Electronic Engineering 2

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1 Electronic Engineering 2
1 OrCAD Electronic Engineering 2 Yoo Han Ha

2 3부 6장. PSpice의 시뮬레이션 연습 OrCAD PSpice를 이용 디지털 회로
아날로그와 디지털회로가 혼재된 mixed 회로

3 예제 1. 디지털 회로의 시뮬레이션 단발펄스(shot pulse)생성하는 디지털 회로
어떤 신호 하나를 2-입력 NAND 게이트로 인가시키되 신호중 한 개는 그대로, 다른 하나는 인버터를 통해 지연시켜 인가 인버터에 지연된 시간 만큼 폭을 갖는 펄스 신호 NAND 게이트의 출력 방법) Capture CIS 프로그램 -> FILE-> new -> project Name : shotpulse / option : analog or mixed-signal circuit wizard / 저장 경로 지정 74ls.olb 라이브러리 추가

4 회로 그리기(p.265) U1A~U8A : 74LS04/ 74ls.olb U9A : 74LS00/74ls.olb DSTM1 : stim1/source (1비트 디지털입력) PORTLEFT-L : portleft/capsym (출력핀) 배선 그리기 속성지정 DSTM1 : command2~command7 내용 입력 (100n1~600n0) PORTLEFT-L : name을 OUTPUT으로 수정

5 노드명 부여 배선에 n1~n10 시뮬레이션 조건 설정 PSpice -> new simulation profile / name: pulse analysis 창 -> type : time domain, run to time : 700ns 시뮬레이션 실행 RUN -> add trace : n1~n10 차례로 클릭

6 예제 2. 아날로그와 디지털 회로의 시뮬레이션 펄스 신장회로
DSTM1으로부터 인가된 구형파는 U1A를 지나 R1, C1으로 구성된 적분기에서 삼각파로 변형 U3A를 거칠때 인버터의 문턱전압보다 낮은 신호에서는 인버터의 출력이 하이(high)가 나오고 인버터의 입력이 충분히 높아지기 전에는 계속 하이 상태 유지 입력펄스보다 지연되면서 펄스폭이 확장되는 출력신호 얻기 위한 회로

7 회로 그리기(p.269) U1A~U2A : 7404/ 74ls.olb R1~R2 : r/source, C1 : c/source GND : 0/source DSTM1 : stim1/source (1비트 디지털입력) VCC_BAR : vcc_bar/capsym (출력핀) 배선 그리기 속성지정 DSTM1 : command2~command8 내용 입력 (100n1~700n1)

8 회로도에 마커(v) 그리기 U1A 입력, 출력선에 마커 그리기 시뮬레이션 조건 설정 PSpice -> new simulation profile / name: mixed analysis 창 -> type : time domain, run to time : 1.2ms 시뮬레이션 실행 RUN -> 마커가 그려져 있기 때문에 시뮬레이션 실행

9 해석 방법에 따른 PSpice 시뮬레이션 연습
DC 해석 AC 해석 Transient(과도) 해석 Fourier 해석 Parametric 해석과 goal function Model parameter바꾸어 시뮬레이션 하기 Monte carlo 해석 회로의 전류, 전압, 증폭도, 주파수 특성등을 알기 위해 회로의 정밀한 부분을 파악, 잠재불량요소(WEAK POINT)까지 찾아냄

10 DC 해석 모든 전원을 DC로 간주해서 해석 전원 : 값과 등가 임피던스로 대치 콘덴서 : open/ 인덕터 : short된 것으로 해서 전류와 전압 계산 바이어스 전류, 전압과 DC sweep, 소신호 민감도 해석, 전달함수 계산

11 직류 전압, 전류 IAC(교류전류) /source VAC(교류전압) /source IDC(직류전류) /source
VDC(직류전압) /source

12 DC 해석/ DC sweep해석 한 전원의 값(value)을 어떤 한 값에서부터 다른 값으로 변화시켜 가면서 노드의 전압, 전압값이 어떻게 변화되어 가는지 해석 값의 변경시 시간에 대한 제약없다. 회로 작성시 입력신호는 DC 전원 사용 Simulation setting 창 Analysis type : DC Sweep Option : Primary sweep 선택 Sweep variable : sweep 변수 선택(전압, 전류, 온도등) Sweep type : sweep 방법( 선형, 대수)

13 DC 해석/DC 전달함수 해석(transfer function analysis)
Simulation setting 창 Analysis type : bias point Option : general settings Output file options : 출력 파일 생성하는 방법 지정 DC sweep 해석시 “calculate small-signal DC gain” 선택 From input source : 계산할 입력신호원 (ex, V1) To output variable : 출력 신호가 나타나는 노드 지정 (ex, V(v0))

14 AC 해석 교류해석은 입력신호의 주파수를 가변시켜가면서 대상이 되는 회로의 입력 대 출력의 주파수 응답 특성이 어떠한 지를 검토 AC 해석시 신호원은 AC 신호를 사용

15 교류 전압, 전류 IEXP (지수형 전류) VEXP (지수형 전압) ISIN (사인파 전류) VSIN(사인파전압)
IPULSE (구형파 전류) IPWL (임의의 형태를 갖는 전류파형) VEXP (지수형 전압) VSIN(사인파전압) VPULSE (구형파 전압) VPWL (임의의 형태를 갖는 전압 파형)

16 AC 해석/보드선도 해석 Probe 지정 (marker) Simulation setting 창 Analysis type : AC sweep/noise Options: general settings AC sweep type : 입력 주파수를 sweep 하여 출력 파일 생성 AC 해석시 “logarithmic(대수)” 선택 Start frequency : 주파수 sweep 초기값(1이상, ex 10) End : 주파수 sweep 종료 값(ex, 1G) points/decade : 측정포인트 수(ex, 501)

17 AC 해석/noise 해석 전자부품은 주파수 별로 어떤 특정한 경향을 보이면서 잡음 발생 각 소자별 주파수에 대한 잡음 발생정도 계산 Simulation setting 창 Analysis type : AC sweep/noise Options: general settings AC sweep type : 입력 주파수를 sweep 하여 출력 파일 생성 AC 해석시 “logarithmic(대수)” 선택 Start frequency , end, points 값 지정 (ex, 10, 100, 101) Noise analysis : enable 체크 Output voltage : 잡음전압 측정 단자(ex, V(v0))

18 Transient(과도) 해석 입력 신호가 시간축 상에서 변화하면서 시스템에 인가될 때 출력의 변화가 어떤지 검토하는 해석 실제 회로를 꾸며서 신호를 가했을 때 회로가 동작하는 상황에서 각 노드의 전압, 전류를 구하는 것 최초 run할 때 초기치 입력 중요 (default :0) L과 C에 초기치를 입력할 때 소자의 방향 중요 : 소자 두번클릭 Probe (marker) 지정

19 Simulation setting 창 Analysis type : time domain Options :general settings Run to time : 시뮬레이션 종료되는 시간 (ex, 1000ns) Start saving data after : 시뮬레이션이 진행되어 결과가 출력 파일에 저장되기 시작하는 시간 Transient options : maximum step(시뮬레이션 시간 간격 ex, 1n)

20 Fourier 해석 회로의 주파수 특성을 분석하는 기능 FFT(fast fourier transform)은 주파수의 크기만 Fourier 해석은 주파수 크기, 위상, 직류분 등에 대한 결과 보여주므로 평균치, 실효치, 역률, THD(total harmonic distortion) 등 알아냄

21 Simulation setting 창 Analysis type : time domain Output file options 버튼 클릭 “perform fourier anaysis” 체크 Center : 기본주파수(ex, 60) number of : 고조파성분차수 (ex, 10) output : 출력변수(ex, V(n1))

22 Parametric 해석과 goal function
Parameter 해석 소자값을 변경시켜 가면서 회로의 특성이 어떻게 달라지는지 해석 Goal function 해석 특성평가의 편의를 위해 Pspice에서 제공하는 평가함수

23 Parametric 해석 실제 부품을 구입하여 값 측정해 보면 보통 5~10% vusck 최초 설계된 회로의 내용이 다르게 동작될 수 있다. 특정 소자의 변동범위를 지정하여 출력 특성의 가변 범위를 확인 입력 신호나 전원 등의 값도 변동 시켜 출력 특성 알아냄 회로 작성시 값을 변경할 소자에 parameter를 정의해 주어야 한다.

24 예제1) 회로그리기(p.280) OP amp 증폭기(uA741)의 –단자에 연결된 R1 저항값을 가변시켜 증폭기의 증폭도가 어떻게 바뀌어가는지 확인 R1 값인 1K 더블클릭 -> display properties 창의 value : {var}입력 PARAM/special 을 R1 근처에 배치 -> 더블클릭 -> property editor 창의 new클릭 -> var입력 -> ok -> property editor 창의 var : 1k입력 -> display 버튼 클릭 -> display properties 창의 “name and value” 선택 -> ok

25 Simulation setting 창 Analysis type : AC sweep/noise Options : paramteric sweep Sweep variable : global parameter Sweep type : 10k에서 100k까지 20k 간격으로 총 5가지 단계

26 Goal function 해석 PSpice A/D 화면에서 trace -> performance analysis.. 선택 Trace -> add trace.. / max(V(Vout)) 파형 그리기

27 Model parameter바꾸어 시뮬레이션 하기
길버트 변조기(gilbert modulator)라는 회로를 이용하여 소자의 parameter를 변경하는 시뮬레이션

28 예제2) 회로 그리기(p.285) NPN TR : QbreakN/breakout Probe는 voltage differential marker로 두 출력 양단 위치 Simulation setting창 Analysis type : time domain Run to time : 10u RUN : NPN TR의 parameter는 default파라미터 사용

29 Q1 선택 -> edit/PSpice model -> orcad model editor 창
Parameter 변경 방법 Q1 선택 -> edit/PSpice model -> orcad model editor 창 .model Qbreakn NPN + Is = 1e-17 bf=150 tr=10e-9 File -> Save 하고 종료 이 파일을 시뮬레이션시 파라미터로 사용하기위해 링크 Simulation setting 창 Libraries / file name 지정 Add to design을 클릭하여 library에 추가 RUN PSpice A/D 창 -> Plot/axis settings User defined : 0Hz ~ 20MHz, fourier

30 Monte carlo 해석 전자제품 개발시에 사용되는 모든 부품은 정해진 범위 내에서 오차 값 가지고 있다. 소자의 파라미터 값을 랜덤하게 변화시켜 회로의 응답 특성이 얼마나 달라지는지 알아보는 해석

31 예제3) 회로 그리기(p.289) : 공통에미터 증폭기
R1, R2는 입력바이어스 전압에 R4는 출력바이어스 전압과 출력이득에 영향을 끼치는 것으로 간주하여 소자값의 편차부여 1) 소자값 편차 부여 R1, R2, R2의 value값 두번 클릭하여 Rbreak로 변경 R1선택 -> edit/PSpice model .model Rbreak RES R=1 dev=3.333% 저장후 닫기 R2, R4 같은 방법으로 파일 저장후 닫기

32 2) Monte carlo 해석 n5의 전압이 위에서 지정한 소자들의 변동에 의해 어느 정도 변동하는지 transient 해석과 복합하여 확인 Simulation settings Analysis type : time domain Options : monte carlo Monte carlo 선택 Output variable : V(n5) Number of : 시뮬레이션 반복횟수 (50 이상 ex, 50) RUN : PSpice A/D 창 -> add trace : max(V(n5)) : n5전압의 monte carlo 해석 결과파형