Politechnika Śląska Gliwice 7.06.2010

W Gliwicach

Wydział Automatyki, Elektroniki

I Informatyki.

Komputerowa Analiza Układów Elektronicznych

Projekt nr 24

Grupa E2

Treść Projektu:

1. Zapoznaj się z podrozdziałem 2.7.2 monografii: L.O.Chua, P.M.Lin: „Komputerowa analiza układów elektronicznych, WNT, 1981

2. Utwórz makromodel wzmacniacza operacyjnego (podobwód) odtwarzający następujące parametry wzmacniacza:

   • Oporność wejściowa Rwe = 2 [MΩ]

   • Oporność wyjściowa Rwy = 20 [Ω]

   • Biegun transmitancji = 50 [Hz]

   • Wzmocnienie w otwartej pętli K = 20 [kV/V]

   • Parametr SR = 0.6 [V/µs]

   • Zakres napięć wyjściowych Uwy = -14...14[V]

Sprawdź za pomocą obliczeń programu PSpice, czy makromodel spełnia postawione wymagania.

1. Zaprojektuj filtr Butterwortha o charakterystyce pasmowo przepustowej spełniający następujące warunki:

   • Pasmo przepuszczania:6-12[kHz]

   • Pasmo zaporowe:1-28[kHz]

   • Dopuszczalne tłumienie w paśmie przenoszenia Ap=3[dB]

   • Minimalne tłumienie w paśmie zaporowym Az=20[dB]

2. Zrealizuj zaprojektowaną transmitancję w postaci kaskadowego połączenia sekcji bikwadratowych wybranych z „Katalogu Struktur Bikwadratowcyh” zamieszczonego w gablotce.

3. Zasymuluj zaprojektowaną struktur filtru w oparciu o utworzony wczesniej makromodel wzmacniacza operacyjnego. W szczególności oblicz:

   • Charakterystykę amplitudową filtru.

   • Charakterystykę fazową filtru

   • Opóźnienie grupowe filtru,

   • Wykres transmitancji na płaszczyźnie zespolonej

   • Odpowiedź filtru na impuls Diraca.

Porównaj zaprojektowaną charakterystykę z charakterystyką symulowanego filtru. Czy dostrzegasz różnicę? Z czego ona wyinka? Jeżeli filtr Ne spełnia pożądanych parametrów dobierz wartość elementów biernych tak, aby uzyskać filtr zgodny z założeniami.

1. Powtórz obliczenia z punktu 5. Dla struktury, w której oporniki (pojemności) wybrano ze standardowego szeregu elementów o tolerancji 5% (pojemności 10%). Porównaj wynik obliczeń z wynikami z punktu 5.

2. Posługując się analizą Monte Carlo pokaż wpływ rozrzutu parametrów elementów na charakterystykę amplitudową, fazową i opóźnienie grupowe układu z punktu 6. Tolerancje oporników 5%, Tolerancje pojemności 10%.

AD2:

Zakładane parametry makromodelu:

1. Oporność wejściowa Rwe = 2 [MΩ]

2. Oporność wyjściowa Rwy = 20 [Ω]

3. Biegun transmitancji = 50 [Hz]

4. Wzmocnienie w otwartej pętli K = 20 [kV/V]

5. Parametr SR = 0.6 [V/µs]

6. Zakres napięć wyjściowych Uwy = -14...14[V]

Obliczenie poszczególnych parametrów makromodelu:

Przyjmujemy wartość Rwe = 2 [MΩ]

Poniższy fragment pliku wejściowego programu PSPICE zawiera utworzony w oparciu o wcześniejsze obliczenia makromodel wzmacniacza operacyjnego:

*Wzmacniacz operacyjny

.SUBCKT WZM_OP 1 2 5

.MODEL DIODA D(IS=1E-24)

R1 2 1 2MEG

GI1 0 3 TABLE {V(1)-V(2)}=

+(-10V, -9.54929658mA)

+(-95.49296586mV, -9.54929658mA)

+(95.49296586mV, 9.54929658mA)

+(10V, 9.54929658mA)

R2 3 0 200k

C2 3 0 15.91549431nF

E3 4 0 3 0 1

R3 4 5 20

D4 5 6 DIODA

VU4 6 0 12.453

D5 7 5 DIODA

VU5 0 7 12.453

Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa

.INC WO.CIR

X1 1 2 3 WO

V1 1 0 AC 1

V2 2 0 0

.AC DEC 1000 1 100K

.PROBE

.END

Wzmocnienie wynosi 86 [dB] czyli zgadza się z założeniem, a częstotliwość bieguna dominującego (przy której następuje 3dB spadek wzmocnienia) wynosi 50[Hz].

Wyznaczenie parametru SR

.INC WO.CIR

X1 1 2 2 WO

V1 1 0 PULSE (0 100 1n 1p 1p 30u 0)

.TRAN 1n 25u 0.01n

.PROBE

.END

Obliczony parametr SR zgadza się z założeniami projektowymi.

Charakterystyka przejściowa

.INC WO.CIR

X1 1 2 3 WO

V1 1 0 DC 20UV

V2 2 0 0

.DC V1 -2.5MV 2.5MV 1UV

.PROBE

.END

AD3:

Zaprojektuj filtr Butterwortha o charakterystyce pasmowo przepustowej spełniający następujące warunki:

• Pasmo przepuszczania:6-12[kHz]

• Pasmo zaporowe:1-28[kHz]

• Dopuszczalne tłumienie w paśmie przenoszenia Ap=3[dB]

• Minimalne tłumienie w paśmie zaporowym Az=20[dB]

1. Wyznaczenie parametru zafalowań:

4

1. Wyznaczenie rzędu filtru:

N_B=3

1. Charakterystyki otrzymane w projektancie filtrów:

   1. Charakterystyka amplitudowa filtru:

   2. Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa filtru:

   3. Charakterystyka fazowa filtru:

1. Opóźnienie grupowe:

1. Położenie znormalizowanych biegunów i zer na płaszczyźnie zespolonej

1. Odpowiedź filtru na skok jednostkowy:

1. Projekt struktury równoległej filtra:

1. Sekcje bikwadratowe:

   1. Sekcje bikwadratowe RC z zerem w zerze.

1. Sekcje bikwadratowe RC z ujemnym rzeczywistym zerem.

1. Sekcje bikwadratowe z dodatnim rzeczywistym zerem.

1. Dolnoprzepustowe sekcje bikwadratowe.

Sekcja ma wagę 0 więc nie jest brana pod uwagę w projekcie filtru.

1. Sumator:

Rs=1

Rs1=2kΩ

Rs2=1,1 kΩ

Rs3=910 Ω

AD 4. Listing układu w języku PSpice:

*Filtr pasmowoprzepustowy

.INC WO.cir

V1 1 0 DC 0 AC 1

*V1 1 0 PULSE(0 1 0 0 0 0 0)

*Sekcja z zerem w zerze

R2 1 3 13.273K

R3 7 4 1K

R4 4 5 1K

R5 5 6 2.65K

R6 6 0 2.65K

C1 3 7 1n

C2 6 0 10n

X1 3 4 5 OP

X2 6 4 7 OP

*Sekcja z rzeczywistym zerem ujemnym

R9 1 8 7.539k

R10 8 9 10k

R11 10 12 1k

R12 11 0 53.395k

R19 9 10 8.229k

C3 8 0 10n

C4 11 12 1n

X4 8 10 12 OP

X5 11 10 9 OP

*Sekcja z rzeczywistym zerem dodatnim

R18 16 0 24.282K

R15 14 17 1K

R13 14 15 1K

R16 1 13 870

R20 13 17 167

C5 15 16 1n

C6 13 0 47n

X6 16 14 17 OP

X7 13 14 15 OP

*Sumator

R14 17 18 1.117K

R7 7 18 1.996K

R17 12 18 937

X3 0 18 2 OP

R8 18 2 1K

.AC DEC 1000 100 100k

.TRAN 0.1u 0.8m 0 0.5u

.PROBE

AD5 Charakterystyki zaprojektowanego filtru w oparciu o rzeczywisty wzmacniacz operacyjny:

1. Charakterystyka amplitudowa:

2. Charakterystyka fazowa filtru:

3. Opóźnienie grupowe:

4. Wykres transmitancji na płaszczyźnie zespolonej.

1. Odpowiedź filtru na skok jednostkowy:

AD6 Po przeprowadzeniu analiz na elementach o wartościach dokładnych, zmieniono wartości rezystorów na rezystancje z szeregu oporników 5%. Listing filtru wygląda teraz następująco:

*Filtr pasmowoprzepustowy

.INC WO.cir

.MODEL R006 RES R=1 DEV=5%

.MODEL C006 CAP C=1 DEV=10%

V1 1 0 DC 0 AC 1

*V1 1 0 PULSE(0 1 0 0 0 0 0)

*Sekcja z zerem w zerze

R2 1 3 13K

R3 7 4 1K

R4 4 5 1K

R5 5 6 2.7K

R6 6 0 2.7K

C1 3 7 1n

C2 6 0 10n

X1 3 4 5 OP

X2 6 4 7 OP

*Sekcja z rzeczywistym zerem ujemnym

R9 1 8 7.5k

R10 8 9 10k

R11 10 12 1k

R12 11 0 51k

R19 9 10 8.2k

C3 8 0 10n

C4 11 12 1n

X4 8 10 12 OP

X5 11 10 9 OP

*Sekcja z rzeczywistym zerem dodatnim

R18 16 0 24K

R15 14 17 1K

R13 14 15 1K

R16 1 13 910

R20 13 17 160

C5 15 16 1n

C6 13 0 47n

X6 16 14 17 OP

X7 13 14 15 OP

*Sumator

R14 17 18 1.K

R7 7 18 2K

R17 12 18 910

X3 0 18 2 OP

R8 18 2 1K

.AC DEC 1000 100 100k

.TRAN 0.1u 0.8m 0 0.5u

.PROBE

1. Charakterystyka amplitudowa filtru:

2. Charakterystyka fazowa filtru:

3. Opóźnienie grupowe:

4. Wykres transmitancji na płaszczyźnie zespolonej:

5. Odpowiedź filtru na skok jednostkowy:

AD 7 Analiza MONTE CARLO

Zmodyfikowano kod programu, i jako rezystory i kondensatory użyto modeli z tolerancją 5 i 10%. Dodano analizę Monte Carlo do kodu. Listing programu wygląda teraz następująco:

*Filtr pasmowoprzepustowy

.INC WO.cir

.MODEL RES RES (R=1.0 DEV 5%)

.MODEL CAP CAP (C=1.0 DEV 10%)

V1 1 0 DC 0 AC 1

*V1 1 0 PULSE(0 1 0 0 0 0 0)

*Sekcja z zerem w zerze

R2 1 3 RES 13K

R3 7 4 RES 1K

R4 4 5 RES 1K

R5 5 6 RES 2.7K

R6 6 0 RES 2.7K

C1 3 7 CAP 1n

C2 6 0 CAP 10n

X1 3 4 5 OP

X2 6 4 7 OP

*Sekcja z rzeczywistym zerem ujemnym

R9 1 8 RES 7.5k

R10 8 9 RES 10k

R11 10 12 RES 1k

R12 11 0 RES 51k

R19 9 10 RES 8.2k

C3 8 0 CAP 10n

C4 11 12 CAP 1n

X4 8 10 12 OP

X5 11 10 9 OP

*Sekcja z rzeczywistym zerem dodatnim

R18 16 0 RES 24K

R15 14 17 RES 1K

R13 14 15 RES 1K

R16 1 13 RES 910

R20 13 17 RES 160

C5 15 16 CAP 1n

C6 13 0 CAP 47n

X6 16 14 17 OP

X7 13 14 15 OP

*Sumator

R14 17 18 RES 1K

R7 7 18 RES 2K

R17 12 18 RES 910

X3 0 18 2 OP

R8 18 2 RES 1K

.AC DEC 1000 100 100k

.TRAN 0.1u 0.8m 0 0.5u

.MC 10 AC V(2) YMAX LIST OUTPUT ALL

.PROBE

.END

1. Charakterystyka amplitudowa układu:

2. Charakterystyka fazowa układu:

3. Opóźnienie grupowe:

1. Wnioski:

   1. Zaprojektowany filtr w dostatecznym stopniu realizuje założenia projektowe. Charakterystyki wyznaczone przy symulacji filtru w programie Pspice nie obiegają od charakterystyk teoretycznych wyznaczonych prze aplikacje „Projektant Filtrów” opierającą się na programie MathCad.

   2. Projektant Filtrów generuje struktury przy założeniu, że wzmacniacze na których będzie realizowany filtr są idealne. Założenie to sprawdza się przy symulacji w programie Spice. Jeżeli w modelu wzmacniacza operacyjnego uwzględnimy pojemność ograniczającą narastanie napięcia na wyjściu wzmacniacza, a także symulującą biegun transmitancji wzmacniacza, charakterystyki filtru są idealne i nawet z nadwyżką realizują 40 dB tłumienie w paśmie zaporowym, i przepuszczanie dla pasma przenoszenia.

   3. Po zamianie wartości rezystorów z dokładnych obliczonych przez aplikację „projektant filtrów” na wartości ze standardowego szeregu charakterystyki filtru zmieniły się, aczkolwiek w sposób niezakłócający w poważnym stopniu pracy układu.

   4. Analiza Monte Carlo ukazuje jak wpływ dokładności dobranych elementów wpływa na parametry zaprojektowanego na nich filtru. Rozrzut wartości jest spory, ale akceptowalny.