أخبار التكنولوجيا

دورة SPICE: تحليل اكتساح التيار المستمر (II)


في هذا الجزء من المقالة حول تحليل اكتساح التيار المستمر، نتعمق في بعض المفاهيم الأساسية التي تعمل على تحسين إمكانيات التحليل وتمكين تنفيذ إجراءات القياس التلقائي التي قد تتطلب الكثير من العمل الإضافي إذا تم إجراؤها يدويًا.

مقدمة

مع التذكير بأن تحليل اكتساح التيار المستمر في سبايس هو ميزة تسمح بمحاكاة دائرة إلكترونية يتغير فيها الجهد أو قيمة التيار للمولد، فإن هذا الإجراء يجعل من الممكن الحصول، في رسم بياني واحد، على اتجاه واحد أو أكثر من المرغوب فيه قيم. في هذه الحالة، لا يمثل المحور السيني الوقت، بل يمثل قيمة الجهد المتغير، بينما يمثل المحور الصادي أي كمية كهربائية أخرى يرغب فيها المصمم. يتم تنفيذه باستخدام التوجيه “.DC”. من الناحية العملية، يبدو الأمر كما لو كنت تقوم بتشغيل العديد من عمليات المحاكاة التي تقوم فيها بتغيير قيمة معلمة واحدة. على سبيل المثال، إذا كنت تريد تشغيل تحليل جهد الدخل من 0 فولت إلى 5 فولت مع زيادة قدرها 1 فولت، فيمكنك استخدام الأمر التالي في ملف وصف الدائرة:

.تيار مستمر فين 0 فولت 5 فولت 1 فولت

والذي تبين بالتأكيد أنه أسرع من المحاكاة التالية:


18.09.2023

تخفيض تكلفة إنتاج الدوائر المتكاملة في عصر التكامل

14.09.2023

إضفاء الطابع الديمقراطي على الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي من خلال نهج بدون تعليمات برمجية

09.12.2023

.تيار مستمر فين 0 فولت 5 فولت 50uV

يتضمن الأخير خطوة تقدم للجهد المطلوب تحليله بمقدار 50uV، ويشغل ملف التحليل الذي تم إنشاؤه بواسطة البرنامج مساحة أكبر على الذاكرة الجماعية. ولذلك، يجب على المصمم أن يكون حذرا بشأن مجموعة الخطوات عند إجراء هذا النوع من التحليل. إنها فكرة جيدة تقديم خطوة أولية كبيرة ثم تقليلها أثناء عمليات المحاكاة للحصول على نتائج أكثر دقة وأفضل.

تحليلات متداخلة مع مصادر الجهد المتعددة

يتضمن الاستخدام الأكثر احترافًا لتوجيه “.DC” تغيير جهد المولدات المتعددة (أو التيار). يوضح الرسم البياني في الشكل 1 مثالاً على انحياز الترانزستور. يتكون من المكونات التالية:

  • V1: هو مولد الجهد الذي يزود الحمل على مجمع الترانزستور
  • V2: هو مولد الجهد الذي يستقطب قاعدة الترانزستور
  • س1: هو الترانزستور NPN 2N2222
  • R1: هي المقاومة الأساسية البالغة 220 كيلو أوم
  • R2: هي مقاومة المجمع (الحمل) البالغة 2.2 كيلو أوم.

على الرغم من أن المولدين (V1 وV2) يظهران جهدًا ثابتًا على الرسم البياني، إلا أنه في الواقع يختلف بشكل متزايد في المحاكاة.

الشكل 1: مع الاستخدام المحدد للتوجيه .DC، من الممكن تغيير قيمة المولدات المتعددة في المحاكاة في وقت واحد.
الشكل 1: مع الاستخدام المحدد للتوجيه .DC، من الممكن تغيير قيمة المولدات المتعددة في المحاكاة في وقت واحد

كما هو واضح في مخطط الدائرة، هناك توجيه يسمح بإجراء محاكاة إلكترونية في مجال الجهد، حيث يتم تغيير ومعالجة قيم مولدين. التوجيه المستخدم هو كما يلي:

.DC V1 0 12 100m V2 0 6 2

دعونا نحلل أدناه المعلمات المقدمة:

  • V1 0 12 100m: يشير إلى أنه سيتم إجراء فحص الجهد على المعلمة V1. سيبدأ المسح من 0V، وينتهي عند 12V، وستكون زيادة الجهد 100mV. القيم التي تمت معالجتها ومسحها ضوئيًا هي 121 (0V، 0.1V، 0.2V، …، 11.8V، 11.9V، 12V).
  • V2 0 6 2: يشير إلى أنه سيتم إجراء فحص الجهد على المعلمة V2. سيبدأ الفحص عند 0V، وينتهي عند 6V، وستكون زيادة الجهد 2V. هناك 4 قيم تمت معالجتها (0V، 2V، 4V، و6V).

سيتم إجراء تحليل المسح مع الأخذ في الاعتبار جميع القيم المحددة لـ V1 وV2، وحساب التيارات والفولتية والكميات الأخرى في الدائرة لكل قيمة جهد في المسح. في هذه الحالة، يقوم البرنامج ببناء مصفوفة مربعة يتم فيها حساب القيمة النهائية بالنسبة لمجموعات الجهدين. عند تشغيل المحاكاة، يتم تمثيل الجهد عند المجمع (v(out)، نظرًا لاختلاف الجهدين، على الرسم البياني، كما هو موضح في الشكل 2. من الممكن قراءة أربع مخططات مختلفة تتعلق بالجهد عند المجمع v( خارج) بالاعتماد على الفولتية V1 و V2، وفقا للفواصل الزمنية المبرمجة في التوجيه.

الشكل 2: محاكاة .DC متعددة المعلمات تسمح بالعديد من منحنيات القياس.
الشكل 2: محاكاة .DC متعددة المعلمات تسمح بالعديد من منحنيات القياس

أنواع مختلفة من سويملاحظة

المثال الذي تناولناه في القسم السابق استخدم نوعاً من الكنس الخطي الذي تحدث فيه الزيادة في الجهد أو التيار وفق معادلة خطية من الدرجة الأولى، مثل ما يلي:

ص=الفأس+ب

يتم فيه تحديد القيمة الأولية والقيمة النهائية وخطوة الزيادة. على سبيل المثال، التوجيه

.تيار مستمر V1 5 8 0.5

يولد 7 نقاط قياس حيث يتغير الجهد V1 خطيًا من 5 فولت إلى 8 فولت، مع زيادة قدرها 0.5 فولت (5 فولت، 5.5 فولت، 6 فولت، 6.5 فولت، 7 فولت، 7.5 فولت، 8 فولت). مع خطوة أصغر، تكون دقة التحليل أعلى، كما هو الحال مع الوقت المستغرق للمحاكاة. أنواع التحليل التي توفرها LTspice هي كما يلي:

  • خطي
  • اوكتاف
  • عقد
  • قائمة.

الخيار الأخير مثير للاهتمام للغاية لأنه يسمح بتحديد قيم عشوائية دون اتباع تسلسل معين.

على سبيل المثال التوجيه:

.قائمة DC V1 1 1.5 3 3.5 8

يقوم بإجراء تحليل مسح الجهد على الدائرة عن طريق تحديد قائمة بقيم جهد الإدخال بدلاً من النطاق المستمر. في هذه الحالة، القيم المحددة هي 1V، 1.5V، 3V، 3.5V، و8V وتوفر خمسة فولتات رئيسية مختلفة عند الخرج، كما هو موضح في الرسم البياني في الشكل 3. أثناء التحليل، يتم تحديد تيارات الدائرة وجهودها وجهدها. ويتم حساب الكميات الأخرى لكل قيمة جهد محددة في القائمة. يعد تحليل المسح بقيم منفصلة مفيدًا عندما يرغب المستخدمون في تحليل سلوك الدائرة عند نقاط محددة أو إجراء اختبارات مستهدفة على قيم جهد محددة.

الشكل 3: المحاكاة بخمسة فولتات محددة مسبقًا.
الشكل 3: المحاكاة بخمسة فولتات محددة مسبقًا

يتم عرض قائمة NETLIST للدائرة التي تم فحصها للتو أدناه. لاحظ وجود نموذج الترانزستور، الذي تم تكوينه من خلال التوجيه “.MODEL”.

* محاكاة العاصمة بواسطة جيوفاني دي ماريا لـ LTspice
R1 N002 N003 220 كيلو
Q1 خارج N003 0 0 2N2222A
R2 N001 خارج 2.2 كيلو
V2 N002 0 10 فولت
قائمة .dc V1 1 1.5 3 3.5 8
نموذج 2N2222A NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=100E-9 TF=400E-12 ITF=1 VTF= 2 XTF=3 RB=10 RC=.3 RE=.2 Vceo=30 Icrating=800m mfg=NXP)
.backanno
.نهاية

التوجيه .DC ودرجة حرارة العمل

باستخدام التوجيه .DC، بالاشتراك مع درجة حرارة العمل، من الممكن تقييم تأثير درجة الحرارة على معلمات الدائرة أثناء تحليل المسح. في الواقع، من الممكن مسح درجة الحرارة ضمن نطاق معين لفحص استجابات الدائرة للتغيرات في درجات الحرارة وتحديد أي نقاط حرجة أو حالات شاذة. تصبح أهمية تحليل درجة حرارة العمل ذات أهمية خاصة في التطبيقات التي تخضع فيها الدائرة لظروف تشغيل مختلفة أو درجات حرارة قصوى. لهذا الغرض، قمنا بفحص مخطط الدائرة البسيطة في الشكل 4، الذي يمثل مضخم ترانزستور ذو باعث مشترك. بالنسبة لنوع المحلول، تم بالفعل تكوين نقطة v(out) بشكل مثالي لتكون عند جهد VCC/2، أي عند 6 فولت، وذلك بفضل المقاوم R1 الذي تبلغ قيمته 844489 أوم، والذي يستقطب الترانزستور تمامًا و يضع نقطة التشغيل الخاصة به عند نصف جهد الإمداد، عند درجة حرارة 22 درجة مئوية.

الشكل 4: المقاوم R1 الذي تبلغ قيمته 844489 أوم يضع جهد المجمع في المنطقة الخطية، بالضبط في منتصف الطريق إلى جهد الإمداد.
الشكل 4: المقاوم R1 الذي تبلغ قيمته 844489 أوم يضع جهد المجمع في المنطقة الخطية، بالضبط في منتصف الطريق إلى جهد الإمداد

الآن سوف نكتشف كيف تؤثر درجة الحرارة على السلوك الساكن للترانزستور. ال . كمتغير يمكن تنويعه، يوفر التوجيه .DC درجة الحرارة والجهد أو التيار. لرغبتنا في فحص سلوك الدائرة عند درجات حرارة تتراوح بين -10 درجة مئوية إلى +80 درجة مئوية، يمكننا أن نضيف إلى مخطط الدائرة التوجيه التالي في برنامج LTspice:

درجة حرارة التيار المستمر -10 80 100 م

يتم استخدامه لإجراء تحليل مسح درجة الحرارة على الدائرة. دعونا نرى بالتفصيل ما تمثله المعلمات المحددة في التوجيه:

  • درجة الحرارة: تمثل معلمة درجة الحرارة التي سيتم تغييرها في الفحص
  • -10: هي القيمة الأولية لدرجة الحرارة في المسح، معبرًا عنها بالدرجات المئوية
  • 80: هي القيمة النهائية لدرجة الحرارة في المسح، معبرًا عنها بالدرجات المئوية
  • 100م: هي زيادة درجة الحرارة لكل خطوة في المسح، معبرًا عنها بالدرجات المئوية. في هذه الحالة، الزيادة هي 0.1 درجة مئوية.

أثناء التحليل، سيتم حساب التيارات والفولتية وكميات الدائرة الأخرى لكل قيمة درجة حرارة محددة في الفحص. ولذلك فإن هذا النوع من التحليل مفيد لتقييم تأثير درجة الحرارة على سلوك الدائرة وتحديد النقاط الحرجة أو الشذوذات الحرارية. ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ، في الرسوم البيانية في الشكل 5، أن جهد المجمع يتناقص مع زيادة درجة حرارة عمل الترانزستور بسبب الزيادة الموازية في التيار المتدفق عبر شبه الموصل. الرسوم البيانية التي تم الحصول عليها باستخدام LTspice و ngspice تظهر في الشكل، مع الأخذ في الاعتبار أن NETLIST للبرنامج الأخير هو كما يلي:

* درجة الحرارة الاجتياح مع ngspice
V1 N001 0 12 فولت
R1 N001 N002 844489
Q1 خارج N002 0 0 2N2222A
R2 N001 خارج 2.2 كيلو
نموذج 2N2222A NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=100E-9 TF=400E-12 ITF=1 VTF= 2 XTF=3 RB=10 RC=.3 إعادة=.2)
.يتحكم
درجة حرارة التيار المستمر -10 80 100 م
مؤامرة ضد (خارج)
.endc
.نهاية

الشكل 5: يتناقص جهد المجمع مع زيادة درجة حرارة عمل الترانزستور.
الشكل 5: يتناقص جهد المجمع مع زيادة درجة حرارة عمل الترانزستور

ومن المثير للاهتمام جدًا، في هذه المرحلة، أيضًا ملاحظة الرسم البياني لتبديد طاقة الترانزستور مع تغير درجة الحرارة. يوضح الرسم البياني في الشكل 6 منحنى تبديد الطاقة للترانزستور على مدى درجة حرارة تتراوح من -10 درجة مئوية إلى +80 درجة مئوية. في هذه الحالة، الحد الأقصى لتبديد الترانزستور 16.372866 ميجاوات يحدث عند درجة حرارة حوالي 22 درجة مئوية. يظهر الرسم البياني تحليل LTspice (أعلى) وتحليل ngspice (أسفل). الرسمان البيانيان متطابقان تقريبًا. يختلف NETLIST الخاص بـ ngspice قليلاً عن LTspice وهو مقترح أدناه:

* درجة حرارة الاجتياح للبهارات
V1 N001 0 12 فولت
R1 N001 N002 844489
Q1 خارج N002 0 0 2N2222A
R2 N001 خارج 2.2 كيلو
نموذج 2N2222A NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=100E-9 TF=400E-12 ITF=1 VTF= 2 XTF=3 RB=10 RC=.3 إعادة=.2)
.دقق في كل شيء
.يتحكم
درجة حرارة التيار المستمر -10 80 100 م
قطعة الأرض V(خارج)*I(R2)+V(N002)*I(R1)
.endc
.نهاية

على وجه التحديد، يتم إجراء القياس الحالي في LTspice من خلال التوجيه التالي:

الخامس (خارج) * إيك (Q1) + الخامس (N002) * إب (Q1)

ويتم استخدام التوجيه التالي لـ ngspice:

قطعة الأرض V(خارج)*I(R2)+V(N002)*I(R1)

لاحظ أيضًا “.دقق في كل شيء”توجيه ngspice الذي يتيح قياس جميع التيارات والتعامل معها، وهي ميزة غير موجودة افتراضيًا.

الشكل 6: الرسم البياني لتبديد طاقة الترانزستور مع تغير درجة الحرارة.
الشكل 6: الرسم البياني لتبديد طاقة الترانزستور مع تغير درجة الحرارة

خاتمة

بهذا المقال نختتم مناقشة تحليل اكتساح التيار المستمر مع SPICE. سيغطي الجزء التالي موضوعات أخرى مفيدة ومثيرة للاهتمام حول استخدام جهاز محاكاة SPICE الإلكتروني.

سيتم تغطية المزيد حول هذا الموضوع في الدفعة التالية من هذه السلسلة.

دليل محاكاة التوابل لتحليل وتصميم الدوائر – الدورة التدريبية

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *