Расчет частотных характеристик (AC Analysis)

2. Расчет частотных характеристик (AC Analysis)

Для проведения анализа частотных характеристик схемы необходимо к ее входу подключить источник синусоидального (SIN), импульсного (PULSE) сигнала или сигнала USER, параметры которого задаются пользователем (раздел 3.3). В этом случае в режиме AC программа МС8 вместо указанных источников подключает на вход схемы гармоническое возмущение с переменной частотой. В процессе расчета частотных характеристик комплексная амплитуда этого сигнала полагается равной 1 В, начальная фаза – равной нулю, а частота меняется в пределах, заданных в меню AC Analysis Limits.

В режиме AC сначала рассчитывается режим схемы по постоянному току, затем линеаризуются все нелинейные компоненты (пассивные компоненты с нелинейными параметрами, диоды, транзисторы, нелинейные управляемые источники) и выполняется расчет комплексных величин узловых потенциалов и токов ветвей. Цифровые компоненты при линеаризации заменяются их входными и выходными комплексными сопротивлениями, а передача сигналов через них не рассматривается.

Как правило, при расчете частотных характеристик используется один источник, воздействие которого приложено ко входу схемы. Если же источников несколько, то отклики от каждого сигнала будут складываться как комплексные величины.

2.1 Задание параметров моделирования (AC Analysis Limits)

После проверки правильности составления схемы и при отсутствии ошибок программа открывает окно задания параметров моделирования AC Analysis Limits, которое по своей структуре аналогично окну Transient Analysis Limits (рис. 5). Тем не менее, имеются и отличия, связанные с особенностями моделирования в режиме AC Analysis.

Рис. 5

Команды:

Состав команд (Run, Add, Delete, Expand, Stepping, Properties и Help) и их назначение аналогичны командам раздела 1.1.

Числовые параметры:

Frequency Rang – спецификация конечной и начальной частоты расчета частотных характеристик, определяемая форматом Fmax, Fmin. Если частота Fmin не указана, то расчет не производится. Отрицательные значения частоты не допускаются. Значения частот, на которых производится расчет характеристик, зависит от параметров, установленных в соседнем разделе «Опции»: Auto, Linear, Log и List (на рис. 5 установлена опция Auto). В режимах Auto и Log значение Fmin должно быть больше нуля.

Number of Point – количество точек по частоте (N_f), в которых производится расчет частотных характеристик. В режиме Auto количество точек определяется параметром Maximum Chang. При линейном законе изменения частоты (Linear) шаг приращения частоты ΔF равен

ΔF = F_k+1 – F_k = (Fmax - Fmin)/(N_f -1).

Если принят логарифмический масштаб (Log), то отношение соседних частотных точек определяется выражением:

F_k+1/F_k =( Fmax / Fmin)/( N_f -1).

В режиме List (список) параметр Number of Point во внимание не принимается, а список частотных точек указывается в спецификации Frequency Rang.

Temperature - диапазон изменения температуры в градусах Цельсия.

Maximum Change, % - максимально допустимое приращение величины первой спектральной функции на интервале шага по частоте в процентах от полной шкалы значений функции. Данный параметр используется при расчете шага приращения частоты в режиме Auto. Если график функции в процессе моделирования изменяется быстрее, то шаг приращения частоты автоматически уменьшается. Noise Input – имя источника, генерирующего шум.

Noise Output – имя узлов (формат <имя первого узла>[,<имя второго узла>]), относительно которых вычисляется спектральная плотность выходного шума схемы. Если имя второго узла не определено, то выходной шум вычисляется относительно нулевого узла («земли»).

Последние два параметра используются при расчете уровня внутреннего шума схемы. В математических моделях компонентов, принятых в программе MC8, учитываются тепловые, дробовые и низкочастотные фликкер-шумы. При расчете выходного шума спектральные плотности шума от отдельных источников суммируются. Для построения графиков спектральной плотности шума на входе и выходе схемы достаточно ввести в графу Y Expression соответствующего графического окна имя переменной в виде INOISE или ONOISE. При этом графики других переменных нельзя одновременно выводить на экран. Если переменные INOISE или ONOISE не указаны, то при проведении частотного анализа в режиме AC параметры Noise Input и Noise Output игнорируются.

Вывод результатов моделирования:

К группе из четырех кнопок , определяющих характер вывода данных и рассмотренных в разделе 1.1, добавляется пятая кнопка, при нажатии на которую вызываются следующие команды:

 Rectangular – вывод графиков в декартовой системе координат;

Polar – вывод графиков в полярной системе координат;

Smith chart plot – вывод графиков на круговой диаграмме Смита.

В графе P (Plot Group) указывается номер графического окна, в котором должна быть построена заданная функция.

Выражения:

Выражения X(Y) Expression и X(Y) Range имеют то же назначение, что и в режиме Transient Analysis. В качестве имени переменной по оси X в случае анализа частотных характеристик определяют F (частота), а при расчете импульсной характеристики схемы с помощью преобразования Фурье (FFT) по оси X откладывается переменная T (время). Для переменной Y Expression это может быть простая переменная V(1) или V(OUT) (при построении графика амплитудно-частотной характеристики), функция ph(V(1)) – при вычислении фазово-частотной характеристики и другие выражения.

Опции:

В окне AC Analysis Limits отсутствует опция Operation Point Only. В отличие от предыдущей версии в MC8 исключен раздел Frequency Step (шаг изменения частоты), а опции Auto, Linear, Log и List перенесены в раздел числовых параметров Frequency Rang.

На рис. 6 показаны результаты расчета программой МС8 амплитудно-частотных (АЧХ) и фазово-частотных характеристик (ФЧХ) простейшей частотно-зависимой цепи. Выбрана логарифмическая шкала по оси X и линейная шкала по оси Y обоих графиков. На графике АЧХ с помощью электронного курсора отмечены точки максимального подъема частотной характеристики и спада АЧХ до уровня 0,707. Так же, как и при временном анализе в режиме AC Analysis меняется состав меню и состав пиктограмм (команд) в строке инструментов. Команды раздела меню AC ничем не отличаются (за исключением FFT Windows) от команд, рассмотренных в разделе 1.2 (табл. 2). Сохраняются и правила применения кнопок  (Print Values),  (Animate),  (Thumb Nail Plot),  (Stepping) и др. Команда FFT Windows используется для рассчета импульсной характеристики схемы.

Рис. 6