Исследование характеристик аудио усилителя

Cимуляция в программе Proteus VSM основанная на графиках
(Исследование характеристик аудио усилителя на основе ОУ 741. Часть 2)

Выполнение измерений

График, созданный на схеме, минимизирован. Чтобы провести измерения, мы вначале должны максимизировать его. Для этого вначале убедитесь, что график не выделен, а затем щёлкните левой клавишей мышки по его заголовку — график перерисуется в своём собственном окне. В верхней части окна появится меню. Под ним в левой части экрана есть область, в которой отображаются заголовки кривых, а справа от этого сами кривые. В нижней части окна, слева, есть инструментальная панель, правее которой панель состояния, отображающая информацию о курсоре (времени/состоянии). Поскольку это новый график, и мы не проводили никаких измерений, на графике не видно курсоров, а панель состояния просто отображает заглавное сообщение.

Кривые повторяют цвета своих заголовков. Кривые OUT и U1(POS IP) собраны в верху, тогда как IN внизу. Чтобы разглядеть детали кривых, нам нужно отделить кривую IN от остальных двух. Это можно сделать, перетащив левой клавишей мышки заголовок кривой на правую часть экрана (как на рисунке выше). В этом случае появляется правая ось y, которая масштабирована независимо от левой. Кривая IN теперь выглядит гораздо больше, но это потому, что ISIS выбирает наилучший масштаб для обзора на правой оси. Для того, чтобы сделать график яснее, возможно, лучше удалить кривую IN, а U1(POS IP) пока ещё полезна. Щёлкните правой клавишей мышки по заголовку IN, и выберите Delete Trace из выпадающего меню. График вернулся к единственной, расположенной слева оси y. Эти измерения выполняются с помощью Cursors. Каждый график имеет два курсора, названные как Reference и Primary курсоры. Ссылочный (reference) отображается красным, а первичный (primary) зелёным. Курсор всегда «привязан» к кривой; кривая, к которой привязан курсор, обозначается маленьким крестиком «x», который перемещается по кривой. Маленькие маркеры на обоих осях x и y следуют за этим перекрестием «x», чтобы дать возможность правильно прочитать значение на осях. Если при перемещении использовать клавиатуру, то курсор будет перемещаться по оси x маленькими шагами.

Давайте начнём с размещения Reference курсора. Для доступа к обоим, Reference и Primary, курсорам используются одинаковые клавиши. Какой из них, определяется клавишей CTRL на клавиатуре; Reference курсор, используемый меньше, всегда требует нажатия клавиши CTRL. Чтобы поместить курсор, всё что от вас требуется, это указать точку на кривой (не этикетку кривой — она используется для другой цели), где вы хотите «прицепить» курсор, и щёлкнуть левой клавишей мышки. Если нажата клавиша CTRL, вы поместите (или будете перемещать) Reference курсор; если же клавиша CTRL не нажата, тогда вы поместите (или переместите) Primary курсор. Пока нажата клавиша мышки (и клавиша CTRL для Reference курсора), вы можете перетаскивать курсор. Итак, нажмите (и удержите) клавишу CTRL, поместите указатель мышки справа на графике над двумя кривыми и нажмите левую клавишу мышки. Появится красный Reference курсор. Протащите курсор (всё ещё с нажатой клавишей CTRL) между 70u и 80u по оси x. Заголовок в строке состояния пропадает, и теперь строка состояния отображает время (под курсором, красным, слева) и напряжение (под курсором) с именем кривой (справа). Это кривая OUT, которую мы хотели видеть. Вы можете перемещать курсор по оси X, используя курсорные клавиши клавиатуры (влево и вправо), и вы можете «прицепить» курсор к предыдущей или следующей кривой, используя курсорные клавиши вверх и вниз. Клавиши ВЛЕВО и ВПРАВО перемещают курсор к левому или к правому ограничителю оси X, соответственно. С нажатой клавишей CTRL попробуйте перемещать клавишами влево-вправо Reference курсор маленькими шагами по оси времени.

Теперь поместите Primary курсор по кривой OUT между 20u и 30u. Процедура такая же, что и для Reference курсора выше, исключая то, что вам не нужно удерживать клавишу CTRL. Время и напряжение (зелёным) для первичного курсора добавляются теперь на панель состояния. Также отображается разность и по времени (DX), и по напряжению (DY) между положениями обоих курсоров. Разность напряжения составляет около 100 мВ. Входной импульс был 10 мВ, так что усиление по напряжению составляет около 10. Заметьте, что значение положительное, поскольку Primary курсор над Reference курсором — дельта выхода это значение Primary минус Reference. Мы можем также измерить время спада, используя значение разности во времени между позициями курсоров на падающем участке выходного импульса. Это можно сделать либо перетаскивая курсоры мышкой, либо курсорными клавишами (не забудьте про клавишу CTRL для Reference курсора). Primary курсор должен быть правее по кривой, на её спрямлении, а Reference курсор на сгибе начального участка спада импульса. Вы можете определить, что время спада чуть меньше 10 мкс.

Теперь мы должны закончить с измерениями, мы можем вернуться к схеме — достаточно закрыть окно графика обычным образом или для ускорения можно нажать клавишу ESC на клавиатуре. Мы используем теперь токовый пробник для проверки тока в петле обратной связи, измеряя ток через R4. Пробники тока используются аналогично пробникам напряжения, но с одним важным отличием. Токовый пробник нуждается в направлении, связанном с ним. Пробники тока работают фактически в разрыве провода, куда они вставляются, так что они должны «знать» пути, их окружающие. Это выполняется просто способом размещения. В ориентации по умолчанию (в направлении направо) пробник тока измеряет ток в горизонтальном проводе слева направо. Чтобы измерить ток в вертикальном проводе, пробник нужно повернуть на 90° или 270°. Размещать пробник под неверным углом — это ошибка, о чем будет сообщено при выполнении симуляции. Если есть сомнения, посмотрите на стрелку на символе. Она указывает на направление тока. Выберите пробник тока, щёлкнув по иконке Current Probe Mode. Щёлкните по иконке поворота по часовой стрелке, так чтобы стрелка показывала вниз. Затем поместите пробник на вертикальный провод между правым выводом R4 и выводом 6 U1. Добавьте пробник к правому краю графика, выделив и перетащив его на правую сторону минимизированного графика. Правая сторона — хороший выбор для пробника тока, поскольку обычно масштаб его амплитуды иной, чем у пробника напряжения, так что отдельная ось понадобится для детального отображения. В этот момент нет кривой, отображаемой пробником тока. Нажмите пробел для новой симуляции графика, и кривая появится. Даже из минимизированного графика мы можем видеть, что ток в петле обратной связи следует форме выхода, как вы могли бы ожидать от операционного усилителя. Ток изменяется между 10 мкА и 0 в верхней и нижней части кривой соответственно. Если вы хотите, график можно максимизировать для детальной проверки кривой.

Частотный анализ

Как и анализ переходных процессов, при симуляции аналоговых цепей возможны несколько других типов анализа. Во многом они используются таким же образом: для графиков, пробников и генераторов, — но все они по разному варьируют эту тему. Следующий тип анализа, который мы проведём, это частотный анализ. При частотном анализе по оси x откладывается частота (в логарифмическом масштабе), а амплитуда и фаза могут отображаться по оси y. Для выполнения частотного анализа требуется график FREQUENCY. Щёлкните по иконке Graph Mode, чтобы вновь отобразить список типов графиков в окне выбора, и щёлкните по типу FREQUENCY. Затем поместите график на схему, как и раньше, растащите окно графика левой клавишей мышки. Нет необходимости удалять уже существующий график переходного процесса, но вы может это сделать, в плане освободить как можно больше места (щёлкните по графику правой клавишей мышки и выберите из выпадающего меню Delete Object). Теперь добавим пробники. Мы добавим оба пробника напряжения OUT и U1(POS IP). На частотном графике две y-оси (левая и правая) имеют специальное назначение. Левая ось y используется для отображения амплитуды сигнала, а правая ось для отображения фазы. Чтобы видеть обе, следует добавить пробники на обе стороны графика. Выделите и перетащите пробник OUT на левую сторону графика, затем перетащите его на правую сторону. Обычно каждый график имеет свой цвет, но обе кривые имеют одинаковое имя. А теперь выделите и перетащите U1(POS IP) пробник, но только на левую сторону графика. Значения амплитуды и фазы должны быть заданы по отношению к некоторому значению. В ISIS это выполняется заданием Reference Generator. Он всегда имеет выход в 0dB (1 вольт) при 0°. Любой существующий генератор может быть задан, как reference generator. Все другие генераторы в схеме игнорируются при частотном анализе. Чтобы задать IN генератор как «относительный» в нашей схеме, просто, выделите и перетащите его на график, как вы это делали с пробниками. ISIS «поймёт», поскольку это генератор, что он должен быть относительным генератором, о чём и сообщит вам. Удостоверьтесь, что вы это сделали, или симулятор будет работать некорректно.

Нет необходимости править свойства графика, поскольку частотный диапазон, выбираемый по умолчанию, вполне подходит для наших целей. Однако, если вы сделаете это (указывая график и нажимая CTRL-E), вы увидите диалог Edit Frequency Graph, который слегка отличается от аналогичного для анализа переходного процесса. Нет нужды маркировать оси, и их свойства фиксированы, но есть флажок, который позволяет отображать амплитуду в децибелах или в обычных единицах. Эту опцию лучше оставить в dB, поскольку отображаемые абсолютные значения не будут реальными значениями, присутствующими в схеме.

Теперь нажмите пробел (когда курсор помещён поверх частотного графика), чтобы начать симуляцию. Когда она закончится, щёлкните левой клавишей мышки по заголовку графика, чтобы максимизировать график. Просматривая вначале кривую амплитуды OUT, мы можем заметить, что в полосе пропускания усиления составляет 20dB (как и ожидалось), а диапазон рабочих частот лежит в полосе от 50Hz до 20kHz. Курсоры в данном случае работают так же, как и в предыдущем случае — вы можете проверить предыдущие утверждения с помощью курсоров. Кривая фазы OUT показывает ожидаемые фазовые искажения на краях диапазона, правая ветвь подходит к -90° при единичном усилении. Эффект фильтра на высоких частотах обнаруживается, если сравнить кривую OUT с U1(POS IP). Заметьте, что ось x логарифмическая, и для чтения значений на оси лучше использовать курсоры.

Анализ развёртки переменной

В ISIS можно наблюдать, как сказывается на схеме изменение некоторых параметров цепи. Есть два типа анализа, позволяющие сделать это — DC Sweep и AC Sweep (развёртка на постоянном и переменном токе). График DC Sweep отображает ряд значений рабочих точек в зависимости от переменной развёртки, а график AC Sweep отображает последовательность значений единственной точки частотного анализа амплитуды и фазы, подобно графику Frequency.

Поскольку обе формы схожи, мы обратимся к одной — DC Sweep. Резисторы смещения, R1 и R2, создают маленький ток для U1. Используем DC Sweep, чтобы увидеть, как сказывается значение этих резисторов на рабочей точке. Для начала разместим график DC Sweep на свободном месте схемы. Затем выделим пробник U1(POS IP) и перетащим его на левую сторону графика. Нам нужно задать значение развёртки, а это делается с помощью редактирования графика (поместите курсор мышки на него и нажмите CTRL-E). Появится диалоговая форма Edit DC Sweep Graph, включающая поля для задания имени переменной качания, её начальное и конечное значения и количество шагов при развёртке. Мы хотели бы развернуть значения резисторов в диапазоне, скажем, от 100kОм до 5MОм, так что задаём для поля Start 100, а для поля Stop 5MОм. Щёлкаем по ОК, чтобы изменения вступили в силу. И, конечно, резисторы R1 и R2 следует подготовить к развёртке — изменить фиксированные значения, которые они имеют. Чтобы это сделать, редактируем R1 (щелчок правой клавишей мышки по резистору и выбор Edit Properties из выпадающего меню), меняя поле Value с 470kОм на X. Заметьте, что переменная развёртки на графике остаётся X. Щёлкаем по кнопке ОК, и повторяем все это для резистора R2. Теперь можно симулировать схему: курсор мышки на график, нажать пробел. Затем, максимизировав график, вы можете отметить, что уровень смещения уменьшается, тогда как сопротивление рабочей цепи увеличивается. При 5MОм все значительно меняется. Конечно, изменение этих резисторов также сказывается на частотном режиме. Мы должны провести AC Sweep анализ, чтобы посмотреть, что происходит в районе нижних частот.

Анализ шумов

Последняя форма анализа, о которой мы расскажем, это Noise анализ. В этом анализе симулятор показывает количество тепловых шумов, которые генерируются каждым элементом схемы. Все эти шумы затем суммируются (квадратично) в каждой испытуемой точке схемы. Результат выводится для полосы пропускания шумов. Есть несколько важных особенностей анализа шумов:

• Время симуляции прямо пропорционально количеству пробников напряжения (и
  генераторов) в схеме, поскольку учитывается каждый из них.
• Пробники тока не учитываются при анализе шумов, следовательно, игнорируются.
• Значительная часть информации содержится в лог-файле симуляции.
• PROSPICE вычисляет и входной, и выходной шум. Чтобы сделать модель, вход
  должен быть определён как reference — это выполняется перетаскиванием
  генератора на график, как и при частотном анализе. Изображение входного шума при
  этом показывает эквивалентный шум на входе для каждого выходного пробника.

Чтобы выполнить анализ шумов нашей схемы, мы должны вначале вернуть резисторам R1 и R2 их прежнее значение 470kОм. Сделайте это сейчас. Затем выберите тип графика Noise и поместите новый график на свободном месте чертежа. Нас реально интересует только выходной шум, так что перетащите OUT пробник напряжения на график. Как и раньше, предопределённые значения для симуляции нас вполне устраивают, но вам нужно задать reference для входного генератора IN. Диалоговая форма Edit Noise Graph имеет флажок для отображения результатов в dB. Если вы используете эту опцию, то убедитесь, что 0dB соответствует 1 вольту r.m.s. Щёлкните по Cancel, чтобы закрыть диалог. Симулируйте график, как прежде. Когда график будет масимизирован, вы можете увидеть, что значения, производимые этим видом анализа, очень малы (нВ в нашем случае), как вы можете убедиться из анализа этого типа. Но как вы можете просмотреть источники шума в вашей схеме. Ответ лежит в логе симуляции. Просмотрите запись журнала, нажав CTRL+V. Используйте иконку перемещения вниз (со стрелкой вниз), и вы должны увидеть линию, которая начинается словами: Total Noise Contributions. Это список всех вкладов в шумы (во всем рабочем диапазоне частот) для каждого элемента схемы, производящего шум. Большинство элементов, фактически, внутри операционного усилителя, и имеют префикс U1_. Если вы установите флажок Log Spectral Contributions в диалоге Edit Noise Graph, то вы получите больше данных в журнале, показывающих вклад каждого компонента на каждой из частот.

Файлы проекта можно скачать здесь (ASIMTUT1.DSN):

Файлы проекта можно скачать здесь (ASIMTUT2.DSN):