CV3

1 Střídavé analýzy
Cílem cvičení je osvojení práce s jednotlivými střídavými analýzami, kmitočtovou
analýzou, a šumovou analýzou. Prováděna bude analýza kmitočtových závislostí obvodových
veličin v harmonickém ustáleném stavu. Porovnáním úrovně šumu, tedy fluktuací
elektrického signálu a charakteristik, s úrovněmi užitečného signálu na vstupu nebo výstupu
bude posuzován odstup signálu od šumu. Výstupní šum přepočtený přes vstupně-výstupní
přenos zpět na vstupní svorky odráží vnitřní zdroje šumů a jejich šíření obvodem.
Cíle cvičení
o
o
o
o
RC článek (kmitočtová (.AC) analýza, šumová analýza (.NOISE))
Základy kmitočtové a šumové analýzy
Zobrazení výsledků kmitočtové analýzy
Kmitočtová analýza BJT zesilovače
1.1 RC článek
Zadání
 Vykreslete převodní, modulovou a fázovou charakteristiku C-R článku. Zjistěte
rezonanční frekvenci tohoto článku.
 Proveďte šumovou analýzu obvodu.
Netlist
* Schematics Netlist *
C_C1 IN OUT 1u
R_R1 0 OUT 1k
V_VAC IN 0 DC 0Vdc AC 1Vac
Schéma
___________________________________________________________________________
Postup
(a) AC analýza:



Nakreslit schéma, Zdroj VAC: pojmenovat VAC, nastavit ACM AG=1, nezapomenout
zem.
Nastavit simulační profil pro .AC analýzu (AC sweep): dekadicky, 10 bodů na dekádu,
od 10Hz do 10kHz.
Použít sondy pro amplitudu a úhel fáze vdb a vphase (posloupnost PSpice -> M arkers
-> Advanced –> db M agnitude of voltage) na uzel "out". Stejnou posloupností přidat
sondu pro fázi napětí (Phase of Voltage). Poznámka: volba Advanced je aktivní až po
nastavení simulačního profilu.

Spustit analýzu, ověřit a editovat průběhy v PSpice A/D – dosáhnout grafického
výstupu podobnému tomu, jaký je uveden níže.
1.0V
0.5V
SEL>>
0V
V(OUT)
0
1
2
100d
-20
50d
-40
0d
>>
10Hz
1
30Hz
DB(V(OUT))
2
100Hz
300Hz
1.0KHz
3.0KHz
P(V(OUT))
Frequency
Obr. 1.1: Požadovaný grafický výstup
o Všimněte si, že amplitudu výstupního napětí lze vynést zadáním příkazu
DB(V(OUT)), fáze pak P(V(OUT)). Ověřte použitím posloupnosti Trace-Add
Trace a vložením příkazu do řádku „Trace Expression“.
o Pro vložení dalšího grafu (dva grafy nad sebou) použijte posloupnost Plot –>
Add Plot to Window.
o Do grafu budete také přidávat další svislou osu:
Obr. 1.2: Nápovědná poznámka
(b) Šumová analýza:




Smazat sondy ze schématu (v, vdb a vphase).
Nastavit šumovou analýzu (Noise Analysis v rámci AC sweep): - povolit analýzu
(zatrhnout „ENABLE NOISE“).
Nastavit výstupní proměnnou (Output Voltage): V(out) a také vstupní zdroj (I/V
Source): VAC.
Spustit simulaci a přidat průběhy (Trace -> Add): V(ONOISE) a V(INOISE), tj.
výstupní (out) a vstupní šum (in). Nastavit logaritmickou osu y .
Výsledky
10KHz
100nV
10nV
1.0nV
100pV
10pV
10Hz
30Hz
V(INOISE)
100Hz
300Hz
1.0KHz
3.0KHz
10KHz
V(ONOISE)
Frequency
Obr. 1.3: Výstup šumové analýzy
1.2 Základy kmitočtové a šumové analýzy
Zadání
Pro jednoduchý R-C-C-R obvod zobrazte kmitočtovou závislost:
 napětí na výstupu obvodu,
 vstupní impedance,
 šumového napětí na výstupu.
Netlist
* Schematics Netlist *
R_R2
0 OUT 1k
C_C1
1 OUT 1u
C_C2
0 1 1n
R_R1
1 IN 1k
V_VAC IN 0 DC 0Vdc AC 1Vac
Schéma
Obr. 1.4: Schéma zapojení obvodu R-C-C-R
___________________________________________________________________________
Postup
 Nakreslit schéma. VAC: ACM AG = 1.
 Nastavit simulační profil kmitočtové analýzy (AC sweep): Dekadicky, 10 bodů na
dekádu, od 10Hz do 10megHz.
 Přidat sondu pro amplitudu napětí (posloupnost Pspice -> M arkers -> M ark Advanced
-> db M agnitude of voltage).
 Uložit. Spustit analýzu. Zobrazit průběh. Odečíst hodnotu přenosu na 10kHz (zapnout
kurzor a odečíst).
 Zobrazit průběh vstupní impedance: Přidat osu (Plot -> Add Y Axis nebo Ctrl-Y).
Přidat průběh (Trace -> Add Trace), definovat co má být vykresleno: Trace
Impression „VM (IN)/IM (R1)“ (tj. modul napětí na vstupu dělený modulem proudu
rezistorem R1). Odečíst velikost vstupní impedance na kmitočtu 10kHz.

Pro opakovanou práci s již nastavenými grafy může být nápomocné, aby bylo
zachováno nastavení posledního grafu. Dosáhne se toho tím, že v okně pro nastavení
simulace se v záložce Probe Window se zatrhne „Last Plot“.

V simulačním profilu AC sweep povolit šumovou analýzu (Noise Analysis Enabled).
Definovat výstupní napětí, tj. Output Voltage = V(out); definovat vstupní zdroj, tj. I/C
source = VAC. Zrušit markery. Uložit. Spustit analýzu. Zobrazit průběh šumového
napětí: Přidat průběh V(ONOISE). Odečíst velikost šumového napětí na 10kHz (s
použitím vyhledávacího příkazu SXVAL(10k).
Výsledky
Obr. 1.5: Výstupní charakteristiky obvodu R-C-C-R
1.3 Zobrazení výsledků střídavé analýzy
Zadání
Pro jednoduchý L-C filtr (dolní propust) s proměnnou velikostí odporu R (R = 25 Ω, 50
Ω, 100 Ω, 200 Ω) zobrazte:



frekvenční závislost amplitudy, přenosu, fáze a skupinového zpoždění napětí na
výstupu,
frekvenční závislost velikosti, fáze, reálné a imaginární složky vstupní impedance Zi
(tedy Zi, φ(Zi), Re(Zi) a Im(Zi)),
frekvenční závislost velikosti, fáze, reálné a imaginární složky výstupní impedance Zo
(tedy Zo, φ(Zo), Re(Zo) a Im(Zo)).
Netlist
* Schematics Netlist *
C_C1
1 OUT 1u
R_R1
1 IN {ODPOR}
L_L1
OUT 0 10mH
V_VAC
IN 0 DC 0Vdc AC 1Vac
.PARAM ODPOR=25
Schéma
Obr. 1.6: Schéma zapojení L-C filtru
___________________________________________________________________________
Postup
 Nakreslit schéma (prvky VAC, PARAM a další).
 Nastavit simulační profil .AC analýzy (AC sweep), dekadicky, 100 bodů na dekádu,
od 100Hz do 10kHz.
 Vložit markery (posloupnost Pspice -> M arkers -> Advanced a pak vybrat jednotlivé
sondy: vdb; vphase a vgroupdelay).
 Zatrhnutím „Parametric Sweep“ nastavit parametrickou analýzu: krokovat globální
parametr ODPOR dle seznamu 25 50 100 200 . Uložit. Spustit analýzu. Zobraz it
průběh.
 Zobrazení všech závislostí v jednom grafu je nepřehledné. Proto je vhodné vykreslit
tyto 4 průběhy do dvou oken a v každém okně dva průběhy nezávisle:
o Otevřít nové okno (Window - New). Přidat průběh modulu napětí (Trace Add) VM (OUT). Přidat nové zobrazení (Plot –> Add Plot). Přidat průběh
hodnot modulu napětí v decibelech (Trace -> Add) VDB(OUT).
o Obdobně přidat další okno s průběhem argumentu (počáteční fáze) výstupního
napětí - P(V (OUT)) - a skupinového zpoždění - G(V (OUT)) - .
o Zobrazit okna vedle sebe (Window - Tile Vertical).
 Obdobně pro zobrazení průběhů vstupní impedance:
o modul vstupní impedance Zi : V(IN)/I(R1)
o reálná část vstupní impedance: IR(R1) / (I(R1) * I(R1))
o imaginární část vstupní impedance: II(R1) / (I(R1) * I(R1))
o fáze vstupní impedance: -IP(R1)
Výsledky
Obr. 1.7: Výstupní charakteristiky L-C filtru
1.4 Kmitočtová analýza BJT zesilovače
Zadání
Proveďte AC analýzu zesilovače s BJT:
 Vykreslete frekvenční (modulovou a fázovou) charakteristiku napěťového přenosu.
 Odečtěte Av (napěťový přenos) na 10kHz a mezní kmitočty Av.
 Určete Ai na 10kHz a mezní kmitočty Ai.
 Určete šumy Vinoise a Vonoise na 10kHz.
 Určete modul vstupní impedance Zin na 10kHz.
 Určete modul výstupní impedance Zout na 10kHz. Zdroj Iout paralelně s Rz; Rz
změnit na 10 megOhm.
Netlist
Schéma
* Schematics Netlist *
C_C2 C OUT 1u
C_C1 IN B 1u
R_Rz 0 OUT 6k
R_Rb1 B Vcc {Rb}
R_Rb2 0 B 5.5k
R_Re 0 E 173
R_Rc C Vcc 6k
Q_Q1 C B E Q2N2222
V_Vpower Vcc 0 12V
V_VAC IN 0 DC 0Vdc AC
Obr. 1.8: Schéma zapojení BJT zesilovače pro
1Vac
kmitočtovou analýzu
.PARAM Rb=139.75
Výsledky
Vykreslete frekvenční (modulovou a fázovou) charakteristiku napěťového přenosu.
Určete hodnoty:
 Hodnota Av (10kHz)
 M ezní kmitočty Av
 Hodnota Ai (10kHz)
 M ezní kmitočty Ai
 Vinoise (10kHz)
 Vonoise (10kHz)
 Hodnota modulu Zin (10kHz)
o

Zdroj Iout paralelně s Rz; Rz změnit na 10megOhm
Hodnota modulu Zout (10kHz)
o
Zdroj Iout paralelně s Rz; Rz změnit na 10megOhm