W kilku kolejnych artykułach przedstawimy podstawy posługiwania się symulatorem LTspice na przykładzie kilku symulacji. W tej części wyjaśniono zasady tworzenia i edycji schematów symulowanych obwodów elektrycznych i wybrane komendy edytora. W końcowej części przeprowadzono symulację stałoprądowego punktu pracy typowego wzmacniacza tranzystorowego pracującego w konfiguracji ze wspólnym emiterem (OE). Poprzednia część znajduje się tu.

Pracę z symulatorem LTspice rozpoczynamy od narysowania schematu ideowego symulowanego obwodu elektrycznego. Program ma wbudowany bardzo prosty i intuicyjny edytor. Polecenia są wybierane za pośrednictwem skrótów klawiaturowych lub kliknięciem na ikonki komend zgromadzone na pasku narzędziowym. Edytor dba o automatyczną numerację poszczególnych rodzajów elementów zapewniając ciągłość oznakowania nawet w przypadku usunięcia i ponownego użycia danego podzespołu. Na pasku narzędziowym są umieszczone podstawowe elementy obwodu elektrycznego, a więc rezystor (skrót „R”), kondensator („C”), cewka („L”), punkt referencyjny (masa – „G”), dioda („D”), etykieta wyróżniająca dany punkt na schemacie (przycisk F4), a także ikona otwierająca menu szerokiego wyboru pozostałych elementów elektrycznych i elektronicznych. W tej grupie znajdują się m.in.: tranzystory NPN i PNP, źródła napięciowe i prądowe w tym sterowane napięciowo lub prądowo, przełączniki sterowane napięciowo i prądowo, generatory impulsów wg specyfikacji ISO, linie opóźniające, tranzystory polowe, diody Zenera, waraktory itd. W odrębnych katalogach zgromadzono komparatory, modele elementów logicznych nie będące jednak odpowiednikami podzespołów handlowych, układy scalone wykorzystywane w przetwornicach i zasilaczach impulsowych, w tym specjalną grupę stanowią układy filtrujące. W odrębnym katalogu znajdujemy kilka elementów o różnych zastosowaniach, wśród których jest m.in. bardzo dobrze znany elektronikom timer „555”, a nawet lampy elektronowe. Największe zainteresowanie będzie zapewne wzbudzał bardzo bogaty zestaw wzmacniaczy operacyjnych składający się z elementów Linear Technology, a obecnie również stale powiększanej grupy podzespołów Analog Devices. Do symulacji udostępniono również elementy optoelektroniczne, źródła referencyjne oraz elementy specjalne, do których należą m.in. układy nadzorujące kolejność załączania napięć zasilających, kontrolery klawiatur, przetworniki DAC, model VCO, modulatora, układu Sample and Hold i wiele, wiele innych.

Tworzenie schematu

Każdy użytkownik programu LTspice w trakcie nabierania doświadczenia z jego obsługą wypracowuje własne techniki edycji schematu ideowego. Przykładowo, w pierwszym kroku można pobrać z zasobników i orientacyjnie rozmieścić na powierzchni roboczej elementy tworzące schemat (rys. 8). Oczywiście w każdej chwili mogą być one przemieszczane lub usuwane, a w razie konieczności możliwe będzie także dokładanie kolejnych elementów. Po kliknięciu prawym przyciskiem myszki na dowolny element zostaje przy nim wyświetlone okno podstawowych parametrów. Niektóre elementy, np. diody, tranzystory, mają dodatkowy przycisk otwierający okno wprowadzania parametrów zaawansowanych.

Rys. 8. Przykładowy wstępny etap tworzenia schematu – rozmieszczenie elementów na pulpicie

W drugim etapie należy połączyć elementy tak, aby został utworzony kompletny schemat ideowy symulowanego układu (rys. 9). Często zdarza się, że na obszarze roboczym wypełniającym w danej chwili cały ekran zaczyna brakować miejsca na kolejne elementy. W takim przypadku można albo przesunąć cały wirtualny stół klikając w dowolnym miejscu lewym przyciskiem myszki i przeciągając schemat do nowego położenia, albo cały rysunek przybliżyć lub oddalić za pomocą kółka myszki. Bardzo przydatna jest też przekreślona lupa powodująca optymalne wyświetlenie całego schematu na ekranie.

Rys. 9. Schemat ideowy po wykonaniu połączeń między elementami

Po stwierdzeniu złego umiejscowienia danego elementu lub grupy elementów można je przesunąć w inne miejsce zrywając połączenia (przyciskiem F7), lub przeciągnąć z zachowaniem połączeń (przyciskiem F8). Połączenia są tworzone np. po naciśnięciu przycisku F3. Linie są zaginane pod kątem prostym. Naciśnięcie lewego przycisku myszki kończy tworzenie połączenia. Jeśli wypadnie ono na wcześniej istniejącej linii, program uznaje, że obie linie mają mieć ze sobą kontakt elektryczny i dodaje na schemacie symbol kropki w punkcie przecięcia. Zakończenie linii w wolnej przestrzeni nie tworzy połączeń elektrycznych z żadną z ewentualnie przecinanych linii.

Na schemacie mogą być nanoszone elementy graficzne (linie, koła, prostokąty) nie symbolizujące podzespołów elektrycznych, używane w celach poprawienia czytelności schematu. Warto również nanosić opisy tekstowe, etykiety znakujące poszczególne połączenia i wyprowadzenia układowe. Użytkownik może ponadto definiować kolorystykę schematu według własnych upodobań.

Program nie sprawdza poprawności elektrycznej schematu. Na przykład zwarcie wyjścia symulowanego układu zostanie potraktowane jako działanie celowe.

Warunkiem koniecznym do uruchomienia symulacji jest umieszczenie na schemacie co najmniej jednego punktu odniesienia (masy elektrycznej). Próba uruchomienia symulacji bez masy kończy się wyświetleniem stosownego ostrzeżenia i wstrzymaniem obliczeń.

Pierwsza symulacja

Poznawanie możliwości programu LTspice rozpoczynamy od symulacji typowego wzmacniacza tranzystorowego w układzie ze wspólnym emiterem. Pomijamy etap projektowania tego układu, przyjmując przyjęte założenia. Pamiętamy, że stałoprądowy punkt pracy jest obierany z uwzględnianiem zakładanej dynamiki i szumów wzmacniacza. W dalszej kolejności są dobierane elementy wpływające na parametry zmiennoprądowe.

W rozpatrywanym przypadku założono, że amplituda sygnału wyjściowego (peek-to-peek) powinna być nie mniejsza niż 1,5 V przy rezystancji obciążenia równej 43 kW i wzmocnieniu napięciowym ok. 60 V/V (36 dB). Pasmo 3-decybelowe powinno zawierać się w przedziale od 20 Hz do ok. 20 kHz z dopuszczalnym marginesem wynikającym z tolerancji elementów. Kompletny schemat ideowy wzmacniacza przedstawiono na rys. 9. Teraz pozostaje tylko sprawdzić czy założone parametry zostały zrealizowane w projekcie. Doświadczeni elektronicy wiedzą, że dokładne spełnienie założeń prawie nigdy nie jest możliwe choćby ze względu na gradację wartości poszczególnych elementów wykorzystywanych do realizacji praktycznej układu.

Ostatecznie wyniki obliczeń poszczególnych elementów zaokrąglono do wartości występujących w wybranym do realizacji szeregu i przyjęto je do symulacji, a także praktycznej realizacji wzmacniacza. Zachęcamy Czytelników nie tylko do przeprowadzenia symulacji w programie LTspice, ale też do prób praktycznych.

W tej części artykułu opisano symulację stałoprądowego punktu pracy wzmacnia. Program nadaje poszczególnym węzłom obwodu własne oznaczenia np. V(n001), które nie są jednak zbyt czytelne, i dlatego charakterystycznym punktom ręcznie nadano etykiety: „C” – kolektor, „B” – baza i „E” – emiter, a także „we” i „wy”. Teraz węzły te będą miały w symulatorze oznaczenia odpowiednio: V(c), V(b), V(e), V(we), V(wy).

W celu uzyskania jak największego sygnału wyjściowego punkt pracy tranzystora jest dobierany zwykle tak, aby napięcie kolektora było równe mniej więcej połowie napięcia zasilającego. W naszym układzie przyjęto napięcie zasilające 5 V, a napięcie kolektora ustalono na ok. 3 V. Z kolejnych założeń i obliczeń wynikają wartości elementów i napięcia: Ue=1 V i Ub=1,65 V.

Sprawdźmy czy symulacja stałoprądowa potwierdzi poprawność wykonania projektu. Uruchamiamy więc symulator. Jedną z metod jest kliknięcie prawym przyciskiem myszki w dowolnym punkcie schematu. Na ekranie zostanie wyświetlona  lista dostępnych poleceń (A na rys. 10), z której podświetlamy „Edit Simulation Cmd” i klikamy tym razem lewym przyciskiem. W tym momencie pojawia się okno poleceń (B na rys. 10)), w którym należy podświetlić zakładkę „DC op pnt” i nacisnąć przycisk OK. Na schemacie zostanie umieszczone polecenie „.op”. Symulacja jest uruchamiana po naciśnięciu ikonki „Run” (sylwetka biegnącego człowieka). Wynik pojawia się niemal natychmiast w postaci tabelki zawierającej obliczone napięcia we wszystkich węzłach obwodu oraz prądy we wszystkich gałęziach (rys. 11). Mimo zamknięcia tego okna pojedyncze wyniki są nadal dostępne w lewym dolnym rogu ekranu po naprowadzeniu kursora na wskazany punkt schematu. Kliknięcie na wybraną gałąź obwodu powoduje trwałe wyświetlenie napięcia. Jest ono odświeżane po ponownym uruchomieniu symulacji (rys. 12).

Rys. 10. Wybór rodzaju symulacji po naciśnięciu prawego przycisku myszki

Rys. 11. Tabela z wynikami stałoprądowego punktu pracy

Rys. 12. Trwały odczyt napięcia w zaznaczonych punktach schematu oraz chwilowy odczyt w punkcie wskazanym kursorem

Weryfikacja praktyczna

Można odetchnąć. Wyniki symulacji są z inżynierską dokładnością zgodne z przyjętymi założeniami. Teraz przyszedł czas na zbudowanie układu i sprawdzenie zgodności symulacji z pomiarami. Zmontowany na breadboardzie wzmacniacz zmierzono przyrządem Analog Discovery 2 (pomiary w kanale 2). I tym razem wyniki wyglądają ładnie. Są oczywiście pewne różnice, ale tak jak było powiedziane wcześniej jest to sytuacja całkowicie normalna. Różnice są akceptowalne. Porównanie symulacji i pomiarów układu fizycznego przedstawiono na rys. 13.

Rys. 13. Porównanie wyników symulacji z pomiarami układu rzeczywistego

W kolejnej części zajmiemy się badaniem parametrów zmiennoprądowych. Na razie musimy pozostać w stanie niepewności, czy i tym razem uzyskamy zadowalającą zgodność wyników symulacji i pomiarów.