LTspice XVII z elementami Analog Devices, cz. 4 – charakterystyki przejściowe i symulacja czasowa

W ostatnim odcinku prezentacji programu LTspice zajmiemy się „zdejmowaniem” charakterystyk przejściowych i symulacją czasową układów elektronicznych. Zagadnienia związane z techniką analogową rozpatrywano w oparciu o elementy produkowane przez Analog Devices.

W poprzednich odcinkach cyklu opisującego symulator LTspice nauczyliśmy się rysować schematy ideowe badanych układów, poznaliśmy też najważniejsze rodzaje symulacji. Były to:

  • „DC op pnt” – stałoprądowy punkt pracy,
  • „AC Analysis” – analiza AC czyli badanie charakterystyki częstotliwościowej układu.

Przypomnijmy, że poprzednie trzy odcinki to:

W tej części opisano kolejne najczęściej wykonywane symulacje. Szczupłość miejsca nie pozwoliła natomiast na zajęcie się stałoprądową funkcją przenoszenia („DC Transfer”) oraz badaniem parametrów szumowych („Noise”).

 

Charakterystyka przejściowa

Charakterystyka przejściowa układu elektronicznego przedstawia zależność między wybraną wielkością wyjściową (napięcie, prąd) a wejściową. W przykładzie rozpatrujemy charakterystykę napięciowo-napięciową bramki Schmitta – 74132, wykonanej w technologii TTL. Chociaż układy tego typu niemal zupełnie odeszły już do lamusa, w tym przypadku sięgamy po nie, gdyż doskonale nadają się do – nazwijmy szumnie – celów badawczych.

W pierwszym kroku w edytorze schematów programu LTspice należy odtworzyć schemat wewnętrzny układu 74132. Oczywiście program nie dysponuje modelami elementów półprzewodnikowych zastosowanych w układzie scalonym, bierzemy więc modele ogólne. Przykładowo, po umieszczeniu tranzystora na schemacie nie wybieramy dla niego konkretnego typu z bazy elementów dyskretnych, lecz pozostawiamy typ NPN. Podobnie postępujemy z diodami. Konkretne wartości nadajemy natomiast rezystorom. Gotowy do symulacji schemat bramki Schmitta przedstawiono na rys. 22.

Rys. 22. Schemat ideowy symulowanej bramki Schmitta 74132

Wyznaczenie charakterystyki przejściowej w programie LTspice, podobnie jak inne symulacje, uruchamiamy komendą „Simulate”. W tym przypadku wybieramy opcję „DC sweep”. Pamiętamy również, że można skorzystać z prawego przycisku myszy i w wyświetlonym menu wybierać opcję „Edit Simulation Cmd.”. Na ekranie zostaje wyświetlone okno, w którym ustalane są warunki symulacji (rys. 23).

Rys. 23. Okno ustalania parametrów symulacji „DC sweep”

Pierwszy parametr – „Name of 1st source to sweep” określa źródło sygnału wejściowego. Źródło takie musi więc znaleźć się na schemacie i musi mieć określony co najmniej jeden parametr: „DC value”. W kolejnych polach są wprowadzane parametry: napięcie początkowe, napięcie końcowe i krok zmiany. W czasie symulacji napięcie jest zmieniane w określonym kierunku, co w naszym przykładzie może mieć istotne znaczenie. Jak wiadomo w charakterystyce przejściowej bramki Schmitta występuje histereza. Sprawdźmy to. Wprowadzamy parametry: źródło – V1, napięcie początkowe – 0 V, napięcie końcowe – 5 V, krok – 0,1 V. Po uruchomieniu symulacji („Run”) na ekranie pojawia się wykres jak na rys. 24.

Rys. 24. Symulacja „DC sweep” modelu bramki 74132 dla zmian napięcia wejściowego od 0 do 5 V

Zauważmy, że wyjście bramki zmienia stan z wysokiego na niski dla napięcia wejściowego ok. 1,7 V (wartość odczytana dla Uwy=2,5 V). Teraz sprawdźmy, jak będzie wyglądała ta charakterystyka dla zmian napięcia wejściowego w odwrotnym kierunku. Ustawiamy parametry: źródło – V1, napięcie początkowe – 5 V, napięcie końcowe – 0 V, krok – 0,1 V. Znak kroku nie ma znaczenia, gdyż program ustala go automatycznie. Wynik tej symulacji przedstawiono na rys. 25.

Rys. 25. Symulacja „DC sweep” modelu bramki 74132 dla zmian napięcia wejściowego od 5 do 0 V

Zauważamy, że napięcie wejściowe zmienia się w kierunku odwrotnym niż na wykresie z rys. 24 (czyli teraz od prawej strony do lewej), nie może to jednak dziwić. Mimo tej niedogodności łatwo można zauważyć, że tym razem zmiana stanu wyjścia następuje dla napięcia wejściowego równego ok. 0,8. Na rys. 26 przedstawiono charakterystykę stanowiącą nałożenie w programie graficznym wykresów z rys. 24 i odbitego horyzontalnie wykresu z rys. 25.

Rys. 26. Kompletna symulacja „DC sweep” modelu bramki 74132 wykonana w programie graficznym

Pozostaje teraz porównać wyniki symulacji z pomiarami rzeczywistego układu. Test przeprowadzono z użyciem urządzenia Analog Discovery 2 zawierającego szereg przydatnych przyrządów pomiarowych. Bramkę 74132 zasilono napięciem 5 V z dostępnego w AD2 zasilacza. Do wejścia doprowadzono napięcie piłokształtne z generatora AD2, a przebieg wyjściowy obserwowano na oscyloskopie AD2 pracującym w trybie XY. Oscylogram przedstawiono na rys. 27. Stany przejściowe charakteryzują się bardzo dużą stromością, dlatego na oscylogramie są widoczne w postaci zaledwie kilku punktów. Napięcia wejściowe odpowiadające przerzutom można jednak dość łatwo odczytać z tego wykresu. Jak widać, są one z względnie dobrą dokładnością zgodne z wynikami symulacji. Pamiętamy, że uniwersalne modele półprzewodników zastosowane do obliczeń mogą znacznie różnić się od rzeczywistych.

Rys. 27. Charakterystyka przejściowa bramki 74132 zmierzona oscyloskopem pracującym w trybie XY

O autorze

Jarosław Doliński
Jarosław Doliński jest absolwentem Wydziału Elektroniki na Politechnice Warszawskiej. Pracował w Przemysłowymi Instytucie Telekomunikacji oraz Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, gdzie zajmował się konstruowaniem urządzeń transmisji danych. Współpracował z Zakładem Urządzeń Teatralnych m.in. w zakresie konstrukcji interkomów teatralnych i urządzeń dla inspicjentów. Brał także udział w pracach projektowych rejestratorów urządzeń wiertniczych i elektroniki montowanej na żurawiach mobilnych. Obecnie prowadzi firmę zajmująca się konstruowaniem i produkcją urządzeń elektronicznych dla rehabilitacji i wspomagania treningu sportowego. Jest autorem czterech książek poświęconych elektronice i mikrokontrolerom, współpracuje ponadto z miesięcznikami „Elektronika Praktyczna”, „Elektronik” oraz „Świat Radio”.