Lab-PM 2008/2009. för. IE1202 Analog elektronik 7,5hp. Examination Konstruktionsuppgifter

Transkript

1 Lab-PM 28/29 för IE122 Analog elektronik 7,5hp Examination Konstruktionsuppgifter Lab 1 Konstruktionsuppgift 1 Ljudförstärkare från mikrofon till högtalare Lab 2 Konstruktionsuppgift 2 Avståndsmätning med ultraljud MOS inlämningsuppgift Förstärkare med MOS Lab 3 Konstruktionsuppgift 3 Förstärkare med bipolartransistorn Bilaga 1 Förberedelseuppgifter på TDA23 Bilaga 2 Praktiska tips inför laborerandet Bilaga 3 Simulering av OP-förstärkarkoppling med PSpice Bilaga 4 Simulering av MOS med PSpice Bilaga 5 Några tips till videoförstärkaren Bilaga 6 Mönsterkort till videoförstärkaren Bilaga 7 Checklista Laboration 3 Videoförstärkare Laborationerna äger rum på KTH, ICT skolan i Kista. Adress: Forum Isafjordsgatan 39 Hiss B, plan 8 Bengt Molin /Kursomgång 2 P3 VT9 1(41)

2 Examination på laborationskursen (LAB1; 2,5hp) Laborationskursen i analog elektronik är betygsatt i skalan A-F. Du väljer själv vilken betygsnivå du redovisar. All dokumentation som skall examineras skall vara egenhändigt skriven av den student som examineras. Resultat från mätningar och simuleringar som inkluderas får dock vara desamma från flera studenter när det bygger på gemensamt framtagna resultat. Alla beräkningar, beskrivningar och sammanfattning av resultat skall dock vara egenhändigt skriven. Inga gruppinlämningar godtas. På laborationer kan konstruktioner byggas i grupp om två eller i undantagsfall tre studenter. Laborationskursen examineras i två delar, nedan kallade X1 och X2. Examination X1 Baserad på konstruktionsuppgift 1 och 2 Du väljer här om du redovisar på grundläggande nivå (betyg D eller E) eller på högre nivå (B eller C). Redovisning på högre nivå skall inkludera även lägre nivå. Om det blir det högre eller lägre betyget på respektive nivå bestäms av kvalitén på din rapport samt utfallet av det muntliga förhöret. Ange på första sidan av din rapport vilken betygsnivå du avser att redovisa. Redovisningen sker med en rapport där du utifrån genomförda konstruktioner visar att du uppfyller inlärningsmålen. Rapporten behöver inte vara skriven som en normal teknisk rapport utan skall fokusera mer på att redovisa inhämtad kunskap. Rapporten får gärna vara handskriven med handritade figurer om det är ett mer effektivt utnyttjande av din tid, förutsatt att du skriver läsligt. Viktigt är att det är logiskt sammanhängande, att du motiverar väl och drar slutsatser. Att du verkligen uppfyller inlärningsmålen kommer att kontrolleras vid ett muntligt förhör baserad på din rapport. Du skall utgå från konstruktionsuppgifterna 1 och 2 samt visa att du uppfyller inlärningsmålen genom att tillämpa dina kunskaper på konstruktionernas kopplingar. Det innebär att du skall genomföra beräkningar, diskussioner, simuleringar och mätningar utifrån de konstruktioner du genomfört. Du behöver inte göra mätningar på allt du redovisar i X1 men du bör stödja dina resultat med simuleringar. Krav på mätningar anges i varje konstruktionsuppgift. Att redovisa inlärningsmål betyder inte att du skall skriva av vad som står i läroboken utan du ska visa att du kan tillämpa dina kunskaper på din konstruktion. Hela konstruktionerna skall redovisas i din rapport men du kan fokusera på vissa delar när du redovisar inlärningsmålen. Inlärningsmål som skall redovisas i X1: Grundläggande nivå (D eller E) definiera och beräkna förstärkning, in- och utimpedans för operationsförstärkarkopplingar välja lämpliga förstärkarkopplingar och dimensionera dessa för att lösa olika typer av förstärkningsproblem bestämma överföringsfunktionen för frekvensberoende förstärkarkopplingar samt att kunna rita dess bodediagram (belopp- och faskurva) samt bestämma gränsfrekvenser beskriva funktionen och redogöra för egenskaper hos operationsförstärkare definiera termer vid motkoppling: råförstärkning, resulterande förstärkning, slingförstärkning, motkopplingsfaktor, stabilitetsmarginalen förklara varför det kan bli instabilitet i motkopplade förstärkarkopplingar och förklara principen för hur oscillatorkopplingar fungerar konstruera enkla RC-oscillatorer med operationsförstärkare verifiera gjorda konstruktioner med simuleringsverktyg bygga en prototyp och genom mätningar utvärdera dess prestanda göra en skriftlig dokumentation av konstruerade kretsars egenskaper 2(41)

3 Högre nivå (B eller C) värdera vilken komponent som är lämplig i önskad applikation utifrån uppgifter från datablad för operationsförstärkare analysera effekter av offsetspänning, förströmmar i operationsförstärkarkopplingar och kunna avgöra om kompensering av dessa effekter krävs beräkna stabilitetsmarginaler för förstärkare och dimensionera nät för kompensering av potentiellt instabila förstärkare värdera hur ändring av ingående komponenter påverkar en förstärkares prestanda Examination X2 Baserad på hemlab MOS och konstruktionsuppgift 3 MOS inlämningsuppgift Denna uppgift är en simuleringslab som du gör helt på egen hand. Laborationen med simuleringsuppgifter på MOS-transistorn och konstruktion och simulering av MOS-förstärkare är obligatorisk. Laborationen måste vara godkänd men den påverkar inte nivån på ditt betyg. Inlämning av denna uppgift sker i Bilda-systemet (bilda.kth.se) Konstruktionsuppgift 3 Du väljer här om du gör en enklare konstruktion eller om du gör en mer avancerad konstruktion som kan ge en höjning av betyget. Konstruktion och dimensionering av förstärkaren redovisas med en kort skriftlig rapport samt att du visar konstruktionen och diskuterar den med examinator i samband med laborationen. Om du gör den mer avancerade konstruktionen och den blir godkänd så höjs ditt betyg på kursmomentet LAB1 med ett steg. Inlärningsmål som berörs i konstruktionsuppgifterna Grundläggande nivå definiera och beräkna förstärkning, in- och utimpedans för grundläggande transistorförstärkarsteg välja lämpliga förstärkarkopplingar och dimensionera dessa för att lösa olika typer av förstärkningsproblem beskriva funktionen och redogöra för egenskaper hos dioder och transistorer definiera termer vid motkoppling: råförstärkning, resulterande förstärkning, slingförstärkning, motkopplingsfaktor, stabilitetsmarginaler beskriva diagram och storsignalmodeller för dioden och transistorer av bipolär- och MOS-typ beräkna transistorns småsignalparametrar och använda småsignalmodeller för att beräkna förstärkning, in- och utresistans för grundläggande transistorförstärkarsteg (GE och GCsteg samt differentialsteg) av både bipolär och MOS typ verifiera gjorda konstruktioner med simuleringsverktyg bygga en prototyp och genom mätningar utvärdera dess prestanda göra en skriftlig dokumentation av konstruerade kretsars egenskaper Högre nivå (+ ett betygssteg) värdera vilken komponent som är lämplig i önskad applikation utifrån uppgifter från datablad för dioder och transistorer beräkna stabilitetsmarginaler för förstärkare och dimensionera nät för kompensering av potentiellt instabila förstärkare värdera hur ändring av ingående komponenter påverkar en förstärkares prestanda skapa beräkningsmodeller för analoga förstärkare och därur härleda uttryck för förstärkning, in- och utimpedans beräkna hur transistorns högfrekvensegenskaper påverkar en förstärkarkoppling konstruera flerstegsförstärkare med transistorer 3(41)

4 Konstruktionsuppgift 1 - ljudförstärkare Introduktion Ett enklare ljudsystem från mikrofon till högtalare skall konstrueras i denna uppgift. Huvudsyftet med konstruktionen är att du skall få komponentkännedom och lära dig konstruera, bygga prototyp och mäta på förstärkare uppbyggda med operationsförstärkare. Konstruktionen är också en del av underlaget för examination X1. Systemet skall visas i funktion under laborationspass 1. Förberedelser som skall vara gjorda före laborationspasset 1. Gör förberedelseuppgifter för TDA23 enligt bilaga. 2. Tag reda på hur man bestämmer gränsfrekvenser ur mätning eller simulering. 3. Dimensionera förförstärkarkopplingen enligt specifikationen nedan. 4. Verifiera förförstärkaren genom simulering i PSpice. Skriv ut simulerade kurvor och tag med till lab. Du bör ha med en kurva som visar förstärkning som funktion av frekvensen. Använd logaritmiskt svep så att du får logaritmisk frekvensskala och plotta förstärkningens belopp, helst både linjärt och i db. Frekvensområdet skall täcka gränsfrekvenserna med lite marginal, t.ex. 1 Hz 1 khz. 5. Planera de mätningar du behöver göra för att redovisa i examination X1 6. Tag med kopplingsschema (handritat eller datorritat, med angivna bennummer för kretsarna) till laborationstillfället för att koppla efter. Hjälp för att komma igång med simuleringen finns i bilaga 2! Efter laborationspasset Dokumentera din konstruktion och redovisa inlärningsmål snarast för att förbereda inlämning X1 Uppgift Förförstärkaren skall du själv dimensionera med operationsförstärkare och koppla upp på kopplingsdäck. Effektförstärkaren med TDA23 kommer att finnas färdig.. Kopplingsdäck kan du köpa på kårens bokhandel i Kista eller låna på lab. Att rekommendera är att du om möjligt själv tar med en liten skruvmejsel och några elektroniktänger, till exempel en sidavbitare och en plattång, till laborationerna. Komponenter finns tillgängliga i labsalen. Följande operationsförstärkare finns att tillgå i labsalen: ua741, LM324, TL74 Du skall kunna visa följande system i funktion under labpasset Mikrofon Förförstärkare Effektförstärkare TDA23 Högtalare R L = 8 Ω Û 5 mv Û 1 mv Û 3,3 V Förförstärkarsteget skall ha undre gränsfrekvensen <1 Hz och övre gränsfrekvensen > 1 khz. Volymkontroll Det kan vara lämpligt med en volymkontroll i form av en potentiometer före TDA-förstärkaren. 4(41)

5 Mikrofonen Kondensatormikrofonelement PVM GM Kabel 14 mm ELFA nr Mikrofonen ger cirka 5 mv toppspänning vid normalt tal på kort avstånd och har en utresistans på cirka 3 kω. Kondensatormikrofonen fungerar så att ett tunt membran, som samtidigt är ena plattan i en kondensator, kommer att vibrera i takt med ljudet. Kapacitansen ändras då och om kondensatorn är uppladdad kommer detta att ge en liten spänningsvariation i takt med ljudet. (q=c u) Mikrofon 5,6 kω +5 V C Term. 1 (röd) Term. 2 (svart) Mikrofonen behöver en likspänningsmatning mellan 1 och 1 V, till exempel 5 V, via 5,6 kω till Terminal 1 (Terminal 2 är jord). Se mikrofonens datablad. Egen matningsspänning behövs för att ladda upp kondensatorn och även ge spänning till en förstärkartransistor som finns inbyggd i mikrofonen. Från mikrofonen (Term. 1) kopplas signalen (växelspänningen) in till förstärkaren via en kondensator för att blockera likspänningsnivån. R och C enligt figuren lägger du alltså till själv. Mikrofonen tillsammans med 5,6 kω-resistorn ger en signalkälla med cirka 3 kω utresistans. Tag hänsyn till detta när du dimensionerar gränsfrekvens. Funktionsgenerator 3 kω Under testningen (och även i simulering) av kopplingen kan du ersätta mikrofon och dess matningsspänningskoppling (5,6 kω-motståndet) med en generator i serie med 3 kω. Du erhåller då en generator med ungefär samma utresistans som mikrofonen. Högtalaren Högtalaren har nominell impedans 8 Ω. Praktiska tips hittar du i bilaga 2 5(41)

6 Mätningar Om du är osäker på användning av oscilloskopet (vilket du troligen är) kan det vara lämpligt att använda en del tid åt att gå igenom oscilloskopets inställningar. Utnyttja laborationstiden för att lära dig hur du mäter med oscilloskopet. Oscilloskopet är elektronikingenjörens viktigaste mätinstrument. Fråga din labhandledare om du är osäker på hanteringen eller har problem med oscilloskopet. Börja med att koppla upp och testa enbart förförstärkaren utan mikrofon och effektförstärkare. Mät upp förstärkningens belopp som funktion av frekvensen och bokför värden i en tabell. Använd din simulerade kurva för att bestämma lämpligt antal mätpunkter. Mät från en frekvens minst en dekad under undre gränsfrekvens och till minst en dekad över övre gränsfrekvensen. Mät speciellt noggrant kring gränsfrekvenserna så att de kan bestämmas. Du kan mäta med lite högre spänningsnivå än vad som anges i kopplingen ovan, men kontrollera att förstärkaren inte överstyrs så att spänningen klipps på utgången. Mätresultatet kan du med fördel rita in för hand i samma diagram som den simulerade så är det lätt att jämföra. Om du först mäter inspänningen, noterar värdet på beloppet och kontrollerar att det inte ändras när du varierar frekvensen så behöver du sedan inte mäta inspänning för varje punkt utan det räcker att bara mäta utspänningen. Mät beloppet, enklast är att mäta topp-till-topp. Använd gärna de inbyggda mätfunktionerna som finns i oscilloskopet. Beroende på vilken ambitionsnivå du har när det gäller betyg kan du även passa på att mäta till exempel likspänningar i kopplingen när signalspänningen in är noll (offsetspänningar). Tänk på att dokumentera för den rapport som du ska lämna in. Se inlärningsmålen. Koppla in mikrofon, volymkontroll och effektförstärkare och testa funktionen. Visa kopplingen i funktion för labhandledaren. Slut på konstruktionsuppgift 1 6(41)

7 Konstruktionsuppgift 2 avståndsmätning med ultraljud Introduktion Du skall bygga en apparat för avståndsmätning med ultraljud. Huvudsyftet med konstruktionen är att du skall lära dig välja lämplig operationsförstärkarkoppling samt välja operationsförstärkare med hänsyn till krav och funktion. Konstruktionen skall också ge dig mer erfarenhet av felsökning och mätning med oscilloskop. Den är också en del av underlaget för examination X1. Systemet skall visas i funktion under laborationspass 2. Förberedelser som skall vara gjorda före laborationspasset 1. Beräkna hur lång tiden är mellan utsänd ljudpuls och mottagen ljudpuls om avståndet till den reflekterande ytan är 1 meter. Hur långt hinner ljudet på 1 ms? 2. Dimensionera konstruktionen enligt uppgiften nedan. 3. Verifiera väsentliga delar av din konstruktion genom simulering i PSpice. Verifiera oscillatorn och förstärkarsteg i mottagaren. 4. Planera de mätningar du behöver göra för att redovisa i examination X1 5. Rita ett fullständigt kopplingsschema (handritat eller datorritat, med bennummer) till laborationen, som du kan använda att koppla efter. Den här föreslagna konstruktionen är inte den optimala konstruktionen utan den är vald för att du skall få öva på att konstruera med olika typer av operationsförstärkarkopplingar och samtidigt passa mot de inlärningsmål som finns i kursen. Principiellt blockschema Principen är att sända ut en ultraljudspuls vars frekvens ligger över vårt hörbara område. Sändaren ger ett kort starkt ultraljudspip som reflekteras mot den yta till vilket avståndet skall mätas. Reflekterad puls, som då är kraftigt dämpad på grund av avstånd och absorption i reflektionsytan, tas emot och förstärks samt detekteras. Tidmätningen är tänkt att hanteras av en enchipsdator (microcontroller) med 5 V matningsspänning. Denna ingår dock inte i konstruktionen men du skall se till att det finns digitala 5V-gränssnitt mot en tänkt enchipsdator. Figuren ovan kanske inte är inte helt komplett utan du kan behöva lägga till egna block till exempel för anpassning av spänningsnivåer. Utsänd ljudpuls skall vara så stark som möjligt med hänsyn till vad använda komponenter klarar av. Längden på ljudpulsen kan du experimentera 7(41)

8 fram under laborationen. En kortare ljudpuls kan ge bättre upplösning i avstånd men kortare räckvidd. En analog switch är en komponent som fungerar som en brytare för en analog signal, dvs. den släpper igenom eller spärrar analog spänning. Den analoga switchen styrs av en digital signal. Vi använder analoga switchen 416 byggd CMOS-teknik. Den har en maximal matningsspänning på 18 V. Eftersom vi använder spänning kring noll volt blir maximal matningsspänning ± 9 V. Man bör ha lite marginal så ± 8 V som matningsspänning kan vara lämpligt. Samma matningsspänning kan också användas till operationsförstärkarna. Styrsignalen som öppnar eller stänger 416 bör med dessa värden vara ± 8 V. Du kan använda CD416BD som finns i biblioteket EVAL om du vill simulera analoga switchen i PSpice. De ultraljudstransducers som används är av typen piezoelektriska kristaller och har en resonansfrekvens på 4 khz med mycket högt Q-värde. Oscillatorn måste ha en frekvens som överensstämmer ganska väl med kristallens egenfrekvens för att det skall sändas ut en stark ultraljudpuls. Det är bra om du kan driva sändarkristallen med så hög spänningsamplitud som möjligt med de komponenter du använder, dvs. cirka ± 8 V. Mottagen signal är mycket svag och behöver förstärkas kraftigt. Som utgångspunkt kan du anta att den är i storleksordning millivolt. Allra helst bör det vara förstärkare som är smalbandiga med maxförstärkning vid 4 khz, men du kan för att förenkla konstruktionen lite använda enkla lågpass- och högpassfilter för att begränsa frekvensområdet. Du skall vara beredd på att enkelt kunna öka förstärkningen, t.ex. med extra förstärkarsteg. Detektorn i mottagaren kan du bygga som en enveloppdetektor med en likriktande diod (1N4148 går bra, simuleringsmodell finns i biblioteket EVAL) och ett RC-filter med lämplig tidskonstant. Den förstärkta 4 khz-pulsen likriktas av en diod och får ladda upp en kondensator till toppvärdet. Tänk på att amplituden på signalen som skall detekteras måste överstiga diodens ledspänning på cirka,7 V. Du behöver också en koppling som omvandlar mottagen puls till en puls med nivåer mellan V och 5 V. Matningsspänning 5 V kan vara lämplig i denna koppling. Fundera på operationsförstärkarens frekvenskurva, möjlig övre gränsfrekvens och slew rate när du väljer operationsförstärkare. Oscillatorn Dimensionera enligt teori i boken. Simulera kopplingen med tillgänglig modell för operationsförstärkaren. Gör en transientanalys och bestäm oscillatorns frekvens. I vissa fall kan det vara problem att få igång svängningen, introducera i så fall lite begynnelseenergi i systemet genom att tilldela en startspänning på en kondensator med attributet IC (Initial Condition). Resultatet av simuleringen kommer troligen att avvika från din teoretiska dimensionering. Det finns en bra förklaring till detta utifrån den verkliga operationsförstärkarens egenskaper. Du kan också fundera på om du kan välja en annan operationsförstärkare som ger bättre överensstämmelse. Mät frekvensen på lab. Du kan eventuellt behöva trimma frekvensen lite beroende på komponenttoleranser. 8(41)

9 Transducers De ultraljudtransducers som används är UTT41 och UTR41 (ELFA respektive ). Dessa är av typen piezoelektriska 1 kristaller och de har följande data enligt datablad: För sändarkristallen gäller att den kommer i mekanisk svängning när den utsätts för en yttre spänningsändring. Mottagarkristallen ger en liten spänning när den utsätts för yttre mekanisk påverkan från mottagen ljudpuls. Koppla upp och mät funktionen allteftersom du kopplar Mät oscillatorns frekvens med oscilloskop. Det är inte viktigt att det är en snygg sinuskurva, men det är viktigt att det är rätt frekvens. Koppla analoga switchen och kretsar för styrsignalerna. Mät signalen före och efter switchen. Om det inte fungerar, mät med oscilloskop att det är rätt spänningar med rätt nivå på alla pinnar på analoga switchen. Använd DC-kopplad ingång på oscilloskopet. När du med oscilloskopet mäter signalen mellan analoga switchen och sändartransducern kan den se lite konstig ut när switchen är stängd eftersom oscilloskopledningen svävar fritt potentialmässigt. När sändarsidan fungerar kan du börja koppla mottagarsidan. Du behöver antagligen flera förstärkarsteg för att uppnå tillräcklig förstärkning med tanke på operationsförstärkarens bandbredd.några saker att kolla: Finns det likströmsväg på OP-ingångarna? Kan det bli för stor likspänningsoffset så någon operationsförstärkare bottnar (slår i max- eller minläge)? Mät signaler med oscilloskopet, använd båda kanalerna så att utsänd puls visas på ena kanalen och mottagen puls på den andra. Du kan till exempel trigga oscilloskopets ena kanal på styrsignalen till analoga switchen i sändaren och med den andra kanalen kan du studera signalen i olika delar av sändare och mottagare. På så sätt kan du mäta tidsfördröjningen mellan utsänd puls och mottagen puls. Följ signalen genom kopplingen och verifiera att alla delar fungerar som avsett. Om kopplingen inte fungerar får du tillfälle att träna felsökning. Gör detta rationellt genom att mäta dig fram till felet med hjälp av oscilloskop. Gör eventuella kompletterande mätningar som du kan tänkas behöva för examination X1. Visa kopplingen i funktion för labhandledaren. 1 kristaller där laddningar förskjuts och ger upphov till en elektrisk spänning när kristallen utsätts för mekaniskt tryck. Även det omvända förhållandet att kristallen deformeras när den utsätts för en elektrisk spänning gäller. 9(41)

10 Några tips: Som du kanske märkte i konstruktionsuppgift 1 finns det risk för självsvängning i förstärkare med hög förstärkning. För att i mesta möjliga mån undvika detta bör du tänka på följande: Koppla med korta kopplingstrådar. Ledningar för matningsspänning och jord bör kopplas i stjärna från kretsarna mot matningspunkten. Undvik framförallt att dra matningsledningar från en storsignalkoppling förbi en koppling som förstärker små signaler. Avkoppla gärna matningsspänningen till jord med en kondensator i storleksordning tiotals nf vid varje krets. Försök separera kretsar med stora signaler, såsom oscillatorn, från kretsar som förstärker små signaler, i detta fall ingångsförstärkaren i mottagaren. Kontrollmät komponentvärden innan du använder dem i din koppling. Simuleringsmodell för TL74 Modell för TL74 finns att ladda hem från halvledartillverkare (t ex Texas Instruments). Du kan om du vill använda en symbol för LM324 som har samma bennumrering (finns i EVAL) och ändra i properties alla LM324 till TL74. Sedan skall du ha en lib-fil med TL74 modellen i som du måste lägga till under libraries i simuleringsprofilen. Du kan kontrollera vilken modell en komponent har genom att markera den och välja Edit/PSpice model. Eller lägg till biblioteket EGNAKOMP som innehåller TL74. Anvisningar för detta hittar du under meny Laborationer på kurswebbsidan i länken "Info om PSpice". Slut konstruktionsuppgift 2 1(41)

11 MOS inlämningsuppgift Mål Målet med denna beräknings och simuleringsuppgift är att förstå MOS-transistorns karakteristik och hur transistorn kan användas för förstärkning. Du löser uppgifterna på egen hand eller tillsammans med dina studiekamrater. Ni får gärna vara flera som löser uppgifterna tillsammans men slutsatser och resultat som lämnas in skall vara skrivna med dina egna ord. All dokumentation som skall lämnas in skall vara egenhändigt skriven av den student som examineras. Resultat från simuleringar som inkluderas får dock vara desamma från flera studenter när det bygger på gemensamt framtagna resultat. Det finns ingen schemalagd tid för lärarhandledning. Skulle du köra fast på någon deluppgift eller behöva hjälp är du naturligtvis välkommen att söka hjälp hos kursens lärare. MOS-modell i SPICE Vi kommer i denna uppgift att använda enklast möjliga modell i SPICE. Det är en Level1-modell som baseras på Shichman-Hodges transistormodell. Det är i princip samma ekvationer som vi använder för handräkning så simulerade resultat bör stämma väl överens med framräknade resultat. De modeller som används vid professionell konstruktion med dagens avancerade tillverkningsprocesser innehåller hundratals parametrar. Den enkla modell du skall använda i dessa uppgifter har följande parametrar.model mosn NMOS Level=1 + VTO=.8 KP=18u LAMBDA=.6 GAMMA=.5 PHI=.6 *$.model mosp PMOS Level=1 + VTO=-.8 KP=6u LAMBDA=.1 GAMMA=.45 PHI=.6 *$ Antag att minsta kanallängd för denna tänkta process är 1 µm. VTO Tröskelspänning då V SB = (V) KP Transkonduktanskoefficient KP k A = = μncox 2 V GAMMA Parameter för bodyeffekt = γ ( V ) PHI Ytpotential för inversion = 2φ f Fermi level φ f =.3 V (V) -1 LAMBDA Kanallängdsmodulation = λ ( V ) Följande symboler används för MOS-transistorer av anrikningstyp i detta lab-pm 1 2 NMOS D PMOS S B G G S B D Hjälp för att komma igång med simuleringen finns i bilaga 3. 11(41)

12 Redovisning Sammanställ en rapport över dina resultat från nedanstående uppgifter: MOS-uppgift 1-3. Inlämning sker via KTH s utbildningssystem för webbaserat lärande, Bilda. Du loggar in via bilda.kth.se eller via länk på kurswebbsidan. I Bilda hittar du ett dokument i "Aktivitetens dokument" som du kan använda för att lägga in dina svar och lösningar på varje uppgift. 1. Hämta word-fil från "Aktivitetens dokument". 2. Lägg in dina svar och klistra in simuleringsresultat efter varje uppgift så att det blir lätt för examinator att hitta. 3. Ändra filnamnet så att ditt namn ingår i filnamnet. Lämna in filen via Bilda. Kursansvarig granskar sedan och skriver kommentarer direkt i wordfilen innan den återsänds via Bilda. MOS-uppgift 1 Analys av en transistor PARAMETERS: L = 1u W = 25u G M1 D L = {L} V_DS 1.5Vdc V_GS mosn W = {W} 1.5Vdc Om beräknade och simulerade värden inte stämmer överens skall du försöka hitta felet och korrigera det. a Beräkna för hand strömmen I D och småsignalparametrarna g m and r o i vilopunkten för transistor och spänningar enligt figuren ovan (W/L=25, V GS = 1,5 V och V DS = 1,5 V). b Gör en simulering (Bias Point) och bestäm I D, g m och r o från utfilen. Jämför med de värden du beräknat för hand. c Gör ett likspänningssvep med V_GS från V till 2 V. Bestäm ett värde på transkonduktansen ur lutningen på kurvan i vilopunkten. Jämför med beräknat värde. d Gör ett nästlat likspänningssvep så att du får I D som funktion av V DS från V till 3 V för olika V GS från.7 V till 1.5 V med steg.1 V. Markera de punkter på kurvorna där MOS-modellen ändras från linjära området (triode, linear region) till mättnadsområdet (saturated, active region). 12(41)

13 MOS-uppgift 2 Analys av ett enkelt förstärkarsteg (CS-steg) VDD RD G M1 D L = 1u V_DD 3Vdc VOFF = 1.5V VAMPL =.1V FREQ = 1Hz AC =.1V DC = 1.5V V_GS mosn W = 25u Om du använder VSIN som inspänningskälla kan du tilldela attributen DC och AC värden så att likspänningsvärde och inspänning för AC-analys definieras. VOFF, VAMPL och FREQ definierar en sinusspänning som funktion av tiden för transientanalys. Förstärkarens ingång är till Gate och utgången är från Drain. a Dimensionera R D så att du får samma vilopunkt som i uppgift 1. Matningsspänning V DD = 3 V. b Beräkna småsignalförstärkningen från gate till drain med värdet på R D enligt a. c Gör en simulering av Bias point och beräkna överföringsfunktionen för småsignalspänning från gate till drain (dvs. spänningsförstärkning) genom att markera TF (Transfer Function) i simuleringsinställningen. Resultatet hamnar i utfilen. d Bestäm spänningsförstärkning för småsignaler med en AC-analys. Tänk på att använda en inspänningskälla med AC-komponent. e Anslut en sinusformad spänning på ingången och bestäm spänningsförstärkning för småsignaler med en transientanalys. f. Bestäm med transientanalys utspänningen för olika amplituder på insignal till dess att utspänningen klipps. Kommentarer? g. Beskriv kortfattat skillnaden mellan de modeller som används vid AC-analys respektive transientanalys. 13(41)

14 MOS-uppgift 3 Analys av ett CS-steg med aktiv last Du skall analysera följande förstärkare a. Gör ett likspänningssvep och simulera överföringskarakteristiken för förstärkaren. Bestäm förstärkningen i den punkt på kurvan där förstärkningen är störst. Observera att du, på grund av att överföringsfunktionen är så brant, kan vara tvungen att simulera med väldigt små steg och begränsa simuleringen till den del av kurvan som är intressant. b. Bestäm med simulering gränserna i överföringskarakteristiken där båda transistorerna ligger i aktiva området (saturated). Hur stort är detta område i volt? Hur användbart är det att använda denna förstärkare? c. Välj lämplig DC-nivå på inspänningen så att steget arbetar längs den linjära delen av överföringskarakteristiken där förstärkningen är maximal. Gör en simulering av Bias point med Transfer Function där du bestämmer småsignalförstärkning samt in- och utresistans. Resultatet finns i utfilen. d. Gör en småsignalmodell av förstärkaren som är giltig giltig i den vilopunkt du valt i c och beräkna ur denna småsignalförstärkning samt in- och utresistans. Jämför med motsvarande simulerade värden. 14(41)

15 Konstruktionsuppgift 3 Videoförstärkare Introduktion Du skall i denna uppgift dimensionera en förstärkare med bipolartransistorer. Du får en inblick i hur man kan konstruera en flerstegsförstärkare med extern motkoppling. Du lär dig att dimensionera en koppling, verifiera med simulering och utvärdera den färdiga förstärkaren med mätningar. Uppgift Du skall använda transistorarray LM346. Det är en krets som innehåller fem stycken bipolartransistorer som sitter på samma chip. I och med att de tillverkas samtidigt blir transistorerna väldigt lika varandra. Förstärkaren skall kunna förstärka en signal i frekvensområdet -5,5 MHz (videofrekvens). Induktorer och kondensatorer är inte tillåtna i förstärkarkopplingen! Avkopplingskondensatorer på matningsspänningen är däremot tillåtet och rekommenderas (storleksordning nf). En mindre kondensator (tiotals pf) för att begränsa övre gränsfrekvensen är också tillåten om den behövs av stabilitetsskäl. Som utgångspunkt kan du använda följande koppling: VCC VCC VOFF = VAMPL =.15V FREQ = 5MEGHz AC =.15V RG 5 VG R1 In VCC R2 Q11 CA346 RC1 RC2 Q12 CA346 C5 1n RC2 Q24 CA346 Q23 CA346 CA346 R8 R7 Q21 R9 C1 1n C3 1n Ut C2 1n C4 1n VEE RL 75 VCC 5Vdc VEE 5Vdc Q14 CA346 Q13 CA346 Q15 R4 R3 CA346 VEE I schemat är kopplingar mellan differentialförstärkarsteget på ingången och emitterföljaren på utgången utelämnade. Dessa skall du själv lägga till beroende på vilken koppling du kommer att använda. Du kan välja mellan att lösa uppgiften med två svårighetsgrader 1 Tvåstegsförstärkare: Diffsteg på ingången + emitterföljare på utgången 2 Trestegsförstärkare: Diffsteg på ingången + CE-steg + emitterföljare på utgången Svårighetsgrad 2 kan höja betyget på laborationskursen med en enhet om det är väl genomfört. Du skall för högre betyg i din rapport speciellt ta fasta på inlärningsmål om ingående komponenters inverkan och att analysera kopplingens stabilitetsmarginaler samt eventuellt dimensionera nät för stabilisering av förstärkaren. Ovanstående schema kan du ladda ned från kurswebben som utgångspunkt för dina simuleringar med PSpice. 15(41)

16 Kravspecifikation Spänningsförstärkning 22,3 db (obelastad) Matningsspänning ± 5 V Inresistans 5 Ω Utresistans 75 Ω Förstärkaren skall klara spänningssvinget 1 V tt (topp-till-topp)i 75 Ω last på utgången. DC-offset mindre än ±5 mv på utgången, dvs. U UT < 5 mv då U IN = V. Övre gränsfrekvensen skall vara så hög som möjligt utan att förstärkaren blir instabil, men helst större än 1 MHz. Z är anslutningskablarnas karakteristiska impedans, dvs. den impedans som gäller mellan spännings- och strömvåg på kabeln. Om kablarna avslutas med en last som är lika med kabelns karakteristiska impedans blir det inga reflektioner av spänningsvågen på kabeln, man säger att belastningsimpedansen är anpassad till kabeln. Genomförande Förberedelse Mönsterkort (se bilaga 6) kommer att finnas tillgängligt till lab. Punkterna 1 och 2 under rubriken genomförande nedan skall vara klarade före lab så att du har en konstruktion vars funktion är verifierad med simulering när du kommer till lab. Skriv den delen av rapporten färdig före lab så att endast mätresultat behöver kompletteras till rapporten vid labtillfället. Har du inte gjort förberedelserna får du inte börja löda. Använd checklista enligt bilaga 7. Tänk på att vi har E12-serien (se bilaga 2) av resistorer i labsalen. Dessutom finns 5Ω och 75Ω tillgängligt. Några praktiska anvisningar Lödning av transistorarrayerna på mönsterkortet sker i labsalen enligt lärares anvisning. Det kan eventuellt komma att bli kö till lödningen. Använd helst de metallfilmsmotstånd vi har med 1% tolerans. Det kan vara lite mixat i lådorna men de 1%-iga motstånden har en turkosblå bakgrundsfärg med svårtolkad färgkod. Kontrollmät resistansen innan du löder fast komponenten! 16(41)

17 Genomförande 1 Utgå från det givna schemat och komplettera kopplingen på lämpligt sätt. Du kan behöva bestämma värden på alla resistorer i schemat. Rita ett schema och dimensionera kopplingen för hand innan du börjar simulera. a. Ett lämpligt utgångsvärde på R1 kan vara 5 Ω. När dimensioneringen i övrigt är klar kan värdet korrigeras när den verkliga inresistansen kan beräknas eller simuleras. På motsvarande sätt kan R9 inledningsvis sättas till 75 Ω. b. Välj likströmsnivåer och dimensionera strömspeglarna. Ett lämpligt värde på referensströmmen genom R2 kan ligga inom området,1 till 1, ma. Strömmen till emittrarna på Q1 och Q2 kan vara lika stor som referensströmmen. Transistor Q15 måste kunna sänka all ström från lasten. c. Se till att signaltransistorerna har vettiga likspänningsnivåer med tanke på önskad utstyrning, dvs. spänningssving runt vilovärdet, och risk för bottning (saturation). d. Analysera stabiliteten och stabilisera kopplingen om det behövs. Om du bryter upp återkopplingsslingan för att undersöka råförstärkning (open loop gain) måste du tänka på att se till så att transistorerna har samma vilopunkt för att ge samma småsignalparametrar. Bilaga 5 ger lite tips om detta. 2 Simulera kopplingen, modifiera eventuellt dimensioneringen till dess att kraven uppfylls. 3 Löd ihop en prototyp när simuleringen visar att du uppfyller specifikationen. 4 Utvärdera med mätningar (signalgenerator, oscilloskop) att förstärkaren fungerar som avsett och klarar kravet på bandbredd och förstärkning. Jämför med simulering. a. Mät likspänningsnivåer i vila (utan ansluten signal) i kopplingen och jämför med simulering. b. Mät förstärkning och fasvridning som funktion av frekvensen. Använd signalgenerator och oscilloskop. Rita diagram.. c. Gör ett mättest för att försöka uppskatta stabiliteten hos förstärkaren, till exempel genom att ansluta fyrkantvåg på ingången och studera översvängar på utsignalen. 5 Koppla en videokamera med dämpad videosignal till din förstärkares ingång samt en TVmonitor till utgången och granska bildkvalitén. 6 Sammanfatta din konstruktion och resultatet från laborationen i en rapport. Slut konstruktionsuppgift 3 17(41)

18 Bilaga 1 Förberedelseuppgifter på TDA23 Studera datablad för kretsen TDA23 från STMicroelectronics och besvara följande frågor. 1. Vilken är maximalt tillåten matningsspänning för kretsen? 2. Hur mycket ström drar kretsen i vila, dvs. när den inte ger någon ström på utgången? 3. Kretsen kallas inte för operationsförstärkare även om den har en del data som skulle motivera detta. Operationsförstärkare brukar inte kunna driva så stora utströmmar och ge så stor uteffekt som TDA23. Du kan emellertid räkna ut resulterande förstärkning på samma sätt som i en operationsförstärkarkoppling. Motivera detta! 4. Du kommer att använda en förstärkare med komponentvärden enligt figur 13 i databladet. a. Vilken förstärkning kommer förstärkaren att ha som högst mellan undre och övre gränsfrekvensen? b. Vilken undre gränsfrekvens får förstärkaren? c. Vilken övre gränsfrekvens får förstärkaren när R5, C8 inte är monterade? 18(41)

19 Bilaga 2 Praktiska tips inför laborerandet I denna bilaga får du en del praktiska tips inför laborerandet. Resistorer (motstånd) Resistorer finns att köpa med olika standardvärden för att förenkla handeln. Vanligast är den så kallade E-serien som täcker in en dekad med samma relativa tolerans inom hela dekaden. Kvoten mellan två efterföljande resistansvärden är lika inom hela serien. För E12-serien, som är den serie vi har i labsalarna, är till exempel kvoten mellan två efterföljande värden Här följer några av de vanligaste sifferserierna för resistorer: E12: Vanligen märks resistorerna med en färgkod som är uppbyggd enligt följande princip. 1:a och 2:a siffran antal nollor tolerans svart 1 brun 2 röd 3 orange 4 gul 5 grön 6 blå 7 violett 8 grå 9 vit svart 1 brun 2 röd 3 orange 4 gul 5 grön 6 blå 7 violett Figur 1 Färgkodning av resistorer 1% brun 2 % röd 5 % guld 1 % silver 2% omärkt Varierbara resistorer finns i form av potentiometrar. Det är i princip en resistor med ett uttag vars läge går att variera längs resistansbanan. Genom att koppla det varierbara uttaget till ena änden på anslutningen erhålls en resistor vars resistans kan varieras. Potentiometern kan också användas som en variabel spänningsdelare. Variabel resistans Variabel spänningsdelare + U - Figur 2 Potentiometer som variabel resistans och variabel spänningsdelare + ku - <k<1 Kondensatorer Kondensatorer finns i storleksordning från pf upp till tusentals µf. Beroende på storleken på kondensatorns kapacitans tillverkas de på olika sätt. Kondensatorer över µf brukar vara av typen elektrolytkondensator. Det isolerande skiktet mellan kondensatorplattorna består av ett tunt oxidskikt vilket ger hög kapacitans. Den ena elektroden är kondensatorns hölje som brukar bestå av aluminium eller tantal. Den andra elektroden består av en elektrolyt inuti kondensatorn. När du använder elektrolytkondensatorer skall du tänka på att den är polariserad med en pluspol och en minuspol. I kopplingar där likspänning hamnar över kondensatorn måste den vändas rätt så att det är högre potential på pluspolen än minuspolen. Om den vänds fel så kan oxidskiktet förstöras med följd att det blir kortslutning i kondensatorn. Den kan då i värsta fall explodera med en mycket skarp knall samtidigt som dess innehåll sprids ut. Varning alltså för att vända elektrolytkondensatorer fel! 19(41)

20 Matningsspänning Med enkelmatning menas att vi har en enkel matningsspänning relativt jord. Med dubbelmatning menas att vi har både positiv och negativ matningsspänning relativt jord. Operationsförstärkaren har följande anslutningar: plusingång, minus-ingång, utgång samt två anslutningar för matningsspänning. En fråga många ställer sig är om en viss operationsförstärkare kan drivas med enkelmatning när det i databladet till exempel anges matningsspänning ±15V. Frågan är egentligen irrelevant eftersom operationsförstärkaren inte har någon anslutning för jord. Det går att köra vilken operationsförstärkare som helst på enkelmatning, symmetrisk eller osymmetrisk dubbelmatning så länge som totala spänningen mellan operationsförstärkarens två anslutningar inte överstiger vad den maximalt tål eller understiger de nivåer inom vilken funktion garanteras! Följande figur visar enkel respektive dubbel matningsspänning. Sett från operationsförstärkaren är det samma storlek på matningsspänningen i de två fallen. +3 V Enkelmatning Dubbelmatning +15 V Figur 3 V -15 V Spänningar relativt systemjord Enkel och dubbel matningsspänning till operationsförstärkaren Spänningsaggregat I en färdig konstruktion byggs i regel spänningsaggregatet in i konstruktionen på något sätt. I labmiljö använder vi i regel fristående spänningsaggregat. Som nybörjare kan du eventuellt ställas inför problemet hur du kopplar för att få dubbelmatning till din koppling. Vissa spänningsaggregat har varierbar plus- och minuspänning med gemensam nollpunkt. I det fallet är det lätt att koppla in matningsspänning till din koppling. Andra spänningsaggregat har åtskilda spänningar som kan varieras var för sig. Då är de olika spänningarna potentialmässigt frisvävande i förhållande till varandra och måste kopplas ihop för att ha en gemensam nollpunkt. Följande figur visar exempel på hur du kopplar. +15V + 15V - V + 15V - -15V Figur 4 Hopkoppling av nollpunkt på spänningsaggregat Jordning Den klassiska definitionen på jord är en ekvipotentialpunkt som tjänar som referens för en krets eller system. Med jordning menas alltså att vi har en gemensam nollpunkt i kopplingen. I praktiken är detta inte riktigt sant eftersom det går returströmmar i jordledaren. Dessa strömmar kan ge upphov till spänningsfall utefter jordledaren. Följande figur visar hur returströmmar i jordledaren kan ge upphov till störspänningar på jordanslutningen till kopplingar. 2(41)

21 E + Signalkälla Förförstärkare Effektförstärkare Högtalare R R R R Varierande potential på grund av ledningsresistans R= Ledningsresistans Stor signalreturström i jordledning Figur 5 Returströmmar kan orsaka varierande jordpotential Vid signalkällan är spänningen liten och en störspänning kan lättare påverka signalspänningen. I effektförstärkarsteget och högtalaren är strömmarna stora. Om de går genom jordledaren förbi signalkälla och förförstärkare tillbaka till matningsspänningen E ger de en varierande jordpotential. I just detta exempel finns det också risk för rundgång eller självsvängning om förstärkningen är tillräckligt hög. Schemaritning När du har dimensionerat en konstruktion, som du vill koppla upp för att testa, skall du naturligtvis rita upp ett schema för kopplingen. Använd schemasymbolen när du ritar kopplingsschema och skriv ut nummer för anslutningsben. Rita absolut inte av kapseln i ditt kopplingsschema! a) b) Icke inverterande ingång Inverterande ingång 3 2 V V- 6 Utgång Offset null Inv ingång Icke inv ingång V- DIL-kapsel 1 8 NC 2 7 V Utgång 4 5 Offset null NC= No Connection (anslutningen används inte) Figur 6 Symbol (a) och kapsel (b) för operationsförstärkaren 741 Ben ett brukar markeras på kapseln med en urfasning på den sidan, en ring eller bådadera. Den DIL-kapsel (Dual-In-Line) som visas i figuren ovan är den vanligaste kapseln för hålmontering. Anslutningarna för Offset null på 741 används för att trimma bort eventuell offsetspänning och behöver inte användas i din koppling. Ange bennummer för kretsarna i schemat. På så sätt kan du enkelt hitta rätt anslutning utan att behöva slå upp kapselns anslutningar i datablad medan du felsöker och mäter på kopplingen. I labsalarna finns följande operationsförstärkare tillgängliga μa741 känner du redan till LM324 innehåller fyra OP i en kapsel TL74 lite snabbare OP Du klarar dig bra med μa741 eller LM324 till konstruktionsuppgift 1. 21(41)

22 Prototypbyggen En labkonstruktion eller prototypuppkoppling har som syfte att vara en tillfällig uppkoppling för att testa att en konstruktionsidé fungerar i verkligheten och för att mäta upp prestanda. Det är därför viktigt att det enkelt går att modifiera kopplingen när mätningar visar att förändringar måste genomföras. Vi använder kopplingsdäck för att göra en testuppkoppling: Kontakt hela raden lämpligt för matningsspänning Kontakt kolumnvis Figur 7 Kontaktrader på kopplingsdäcket På vissa kopplingsdäck har inte listerna för matningsspänning kontakt hela vägen. Finns det ett större mellanrum i mitten kan du misstänka detta. När du förbinder olika kretsar och komponenter med kopplingstrådar kan det vara praktiskt att variera färgerna så att det är lättare att följa signalvägarna. För att minska risken för att förväxla anslutningarna till matningsspänningen är det lämpligt att använda röd färg på kopplingstråd till den positiva matningsspänningen och använda svart färg på kopplingstrådar för jordanslutningen. Felsökning Eftersom du har en viss ovana med att koppla på kopplingsdäck kan du möjligen råka ut för att kopplingen till inte fungerar direkt. Om det blir så skall du inte misströsta, det ger dig ett utmärkt tillfälle att lära dig att felsöka en koppling. Sedan tidigare har jag lagt märke till att man har lite olika strategier när det uppstår fel. Det verkar vanligt att riva allt och koppla upp igen, med följd att man kanske gör samma misstag igen utan att ha lärt sig något av misstaget. Grundprincipen för felsökning är att du skall mäta dig fram till felet med hjälp av oscilloskopet. Mät matningsspänning direkt vid kapseln (DC-kopplad ingång). Mät inspänning och följ signalen. Mät spänningar på kretsens anslutningsben och förvissa dig om att de är korrekta. Mät spänningen på operationsförstärkarens båda ingångar, är dessa olika är det något fel på återkopplingen. Oscilloskopet är det viktigaste mätinstrumentet för dig som elektronikingenjör. Utnyttja varje tillfälle att förkovra dig i användningen av oscilloskopet! Tänk på att oscilloskopen alltid ACkopplar när du trycker på gröna knappen (AUTOSET), DC-koppla om du vill mäta hela spänningen! 22(41)

23 Bilaga 3 Simulering av OP förstärkarkoppling med PSpice PSpice Ett simuleringsexempel med OP-förstärkare Några tips till att börja med 1. Undvik att använda åäö i namn på konstruktioner, simuleringsprofiler etc. eftersom det kan ge problem för programmet att tolka namnen på de filer som skapas. 2. AC-analys ger frekvenssvep. Transientanalys ger kurvor som funktion av tiden. 3. Spänningsgeneratorer specificeras olika för olika typer av simulering. Därför finns det flera spänningsgeneratorer som definierar inspänning. VDC ger enbart likspänning VAC för AC-analys (även DC-värde) VSIN sinusspänning för transientanalys, det går även att specificera AC-värde för ACanalys samt DC-värde för likspänningsberäkning. Värden för generatorn specificeras med hjälp av egenskaper (properties) i den symbol du använder. 4. Om du kör om en simulering får du upp ett blankt diagramfönster (Plot window). Vill du ha samma funktioner och inställningar i diagrammet som i föregående simulering kan du göra Window / Display Control Markera LAST SESSION och tryck på Restore 5. Diagram kan enkelt kopieras över till Word med Window / Copy to Clipboard, klistra därefter in bilden i Word. Även scheman går bra att kopiera över till Word. Markera schemat, kopiera och klistra in. Växelspänningsförstärkare med OP Detta exempel visar hur en operationsförstärkare motkopplas med frekvensberoende återkopplingsnät. Resulterande förstärkning kommer då att variera med frekvensen. Vi kommer att göra följande beräkningar AC-analys (frekvenssvep) Transientanalys (tidssvep) Starta Orcad Capture. Välj File / New / Project Ange namn på den konstruktion du vill simulera, ange sökväg till den katalog du vill använda för alla filer som skapas samt se till att Analog or Mixed A/D är markerad. Vi börjar med att rita schemat 23(41)

24 1Vac Vdc V1 In C1 1u In_OP R1 ua741 U E+ 7 V+ V- OS2 OUT OS Ut E+ 15Vdc V2 4 E- R3 15Vdc V3 R2 E- C2 1u Kortfattad beskrivning av vilka kommandon du använder när du ritar schemat Place / Part R, C Library: ANALOG UA741 Library: EVAL VDC, VAC Library: SOURCE Place / Ground Library: SOURCE Place / Power VCC_CIRCLE Library: CAPSYM Döp om till E+ respektive E-, enligt schemat ovan. Om två noder i ett schema har samma namn anses de hopbundna och du slipper dra ledningarna för matningsspänning rakt in i schemat. Övriga ledningar kan du ge ett lämpligt namn så är det lättare att hitta för vilken nod spänningar skall visas efter simuleringen Place / Net Alias In, Ut respektive In_OP Jordsymbolen med namnet kan vara lite svår att hitta. Om du inte hittar den kan du vara tvungen att lägga till ett bibliotek. Efter Place / Ground gör du Add Library och markerar filen source.olb i mappen PSpice. När schemat är färdigritat är det dags att skapa en simuleringsprofil. PSpice / New Simulation Profile Det finns några olika typer av simulering att välja mellan: Time domain (Transient) ger kurvor som funktion av tiden. DC sweep AC sweep / Noise Bias point ger en likspänning som sveper med angivet steg över ett spänningsområde. ger ett svep över ett frekvensområde, linjärt eller logaritmiskt. En linjär modell kring likspänningspunkten används. beräknar likspänningar och likströmmar i nätet. 24(41)

25 AC-analys I detta fall önskar vi rita förstärkning i db och ha logaritmisk frekvensskala. I AC Sweep under Analysis / Setup... väljer vi ett bestämt antal punkter per dekad. Beräkningspunkterna blir då lika fördelade i logaritmisk frekvensskala. Starta simuleringen! När simuleringen är klar, och om den går igenom utan fel, öppnas ett fönster (Plot window) för att kunna rita kurvor och studera simuleringsresultatet. Trace / Add Trace Den spänning (eller strö, effekt) som skall visas kan du välja i vänstra delen av fönstret och med hjälp av funktionerna i högra delen kan du bygga upp ett uttryck eller funktion av spänningar och strömmar från nätet som simulerats. DB() beräknar db av beloppet, samma som 2*LOG1() P() beräknar fas När diagrammet skall ritas använder vi funktionen DB(V(Ut)/V(In)) för att beräkna och rita förstärkning i decibel. 25(41)

26 mHz 1.Hz 1Hz 1Hz 1.KHz 1KHz 1KHz 1.MHz DB(V(UT)/V(IN)) Frequency Standardinställningen för hur diagram med logaritmiska axlar ritas är i mitt tycke inte bra eftersom det ger en gradering i logaritmisk skala mitt emellan jämna tiopotenser. Mellan 1 och,5 1 Hz ges således en prickad linje vid cirka 32 Hz ( 1 = 3,16,,5 = log 3,16 ). Om du ändrar graderingen på x-axeln under Plot/Axis Settings i fliken X grid till följande så kan du få ett diagram med följande gradering mHz 1.Hz 1Hz 1Hz 1.KHz 1KHz 1KHz 1.MHz DB(V(UT)/V(IN)) Frequency vilket torde se lite bättre ut. 26(41)

27 Vill du även rita faskurvan kan du få den genom att rita kurva för P(V(Ut)/V(In)) istället. Faskurvan kan ritas i samma diagram med med olika axlar för belopp och fas. Plot / Add Y Axis och Trace / Add Trace P(V(UT)/V(IN)) d 2 d -1d -2-4 >> -2d 1mHz 1.Hz 1Hz 1Hz 1.KHz 1KHz 1KHz 1.MHz 1 DB(V(UT)/V(IN)) 2 P(V(UT)/V(IN)) Frequency eller i olika diagram Plot / Add Plot to Window och Trace / Add Trace P(V(UT)/V(IN)) 4 SEL>> -4 18d DB(V(UT)/V(IN)) d -19d 1mHz 1.Hz 1Hz 1Hz 1.KHz 1KHz 1KHz 1.MHz P(V(UT)/V(IN)) Frequency 27(41)

28 Transientanalys Vill du istället göra en simulering där spänningar och strömmar i nätet beräknas som funktion av tiden skall du göra på följande sätt: Byt insignalgeneratorn VAC till VSIN. VOFF = V VAMPL =.1V FREQ = 1Hz V4 AC =.1V VOFF är sinusspänningens likspänningsnivå (offset). VAMPL är sinusspänningens amplitud FREQ är sinusspänningens frekvens. Observera att du inte skall ange något mellanslag mellan värde och enhet. AC=.1V är inspänning för AC-analys. Generatorn VSIN kan alltså användas även för ACanalys. Sätt upp en ny simuleringsprofil. Man kan ha flera simuleringsprofiler så att du inte behöver ändra hela tiden när du har flera alternativa simuleringar som du behöver växla mellan. Kör en simulering: 2.V 1.V V -1.V -2.V s 2ms 4ms 6ms 8ms 1ms V(UT) V(IN) Time Som synes är utspänningen förstärkt och i fas med inspänningen. 28(41)