemo vsakega v

svojo plast (layer). Prvi sklop predstavlja merjeno vezje.

Vhodni vozlišči poimenujemo vhod1 in vhod2 (označimo vozlišče in pritisnemo tipko Z ali

iz menija Parts -> Continuation). Plast (layer) preimenujemo v Vezje (Options -> Layers…

-> Rename… -> V polje To: vnesemo ime Vezje). Enako storimo z izhodnima vozliščema,

le da ju imenujemo izhod1 in izhod2 (Slika 3.36). Če sta vozlišči vhod2 in izhod2 na istem

potencialu, namesto Continuation priključimo Groud.


33

Slika 3.36: Merjeno vezje – plast z imenom Vezje

Drugi sklop je merilno vezje za merjenje admitančnih parametrov Y11 in Y21 (Slika 3.37).

Vnesemo ga v plast z imenom Y11_Y21 (Options -> Layers -> New... ).

Slika 3.37: Vzbujanje v plasti z imenom Y11_Y21 za merjenje parametrov Y11 in Y21

Vse vire napetosti in priključnih sponk poimenujemo enako kot na zgornji sliki.

Napetostnima viroma Vtok11 in Vtok21 nastavimo parameter DC na 0 V. Paziti moramo

na polariteto teh dveh virov. Če sta vozlišči vhod2 in izhod2 na istem potencialu, namesto

Continuation priključimo Groud.

Slika 3.38: Vzbujanje v plasti z imenom Y12_Y22 za merjenje parametrov Y12 in Y22

Merjenovezje

vhod1 izhod1

vhod2 izhod2

1

V1

Vtok110V

vhod1

vhod2

Vtok210V

izhod1

izhod2

Vtok120V

vhod1

vhod2

3

V2

Vtok220V

izhod1

izhod2


34

Tretji sklop je merilno vezje za merjenje admitančnih parametrov Y12 in Y22 (Slika 3.38).

Vnesemo ga v plast z imenom Y12_Y22 (Options -> Layers -> New... ).

Vse vire napetosti in priključnih sponk poimenujemo enako kot na zgornji sliki.

Napetostnima viroma Vtok12 in Vtok22 nastavimo parameter DC na 0 V. Paziti moramo

na polariteto teh dveh virov. Če sta vozlišči vhod2 in izhod2 na istem potencialu, namesto

Continuation priključimo Groud.

Nato združimo plasti Vezje in Y11_Y21 v vezalno konfiguracijo za merjenje parametrov Y11

in Y21 in konfiguracijo poimenujemo Merjenje_Y11_Y21. V meniju izberemo Options ->

Configurations -> Edit. V oknu Configurations kliknemo na gumb Edit … in v oknu Edit

Configuration v polje New Configuration Name vnesemo ime konfiguracije

(Merjenje_Y11_Y21), v seznamu Included Layers pa označimo plasti Vezje in Y11_Y21

in potrdimo z gumbom OK, kot prikazuje spodnja slika.

Slika 3.39: Konfiguracija vezave za parametre Y11 in Y21

Plasti Vezje in Y12_Y22 pa združimo v vezalno konfiguracijo za merjenje parametrov Y12

in Y22 in konfiguracijo poimenujemo Merjenje_Y12_Y22. V oknu Configurations kliknemo

na gumb New in v oknu New Configuration vnesemo ime konfiguracije

(Merjenje_Y12_Y22), v seznamu Layers To Be Included pa označimo plasti Vezje in

Y12_Y22 in potrdimo z gumbom OK, kot prikazuje spodnja slika.

Slika 3.40: Konfiguracija vezave za parametre Y12 in Y22


35

V oknu Configurations sta zdaj prisotni dve vezalni konfiguraciji, kot je prikazano na

spodnji sliki. Z gumbom OK potrdimo in zapremo okno Configurations.

Slika 3.41: Obe konfiguraciji

Pripravimo tudi dve konfiguraciji DC Sweep analize. V prvi konfiguraciji bo aktiven

napetostni vir V1, konfiguracijo pa poimenujemo z imenom DC V1. V meniju izberemo

Actions -> Simulation Setup -> Edit … V oknu IsSpice4 Simulation Setup v področju

Configuration kliknemo na gumb Rename … in v polje New Name vnesemo ime

simulacije DC V1. Potrdimo z gumbom OK. V področju Analysis kliknemo na gumb DC

Sweep in v oknu DC Source Sweep Analysis v stolpcu Outer vnesemo v polje Source

ime napetostnega generatorja V1. V polji Start in End vnesemo začetno in končno napetost

analize, in sicer tako, da bo opazovana delovna točka nekje na sredini intervala. V polje

Step vnesemo še korak spremembe napetosti. Vnos potrdimo s klikom na gumb OK.

Slika 3.42: Parametri DC Sweep analize za napetostni vir V1 in UQ = 620 mV

V drugi konfiguraciji DC Sweep analize bo aktiven napetostni vir V2, konfiguracijo pa

poimenujemo z imenom DC V2. V oknu IsSpice4 Simulation Setup v področju

Configuration kliknemo na gumb Edit … in nato v oknu Edit Configurations na gumb

New. V oknu New Configuration v polje Name vnesemo ime DC V2 in dvakrat potrdimo.

V področju Analysis kliknemo na gumb DC Sweep in v oknu DC Source Sweep Analysis


36

v stolpcu Outer vnesemo v polje Source ime napetostnega generatorja V2. V polji Start in

End vnesemo začetno in končno napetost analize tako, da bo opazovana delovna točka

nekje na sredini intervala. V polje Step vnesemo še korak spremembe napetosti. Vnos

potrdimo s klikom na gumb OK. S klikom na gumb Done zapremo okno IsSpice4 Simulation

Setup.

Slika 3.43: Parametri DC Sweep analize za napetostni vir V2 in UQ = 620 mV

Odpremo Simulation Control (Actions -> ICAPS/Simulation Control …), kjer imamo v

zavihku Main v področju Test Configuration štiri testne konfiguracije. Za nas uporabni sta

le dve: testna konfiguracija Merjenje_Y11_Y21 + DC V1, ki jo tvorita vezalna konfiguracija

Merjenje_Y11_Y21 in konfiguracija simulacije DC V1, ter testna konfiguracija

Merjenje_Y12_Y22 + DC2, ki jo tvorita vezalna konfiguracija Merjenje_Y12_Y22 in

konfiguracija simulacije DC V2. V zavihku Test Configurations zato drugi dve konfiguraciji

izbrišemo.

Slika 3.44: Simulation Control z dvema testnima konfiguracijama – prva za merjenje Y11 in Y21,

druga za merjenje Y12 in Y22


37

Vnesemo še štiri merilne skripte. V oknu Simulation Control se premaknemo na zavihek

Measurements in označimo prvo DC-oznako v drevesni strukturi (Merjenje_Y11_Y21 ->

DC V1 -> DC).

Slika 3.45: Vnos merilnih skriptov

Kliknemo na gumb Add. V oknu Measurement Wizard v področju Method označimo

Script in vnesemo ime Y11.

Slika 3.46: Measurement Wizard za parameter Y11

Kliknemo na gumb Next in še enkrat Next. Označimo in kopiramo merilni skript za

admitančni parameter Y11 v odložišče in ga prilepimo v polje Enter an ICL Script. V

merilnem skriptu spremenimo vrednost spremenljivke delovna_tocka na vrednost

delovne točke, pri kateri želimo izmeriti vrednost admitančnega parametra. Potrdimo in

zapremo okno s klikom na gumb Finish.

Postopek ponovimo še za druge tri admitančne parametre, s tem da za parametra Y12 in

Y22 označimo drugo DC-oznako v drevesni strukturi (Merjenje_Y12_Y22 -> DC V2 -> DC).


38

Po vnosu vseh štirih merilnih skriptov zavihek Measurements izgleda takole:

Slika 3.47: Zavihek Measurements po vnosu vseh štirih merilnih skriptov

Premaknemo se na zavihek Main in lahko začnemo z meritvijo. V področju Mode označimo

Simulation Template in izberemo standardni procesni skript STD. Za meritev

inkrementalnih admitančnih parametrov Y11 in Y21 označimo testno konfiguracijo

Merjenje_Y11_Y21 + DC V1 in kliknemo na Simulate Selection. Za merjenje

inkrementalnih admitančnih parametrov Y12 in Y22 pa označimo testno konfiguracijo

Merjenje_Y12_Y22 + DC V2 in kliknemo na gumb Simulate Selection. Rezultat meritve je

prikazan v oknu Output programa IsSpice4.


39

3.4.4 Predloga

Zanimajo nas enosmerni inkrementalni admitančni parametri enostopenjskega

ojačevalnika v delovni točki UQ = 620 mV. Uporabimo enako testno vezje, kot smo ga imeli

v predlogi pri merjenju dinamičnih dvovhodnih parametrov.

Slika 3.48: Vezalni načrt za merjenje enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov Y11 in Y21

Vrednosti izmerjenih enosmernih inkrementalnih parametrov Y11 in Y21 v oknu Output:

Slika 3.49: Izpis izmerjenih enosmernih inkrementalnih parametrov Y11 in Y21

Slika 3.50: Vezalni načrt za merjenje enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov Y12 in Y22

1

R15k

R220k

4

R3500

Q12N2222

Vcc10V

vhod

izhod

testirano vezje

5

V1

Vtok110V

vhod

Konfiguracijaza merjenje Y11 in Y21 na vhodu vezja

Vtok210V

izhod

Konfiguracijaza merjenje Y11 in Y21 na izhodu vezja

1

R15k

R220k

4

R3500

Q1

2N2222

Vcc10V

vhod

izhod

testirano vezje

Vtok120V

vhod

Konfiguracijaza merjenje Y12 in Y22 navhodu vezja

6

V2

Vtok220V

izhod

Konfiguracijaza merjenje Y12 in Y22 naizhodu vezja


40

Rezultat druge meritve je prikazan v oknu Output:

Slika 3.51: Izpis izmerjenih enosmernih inkrementalnih parametrov Y12 in Y22

Naredimo primerjavo izmerjenih kompleksnih admitančnih parametrov (realni del

kompleksne vrednosti pri frekvenci 10 kHz) z enosmernimi inkrementalnimi admitančnimi

parametri.

Parameter Kompleksni Enosmerni inkrementalni

Y11 71,05 μS 76,74 μS

Y12 –40 μ –39,99 μS

Y21 –69,57 μS –75,11 μS

Y22 2,04 mS 2,04 mS

Vidimo, da se pri nizkih frekvencah vrednosti kompleksnih in enosmernih inkrementalnih

admitančnih parametrov malo razlikujejo. Pri višjih frekvencah pa je razlika že bolj opazna

(Slika 3.32: Frekvenčna odvisnost kompleksnih admitančnih parametrov).

3.4.5 Testiranje pravilnosti merilnih skriptov

Pravilnost merilnih skriptov preverimo v Intuscopu.

Slika 3.52: Enosmerna karakteristika I1-U1

1 i(vtok11)

200m 600m 1.00 1.40 1.80v1 in volts

-50.0u

50.0u

150u

250u

350u

i(vto

k1

1)

in a

mp

ere

sP

lot1

1x = 620m volts, y = 26.2645u amperes

x = 640m volts, y = 27.7993u amperes


41

𝑌11 = 27,7993⋅10−6−26,2645⋅10−6

20⋅10−3 = 76,74 ⋅ 10−6 𝑆 (3.20)


𝑌21 =−20,0277⋅10−3−(−20,0261⋅10−3)

20⋅10−3 = −80 ⋅ 10−6 𝑆 (3.21)


𝑌12 =−25,5998⋅10−6−(−24,7998⋅10−6)

20⋅10−3 = −40 ⋅ 10−6 𝑆 (3.22)

1 i(vtok21)

200m 600m 1.00 1.40 1.80v1 in volts

-20.30m

-20.20m

-20.10m

-20.00m

-19.90m

i(vto

k2

1)

in a

mp

ere

sP

lot2

1

x = 620m volts, y = -20.0261m amperes


1 i(vtok12)

200m 600m 1.00 1.40 1.80v2 in volts

-80.0u

-60.0u

-40.0u

-20.0u

0

i(vto

k1

2)

in a

mp

ere

sP

lot1

1

x = 620m volts, y = -24.7998u amperes

x = 640m volts, y = -25.5998u amperes


42


𝑌22 =−18,6944⋅10−3−(−18,7352⋅10−3)

20⋅10−3 = 2,04 ⋅ 10−6 𝑆 (3.23)

Izračunane vrednosti parametrov se ujemajo z izmerjenimi.

1 i(vtok22)

200m 600m 1.00 1.40 1.80v2 in volts

-20.0m

-19.0m

-18.0m

-17.0m

-16.0mi(

vto

k2

2)

in a

mp

ere

sP

lot1

1




43

3.5 Enosmerni inkrementalni parametri dvovhodnih vezij

3.5.1 Opis

V poglavju 3.4 smo izmerili enosmerne inkrementalne admitančne parametre v dveh

korakih. Pri tem smo želeli bralcu prikazati delo s plastmi. V tem poglavju bomo s pomočjo

procesnega skripta izvedli meritev enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov v

enem koraku in iz izmerjenih vrednosti izračunali še impedančne, hibridne in inverzne

hibridne parametre.

[𝑍] = 1

Δ[𝑌][

𝑌22 −𝑌12

−𝑌21 𝑌11] (3.24)

[𝐻] = 1

𝑌11[

1 −𝑌12

𝑌21 Δ[𝑌]] (3.25)

[𝐺] = 1

𝑌22[

Δ[𝑌] 𝑌12

−𝑌21 1] (3.26)

Δ[𝑌] = 𝑌11𝑌22 − 𝑌12𝑌22 (3.27)

U

I

UQ1

IQ1

ΔU

ΔI

Q1(UQ1, IQ1)

Q2(UQ2, IQ2)

UQ2

IQ2

Slika 3.56: Določitev enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov z OP-analizo


44

OP-analizo izvedemo v dveh delovnih točkah, za kar bomo potrebovali štiri simulacije:

- Simulacija 1 za določitev delovne točke Q1 za Y11 in Y21.




Enosmerne inkrementalne admitančne parametre nato določimo s pomočjo enačbe (3.19).

3.5.2 Merilni skript

Procesni skript (TwoPort_DC.scp):

; procesni skript za merjenje inkrementalnih dvovhodnih parametrov

; v delovni tocki

#tolerance

#vector

#noprint

set printmode = print

; 1. simulacija"

; v spremenljivko VQ1 shranimo vrednost generatorja VQ1

VQ1=@VQ1[DC]

; v spremenljivko VQ2 shranimo vrednost generatorja VQ2

VQ2=@VQ2[DC]

; v spremenljivko Vdelta1 shranimo vrednost(premik) generatorja

Vdelta1

Vdelta1=@Vdelta1[DC]

; v spremenljivko Vdelta2 shranimo vrednost(premik) generatorja

;Vdelta2

Vdelta2=@Vdelta2[DC]

; Vrednost parametra DC na Vdelta1 in Vdelta2 postavimo na

;vrednost 0

; Vdelta1 in Vdelta2 delujeta sedaj kot kratek stik

alter @Vdelta1[DC]=0


; VQ2 deluje sedaj kot kratek stik

alter @VQ2[DC]=0

; zagon 1. simulacije v konfiguraciji za določitev delovne točke 1

; za y11 in y21


45

#simulation

; vrednost vektorja @Vtok1[i] shranimo v vektor constants.x11

; vrednosti vektorjev constants.xx ostanejo v pomnilniku

; tudi po zagonu naslednje simulacije


; vrednost vektorja @Vtok2[i] shranimo v vektor constants.x21


#mprint

; 2. simulacija"

; VQ2 postavimo nazaj na prvotno vrednost

alter @VQ2[DC]=VQ2

; VQ1 deluje sedaj kot kratek stik

alter @VQ1[DC]=0


; za y12 in y22

#simulation

; vrednost vektorja @Vtok1[i] shranimo v vektor constants.x12 (tok

; za izracun y21)


; vrednost vektorja @Vtok2[i] shranimo v vektor constants.x22 (tok

; za izracun y22)


#mprint

; 3. simulacija


alter @VQ1[DC]=VQ1

; VQ2 postavimo na 0

alter @VQ2[DC]=0

; vrednost DC generatorja Vdelta1 spremenimo na prvotno vrednost

alter @Vdelta1[DC]=Vdelta1


; za y11 in y21

#simulation

; vrednost vektorja @Vtok1[i] shranimo v vektor constants.y11 (tok

; za izracun y11)

constants.y11=@Vtok1[i]


46


; za izracun y21)


#mprint

; 4. simulacija

; Vrednost parametra DC na Vdelta1 postavimo na vrednost 0


; vrednost DC generatorja Vdelta2 spremenimo na prvotno vrednost

; alter @Vdelta2[DC]=Vdelta2


alter @VQ2[DC]=VQ2

; VQ1 postavimo na 0

alter @VQ1[DC]=0


; za y12 in y22

#simulation


; za izracun y12)



; za izracun y22)


#mprint

; izpis izmerjenih vrednosti

printstatus -t "Izmerjene vrednosti inkrementalnih dvovhodnih

parametrov v delovni tocki:"

printstatus -vn VQ1

printstatus -n VQ1

printstatus -t " "

printstatus -t "Inkrementalni admitancni parametri:"

printstatus -t ""

printstatus -vn y11

printstatus -n y11

printstatus -vn y12

printstatus -n y12

printstatus -vn y21

printstatus -n y21

printstatus -vn y22


47

printstatus -n y22

printstatus -t ""

printstatus -t "Inkrementalni impedancni parametri:"

printstatus -t ""

printstatus -vn z11

printstatus -n z11

printstatus -vn z12

printstatus -n z12

printstatus -vn z21

printstatus -n z21

printstatus -vn z22

printstatus -n z22

printstatus -t ""

printstatus -t "Inkrementalni hibridni parametri:"

printstatus -t ""

printstatus -vn h11

printstatus -n h11

printstatus -vn h12

printstatus -n h12

printstatus -vn h21

printstatus -n h21

printstatus -vn h22

printstatus -n h22

printstatus -t ""

printstatus -t "Inkrementalni inverzni hibridni parametri:"

printstatus -t ""

printstatus -vn g11

printstatus -n g11

printstatus -vn g12

printstatus -n g12

printstatus -vn g21

printstatus -n g21

printstatus -vn g22

printstatus -n g22

printstatus -t ""

printstatus -t "Konec meritve"

printstatus -t "Verzija skripta: TwoPort.SCP 22.8.2016"


48

Merilni skripti (vnesemo jih vsakega posebej in poimenujemo y11, y12, y21 in tako naprej

do g22):

; merilni skript za merjenje y11

tokx11=constants.x11

toky11=constants.y11

y11=(toky11-tokx11)/Vdelta1













; merilni skript za merjenje z11

z11=y22/((y11*y22)-(y12*y21))


z12=-y12/((y11*y22)-(y12*y21))


z21=-y21/((y11*y22)-(y12*y21))


z22=y11/((y11*y22)-(y12*y21))

; merilni skript za merjenje h11

h11=1/y11



49

h12=-y12/y11


h21=y21/y11


h22=((y11*y22)-(y12*y21))/y11

; merilni skript za merjenje g11

g11=((y11*y22)-(y12*y21))/y22


g12=y12/y22


g21=-y21/y22


g22=1/y22

3.5.3 Navodila

V SpiceNet vnesemo merjeno vezje. Nato dodamo in povežemo dodatne elemente, kot je

prikazano na spodnji sliki (Slika 3.57).

Napetostnima generatorjema VQ1 in QV2 nastavimo parameter DC na vrednost želene

delovne točke Q1.

Napetostnima generatorjema Vdelta1 in Vdelta2 nastavimo parameter DC na vrednost ΔU.

Napetostnima generatorjema Vtok1 in Vtok2 nastavimo parameter DC na vrednost 0 V. Pri

tem pazimo na orientacijo obeh generatorjev!

Vsi elementi morajo biti poimenovani enako, kot kaže spodnja slika (Slika 3.57)!


50

Pripravimo simulacijo (Actions -> Simulation Setup -> Edit …). V oknu ISSpice4

Simulation Setup v razdelku Analyses kliknemo na Operating Point …

Merjeno vezje

Vtok2Vtok1

VQ2

Vdelta1DC=ΔU

DC=0V DC=0V

DC=UQVQ1

DC=ΔUVdelta2

DC=UQ

Slika 3.57: Vezalni načrt za merjenje enosmernih inkrementalnih četveropolnih parametrov v enem

koraku

Odpremo okno Simulation Control (Actions -> ICAP/Simulation Control). Odpremo

zavihek Measurements in vnesemo zgornje merilne skripte, kot smo jih vnesli v prejšnjih

meritvah. Posamezne merilne skripte poimenujemo z ustreznim parametrom. Torej merilni

skript za parameter Y11 poimenujemo y11, parameter Y12 z y12 in tako naprej. Skupno

moramo vnesti 16 merilnih skriptov.

Slika 3.58: Zavihek Measurements okna Simulation Control po vnosu vseh merilnih skriptov

V zavihku Main v okvirju Mode označimo Simulation Template in poiščemo ter označimo

procesni skript z imenom TWOPORT_DC.


51

Slika 3.59: Okno Simulation Control za merjenje enosmernih inkrementalnih dvovhodnih

parametrov v enem koraku

Meritev zaženemo s klikom na gumb Simulate Selections. Po končani simulaciji se

izmerjene vrednosti parametrov izpišejo v oknu Output podprograma IsSpice4.

3.5.4 Predloga

Zanimajo nas enosmerni inkrementalni dvovhodni parametri enostopenjskega ojačevalnika

v delovni točki UQ = 620 mV. Uporabimo enako merjeno vezje, kot smo ga imeli v predlogi

pri merjenju kompleksnih dvovhodnih parametrov.

Slika 3.60: Vezalni načrt za merjenje enosmernih inkrementalnih admitančnih parametrov v delovni

točki

1

5

VQ1

2

Vtok10

10

6

VQ2

Vtok20

Vdelta120m

Vdelta220m

3

R15k

R220k

9

R3500

Q12N2222

Vcc10V

Vzbujanje na vhodu

Vzbujanje na izhodu

Merjeno vezje

Nastavitev

delovne

točke

Nastavitev

delovne

točke

delta U (premik)

delovne točke

delta U (premik)

delovne točke


52

Slika 3.61: Izpis izmerjenih enosmernih inkrementalnih parametrov v delovni točki


53

4 SKLEP

Cilj diplomskega dela je bil izdelati knjižnico (seznam) merilnih skriptov najpogostejših

meritev v elektroniki, in sicer tako, da bodo skripti enostavno uporabni in dosegljivi

študentom in drugim zainteresiranim. Navodila so sicer napisana poljudno in so razmeroma

obširna. Je pa treba poudariti, da je pri uporabi skriptov in tolmačenju rezultatov le-teh

potrebno dobro teoretično in praktično predznanje.

Pri samem pisanju merilnih skriptov smo pri merjenju dinamičnih in inkrementalnih

parametrov dvovhodnih vezij naleteli na dve težavi. Za meritev vseh parametrov je namreč

potrebnih več zaporednih simulacij. Težava je v tem, da vrednosti vektorjev prejšnjih

simulacij niso dostopne v kasnejših simulacijah. Da smo rešili to težavo, smo napisali

ustrezen procesni skript, ki to težavo reši. Druga težava, ki pa je nismo uspeli rešiti, pa je

izpis kompleksnih vrednosti vektorjev v izhodno okno.

Izraz knjižnica je glede na število skriptov, ki smo jih napisali, morda neustrezen, vendar

sama ideja, da se zbere čim več merilnih skriptov na enem znanem mestu, je dobra.

Prihajajočim rodovom pa prepuščamo, da jo čim bolj napolnijo.


54

5 LITERATURA

[1] Tuma, T., Bürmen A. Modeling and Simulation in Science, Engineering and

Technology – Circuit Simulation with SPICE OPUS. Birkhäuser, 2009.

[2] Dogša, T. Osnove skriptnega jezika NUTMEG. Maribor: Fakulteta za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko, 2016.

[3] Dogša, T. CAE/CAD v elektroniki: simulacija in modeliranje analognih vezij. Maribor:

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2010. Dostopno na:

https://dk.um.si/Dokument.php?id=15598 [14. 3. 2016].

[4] Laker, K. R. Common emitter BJT amplifier design. Pennsylvania: University of

Pennsylvania, 2008. Dostopno na:

http://www.seas.upenn.edu/~ese319/Lecture_Notes/Lec_8_CEDesigns_08.pdf [10. 8.

2016].

https://dk.um.si/Dokument.php?id=15598

http://www.seas.upenn.edu/~ese319/Lecture_Notes/Lec_8_CEDesigns_08.pdf

Documents

Knjižnica merilnih skriptov za simulator SPICE