Practica 2Análisis de las simulaciones

Demos una rápida introducción para iniciar, sobre cada tipo de análisis a tratar:

1. El análisis DC sirve para determinar el punto de operación. Éste análisis permite crear el fundamento de otros análisis.

2. El análisis AC genera la respuesta de pequeña señal dando información para diferentes frecuencias, en el dominio de la frecuencia, sobre la magnitud y la fase de la señal.

3. Con el análisis en régimen transitorio se puede estudiar diferentes propiedades dependientes del tiempo.

4. Análisis de balance de armónicos (también conocido como de estado estacionario) se llega al espectro de la señal.

5. Al finalizar el diseño del amplificador se puede asignar un símbolo jerárquico a éste. El símbolo se representará en DefModel al definir la simulación. De esta forma es posible acceder al amplificador, como se accede a un elemento para uso en cualquier otro diseño.

PRÁCTICA 2: Análisis en Corriente Continua DC.Los análisis de Corriente Continua DC son en cierto sentido el punto de partida de todos los demás análisis. Se trata de un método muy básico de análisis. La característicadeterminante en el análisis DC es la ausencia de señales alternas. Por esta razón no es necesario definir una fuente de señal. Igualmente se puede omitir el capacitor C1 como componente de bloqueo de corriente continua.

• Aplicándolo al Editor de APLAC se puede desactivar el capacitor y el nodo de entrada. Esto significa que se puede seleccionar el elemento a desactivar marcándolo con una casilla a su alrededor y a continuación seleccionando Edit y Disable. (La acción equivalente para desactivar con el teclado es: Control +-) . También debemos asegurarnos que la fuente de señal alterna no este activa o si es posible quitarla. Debemos asegurarnos que la entrada se deshabilite para no tener señales externas en este análisis.

Procedimiento.

Con el circuito que hicimos en la primera practica es con el que trabajaremos en esta.

El circuito queda de la siguiente manera:

in

out

Vdc

DC=10R=1I=Icc

180k

RB1

1k

RL

MODEL=Bjt1

Q1

100nC1

20kRB2AC=1R=1

Vin

N1

vcc

B1

Fuente AC desactivada

Capacitor desactivado

Entrada desactivada

El único comando requerido para el análisis de corriente continua es: Analyze DC.Vamos a examinar esta línea de comando con más detalle: Analyze es un comandopara correr los análisis y la denominación DC define el tipo de análisis que se deseacorrer. Lo cuál es fácil de comprender. Agregaremos al circuito esquemático el Analyze Control Object.

• Seleccione Insert a continuación Control Object, seguidamente seleccione Analyze como el objeto de la lista desplegada en Object. En la casilla de atributos tipee DC. Observe la figura. Ahora se puede salir del editor de objetos Object Editor presionando OK.

• El próximo paso es asegurarse que se especifica el análisis en el orden adecuado. Después de haber salido del editor de objetos el usuario puede observar una lista de objetos Object List. En esta lista aparecerá el Control Object que acaba de crearse. Fíjese que este objeto de control no aparece en el orden adecuado para la simulación. Esto es debido a que la ubicación de los objetos de control en la lista queda determinada por el orden como fueron agregados al archivo de simulación. Necesitaremos bajar el objeto a una posición debajo del diagrama circuítal. Con facilidad se puede seleccionar la línea de comando Analyze de la lista y se presiona el botón Down.

• Se puede cerrar la lista de objetos, Object List presionando el botón Close.Model Bjt1 (E)Circuit Diagram [...] (E)Analyze [DC...] (E)Sweep ["ac analysis"...] (D)

Después de estos pasos en la lista de object list se debe mostrar de esta manera

Nótese que el sweep de AC debe estar Desactivado esto se ve en la letra D que esta entre paréntesis al final de la línea del sweep

Las salidas del análisis DC.

En el análisis DC se pueden mostrar los resultados de la simulación de APLAC por medio de tres métodos:

1er Método: Usando la Interfaz gráfica de usuario:• En Windows está disponible un método interactivo para examinar la información denodos y ramas sin utilizar el lenguaje APLAC. Pero este método no lo realizaremos porque esta versión para estudiantes de APLAC no se puede trabajar por este método.Método 2: Usando las funciones de salida del APLAC.En este método se obtiene salidas basadas en programación, es el método mas preciso para indicar las salidas de las simulaciones, significa que el usuario define la salida usando expresiones textuales, por ejemplo la declaración de la impresión, Print, que imprime la salida a un archivo externo. En la sintaxis Print de la impresión, la declaración es seguida por pares de formato-contenido. El formato es definido por un identificador. Por ejemplo, S (o de TEXTO) significa la string (= texto), Real significa número real, INT número entero etc. El contenido seguido del formato debe cumplir con el formato para evitar mensajes de error. La Función Vdc tiene un argumento, que corresponde al nombre del nodo. En el extremo de la línea de texto hay un identificador único LF, cuya función es producir el avance de línea de texto en la salida. Cumple la función de indicar cuando la línea de salida debe cambiar a la próxima. Sin el identificador LF, la impresión siguiente continuaría donde terminó la anterior. En general, esto sería una mala técnica.

-. Para agregar esta línea de texto seleccione Insert y a continuación Control Object, seguidamente seleccione Print de la lista desplegada, como próximo paso tipee el texto S "Vout ="... como atributo.-. Mueva la declaración de impresión Print al fondo del grupo de objetos de control en la lista de objetos con el botón Down. Finalmente, cierre la ventana de la lista de objetos.

Model Bjt1 (E)Circuit Diagram [...] (E)Analyze [DC...] (E)Sweep ["ac analysis"...] (D)Print [S "Vout= "...] (E)

Ahora la lista de object list debe quedar de la siguiente manera asegurándose que la línea del print sea la ultima.

Método 3: Usar reportes pre formateados de la impresión.El reporte de la impresión indica que se está utilizando uno de los diferentes reportesdisponibles adaptados al formato de la impresión de APLAC. El punto de operación de un solo componente se puede imprimir usando el comando de impresión Print DCOP xxx, donde xxx representa el nombre del componente. Otro reporte disponible después del análisis de DC es PUBLICS. Los modelos de componentescomplejos (tales como el modelo del semiconductor del BJT en el ejemplo que se trata) necesitan calcular un número de los valores de los componentes internos del circuito equivalente. Estos valores son normalmente declarados públicos y pueden ser accesados por el usuario, por ejemplo a través de los reporte Print PUBLICS. La información pública puede ser accesada también, seleccionando Tools y a continuación Component Info en la ventana principal del simulador APLAC. Cada modelo de componente por lo común dispone de varios valores a través de la definición PUBLICS. Ahora podemos usar la declaración Print para generar diferente información sobre el circuito. Por ejemplo, se puede usar el siguiente Objeto de Control de Impresión: S "Vout=" REAL Vdc(out) LF S "Iload=" REAL Idc(bl) LF S "Vcb=" REAL Vdc(out)-Vdc(1) LF

Las primeras tres expresiones imprimen la tensión DC del nodo out, la corriente DC en la rama bI y la diferencia de tensión DC entre los nodos out y 1. Y a continuación se imprime la información del punto de operación del componente RB2 y finalmente la información pública de todos los componentes solicitados.• Agregue el texto arriba descrito en el Print Control Object existente. Seleccione Edit y a continuación Edit Object list … luego haga doble click sobre el objeto Print en la lista. Cerciórese en no dejar espacios alrededor del signo menos en la tercera línea.• Seguidamente, seleccione OK en el editor de objetos, asegúrese de que la declaración Print aparezca después de la declaración Analyze. Presione Close en la lista de objetos.

Model Bjt1 (E)Circuit Diagram [...] (E)Analyze [DC...] (E)Print [S "Vout=" REAL ...] (E)Sweep ["ac analysis"...] (D)Print [S "Vout= "...] (E)

Ahora la lista de object list debe quedar de la siguiente manera asegurándose que el print que acabamos de activar este des pues del Analyze. El cuadro a continuación es la salida de la simulación.

APLAC 8.10 Sun Jul 06 2008 at 10:37:58 Copyright (c) APLAC Solutions Corporation, Finland, 1998-2005___________________________________Vout= 7.302 Iload= 2.695mVcb= 6.649 ___________________________________ Res RB2

Voltaje: V = 653.085m Current: I = 32.654u Resistance: R = 20.000k Power: Pdc = 21.326u Temperatures: Temp = 300.150 K Tnom = 300.150 K 27.000 C 27.000 C

PUBLIC APLAC DATA OF Q1___________________________________Identifier Description Value(s)___________________________________DCOP Ic 2.695m Ib 19.258u Ie -2.714m Vbe 653.085m Vbc -6.649 Vce 7.302 Ic,int 2.695m gm 104.140m ro 17.309k Cbe 29.011p Cbc 10.220p Cbx 0.000 Csub 0.000 rbe 1.343k rbc 100.000G rbb 0.000 betaDC 139.948 betaAC 139.870 fT 422.483M Vsub 0.000

Isub 0.000 Pdc 19.693m Qo 0.000 dQo 0.000 Qw 0.000 dQw 0.000 Qbe 15.952p Qbc -86.823p Qbx 0.000 Qsc 0.000 ______________________________________

Vout= ______________________________________ CPU-time = 141 ms, Total allocated memory = 255 Kbytes End of simulation on Sun Jul 06 2008 at 10:37:58______________________________________

Cuadro de la salida del análisis en DC con el comando print(método 3)

PRÁCTICA 3: Análisis en Corriente Alterna AC.

Un punto fundamental en el análisis AC es que el circuito se linealiza para el análisis. Como consecuencia directa, el análisis de DC se debe correr antes del análisis AC. Esto se hace automáticamente en APLAC: Primero el análisis de DC determina el punto de operación del circuito y luego el análisis AC linealiza el circuito en su punto de operación. En la linealización la función de transferencia no lineal es substituida por una función de transferencia lineal. Esto simplifica enormemente la tarea del cómputo. Si el circuito es lineal, entonces no es necesario un análisis en DC antes del análisis de AC.

El análisis de AC no es por lo tanto capaz de tratar las propiedades no lineales, tales como: distorsión, productos de intermodulación o espectrales. Después de la linealización, la ganancia y el desplazamiento de fase no son más sensibles a las variaciones de los niveles de la señal. Por lo cual, se logrará exactamente la misma amplificación si la amplitud de la señal de entrada es un microvoltio o un Teravoltio. Ésta, es naturalmente una consecuencia directa de la naturaleza lineal del circuito simplificado. Por supuesto, usted (como usuario) debe saber que el resultado es válido solamente para la condición de pequeña de señal.

a. El usuario no necesita (ni debe) agregar el signo + al inicio de las líneas para indicar la continuación de comandos (como lo exige el lenguaje APLAC). En vez de esto, elsigno + se agrega automáticamente cuando se crea el archivo de simulación: ellenguaje APLAC lo requiere.

b. En declaraciones compuestas como barrido Sweep, la declaración EndSweep seagrega automáticamente.La parte de la definición del barrido Sweep consiste en subcomandos que se ponen entre las declaraciones Sweep y EndSweep. Estos comandos, como Print y Show, generan la salida. Son comandos separados y no deben ser pegados a la declaración de barrido Sweep usando el signo +.

Especificaciones básicas del análisis AC.

• Agregue los componentes necesarios del circuito al diagrama.

Como siempre, el objeto de Control se puede definir, en general, de dos maneras ligeramente diferentes:

1. Podemos utilizar el objeto de control Control Object del tipo "barrido" Sweeppredefinido:

in

out

Vdc

DC=10R=1I=Icc

180k

RB1

1k

RL

MODEL=Bjt1

Q1

100nC1

20kRB2AC=1R=1

Vin

1

Model Bjt1 (E)Circuit Diagram [...] (E)Sweep ["ac analysis"...] (E)

Model Bjt1IS=25f BF=120 VAF=40CJC=20p CJE=20p

vcc

Bl

El circuito queda de la siguiente forma:

Object list

Descripción del Bjt

Esta es la ventana que debe aparecer en la declaración del Sweep predefinido.

1.0 100.0 10.0k 1.0M 100.0M-70.00

-42.50

-15.00

12.50

40.00

-180.00

-90.00

0.00

90.00

180.00

ac analysisAPLAC 8.10 Student version FOR NON-COMMERCIAL USE ONLY

f/Hz

PHASE

MagdB(Vac(out) Pha(Vac(out))MagdB(Vac(1)) Pha(Vac(1))

Gráficas de la simulación AC del barrido Sweep predefinido.

a. Ahora, agregue el barrido Sweep de cualquier manera (Seleccione Insert acontinuación Control Object, o bien, seleccione Insert y a continuación Control Object as Text) y luego.b. Ejecute el análisis (en el Editor de APLAC, elija Simulation luego Simulate).

Si consigue errores, examine el contenido del campo de atributos del objeto del control de barrido/texto Sweep/Text Control Object. Cerciórese de entender los principios para agregar el signo mas +.

2. Podemos utilizar el objeto de control de formato de texto Text Control Object (En el caso de la DC anterior, también se pudo haber hecho de esta manera).

Ajuste del análisis AC.

APLAC ofrece técnicas más avanzadas para realizar los cambios en el circuito. Por ejemplo, para determinar cómo la respuesta del sistema analizado depende del valor de la resistencia de la carga, debemos usar ahora variables. Cuando se declara una variable, ésta puede definir el valor de cualquier parámetro real estimado en el circuito. Cualquier valor del componente, por ejemplo: el nivel de la fuente, los valores parasitarios de los componentes y cualquier valor de parámetro de un modelo, se puede definir con una variable en vez de utilizar una magnitud constante.

la idea de la aplicación de la variable es un enorme elemento adicional para incrementar la funcionalidad de APLAC:1. Las variables se pueden barrer (con Sweep) en el análisis, para determinar porejemplo, la respuesta para diversos voltajes de operación, la ganancia para diferentesvalores de carga, el consumo de potencia para diferentes temperaturas, etc.

2. Las variables se pueden utilizar para ajustar finamente tuning y llevar al mejor puntode operación. Esto significa que los valores de las variables se cambian manualmentedurante la simulación. Así, el usuario puede conseguir una descripción rápida delDiseño.

3. El ajuste fino tuning y la puesta en el mejor punto de operación, puede ser hechoautomáticamente, y en este caso hablamos de optimización. Con la optimizaciónnecesitamos definir el objetivo o meta que se busca en el diseño o la respuesta deseada. El objetivo o meta de diseño se puede fijar para cualquier valor de respuesta real y pueden existir varios objetivos o metas de diseño definidos simultáneamente permitiendo definir también, los objetivos o metas del diseño para respuestas de valores complejos.

4. Las características estadísticas de los componentes se definen con variables. En cada simulación las variables consiguen sus valores de acuerdo a sus funciones de densidad de probabilidad. Como consecuencia, la respuesta muestra una desviación y es posible estimar la generación o la relación de resultados aceptables para todas las simulaciones. En el diseño de dispositivos electrónicos de aplicación real y comercial, esta información es fundamental.

Para lograrlo, hay que seguir tres pasos.

• Primero, genere la variable. Para hacerlo, agregue el objeto de control Control Objectdel tipo Var, denomínelo Rx, y asígnele el valor 1k.• Para utilizar la variable con un valor determinado del componente, substituya el valorfijo 1k del resistor RL por variable Rx.• Agregue otro lazo para correr el análisis tres veces para diferentes valores de Var Rx,de modo que los valores cambien linealmente desde 500 hasta 1500. Esto se lograagregando otra línea para un nuevo LOOP sobre el LOOP existente que tiene lafunción de correr las frecuencias: LOOP 3 VAR Rx LIN 500 1500.

• Al correr el análisis se observa que la respuesta de frecuencia se calcula tres veces.

1.0 100.0 10.0k 1.0M 100.0M-70.00

-40.00

-10.00

20.00

50.00

-180.00

-90.00

0.00

90.00

180.00

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f/Hz

PHASE

MagdB(Vac(out) Pha(Vac(out))MagdB(Vac(1)) Pha(Vac(1))

Tablas de valores.Asumamos que quisiéramos correr el análisis usando los valores 400Ω, 1kΩ y 2.5kΩ para Rx. Cuando se necesita una lista o una tabla, en APLAC, se define normalmente un vector. Nos podemos referir a todo el vector usando solamente su denominación. También podemos hacer referencia a los valores dentro del vector, llamando el índice del valor entre corchetes. Por ejemplo, si se crea un vector Rvalues (teniendo los valores antedichos 400, 1000 y 2500), podemos encontrar el primer valor usando el índice 0, por ejemplo Rvalues[0].Figura a: El Vector

Control Object se puede utilizar para crear una declaración tipo vector. Se utiliza para contener un arreglo de valores a los que se puede hacer referencia con un índice.

Figura b: Observe la sintaxis en el barrido Sweep: la variable RX se corre en el LOOP, pero sus valores se leen en una TABLA, aquí como, rvalues.

Ajuste de la visualización de los resultados.

A continuación agregaremos un texto descriptivo en la ventana gráfica. Nuevamente existen dos alternativas para definir el texto: es posible después del análisis, seleccionar en la ventana de gráficos: Edit y a continuación Add text, o también antes del análisis se puede adecuar el comando de impresión Print en la declaración del barrido Sweep.

• Para imprimir los resultados en la parte superior de las curvas de salida, se puede definir la coordenada Y de la impresión, que será igual al resultado. Esto se puede lograr, por ejemplo, usando la magnitud del voltaje AC, como sigue a continuación: Print + WINDOW=0, X=10k, Y= MagdB(Vac(out)), + S "Rx =" REAL Rx S "Icc =" REAL Idc(Icc)

• Para obtener la impresión de salida que se ejecuta un poco antes de la mitaddel análisis, podemos utilizar la definición siguiente dentro del barrido Sweep...EndSweep. If (SweepIndex[1]==45) Then Print + WINDOW=0, X=f, Y=MagdB(Vac(out)) + S "Rx =" REAL Rx + S " Icc =" REAL Idc(Icc) EndIf

1.0 100.0 10.0k 1.0M 100.0M

-70.00

-40.00

-10.00

20.00

50.00

-180.00

-90.00

0.00

90.00

180.00

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f/Hz

PHASE

MagdB(Vac(out) Pha(Vac(out))MagdB(Vac(1)) Pha(Vac(1))

Rx = 400.000 Icc =-2.838m

Rx = 1.000k Icc =-2.747m

Rx = 2.500k Icc =-2.543m