الکترونیک, وبلاگ

آموزش HSpice (قسمت 3): تحلیل DC (نقطه کار .OP و جاروب .DC) | آکادمی 100

01 اردیبهشت
آموزش HSpice (قسمت 3): تحلیل DC (نقطه کار .OP و جاروب .DC) | آکادمی 100

آموزش HSpice (قسمت 3): تحلیل DC (نقطه کار .OP و جاروب .DC)

در قسمت دوم آموزش HSpice، نحوه تعریف المان‌های پایه R, L, C و منابع مستقل ولتاژ و جریان (DC, AC, PULSE, PWL, SIN) را یاد گرفتیم. اکنون آماده‌ایم تا اولین نوع از تحلیل‌های اصلی HSpice، یعنی تحلیل DC، را بررسی کنیم. تحلیل DC به ما کمک می‌کند تا وضعیت پایدار مدار را تحت منابع ثابت DC درک کنیم و اساس بسیاری از تحلیل‌های دیگر است.

دو دستور اصلی برای تحلیل DC در HSpice وجود دارد: .OP برای یافتن نقطه کار و .DC برای انجام جاروب (Sweep) روی یک پارامتر.

فهرست مطالب این دوره آموزشی:

مقدمه‌ای بر تحلیل DC

تحلیل DC به بررسی رفتار مدار در حالت ماندگار DC می‌پردازد. در این نوع تحلیل، فرض بر این است که تمام سیگنال‌های ورودی مقادیر ثابت DC دارند و مدار به وضعیت پایداری رسیده است. مهم‌ترین نکته در تحلیل DC این است که:

  • خازن‌ها به صورت مدار باز (Open Circuit) در نظر گرفته می‌شوند (چون جریان DC از خازن عبور نمی‌کند).
  • سلف‌ها به صورت اتصال کوتاه (Short Circuit) در نظر گرفته می‌شوند (چون سلف ایده‌آل در DC مقاومتی ندارد).

این تحلیل برای یافتن نقطه بایاس (Bias Point) ترانزیستورها، ولتاژها و جریان‌های DC در نقاط مختلف مدار و بررسی مشخصه‌های انتقالی (مانند ولتاژ خروجی بر حسب ولتاژ ورودی) ضروری است.

دستور .OP : یافتن نقطه کار (Operating Point)

دستور .OP ساده‌ترین نوع تحلیل DC است و نقطه کار یا نقطه بایاس DC مدار را محاسبه می‌کند.

  • هدف: محاسبه ولتاژ DC در تمام گره‌های مدار و جریان DC عبوری از تمام منابع ولتاژ مستقل. اگر المان‌های نیمه‌هادی مانند دیود یا ترانزیستور در مدار باشند، .OP اطلاعات مربوط به نقطه کار آن‌ها (مانند جریان کلکتور، ولتاژ بیس-امیتر، پارامترهای سیگنال کوچک مثل gm و …) را نیز محاسبه و معمولاً در فایل خروجی .lis گزارش می‌دهد.
  • کاربرد:
    • اطمینان از بایاس صحیح ترانزیستورها (مثلاً فعال بودن، اشباع یا قطع بودن).
    • یافتن مقادیر اولیه DC برای تحلیل‌های دیگر مانند تحلیل گذرا (Transient) یا AC. (HSpice به طور خودکار یک تحلیل OP اولیه قبل از تحلیل‌های گذرا و AC انجام می‌دهد).
    • بررسی توان مصرفی DC مدار.
  • فرمت: ساده‌ترین فرمت آن فقط خود دستور .OP است.
* Simple Voltage Divider Circuit
V1 1 0 DC 10V   * Power Supply
R1 1 OUT 3k     * Resistor 1
R2 OUT 0 1k     * Resistor 2

* --- Analysis Command ---
.OP          * Calculate DC Operating Point

* --- Output Request ---
* Optional: Print node voltages to the .lis file (useful if .OP details are suppressed)
* .PRINT OP V(1) V(OUT)

.END

توضیح کد مثال .OP:

در این مثال ساده تقسیم ولتاژ:

  • V1 یک منبع 10 ولت DC است.
  • R1 یک مقاومت 3 کیلواهمی بین گره 1 و گره OUT است.
  • R2 یک مقاومت 1 کیلواهمی بین گره OUT و زمین است.
  • دستور .OP به HSpice می‌گوید نقطه کار DC را محاسبه کند.

پس از اجرای این شبیه‌سازی، در فایل خروجی .lis، بخشی مربوط به نتایج OPERATING POINT INFORMATION وجود خواهد داشت که نشان می‌دهد (با توجه به فرمول تقسیم ولتاژ $V_{out} = V_1 \times \frac{R2}{R1+R2}$):

  • ولتاژ گره V(1) برابر 10 ولت است.
  • ولتاژ گره V(OUT) برابر $10V \times \frac{1k}{3k+1k} = 2.5V$ است.
  • جریان عبوری از منبع V1 (که همان جریان کل مدار است) برابر $\frac{10V}{3k+1k} = 2.5mA$ خواهد بود.

همچنین ممکن است توان مصرفی هر المان نیز گزارش شود.

دستور .DC : جاروب DC (DC Sweep Analysis)

دستور .DC به شما امکان می‌دهد تا مقدار یک پارامتر (معمولاً یک منبع ولتاژ یا جریان مستقل، دما، یا حتی پارامتر یک مدل) را در یک محدوده مشخص تغییر دهید (جاروب کنید) و رفتار DC مدار را به ازای مقادیر مختلف آن پارامتر مشاهده کنید.

  • هدف:
    • رسم مشخصه انتقالی مدار (مثلاً ولتاژ خروجی بر حسب ولتاژ ورودی).
    • رسم مشخصه I-V یک المان (مثلاً جریان درین ترانزیستور بر حسب ولتاژ گیت-سورس).
    • بررسی تاثیر تغییرات دما بر عملکرد DC مدار.
    • بررسی تاثیر تغییر مقدار یک المان بر نقطه کار.
  • فرمت اصلی (جاروب خطی یک متغیر):
    .DC <VarName> <StartVal> <StopVal> <StepVal>
    • <VarName>: نام متغیری که می‌خواهید جاروب کنید. این می‌تواند نام یک منبع ولتاژ (مثل Vin)، منبع جریان (مثل Iref) یا کلمه کلیدی TEMP برای دما باشد.
    • <StartVal>: مقدار شروع جاروب.
    • <StopVal>: مقدار پایان جاروب.
    • <StepVal>: اندازه گام یا افزایش در هر مرحله از جاروب.
  • نحوه مشاهده خروجی: نتایج تحلیل .DC به خودی خود مستقیماً در .lis چاپ نمی‌شوند (مگر اینکه تعداد نقاط کم باشد). برای مشاهده نتایج باید از دستورات .PRINT DC یا .PLOT DC استفاده کنید یا با فعال کردن .OPTION POST، نتایج را در نرم‌افزار نمایش شکل موج ببینید.
* Voltage Divider Transfer Characteristic (Vout vs Vin)
Vin 1 0 DC 0V   * Input Voltage Source (initial value 0V, will be swept)
R1 1 OUT 3k     * Resistor 1
R2 OUT 0 1k     * Resistor 2

* --- Analysis Command ---
* Sweep Vin from 0V to 10V with 0.1V steps
.DC Vin 0 10 0.1

* --- Output Request ---
* Print the value of Vin and V(OUT) for each step of the DC sweep
.PRINT DC V(OUT) $ We also want Vin on the x-axis, which is implicit

* --- Options ---
.OPTION POST      * Enable waveform viewing (to plot V(OUT) vs Vin)

.END

توضیح کد مثال .DC:

این مثال همان مدار تقسیم ولتاژ قبلی است، اما با تحلیل متفاوت:

  • Vin: منبع ولتاژ ورودی تعریف شده. مقدار اولیه DC آن (0V) در اینجا اهمیت کمتری دارد چون توسط دستور .DC تغییر داده خواهد شد.
  • .DC Vin 0 10 0.1: این دستور اصلی تحلیل است. به HSpice می‌گوید:
    • متغیر Vin (که نام منبع ولتاژ ورودی است) را جاروب کن.
    • مقدار Vin را از 0 ولت شروع کن.
    • تا 10 ولت ادامه بده.
    • در هر مرحله، مقدار Vin را 0.1 ولت افزایش بده.
    بنابراین، HSpice مدار را برای Vin=0, 0.1, 0.2, …, 9.9, 10 ولت (در مجموع 101 نقطه) تحلیل DC خواهد کرد.
  • .PRINT DC V(OUT): این دستور به HSpice می‌گوید که در فایل .lis، مقادیر ولتاژ گره OUT را برای هر نقطه از تحلیل DC (یعنی به ازای هر مقدار Vin) چاپ کند. معمولاً HSpice به طور خودکار متغیر جاروب شده (Vin) را هم در کنار آن چاپ می‌کند.
  • .OPTION POST: اگر این گزینه فعال باشد، می‌توانید پس از شبیه‌سازی، نمودار V(OUT) را بر حسب Vin در یک نمایشگر شکل موج مشاهده کنید که یک خط مستقیم با شیب 1/4 خواهد بود (چون $V_{out} = V_{in}/4$).

نکات تکمیلی تحلیل DC:

  • جاروب لگاریتمی یا لیستی: علاوه بر جاروب خطی (با گام ثابت)، می‌توان جاروب را به صورت لگاریتمی (DEC برای دهدهی، OCT برای اکتاو) یا بر اساس لیستی از نقاط (POI) نیز انجام داد. این موارد در تحلیل‌های خاص مانند پاسخ فرکانسی یا بررسی نقاط خاص کاربرد دارند.
  • جاروب تو در تو (Nested Sweep): می‌توان دو متغیر را همزمان جاروب کرد. به ازای هر پله از جاروب متغیر اول، متغیر دوم در کل محدوده خود جاروب می‌شود. این برای رسم خانواده منحنی‌ها (مثل $I_D$ بر حسب $V_{DS}$ به ازای مقادیر مختلف $V_{GS}$) مفید است. (فرمت: .DC Var1 Start1 Stop1 Step1 Var2 Start2 Stop2 Step2)
  • دستورات دیگر تحلیل DC: علاوه بر .OP و .DC، دستورات .TF (برای یافتن تابع تبدیل سیگنال کوچک، مقاومت ورودی/خروجی DC) و .SENS (برای تحلیل حساسیت خروجی نسبت به پارامترهای مدار) نیز وجود دارند که ممکن است در آموزش‌های پیشرفته‌تر به آن‌ها پرداخته شود.

جمع‌بندی و گام بعدی

در این قسمت، با تحلیل DC در HSpice آشنا شدیم. یاد گرفتیم که دستور .OP چگونه نقطه کار مدار را در شرایط DC محاسبه می‌کند و دستور .DC چطور به ما اجازه می‌دهد رفتار مدار را هنگام تغییر یک پارامتر (مانند ولتاژ ورودی یا دما) بررسی کنیم. این تحلیل‌ها برای درک عملکرد پایه و بایاس مدار بسیار حیاتی هستند.

در قسمت چهارم، به سراغ یکی از پرکاربردترین تحلیل‌ها، یعنی تحلیل گذرا (Transient Analysis) با دستور .TRAN خواهیم رفت و یاد می‌گیریم چگونه رفتار مدار را در حوزه زمان و در پاسخ به ورودی‌های متغیر با زمان (مانند پالس‌ها یا امواج سینوسی که در قسمت دوم معرفی کردیم) مشاهده کنیم.

همراه آکادمی 100 بمانید!

درس قبلی: قسمت دوم: توصیف المان‌های پایه و منابع مستقل

درس بعدی: قسمت چهارم: تحلیل گذرا (Transient)

آیا برای شبیه‌سازی مدار خود با HSpice نیاز به کمک دارید؟

تیم آکادمی 100 آماده انجام پروژه‌های شبیه‌سازی شما با نرم‌افزار HSpice در سطوح مختلف می‌باشد. برای مشاوره و ثبت سفارش، از طریق لینک زیر با ما در تماس باشید:

درخواست انجام پروژه HSpice

جدیدتر آموزش HSpice (قسمت 4): تحلیل گذرا (Transient) با دستور .TRAN | آکادمی 100
بازگشت به لیست
قدیمی تر آموزش HSpice (قسمت 2): المان‌های پایه و منابع مستقل | آکادمی 100

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *