Инструменты анализа схем электрических принципиальных в программной среде NI Multisim 12.0.
Часть 2

Все статьи цикла.

Введение

Разработка любого цифрового устройства сопровождается физическим или математическим моделированием, а также анализом работы схемы прибора. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоемкое исследование. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства, например при разработке больших и сверхбольших интегральных микросхем. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием компьютерных программ.

Multisim позволяет наглядно моделировать и анализировать линейные и нелинейные электрические цепи. В Multisim входит множество средств анализа данных моделирования (рис. 1). При этом параметры компонентов цепи, режима работы, виды и характеристики воздействий можно изменять в широком диапазоне значений.

Рис. 1. Меню функций анализа программы Multisim

Для начала работы необходимо выбрать нужную функцию из основного меню программы Multisim посредством запуска команды «Моделирование/Вид анализа», настроить нужные параметры и выполнить анализ нажатием кнопки «Моделировать».

Общие аспекты настройки параметров анализа схем электрических принципиальных в программной среде Multisim

Для каждой отдельной схемы в Multisim можно настроить свои параметры анализа. Эти параметры сохраняются вместе с файлом схемы, поэтому даже в том случае, если файл откроют на другом компьютере, будут использованы те же установки. Для каждого анализа разработчик может настраивать определенные параметры, переменные для анализа, установки моделирования. Возможность настройки опций анализа появляется после его запуска, в результате чего откроется соответствующее окно, в зависимости от выбранного анализа содержащее некоторые или все из следующих вкладок:

• «Параметры» (в зависимости от вида анализа вкладка может принимать разные названия: «Параметры частоты», «Частотные параметры», «Параметры анализа», «Анализируемые параметры»);
• «Переменные»;
• «Установки моделирования»;
• «Итоги».

Рассмотрим опции и установки, доступные для настройки на этих вкладках.

Вкладка «Переменные» (рис. 2) содержит два окна, в одном из них отображаются все возможные выходные переменные для текущей схемы (окно «Выходные переменные»), а в другом — переменные, которые будут использоваться в анализе (окно «Переменные для анализа»). Добавление переменных в анализ производится при помощи перемещения их названия из первого окна во второе, путем выбора переменной при помощи левой кнопки мыши в окне «Выходные переменные» и последующего нажатия на кнопку «Добавить». При необходимости переменную можно вернуть в исходное окно, для этого используйте кнопку «Удалить». Для фильтрации списка выходных переменных и переменных для анализа можно использовать меню выбора, а также кнопки «Фильтровать невыбранные» и «Фильтровать выбранные». Меню выбора позволяет фильтровать переменные по следующим типам:

Рис. 2. Вкладка «Переменные» окна анализа

• «Статические пробники»;
• «Напряжение и ток»;
• «Напряжение»;
• «Ток»;
• «Цифровые сигналы»;
• «Устройство/Параметры модели»;
• «Выражения».

По умолчанию отображаются все выходные переменные и переменные для анализа. При помощи кнопок «Фильтровать невыбранные» и «Фильтровать выбранные» можно путем установки флажка в чекбоксах в окне «Фильтр узлов» задать отображение:

• внутренних узлов (узлы внутри BJT-модели или внутри SPICE-подсхемы) — чекбокс «Вкл. внутренние узлы»;
• открытых выводов — чекбокс «Вкл. открытые выводы»;
• выходных переменных из любого подмодуля, содержащегося в схеме, — чекбокс «Вкл. субмодули».

Меню выбора типа переменной и окно «Фильтр узлов» представлено на рис. 3.

Рис. 3. Меню выбора типа переменной и окно «Фильтр узлов»

На вкладке «Переменные» к списку выходных переменных можно добавлять параметры специфического устройства или модели. Выполняется это кнопкой «Добавить параметры», в результате нажатия на которую будет открыто окно «Добавить параметры модели/устройства» (рис. 4). В окне расположено несколько полей, где можно выбрать:

Рис. 4. Окно «Добавить параметры модели/устройства»

• «Параметр» (параметры устройства/параметры модели);
• «Устройство» (тип устройства);
• «Наименование»;
• «Параметр» (доступные параметры для устройства/модели).

В поле «Описание» выводится описание выбранного параметра устройства/модели. По окончании выбора нажмите на кнопку ОК, в результате параметр будет добавлен в список «Выходные переменные» и может быть включен в анализ. Удалить параметр из списка выходных переменных можно при помощи кнопки «Удалить выбранные».

Для того чтобы в конце моделирования в журнале моделирования/анализа были показаны значения всех компонентов и моделей схемы, установите флажок в чекбоксе «По окончании моделирования показать все параметры в контрольном листе». При помощи кнопки «Выбрать для сохранения» можно открыть окно «Выбрать переменные для сохранения» (рис. 5). В данном окне выбирают тип переменных, которые будут сохранены в файле результатов моделирования. По окончании моделирования все сохраненные переменные можно использовать для добавления кривых в плоттер Grapher.

Рис. 5. Окно «Выбрать переменные для сохранения»

Добавить выражение в список переменных для анализа можно при помощи одноименной кнопки, в результате чего будет открыто окно «Анализируемое выражение» (рис. 6). В окне имеются поля «Переменные» и «Функции», в одном из которых отображаются все возможные выходные переменные для текущей схемы, а в другом — доступные для использования функции. Для фильтрации списка выходных переменных и функций можно использовать меню выбора, а также кнопку «Изменить фильтр». Меню выбора позволяет фильтровать переменные по следующим типам:

Рис. 6. Окно «Анализируемое выражение»

• «Статические пробники»;
• «Напряжение и ток»;
• «Напряжение»;
• «Ток»;
• «Цифровые сигналы»;
• «Устройство/Параметры модели».

А также установить отображение сразу всех функций в списке или же выбрать определенный тип:

• «Реляционный»;
• «Логический»;
• «Алгебраический»;
• «Экспоненциальный»;
• «Тригонометрический»;
• «Векторный»;
• «Комплексный»;
• «Постоянный».

По умолчанию отображаются все выходные переменные и функции. При помощи кнопки «Изменить фильтр» можно путем установки флажка в чекбоксах в окне «Фильтр узлов» задать отображение:

• внутренних узлов (узлы внутри BJT-модели или внутри SPICE-подсхемы) — чекбокс «Вкл. внутренние узлы»;
• открытых выводов — чекбокс «Вкл. открытые выводы»;
• выходных переменных из любого подмодуля, содержащегося в схеме, — чекбокс «Вкл. субмодули».

Для того чтобы составить выражение, необходимо скопировать в него переменные и функции. Добавление переменных производится путем их выбора при помощи левой кнопки мыши в поле «Переменные» и нажатия на кнопку «Копировать переменную в выражение», добавление функций — путем выбора в поле «Функции» и нажатия на кнопку «Копировать функцию в выражение». Составленное выражение появится в поле «Выражение». Очистить данное поле можно при помощи кнопки «Очистить». Нажмите кнопку ОК для завершения добавления выражения и закрытия окна «Анализируемое выражение». Следует отметить, что в окне «Анализируемое выражение» предусмотрена возможность добавлять доступные в поле «Последние выражения» составленные ранее выражения. Для этого нужно выбрать из списка нужное выражение при помощи левой кнопки мыши и нажать на кнопку «Копировать в выражение». После закрытия окна «Анализируемое выражение» составленное выражение будет добавлено в список переменных для анализа на вкладке «Переменные», а при необходимости и отредактировано. Для этого надо выбрать в списке выражение при помощи левой кнопки мыши и нажать на кнопку «Редактировать выражение», в результате снова будет запущено окно «Анализируемое выражение». Редактирование выполняется в поле «Выражение». После завершения необходимых изменений нажмите кнопку ОК.

Рассмотрим вкладку «Установки моделирования» (рис. 7). В ее верхней части расположено поле «Установки SPICE», в котором, определив нужную позицию переключателя, можно задать настройки параметров Multisim по умолчанию либо пользовательские. В том случае, если в поле указан пункт «Пользовательские», становится активной кнопка «Выбрать», посредством нажатия на которую открывается окно «Выбор параметров анализа». Данное окно содержит пять вкладок, где предлагается задать следующие параметры:

Рис. 7. Вкладка «Установки моделирования» окна анализа

1. Вкладка «Общие» (рис. 8а):

• • «Абсолютная погрешность (ABSTOL)» — абсолютная ошибка допуска;
  • «Погрешность напряжения (VNTOL)» — ошибка допуска напряжения;
  • «Погрешность заряда (CHGTOL)» — ошибка допуска заряда (не рекомендуется изменять значение по умолчанию данного параметра);
  • «Относительная погрешность (RELTOL)» — относительная ошибка допуска (изменение значения данного параметра может существенно повлиять на скорость симуляции схемы);
  • «Минимальная электропроводность (GMIN)» — минимальная проводимость (данный параметр не может принимать нулевое значение; также необходимо учитывать, что увеличение значения способно негативно сказаться на точности симуляции);
  • «Минимально приемлемое отношение разворота (PIVREL)» (данный параметр может принимать значение в диапазоне между 1 и 0, однако значение по умолчанию не рекомендуется изменять);
  • «Минимально приемлемый разворот (PIVTOL)» (значение по умолчанию данного параметра не рекомендуется изменять);
  • «Рабочая температура (TEMP)» — температура, при которой будет симулироваться вся схема (по умолчанию 27 °C);
  • «Шунтирование аналоговых узлов (RSHUNT)» — шунтирующее сопротивление от аналогового узла к «земле» (уменьшение значения данного параметра снижает точность симуляции схемы, поэтому рекомендуется устанавливать наибольшее сопротивление; в случае получения сообщения об ошибке уменьшите значение параметра);
  • «Время нарастания заряда (RAMPTIME)» — время нарастания заряда конденсатора, индуктивности от нуля до их номинальных значений;
  • «Допущен дробный шаг между итерациями (CONVSTEP)»;
  • «Разрешен полный шаг между итерациями (CONVABSSTEP)»;
  • «Разрешить помощника сходимости для кода модели (CONVLIMIT)» — установка/снятие флажка в чекбоксе рядом с данным параметром устанавливает/сбрасывает алгоритм сходимости, используемый в некоторых встроенных компонентах моделей;
  • «Печатать статистику моделирования (ACCT)» — установка/снятие флажка в чекбоксе рядом с данным параметром включает/выключает отображение статистических данных симуляции (разрешение данного параметра может быть полезным для поиска проблем симуляции).
    
    

    Рис. 8а. Вкладка «Общие» окна «Выбор параметров анализа»

2. Вкладка «DC» (рис. 8б):

• • «Ограничение итерации DC (ITL1)» — предел итераций DC (установка верхнего предела числа итераций в процессе анализа рабочей точки на постоянном токе; при получении сообщения об ошибке увеличьте значение данного параметра до 500–1000 и перезапустите анализ);
  • «Ограничение итерации управления DC (ITL2)» — предел итераций DC передаточной кривой;
  • «Количество шагов источника (ITL6)» — количество шагов в алгоритме шагов источника;
  • «Количество шагов Gmin (GMINSTEPS)» — количество Gmin шагов (в случае, когда значение данного параметра ноль, — Gmin пошаговый алгоритм невозможен);
  • «Коэффициент динамического приращения (DYNAMICDCFACTOR)»;
  • «Динамическое приращение на DC (DYNAMICDC)»;
  • «Переход к приращению GMIN (NOOPITER)» — прямой переход к Gmin.
    
    

    Рис. 8б. Вкладка «DC» окна «Выбор параметров анализа»

3. Вкладка «Переходные» (рис. 8в):

• • «Используемый предел итераций (ITL4)» — верхний предел итераций переходного процесса (установка верхнего предела числа итераций в каждой временной точке переходного процесса; при получении сообщения об ошибке увеличьте значение данного параметра и перезапустите анализ; необходимо учитывать, что увеличение значения данного параметра может замедлить симуляцию);
  • «Максимальный порядок интегрирования (MAXORD)» — максимальный порядок итерации (данный параметр может принимать значение в диапазоне от 2 до 6; использование большего порядка приводит к большей точности, однако замедляет симуляцию; значение по умолчанию данного параметра не рекомендуется изменять);
  • «Фактор округления ошибки (TRTOL)» (сброс ошибки допуска переходного процесса; значение по умолчанию данного параметра не рекомендуется изменять);
  • «Метод интеграции (METHOD)» (выбор метода интеграции для анализа переходного процесса; использование метода по умолчанию ускоряет симуляцию схемы и увеличивает числовую точность, однако иногда может привести к получению непредвиденных результатов; рекомендуется использовать метод по умолчанию в случае, когда схема работает в режиме генерации).
    
    

    Рис. 8в. Вкладка «Переходные» окна «Выбор параметров анализа»

4. Вкладка «Устройство» (рис. 8г):

• • «Рабочая температура (TNOM)» — температура, при которой будут измеряться и вычисляться параметры модели (по умолчанию 27 °C);
  • «Разрешить обход неменяющихся элементов (BYPASS)» (включение/выключение обхода неизменяемых элементов; необходимо отметить, что выключение может увеличить время симуляции схемы; значение по умолчанию данного параметра не рекомендуется изменять);
  • «Площадь стока MOSFET по умолчанию (DEFAD)» (установка значения для MOS диффузионной области стока; используйте значение по умолчанию данного параметра в том случае, если справочное значение для MOS-устройства неизвестно);
  • «Площадь истока MOSFET по умолчанию (DEFAS)» (установка значения для MOS диффузионной области истока; используйте значение по умолчанию данного параметра в том случае, если справочное значение для MOS-устройства неизвестно);
  • «Длина канала MOSFET по умолчанию (DEFL)» (установка значения для длины канала MOS; используйте значение по умолчанию данного параметра в том случае, если справочное значение для MOS-устройства неизвестно);
  • «Ширина канала MOSFET по умолчанию (DEFW)» (установка значения для ширины канала MOS; используйте значение по умолчанию данного параметра в том случае, если справочное значение для MOS-устройства неизвестно);
  • «Попытка уплотнения для линий с потерями (TRYTOCOMPACT)» (установка данного параметра дает указание Multisim уменьшить память, используемую для хранения данных и симуляции переходного процесса схемы, содержащей линию с потерями);
  • «Использовать пределы SPICE2 MOSFET (OLDLIMIT)» (использование ограничения SPICE2 MOSFET).
    
    

    Рис. 8г. Вкладка «Устройство» окна «Выбор параметров анализа»

5. Вкладка «Расширенные» (рис. 8д):

• • «Использовать частичное вычисление для всех моделей (AUTOPARTIAL)» — частичное автовычисление для всех моделей;
  • «Использовать старую модель MOS3 (дискретн. относ. каппа) (BADMOS3)»;
  • «Запись рабочей точки для каждого малосигнального анализа (KEEPOPINFO)» (установка данного параметра позволяет сохранить информацию о рабочей точке при запуске следующих анализов: «Режим AC» (AC Analysis), «Искажений» (Distortion Analysis), «Нулей и полюсов» (Pole-Zero));
  • «Максимальные итерации случая в точке анализа (не по умолчанию) (MAXEVTITER)»;
  • «Максимальное чередование пост./случ. DCOP (не по умолчанию) (MAXOPALTER)»;
  • «Минимальное время между остановами (MINBREAK)»;
  • «Не выполнять чередование аналог/случай в DCOP (NOOPALTER)»;
  • «Инерциальная задержка в цифровых приборах (INERTIALDELAY)»;
  • «Ошибка аналого-цифрового интерфейса (ADERROR)».
    
    

    Рис. 8д. Вкладка «Расширенные» окна «Выбор параметров анализа»

Выбор параметров анализа производится путем установки флажка в чекбоксе в нужной строке, при этом активируется поле значений, в которое можно вносить изменения с клавиатуры. По окончании внесения изменений в окне «Выбор параметров анализа» нажмите на кнопку ОК. При необходимости можно установить значения по умолчанию, для чего следует нажать кнопку «Вернуться к рекомендованным».

Продолжим рассмотрение вкладки «Установки моделирования». В ее нижней части расположено поле «Дополнительно». Установка флажка в чекбоксе «Выполнить проверку последовательности перед запуском» позволит произвести проверку схемы на уместность применения выбранного анализа к данной схеме. Разрешение этого параметра дает указание Multisim автоматически определять такие несовместимости, как открытые конденсаторы, пустые файлы схемы, отсутствие заземления схемы. В поле «Заголовок» отображается заголовок анализа, при необходимости его можно изменить путем ввода с клавиатуры нового значения.

Для просмотра информации об анализе предназначена вкладка «Итоги» (рис. 9). Она предоставляет обзор всех установок анализа. Опции, доступные на вкладке «Параметры», различны для каждого анализа и будут описаны при рассмотрении каждого конкретного анализа.

Рис. 9. Вкладка «Итоги» окна анализа

Для того чтобы запустить анализ с текущими установками, необходимо в окне анализа нажать на кнопку «Моделировать». При моделировании или анализе схемы электрической принципиальной в Multisim бывает ситуация, когда симулятор не может закончить работу. В таком случае попытайтесь изменить точность и ограничение на количество итераций для анализа в окне «Выбор параметров анализа».

Просмотр результатов анализа

Основным инструментом просмотра результатов анализа является плоттер Grapher. Данные отображаются в виде графиков (рис. 10а) или таблиц (рис. 10б). На графике представлена одна или несколько зависимостей вдоль вертикальной или горизонтальной оси. В таблице показаны строки и колонки текстовых данных. Окно плоттера разделяется на несколько закладок, число которых зависит от количества выбранных функций анализа. У каждой закладки имеются две возможные активные зоны, указанные красной стрелкой на левом поле: напротив названия закладки или активного графика (таблицы). Некоторые команды, например «копирования/вставки/удаления», влияют только на активную область. Настройки плоттера позволяют изменять такие параметры, как масштаб, диапазон выводимых значений, стили линий осей и др. Предусмотрена возможность экспорта полученных результатов моделирования в форматы NI LabView, MS Exсel или MathCad. Результаты моделирования можно вывести на принтер или импортировать в текстовый или графический редактор для их дальнейшей обработки, что предоставляет возможность значительно повысить качественный уровень проведения лабораторных и практических исследований.

Рис. 10. Окно плоттера Grapher. Результаты анализа в виде:
а) графика;
б) таблицы

Средства анализа данных моделирования

Режим AC (AC Analysis)

При анализе по переменному току вводится понятие «комплексные напряжения» и «комплексные токи». Это означает, что в расчетах в процессе вычислений потенциалы и токи могут принимать комплексные значения. На выходе расчетная процедура выдает вещественные величины для сравнения с результатами измерений.

Анализ на переменном токе используется для вычисления частотного отклика для линейных цепей. В AC Analysis анализ рабочей точки на постоянном токе — это первый расчет для получения линейных, малосигнальных моделей для всех нелинейных компонентов. Затем создается комплексная матрица (содержащая и реальную, и мнимую компоненты). При создании матрицы DC-источники получают нулевые значения. AC-источники, конденсаторы и индуктивности представляются их AC-моделями. Нелинейные компоненты представлены линейными малосигнальными AC-моделями, производными от решения DC рабочей точки. Все входные источники рассматриваются как синусоидальные. Частота источников игнорируется. Если функциональный генератор установлен к работе с прямоугольными или треугольными сигналами, он автоматически будет переключен внутренне для работы на синусоидальном сигнале для анализа. AC Analysis затем вычисляет AC-отклик схемы как функцию частоты.

При подготовке к анализу необходимо настроить его параметры. Для этого при помощи команды основного меню Multisim «Моделирование/Вид анализа/Режим АС» откроем окно настроек анализа AC Analysis «Анализ АС». Окно содержит четыре вкладки:

• «Параметры частоты»;
• «Переменные»;
• «Установки моделирования»;
• «Итоги».

Рассмотрим вкладку «Параметры частоты» (рис. 11). На данной вкладке можно настроить следующие параметры:

• «Начальная (FSTART)» — начальная частота (отрицательные значения частоты не допускаются; если значение начальной частоты не указано, то расчет не будет произведен);
• «Конечная (FSTOP)» — конечная частота (отрицательные значения частоты не допускаются);
• «Характеристика изменения» — тип изменения: декадный, линейный, октавный (определяет распределение вычисляемых точек в диапазоне частот);
• «Количество точек на декаду» — количество точек, в которых производится расчет частотных характеристик в процессе анализа (при увеличении количества точек будут получены наиболее точные результаты, однако может снизиться скорость симуляции схемы);
• «Вертикальная шкала» — вертикальная шкала: логарифмическая, линейная, затухания (дБ), октавная (данный параметр управляет масштабом по оси Y на выходном графике).
  
  

  Рис. 11. Вкладка «Параметры частоты» окна «Анализ АС»

При необходимости можно вернуть значения по умолчанию, нажав кнопку «По умолчанию». Настройки других вкладок окна «Анализ АС» аналогичны рассмотренным в одной из предыдущих частей настоящей статьи. Анализируемая схема и результаты «Анализа АС» (окно плоттера Grapher) представлены на рис. 12.

Рис. 12. Анализируемая схема и результаты «Анализа АС» (окно плоттера Grapher)

Рабочая точка DC (DC Operating Point)

DC Operating Point — расчет режима по постоянному току. В этом режиме из моделируемой схемы исключаются все конденсаторы и закорачиваются все катушки индуктивности. Затем производится расчет режима по постоянному току при нескольких значениях входных сигналов. Например, при подключении одного источника постоянного напряжения может рассчитываться передаточная функция усилителя, а при подключении двух источников — семейство статических выходных характеристик транзистора. Как правило, режим анализа DC и применяется в основном для этих двух целей: построения вольт-амперных характеристик полупровод-никовых и электронных приборов и снятия передаточных характеристик усилителей постоянного тока, не содержащих реактивных компонентов. Результат анализа обычно дает промежуточные значения для дальнейшего анализа.

Запуск анализа DC Operating Point выполняется при помощи команды основного меню «Моделирование/Вид анализа/Рабочая точка DC». В результате откроется окно «Анализ рабочей точки на DC», в котором расположены следующие вкладки: «Переменные», «Установки моделирования», «Итоги». Необходимо отметить, что в данном окне нет дополнительной вкладки для настройки параметров. Результаты DC-анализа отображаются в виде таблицы (рис. 13).

Рис. 13. Результаты анализа DC Operating Point

Случается так, что из-за возникновения проблем после запуска DC Operating Point анализ может быть аварийно завершен. Для устранения проблемы необходимо проверить анализируемую схему и убедиться в том, что в ней нет разорванных соединений, все компоненты схемы правильно включены в цепь, контакты микросхем правильно соединены, параметры всех компонентов схемы настроены верно, схема имеет заземление. В том случае, если проблема все же осталась, можно порекомендовать установить пользовательские значения следующих параметров в окне «Выбор параметров анализа» (данное окно открывается нажатием кнопки «Выбрать» на вкладке «Установки моделирования» окна «Анализ рабочей точки на DC»):

• «Шунтирование аналоговых узлов (RSHUNT)» (вкладка «Общие») — уменьшить значение данного параметра до 100;
• «Минимальная электропроводность (GMIN)» (вкладка «Общие») — увеличить значение данного параметра до 10;
• «Ограничение итерации DC (ITL1)» (вкладка «DC») — увеличить значение данного параметра до 500–1000;
• «Количество шагов источника (ITL6)» (вкладка «DC») — увеличить значение данного параметра до 500.

Необходимо отметить, что использование в схеме таких приборов, как индикаторы, амперметры, вольтметры, с настройками параметров, отличающимися от настроек по умолчанию, может привести к получению неверных результатов при DC Operating Point анализе.

Анализ шумов (Noise Analysis)

Noise Analysis — анализ спектра внутренних шумов, который заключается в создании шумовой модели схемы путем использования шумового вклада каждого резистора и полупроводникового устройства.

Шумы — это чисто случайные сигналы, мгновенное значение которых или фазу невозможно предсказать во времени. Шумы уменьшают качество полезного сигнала. Они могут генерироваться внутри операционного усилителя или связанными с ним пассивными элементами или попадать в схему из внешних источников. Обычно доминируют шумы из внешних источников. Когда все источники входных сигналов отключены, а выход нагружен на соответствующую нагрузку, уровень шумов, называемый уровнем собственных шумов, определяет минимальный сигнал, при котором можно использовать схему. Целью разработчика является создание такой схемы, в которой обрабатываемые сигналы находятся выше уровня собственных шумов, но ниже уровня, при котором они ограничиваются схемой. Разработка малошумящих схем требует поиска определенного баланса между внутренними и внешними источниками шума.

Multisim создает шумовую модель схемы, используя шумовые модели каждого резистора и полупроводникового устройства вместо AC-моделей, и затем проводит AC-подобный анализ. Программа рассчитывает шумовой вклад каждого компонента и распространяет его к выходу схемы во всем частотном диапазоне, заданном в диалоговом окне анализа.

Анализ шумов рассчитывает шумовой вклад от каждого резистора и полупроводникового устройства для заданного выходного узла. Каждый резистор и полупроводниковое устройство рассматриваются как генератор шума. Каждый вклад генератора шума рассчитывается и приводится подходящей функцией преобразования к выходу схемы.

В Multisim есть возможность моделирования следующих типов шумов: дробовых, тепловых, мерцательных (вызываемых фликкер-эффектом).

Дробовые шумы вызываются случайными флуктуациями в движении носителей зарядов в проводниках. Другими словами, течение электрического тока является неоднородным. Дробовой шум имеет следующие особенности:

• возникает только при протекании тока;
• ток дробового шума не зависит от температуры;
• спектральная плотность дробового шума не зависит от частоты;
• дробовой шум проявляется при протекании тока через любой проводник или полупроводник.

Тепловые шумы генерируются тепловым движением электронов в проводниках. Чем сильнее нагрет проводник, тем больше он «шумит». Тепловой шум исчезает только при температуре, равной абсолютному нулю. Спектральная плотность теплового шума не зависит от частоты и тока. Тепловой шум резистора пропорционален его сопротивлению и температуре. По этой причине важно избегать использования во входных цепях усилителей с высоким коэффициентом усиления, высокоомных резисторов и повышенной температуры этих цепей. Частотное содержание теплового шума распространяется по всему спектру.

Фликкер-шум проявляется во всех активных и многих пассивных электронных компонентах. Он связан с дефектами в кристаллической структуре полупроводников, и уменьшить его может совершенствование технологического процесса. Фликкер-шум имеет следующие особенности:

• увеличивается при уменьшении частоты;
• связан с постоянным током, протекающим через электронный прибор;
• мощность шумового сигнала остается постоянной для каждой декады (октавы);
• обратно пропорционален частоте и прямо пропорционален температуре и уровню постоянного тока.

В Multisim запуск анализа шумов производится при помощи команды основного меню «Моделирование/Вид анализа/Шумов». В результате чего будет открыто окно «Анализ шумов». В данном окне, помимо уже рассмотренных основных вкладок, находятся вкладки «Анализируемые параметры» (рис. 14а) и «Параметры частоты» (рис. 14б), настройка параметров которых и будет рассмотрена далее. В верхней части вкладки «Анализируемые параметры» находятся следующие поля:

Рис. 14. Окно «Анализ шумов»:
а) вкладка «Анализируемые параметры»;
б) вкладка «Параметры частоты»

• «Источник шума»;
• «Выходной узел»;
• «Опорный узел».

Значения этих полей устанавливаются путем выбора из выпадающего списка, в котором по умолчанию отображаются только узлы, являющиеся частью текущей страницы схемы. Однако при проведении анализа необходимо учитывать и те случаи, когда схема содержит иерархические блоки и подсхемы, которые в свою очередь включают компоненты электрической схемы. Для того чтобы отобразились узлы, содержащиеся внутри подсхем и иерархических блоков, следует воспользоваться кнопками «Изменить фильтр». Надо отметить, что на вкладке «Анализируемые параметры» есть три такие кнопки и для выбора определенного узла применяется соответствующая кнопка. В результате нажатия на одну из кнопок «Изменить фильтр» будет открыто окно «Фильтр узлов» (рис. 15), в котором путем установки флажка в чекбоксах можно задать отображение в списке меню:

Рис. 15. Окно «Фильтр узлов»

• внутренних узлов иерархических блоков и подсхем — чекбокс «Вкл. внутренние узлы»;
• всех неприсоединенных узлов схемы — чекбокс «Вкл. открытые выводы»;
• компонентов внутри полупроводниковых устройств, определяемых SPICE-моделью этого устройства, — чекбокс «Вкл. субмодули».

В поле «Дополнительно» путем установки переключателя в нужную позицию можно дать указание программе Multisim произвести расчет спектральной плотности шумов либо рассчитать общий уровень шума. При расчете спектральной плотности шумов необходимо в поле «Количество выборок» ввести с клавиатуры нужное значение. Таким образом разработчик самостоятельно определит, как часто будет производиться шум каждого устройства, его генерирующего.

Рассмотрим вкладку «Параметры частоты». На данной вкладке можно настроить следующие частотные параметры анализа шума:

• «Начальная (FSTART)» — начальная частота (отрицательные значения частоты не допускаются; если значение начальной частоты не указано, то расчет не будет произведен);
• «Конечная (FSTOP)» — конечная частота (отрицательные значения частоты не допускаются);
• «Характеристика изменения» — тип изменения: декадный, линейный, октавный (определяет распределение вычисляемых точек в диапазоне частот);
• «Количество точек на декаду» — количество точек, в которых производится расчет частотных характеристик в процессе анализа (при увеличении количества точек будут получены наиболее точные результаты, однако может снизиться скорость симуляции схемы);
• «Вертикальная шкала» — вертикальная шкала: логарифмическая, линейная, затухания (дБ), октавная (данный параметр управляет масштабом по оси Y на выходном графике).

При необходимости можно вернуть значения по умолчанию путем нажатия на кнопку «По умолчанию».

Для того чтобы скопировать установки текущего AC Analysis в анализ шумов, необходимо нажать на кнопку «Возврат к основным значениям АС». После того как все настройки произведены, вы можете запустить анализ, нажав кнопку «Моделировать», которая находится в нижней части окна «Анализ шумов». Анализ шумов производит спектр выходного шума, спектр входного шума и дополнительно спектр вклада компонента. В зависимости от выбранного значения в поле «Дополнительно» вкладки «Анализи-руемые параметры» результаты анализа шумов отображаются в виде таблицы (рис. 16) или графика (рис. 17).

Рис. 16. Анализируемая схема и результаты анализа Noise Analysis

Рис. 17. Результаты анализа шумов в виде графика

Общие ошибки анализа данных моделирования

Наиболее часто встречающимися ошибками, которые могут возникнуть при запуске всех видов анализа, являются ошибки временного шага (timestep error) и сингулярная матрица (singular matrix).

При возникновении ошибки временного шага можно порекомендовать изменить установки по умолчанию значений следующих параметров в окне «Выбор параметров анализа» (данное окно открывается посредством нажатия на кнопку «Выбрать» на вкладке «Установки моделирования» окна анализа):

• «Относительная погрешность (RELTOL)» (вкладка «Общие») — увеличить относительный допуск ошибки;
• «Шунтирование аналоговых узлов (RSHUNT)» (вкладка «Общие») — уменьшить сопротивление шунта;
• «Метод интеграции (METHOD)» (вкладка «Переходные») — изменить метод интеграции.

Для устранения ошибки singular matrix необходимо проверить анализируемую схему и убедиться в том, что в ней нет разорванных соединений. Также можно порекомендовать в окне «Выбор параметров анализа» на вкладке «Общие» уменьшить порог диагонального элемента (параметр «Минимально приемлемый разворот (PIVTOL)») до величины меньшей, чем указано в сообщении об ошибке, и увеличить значение параметра «Минимально приемлемое отношение разворота (PIVREL)». Необходимо отметить, что данный параметр может принимать значение в диапазоне между 1 и 0.

Multisim предлагает более 15 различных функций анализа. Некоторые примеры включают использование переменного тока, анализ наиболее неблагоприятных условий и Фурье. В Multisim входит Grapher — мощное средство просмотра и анализа данных эмуляции. Функции описания и тестирования схемы, представленные в Multisim, будут полезны разработчикам электронных устройств, сэкономят их время и спасут от ошибок на всем пути разработки схемы.