کتاب آموزش سریع و گام به گام PSPICE

مقدمه:

کتاب حاضر دانشجویان را با کاربرد اصلی PSpice در زمینه تحلیل های بنیادی مدارات الکترونیک آشنا می سازد. PSpice نرم افزار بسیار قدرتمند شبیه سازی مدارات است که به یک طراح مدار کمک می کند تا فرآیند تحلیل مدارهایی با عناصر متعددرا در حداقل زمان به انجام رساند. این نرم افزار هم چنین کاربررا قادر می سازد تا به سادگی مدار و پارامترهای مدل را تغییر داده و اثر این تغییرات را بر روی طراحی و کارآیی مدار تجربه کند. از این کتاب می توان به عنوان یک کتاب مکمل درسی تحلیل مدارات پایه الکترونیک یا به عنوان کتاب کمکی برای کتاب های تئوری معرفی شده در این دروس استفاده نمود.

این کتاب داری توضیحات دقیق و مثال های متعدد در زمینه کاربرد PSpice در حل مسائل نمونه می باشد و به گونه ای طراحی شده است که دانشجو را قادر می سازد به سرعت به مهارتهای تحلیل مدارات مورد بحث در سر فصل های مهندسی برق و کامپیوتر دست یابد.

یکی از بهترین روش های ترویج استفاده از ابزارهای طراحی به کمک کامپیوتر نظیر PSpice، گنجاندن این ابزار در سرفصل های محتوای اصلی عنوان درسی مورد نظر می باشد. در این کتاب به منظور ارائه نقطه شروعی مناسی برای نیازهای گروه های مختلف خوانندگان، ابتدا کاربردهای PSpice برای تحلیل های پایه مدارات مرور گردیده است.

فهرست مطالب کتاب:

• فصل اول: معرفی    -----------------------  9
  

Spice یک نرم افزار عمومی بسیار قدرتمند شبیه سازی مدارات آنالوگ می باشدکه برای ارزیابی تغییرات مدارات و پیش بینی رفتار مدار مورد استفاده قرار می گیرد. Spice مخفف کلمات Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis (برنامه شبیه ساز با تاکید بر روی مدارات مجتمع) می باشد. PSpice از برنامه اصلی Spice منشعب شده است که به آن امکانات متعددی نظیر واسط گرافیکی کاربر و قابلیت بهبود یافته ترسیم منحنی اضافه شده است که آن را به یک محصول تجاری مهم تبدیل کرده است.

PSpice قادر به انجام چندین نوع مختلف تحلیل مداری می باشد. برخی از مهم ترین این تحلیل ها عبارت اند از:

•         تحلیل DC: منحنی انتقال DC مدار را محاسبه می کند.
•         تحلیل گذرا: به هنگام اعمال یک سیگنال ورودی بزرگ، خروجی ها را به عنوان تابعی از زمان محاسبه می کند.
•         تحلیل AC: خزوجی ها را به عنوان تابعی از فرکانس محاسبه می کند.
•         تحلیل فوریه: طیف فرکانسی پاسخ را محاسبه و رسم می کند.
•         تحلیل نویز
•         تحلیل حساسیت
•         تحلیل اعوعاج
•         تحلیل مونت کارلو

برای انجام تمامی انواع مختلف تحلیل مدار، برنامه شبیه ساز باید شامل مدل های ریاضی عناصر مداری مختلف مورد نظر باشد. PSpice شامل مدل های ریاضی عناصر زیر می باشد:

•         منابع ولتاژ و جریان مستقل و وابسته
•         مقاومت ها
•         خازن ها
•         القاگرها
•         القاگرهای متقابل
•         خطوط انتقال
•         تقویت کننده های عملیاتی
•         کلیدها
•         دیودها
•         ترانزیستورهای دوقطبی
•         ترانزیستورهای MOS
•         JFET
•         MESFET

PSpice همچنین دارای کتابخانهای آنالوگ و دیجیتال شامل مدل های عناصر دیگر از قبیل:

گیت های NAND و NOR، Flip-Flopها و گیت های دیجیتال دیگر و ... می باشد. این قابلیت ها، PSpice را به یک ابزار کارآمد برای طیف وسیعی از مدارات آنالوگ و دیجیتال تبدیل می سازد.

• فصل دوم: شروع کنید!    -----------------------  15
  

نخستین گام در فرآیند شبیه سازی رفتار یک مدار، عناصر مدار و ارتباطات بین آن هاست و این کار باید به شکلی انجام گیرد که برای نرم افزار PSpice قابل فهم باشد. PSpice از یک فایل به نام netlist به عنوان ورودی مورد نظر برای انجام تحلیل و شبیه سازی استفاده می کند. فایل netlist شامل مجموعه ای از سطرهای متنی (text) می باشد که حاوی اطلاعاتی درباره نوع عناصر، گره هایی که هر عنصر به آن متصل می باشد، مقدار عنصر و گاهی دیگر پارامترهای مرتبط با مقادیر عناصر می باشد. اطلاعات موجود در فایل netlist را می توان مستقیما به صورت دستی وارد کرد، با این حال، نسخه OrCAD نرم افزار PSpice دارای یک برنامه مبدل (Capture) شماتیک است که به کاربر امکان می دهد تا مدار را به صورت گرافیکی تعریف کرده و سپس این برنامه شگل گرافیکی را به فایل netlist تبدیل می کند تا توسط PSpice قابل تحلیل باشد. در این بخش ابتدا نحوه ایجاد فایل netlist توسط برنامه مبدل OrCAD مورد بررسی قرار میگیرد و سپس فرآیند  ایجاد فایل netlist به صورت دستی و مستقیم شرح داده خواهد شد.

• فصل سوم: DC مدارات   -----------------------  35
  

در این فصل مهارت های تحلیلی خود را گسترش داده و مدارات پیچیده تری را که فراتر از مدارات ساده مقاومتی می باشند، مورد بررسی قرار خواهیم داد. اکنون در تحلیل های خود مداراتی را در نظر خواهیم گرفت که علاوه بر علاوه بر منابع ولتاژ مستقل، شامل منابع جریان مستقل و همچنین منابع وابسته نیز می باشند. نوع تحلیل مورد بررسی، تحلیل نقطه بایاس می باشد که نقطه کار DC مدار را ارائه می کند.

در بسیاری از مواقع، در هنگام طراحی یک مدار لازم است که عملکرد مدار در محدوده ای از ولتاژها و جریان های DC تحلیل شود.در برخی حالات توصیف یک یا چند ولتاژ یا جریان خروجی بر حسب تابعی از ورودی مورد نیاز می باشد. برای انجام چنین تحلیل هایی، PSpice دارای قابلیت جاروب یا sweep منابع ورودی و تحلیل و ردگیری مقادیر خروجی متناظر می باشد. نتایج را می توان چاپ نمود تا طراح بتواند دیدگاه کاملی از محدوده رفتار DC مدار بدست آورد.

• فصل چهارم: تحلیل حوزه زمان    -----------------------  47
  

تمامی مدارات الکتریکی دارای نوعی رفتار متغیر با زمان می باشند که باید در چرخه طراحی مورد توجه قرار گیرد. حتی وسایل ساده الکتریکی نظیر یک چراغ قوه که اساسا از یک باتری، یک کلید و یک مقاومت (لامپ) تشکیل شده اند، دارای رفتار متغیر با زمان می باشند. هنگامی که کلید از وضعیت off به on یا بالعکس برده می شود، پاسخ مدار متغیر با زمان است و باید به گونه ای تحلیل شود که نه تنها کارایی مدار بلکه قابلیت اطمینان و طول عمر مدار نیز مورد بررسی قرار گیرد.

اصطلاح تحلیل حوزه زمان نشان دهنده بررسی متغیرهای خروجی به عنوان تابعی از زمان می باشد.در محاسبات Spice، تحلیل حوزه زمانی به عنوان تحلیل گذرا نامیده می شود. هنگام اجرای تحلیل گذرا منحنی های متغیرهای خروجی برحسب زمان رسم خواهد شد. این نتایج شبیه منحنی هایی هستند که در عمل بر روی صفحه یک اسیلوسکوپ مشاهده می شوند.

در این فصل، منابع متغیر با زمان مورد بررسی قرار خواهند گرفت و تمامی خازن ها و القاگرها در تحلیل در نظر گرفته می شوند.

• فصل پنجم: تحلیل حوزه فرکانس    -----------------------  63
  

مدارات با اعمال سیگنال ورودی با فرکانس های مختلف رفتار متفاوتی از خود نشان می هند. مشخصه های این پاسخ ها در بسیاری از کاربردهای مختلف دارای اهمیت می باشند. به عنوان مثال، می توان به مدارات تنطیم شونده یا tuning در سیستم های مخابراتی اشاره نمود. بررسی و مشخص کردن این رفتار متفاوت مدارات به منظور حصول اطمینان از عملکرد مطلوب مدار در فرکانس مورد نظر دارای اهمیت می باشد. PSpice قادر به انجام تحلیل در بازه ای از فرکانس ها و محاسبه مقادیر ولتاژ و جریان به عنوان تابعی از فرکانس می باشد. چنین تحلیل، تحلیل حوزه فرکانس نامیده می شود. الیته این تحلیل گاهی تحلیل AC یا تحلیل جاروب AC نامیده می شود.

مبه هنگام تحلیل حوزه فرکانسی در PSpice فرض بر این است که تمامی حالت های گذرا در مدار به پایداری رسیده و هیچ پدیده متغیر با زمانی رخ نخواهد داد.فرض دیگر این است که تمامی منابع مدار در طول مدت تحلیل شکل موج سینوسی با دامنه ثابت ایجاد می کند.

• فصل ششم: اندوکتانس متقابل و ترانسفورمرها    -----------------------  69
  

در کاربرد های عملی معمولا سیگنال های بخشی از مدار به واسطه مکانیزم های مختلفی دیگر قسمت های مدار را تحت تاثیر قرار می دهند. با اتصال یک سیم از یک نقطه مدار به نقطه ای دیگر این دو قسمت مدار دارای کوپلاژ مستقیم می گردند. روش دیگر اتصال یک قسمت از مدار به قسمتی دیگر کوپلاژ مغناطیسی می باشد. کوپلاژ مغناطیسی ممکن است به صورت عمدی یا غیرعمدی صورت گیرد. گاهی ممکن است میدانهای مغناطیسی سیم ها یا القاگرهای مدار به دلیل اندوکتانس متقابل با سیم ها یا القاگرهای قسمت دیگری از مدار کوپلاژ شوند.به منظور بررسی اثرات ناخواسته ابن اندوکتانس متقابل باید عملکرد مدار بر روی ولتاژها و جریان های القا شده توسط این سیگنال های کوپلاژ شده را مورد تحلیل و بررسی قرار داد. ترانسفورمرها از جمله عناصری هستند که اساسا به منظور کوپلاژ مغناطیسی سیگنال های قسمت های مختلف مدار با یکدیگر طراحی شده اند.از دلایل نیاز به چنین کوپلاژهایی می توان به ضرورت ایزوله سازی زمین یک قسمت از مدار از قسمت های دیگر یا افزایش کاهش ولتاژ در خطوط انتقال نیرو اشاره کرد.در این فصل چگونگی تحلیل رفتار مدارات شامل اندوکتانس متقابل و ترانسفورمرها را توسط SPspice مورد بررسی قرار خواهیم داد. این تحلیل اساسا بر مبنای پاسخ حالت ماندگار( پاسخ AC ) انجام می گیرد.

• فصل هفتم: مدارات دیودی    -----------------------  81
  

در PSpice مدارات الکترونیکی که شامل دیود باشند با استفاده از دو مولفه اصلی شبیه سازی می شود. از نقطه نظر نرم افزارOrCAD capture این مولفه ها بر دو نوع می باشند. 1) عنصر دیود 2) مشخصات عنصر که پارامترهای مورد نیاز برای تشکیل معادله جبری توصیف کننده رفتار دیود را تعیین می کند. این روش توصیف رفتار عناصر مداری شبیه همان روشی است که در مورد عناصر غیرفعال نظیر مقارمت ها، خازن ها یا القاگرها بکار می رود. البته به هنگام تحلیل اغلب مسائل شبیه سازی تنها پارامتری که در مورد عناصرساده غیرفعال مشخص می شود، مقدار آن عنصر می باشد.

مورد عناصر فعال نظیر دیود ها، BJTها، MOSFETih و ... چندین پارامتر دیگر نیز برای تعریف رفتار نسبتا پیچیده این عناصر مورد نیاز می باشد. در این فصل چگونگی تعریف عنصر دیود و پارامترهای اصلی برای شبیه سازی رفتار اصلی دیود ایده آل و همچنین دیود واقعی را مورد بررسی قرار خواهیم دادپ

• فصل هشتم: مدارات ترانزیستور دو قطبی پیوندی    -----------------------  111
  

در PSpice مداراتی که شامل ترانزیستورهای دو قطبی پیوندی (BJT) هستند، با استفاده از دومولفه اصلی شبیه سازی می شوند. از دیدگاه  نرم افزار OrCAD Capture این دو مولفه عبارتند از: 1) عنصر مداری BJT  2) مشخصه های عنصر که پارامدهای مربوط به معادلات چیزی توصیف کننده رفتار BJT را تعریف می کنند.این روش توصیف رفتار یک عنصر مداری شبیه همان روشی است که در مورد عنصر دیود در فصل قبل بکار گرفته شد.اولین مولفه شبیه سازی یعنی خود عنصر BJT، عبارت توصیف عنصر مداری نامیده می شود و در آن نحوه ارتباط این عنصر مداری به سایر عناصر مدار مشخص می شود. دومین مولفه شبیه سازی عبارت مشخص کننده مدل عنصر مداری است که گاهی به آن عبارت MODEL، نیز گفته می شود و در آن مقادیر مربوط به پارامترهای خاص مدل تعریف می شوند. این پارامترها رفتار کلی یک گروه از عناصر BJT را مشخص می سازند.

مدل مداری BJT از شبکه ای از عناصر به هم پیوسته تشکیل شده است که پارامترهای این عناصر قابل تغییر بوده و همگی با هم رفتار معادل ترانزیستور را پیاده سازی می کنند.

• فصل نهم: (MOSFET) مدارات ترانزیستوری اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلز   -----------------------  135
  

امروزه MOSFET یکی از متداول ترین نوع ترانزیستورهای بکار رفته در مدارات الکترونیکی هستند. اغلب کامپیوترها و دستگاه های مخابراتی از MOSFETها برای پیاده سازی مدارات منطقی و مدارات تقویت کننده فرکانس پایین استفاده می کنند. PSpice دارای قابلیت مدل سازی ترانزیستورهای MOSFET نوع p-channel (نوع p) و نوع n-channel (نوعn) با تکنولوژی ساخت نوع افزایشی یا enhancement mode و نوع تخلیه ای یا deplation mode می باشد. در SPpice چندین مدل با سطوح پیچیدگی مختلف برای MOSFETها وجود دارد. در این کتاب سه مدل نسبتا ساده را مورد بحث قرار خواهیم داد.

تحلیل DC برای تعیین رفتار استاتیک مدارات دارای MOSFET مورد استفاده قرار می گیرد. اطلاعاتی که از چنین تحلیلی بدست می آیند عبارتند از: نقطه بایاس مدار، مقدار توان مصرفی استاتیک، حاشیه نویز مدارات دیجیتال و همچنین اطلاعاتی که رفتار مدار را با منابع ثابت و صرف نظر از مقادیر خازنی و سلفی توصیف می کنند.

• فصل دهم:نتیجه گیری   -----------------------  175
  

Spice یک برنامه بسیار قدرتمند است ولی باید با دقت کافی مورد استفاده قرار گیرد. اگر نتایج بدست آمده بسیار غیرمنطقی و دور از واقعیت باشند، احتمالا خطایی در ایجاد ساختار مدار یا تعریف پارامترها رخ داده است. در بخش های متعدد این فصل خطاهای متداول و نحوه اجتناب از آن ها کورد بررسی قرار می گیرد.

خلاصه: استفاده از ابزارهای قدرتمند CAD جزئی اصلی از فرآیندهای مهم مهندسی است. با وجود اینکه چندین بسته مختلف نرم افزاری برای شبیه سازی رفتار مدارات الکتریکی ارائه شده اند ولی نرم افزار Spice به عنوان یک نرم افزار استاندارد برای طراحی مدارات مجتمع مقبولیت یافته است. نرم افزار OrCAD PSpice یکی از رایج ترین نسخه های SPICE است. هدف از این کتاب معرفی نرم افزار PSpice به آن دسته از کاربرانی است که مطالعه مدارات حطی را آغاز نموده و به ابزاری قدرتمند برای حل مسائل خود نیاز دارند. با مطالعه این کتاب کاربر قادر خواهد بود با ساختار اصلی تحلیل به کمک PSpice آشنا شده و روش های مختلف استفاده از این ابزار را در تحلیل و سنتز مدارات فرا گیرد.