1. Proiectare Asistata de Calculator
Curs 4

2. Analize CA
Analiza in frecventa calculeaza raspunsul la semnal mic al circuitului liniarizat in jurul punctului sau static de functionare.
Pentru dispozitive neliniare, cum ar fi comutatoare comandate in tensiune sau curent, este realizata intai o liniarizare in jurul puntului static de functionare, iar apoi urmeaza o analiza de semnal mic liniara.
In cazul dispozitivelor semiconductoare ce prezinta un grad ridicat de neliniaritate, cum ar fi un tranzistor bipolar in configuratie emitor-comun, dispozitivul va fi automat inlocuit cu o transconductanta constanta (curentul de colector proportional cu tensiunea baza-emitor), plus un numar de impedante constante.

3. Analize CA
In general, pentru un dispozitiv ce prezinta neliniaritate, Pspice A/D determina un set de derivate partiale la punctul static de functionare si le foloseste pentru analiza de semnal mic.
Pentru circuitele neliniare, care sunt liniarizate în jurul PSF, se presupune că la intrare se aplică semnale ce îndeplinesc condiţia de semnal mic. De ex. Pentru circuite cu tranzistoare bipolare, se aplica semnale a căror amplitudine este mai mică decât tensiunea termică, VT=kT/q.

4. Introducerea unui stimul de CA corespunzator AC stimulus
Observaţie: Programul SPICE calculează întotdeauna punctul static de funcţionare înaintea unei analize de c.a. pentru a liniariza elementele de circuit neliniare.
Pentru a initializa si rula analiza de curent alternativ, de exemplu, urmatorii pasi trebuie urmati:
Introducerea unui stimul de CA corespunzator
AC stimulus
Setarea tipului de analiza: Analiza CA
AC Sweep type
Setarea analizei de zgomot
Noise analysis

5. 1. Stimul CA
Pentru a realiza o analiza CA, in primul rand trebuie pregatit circuitul pentru simulare cu ajutorul Schematics.
Aceasta inseamna ca trebuie plasate si conectate una sau mai multe surse de tensiune sau curent de tip VAC sau IAC. Dupa plasarea surselor este foarte important sa se defineasca corect numele si atributele lor.
Nota: Cel mai bun mod de folosire a analizei de curent alternativ este introducerea unei surse cu amplitudinea egala cu unitatea. In acest fel semnalul masurat la iesire este egal cu castigul circuitului.

6. 2. Analiza AC Sweep
Analiza de curent alternativ (AC sweep) calculeaza raspunsul in frecventa al circuitului. Pspice A/D calculeaza raspunsul la semnal mic al circuitului liniarizat in jurul punctului sau static de functionare.
Toate admitantele sunt numere complexe si depind de frenventa:
Y=G+jC+1/jL unde: =2f .
În domeniul frecvenţă potenţialele nodurilor şi curenţii prin laturile circuitului sunt şi ele mărimi complexe (fazori) de forma:

7. Raspunsul in frecventa
Examples of using passive devices in PSpice
Performing an AC analysis implies that is simulated a frequency dependent circuit – a circuit containing inductors and/or capacitors and steady-state sinusoidal sources.
In other words, the laws of Ohm and Kirchhoff apply for AC analysis, too, but the impedances between nodes are complex, which means that they have a “real” and imaginary component, giving different results from DC analysis.
This translates in: if x(t) is a sine wave, then y(t) will also be a sine wave, but with a different amplitude and phase shift, where x(t) is the input signal, and y(t) is the output signal (See the example from Fig. 4.1).
The gain of this circuit is given by the transfer function that can be calculated according to relationship (4.1). Being a complex function of ω, it can be plotted separate graphs for magnitude, (4.2), and phase shift, (4.3).
Pe parcursul analizei răspunsului în frecvenţă, sunt baleiate toate sursele independente cu specificaţii de c.a. in domeniul de frecvenţă specificat.

8. Rezultatele analizei AC Sweep pot fi reprezentate sub formă grafică utilizând facilităţile postprocesorului grafic, PROBE.
De asemenea, rezultatele pot fi vizualizate sub formă tabelară sau sub forma unui grafic alfanumeric, în fişierul de ieşire, utilizând comenzi speciale (de tipul PRINT sau PLOT).

9. Variabilele de ieşire pentru analiza AC Sweep pot fi tensiuni sau curenţi şi combinaţii ale acestora ce pot conţine unul dintre următoarele simboluri, pentru a reprezenta anumite mărimi ale numărului complex:
Fara sufix - amplitudine
M – modul
DB – (logaritmic) modul in decibeli
P - faza
G – intarziere de grup (-dFAZA/dFRECVENTA)
R – parte reala
I – parte imaginara

10. - amplitudine - frecventa
Modul de baleiere cel mai utilizat este cel logaritmic, în decade (DEC), deoarece răspunsul în frecvenţă se determină de obicei cu ajutorul diagramelor Bode.
Utilizând variabilele de ieşire şi facilităţile postprocesorului grafic PROBE se pot obţine următoarele tipuri de răspunsuri în frecvenţă:
Diagrame Bode:
- amplitudine - frecventa
DB(V(out)/V(Vin)) =VDB(out)-VDB(Vin) = 20log10(V(out)/V(Vin))
- faza - frecventa
VP(out)-VP(Vin)
Pentru baleiere logaritmica a frecventelor: (DEC) sau (OCT).

11. Impedanta de intrare (se calculează considerând ieşirea în gol ):
Impedanta de iesire (se calculează modificând circuitul astfel: se introduce la intrare o sursă de tensiune cu amplitudinea de c.a. nulă, iar la ieşire se introduce o sursă de curent Iout.):
Intarzierea de grup reprezinta timpul de intarziere pentru grupe de impulsuri:

12. Cerinte minime de proiectare a circuitului:
Se plaseaza si conecteaza surse de curent sau tensiune cu un semnal de intrare de curent alternativ.
Cerinte minime de setare a parametrilor programului:
Pentru a termina definirea surselor independente vor trebui stabilite domeniul si modul de variatie a frecventei, folosind ferestrele de dialog puse la dispozitie

14. Raspunsul in frecventa
Exemplu
Determinarea benzii de frecventa si a frecventei central a retelei Wien.
Inainte de inceperea simularii se recomanda introducerea de notatii pentrru nodurile de intrere si iesire
Wien Network in PSpice

15. Raspunsul in frecventa
To perform a AC Sweep simulation:
From the main menu: PSpice -> New Simulation
Enter a name for your simulation (e.g.: sim_AC_wien)
Hit “create”
Select “AC Sweep/Noise” as the Analysis Type
Check the box: “General Settings” and specify “AC Sweep Type” (it can be Linear or Logarithmic) and “Start Frequency”, “End Frequency”, and “Points/Decade”
Hit “Ok”
To simulate: from the main menu: PSpice -> Run
The results can be found as a graphical representation: a new PSpice window will open and plot DB(V(out)).
The curve corresponding to VDB(out) is represented in PROBE. The simulation results are shown in Fig The direct use of the marker VDB is by selecting an input AC voltage source with amplitude of 1V to directly obtain the Bode diagram of the circuit.

16. Masuratori
Metoda1
Different methods can be used to determine the center frequency of the filter, or also to determine the bandwidth of the band-pass filter. One of the methods is to use the cursors and measure the maximum peak, Fig. 4.5., to get the Center Frequency. For band-width, measure to points on the graph at a value of 3 dB lower than the maximum value.

17. Masuratori
Metoda 2
Another method is to use the software facilities, which provides for automatic determination of the parameters, also center frequency and bandwidth.
From PSpice window, open and Evaluate Measurements. Select the predefined function to evaluate a measurement. (See Fig. 4.6).
The results will be shown on the screen. To verify the results, it can be use the below relationships to calculate the center frequency and the bandwidth of a Wien network.

18. Masuratori Functii predefinite pentru realizarea masuratorilor
Depending on the circuit and the types of analysis, you can select between various types of measurements, Fig. 4.7.

19. 3. Analiza de zgomot
Amplitudinea semnalelor ce pot fi prelucrate de circuitele analogice este limitată inferior de zgomotul generat de componentele electronice.
Analiza zgomotului unui circuit electronic se face adăugând la fiecare componentă care generează zgomot un generator de tensiune sau de curent de zgomot.

20. 3. Analiza de zgomot
Cand se ruleaza analiza de zgomot, Pspice A/D calculeaza si raporteaza urmatoarele date pentru fiecare frecventa specificata in analiza de curent alternativ:
Zgomotul dispozitivului
reprezinta contributia la zgomotul total propagat intr-un nod al circuitului de catre fiecare rezistor si dispozitiv semiconductor;
pentru dispozitivele semiconductoare, zgomotul dispozitivului este de asemenea impartit in componentele sale fundamentale (in cazurile in care aceasta este posibil)
Nivelul total de zgomot la iesire
Nivelul echivalent de zgomot la intrare

21. Rezistori si comutatoarele controlate în tensiune sau curent :
Zgomot termic - este determinat de mişcarea termică aleatoare a electronilor, nefiind afectat de prezenţa sau absenţa unui curent continuu, deoarece viteza pe care o are un electron care se mişcă într-un conductor sub influenţa câmpului electric este mult mai mică decât viteza sa termică.
Dispozitive semiconductoare:
Zgomot termic zgomot continuu
Zgomot de alice (shot noise)
zgomot de licărire (flicker noise sau 1/f )
Zgomot de burst depinde de frecventa (mai accentuat pentru anumite frecventa)

22. Fenomenele de zgomot au originea comună în caracterul discret al conducţiei curentului electric în dispozitivele semiconductoare, prin purtătorii de sarcină (electroni şi goluri).
Diversele tipuri de zgomot se comportă diferit în funcţie de frecvenţă, şi anume, există: zgomote care acoperă uniform tot spectrul de frecvenţe, aşa numitele zgomote albe (ca zgomotul termic, zgomotul de alice) şi zgomote care sunt mai intense la unul din capetele spectrului de frecvenţe (ca zgomotul de licărire sau 1/f).

23. Generatoarele de curent de zgomot sau de tensiune de zgomot corespunzătoare diferitelor elemente de circuit sunt caracterizate prin valoarea medie pătratică. Se utilizează valoarea medie pătratică din cauza caracterului aleator al fenomenelor pe care se bazează transportul sarcinii.
Generatoarele de zgomot asociate diferitelor elemente de circuit sunt necorelate între ele.
Programul calculează separat contribuţia individuală la ieşire a fiecărui generator de zgomot. Efectul global la ieşire, dat de toate sursele de zgomot din circuit, este determinat prin însumarea valorilor medii pătratice date de fiecare generator:
şi formează zgomotul total la ieşire.

24. Modelele de zgomot ale dispozitivelor semiconductoare sunt complicate, de aceea ideea generală a analizei zgomotului a pornit de la zgomotul termic generat de rezistori. Valoarea medie pătratică a curentului de zgomot termic pentru un rezistor de valoare R este:
Sursele de zgomot sunt caracterizate de densitatea spectrala de putere: or

25. Observaţie:
Analiza zgomotului NOISE cere obligatoriu o analiză AC.
Analiza zgomotului se face pe circuitul echivalent liniarizat al circuitului neliniar, deoarece valorile medii pătratice ale surselor de zgomot sunt mici în comparaţie cu tensiunea termică, VT=kT/q.
Prin analiza NOISE programul calculează zgomotul total la nodul de ieşire (ONOISE) specificat de utilizator prin <variabila ieşire> şi zgomotul echivalent la intrarea (INOISE) specificată prin <nume sursă V sau I de intrare>.
Zgomotul echivalent la intrare se obţine prin împărţirea zgomotului de la ieşire la modulul funcţiei de transfer a circuitului. Acesta reprezintă o măsură a efectului tuturor surselor de zgomot din circuit, concentrate într-o singură sursă de zgomot de intrare.

26. Suplimentar, dacă se specifică parametrul [interval] în analiza zgomotului, programul generează în fişierul de ieşire un raport asupra contribuţiei fiecărei surse de zgomot la fiecare frecvenţă specificată prin [interval].
În cadrul acestui raport se listează valoarea contribuţiei fiecărei surse de zgomot la frecvenţele determinate de [interval] din totalul frecvenţelor produse peste domeniul de frecvenţă pentru care s-a realizat analiza AC.
La sfârşitul fiecărui raport sunt date valoarea medie pătratică şi valoarea eficace a zgomotului total la ieşire, valoarea funcţiei de transfer la frecvenţa corespunzătoare a raportului şi valoarea eficace a zgomotului echivalent la intrare.

27. Folosind zgomotul total calculat se poate determina raportul semnal zgomot:

28. Cerinte minime de proiectare a circuitului:
Se plaseaza si conecteaza o sursa de tensiune sau de curent de tip VAC sau IAC.

29. Cerinte minime de configurare a programului Schematics:
Zgomotul in circuite este dependent de punctul static de functionare dar si de frecventa semnalului. Deci, este necesar sa se realizeze aceste calcule ca parte integranta a analizei de curent alternativ.
Parametrii analizei de zgomot se introduc dupa cum urmeaza:

31. Exemplul 1: Se considera un amplificator cu tranzistor bipolar in conexiune emitor comun – colector comun. Sa se determine raspunsul in frecventa: castigul in tensiune la mijlocul benzii si frecventele la 3dB, banda la 3dB; zgomotul de iesire in nodul out2 si zgomotul la intrare in nodul Vin.

32. Caracteristica modul-frecventa
Caracteristica faza-frecventa
Raspunsul in frecventa (caracteristicile de amplitudine si faza) arata: Av=3.99dB şi B-3dB este intre 33.8 Hz si 2.2 MHz.

34. Output file noise results: FREQUENCY = 1.000E+09 HZ
**** NOISE ANALYSIS TEMPERATURE = DEG C
******************************************** **********************************
FREQUENCY = E+09 HZ
**** TRANSISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)
Q_Q Q_Q2
RB E E-21
RC E E-22
RE E E+00
IBSN E E-22
IC E E-21
IBFN E E+00
TOTAL E E-21
**** RESISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)
R_R R_R R_R R_R R_R R_R7
TOTAL E E E E E E-20
R_R1
TOTAL E-20
**** TOTAL OUTPUT NOISE VOLTAGE = E-18 SQ V/HZ
= E-09 V/RT HZ
TRANSFER FUNCTION VALUE:
V(OUT1)/V_Vin = E-01
EQUIVALENT INPUT NOISE AT V_Vin = E-09 V/RT HZ

35. Example 2: Se considera un filtru trece sus de ordin 2 cu f0=10kHz si Q=4. Sa se determine raspunsul in frecventa si frecventa la 3dB.