Practica Aplac 5

PRÁCTICA 5: Variaciones circuitales. Cálculo de Armónicos. Diseño y Optimización Automática. PRIMERA PARTE Analizando las variaciones paramétricas del circuito. Se puede definir un voltaje de operación, que inicialmente es cero y solo después de un tiempo específico se incrementa a 10voltios, al usar la fuente tipo TRAN. • Substituyendo la definición DC=10 por TRAN=10*(t>100u) podemos definir este tipo de fuente (la definición correspondiente para el Editor de APLAC se especifica en Figura 5.1. Observe el uso del símbolo de comentarios (El signo $ del dólar), Al correrlatodo el análisis, se aprecia 20 períodos la señal de para desactivar definición DC=10. Ahora, que intente correr la de simulación. entrada no son suficientes; por lo que la señal de salida no puede alcanzar el estado estable. Para considerar la respuesta sobre un período de tiempo más largo, el tiempo final del análisis se incrementa a 50 períodos (5ms). El número de puntos en el lazo LOOP, no necesita aumentarse, puesto que todavía hay 10 puntos por período, lo que es suficiente para presentar una curva uniforme.

Figura 1: Resultado de la forma de onda del amplificador al aplicar el voltaje de operación para100μs.

Análisis de averías en el dominio del tiempo. En el ejemplo siguiente se corre un análisis de avería simple, donde la ruptura de la soldadura del resistor RB2 ocurre a los 3ms. Estos son los cambios que las definiciones del resistor necesitan para que se hagan dependientes del tiempo y defectuosos. Vea figura 5.3, para los detalles. • El valor de la resistencia se define como RB2+(t>3m)*Rmax. Para los primeros 3ms el valor del resistor es aceptable, no varía, pero a partir de los próximos 3ms su valor aumenta al valor más alto posible para modelar un circuito abierto. • Un milisegundo más tarde, se pone en cortocircuito el resistor RB1. Este comportamiento es modelado definiendo la resistencia como: RB1*(t<4m)+Rmin. Una vez más, el componente inicialmente está en correcto funcionamiento, pero a los 4ms el valor de la resistencia cae a un mínimo. • Cuando se ejecutaron los análisis anteriores solo para 2ms, se cambió el tiempo final de 20/ff a 50/ff en el barrido Sweep transitorio.

Figura 2: Por medio de los métodos avanzados del análisis en el dominio del tiempo, los parámetros del circuito, también pueden hacerse deldiscontinuas tiempo. El resultado ha sido representado en figura 3.dependientes Las variaciones en la respuesta del circuito se aprecian con claridad. Otras características del análisis del transitorio. La limitación más notable del método de análisis transitorio se plantea, en el hecho de iniciarse el análisis a partir del tiempo cero. Si existen constantes de tiempo grandes, asociadas al circuito, el análisis transitorio puede tomar una cantidad de tiempo considerable, antes de que las señales alcancen un estado estable.

Analísis Transistorio APLAC 8.10 Student version FOR NON-COMMERCIAL USE ONLY

11.00

8.24

5.48

2.72

-0.04 0.000

1.250m V entrada

2.500m t/s

3.750m

5.000m

V salida

Figura 3: Resultado al usar resistores averiados que colapsan para 3ms y

Cálculo de armónicos.

jemplo del Cálculo de Armónicos. Comencemos a crear una simulación para el cálculo de armónicos con el circuito del amplificador con BJT que hemos venido analizando: • La manera más fácil de comenzar la definición del análisis del cálculo de armónicos, es especificar un texto del tipo Control Object y agregar las dos líneas a ella según se muestra en figura 4. Después de esto, ubique este Control Object como primero en la lista. Figura 4: El cálculo de armónicos se inicializa con la declaración Prepare. Lo que ocasiona que el circuito internamente, sea multiplicado, para facilitar el análisis para varias frecuencias

• Una fuente se puede definir para la primera frecuencia del análisis (la fundamental) que tiene una amplitud de 20mV.

• Si se define el análisis en la parte superior de la definición anterior del análisis TRAN, se debe asignar valores constantes a los resistores, así como a la fuente de voltaje de operación Vdc (se debe eliminar toda dependencia del tiempo). • Ahora, se puede examinar, como se crea el barrido Sweep de la simulación en uso y como se origina la salida. Para esto, utilizamos el objeto de control de barrido Sweep, que se especifica en figura 5.

Figura 5: Definición del barrido Sweep para el cálculo de armónicos. El ejemplo especificado es un poco más largo, debido a la especificación cuidadosa de los ejes y de las ventanas de salida. Como mínimo, son necesarias solamente dos líneas desde el inicio (excluyendo GUESS)

Analísis de armónicos APLAC 8.10 Student version FOR NON-COMMERCIAL USE ONLY

-91.00

V/dB

-125.75

-160.50

-195.25

-230.00 0.000

10.000k Salida

20.000k f/Hz

30.000k

40.000k

Figura 6: Resultado del cálculo de armónicos en el dominio de la frecuencia.

Waveform APLAC 8.10 Student version FOR NON-COMMERCIAL USE ONLY

30.00u

Tensi

15.00u

V

0.00

-15.00u

-30.00u 0.000

50.000u Forma de onda

100.000u t/s

150.000u

200.000u

Figura 7: El resultado del cálculo armónico se puede también observar en términos de una forma de onda en el dominio de tiempo.

SEGUNDA PARTE

Análisis avanzado del cálculo de Armónicos. arrido de la amplitud de entrada: El barrido Sweep anterior, encontró una solución del espectro para una específica intensidad de la señal de entrada. A continuación, se barrerá la amplitud de entrada y se analizará cómo se incrementan los diferentes niveles de las componentes armónicas y de la distorsión. Se necesita entonces, definir una variable, para poder barrer la amplitud de la entrada. • Para lograr este propósito, se debe agregar una variable con Var denominada amp al diagrama esquemático y cambiar la excitación de entrada del valor constante 20m a la Var, amp, se barre logarítmicamente desde 1uV a Ende el Sweep amp. 100mV. Las ejes X y Y se definen para el voltaje de entrada y de salida, respectivamente. Un eje Y2 se define para representar la distorsión. Se exhiben tres curvas en la escala del eje de las Y, estas son: 1. La señal de salida, como componente fundamental con el índice 1. 2. La señal de salida, como segundo componente armónico con el índice 2

Para facilitar este análisis se crea una declaración de barrido Sweep, según como se muestra en figura 8.

Figura 8: El barrido Sweep se usa para analizar el comportamiento de la potencia de la señal de entrada.

4 Análisis de armónicos, Barrido de Potencia APLAC 8.10 Student version FOR NON-COMMERCIAL USE ONLY

10.00

10.00

Vout Disto

1.00 V

7.50 0.10 % 10.00m 5.00 1.00m

100.00u 2.50

10.00u

1.00u

0.00 1.0u

10.0u Fundamental 9. Arm

100.0u

1.0m Vin/V

10.0m

0.1

1.0

7. Arm Distorsi

Figura 9: Al incrementar la potencia de la señal de entrada, también se aumenta la distorsión

Ahora, utilizaremos una aproximación diferente, las denominaciones de las curvas se realizan usando variables de secuencia de caracteres String de APLAC. Para usar este tipo de variables, es necesario introducirlas en la declaración de secuencia de caracteres Declare STRING. Ver la Figura 10. El objeto del control Declare debe incluirse en la lista de objetos, antes de la declaración de barrido Sweep. En el objeto de control de barrido Sweep (figura 11). La estructura If NewLoop... Endif se ejecuta solamente al inicio del LOOP mas interno. Los textos gainB y bfphaB y el valor de la variable amp, se imprimen dentro de las variables de secuencia de caracteres String: gname y pname, respectivamente.

Figura 10: Declaración de las variable de secuencia de caracteres, string, gname y pname

Figura 11: Barrido para el análisis en el dominio de la frecuencia de gran señal. Las denominaciones de las curvas se crean para cada valor amp con la declaración de impresión Print STRINGVAR la cual dirige el texto impreso hacia la variable específica de secuencia de caracteres String.

Las denominaciones de las curvas se leen de las variables de la secuencia de caracteres string, gname y pname. El valor de la ganancia se determina usando la expresión MagdB(Spectrum(out)[1]/amp), donde la componente espectral fundamental se divide entre la amplitud de entrada. Los valores del marcador, MARKER se especifican usando SweepIndex[0] el cuál ahora (con 5 RESPUESTA DE FRECUENCIA DE GRANmas SEÑAL externo. el valor 0) devuelve el índice del LOOP APLAC 8.10 Student version FOR NON-COMMERCIAL USE ONLY

50.00

180.00

A/dB

PHASE

30.00

90.00

10.00

0.00

-10.00

-90.00

-30.00

-180.00 1.0

100.0 gainB=0.001V gainB=0.01V gainB=0.1V

10.0k ff

1.0M PhaB=0.001V PhaB=0.01V PhaB=0.1V

100.0M

Figura 5.14: Resultado del análisis de gran señal para tres diferentes amplitudes de la señal de entrada.

La Capacidad de Optimización de APLAC. La optimización manual o TUNING, fue discutida anteriormente al describir el poder versátil de Var. El ejemplo siguiente muestra la optimización automática con el análisis AC, con la configuración bién conocida del amplificador BJT. La Ganancia en el pasabanda debe ser mayor de 43dB, el nivel del voltaje de salida DC debe estar entre 3,5 y 5,5 voltios y el consumo de corriente debe ser menor de 5mA. El diagrama esquemático se muestra a continuación: Tres de las variables se declaran optimizables: Var Var Var Var

Rx 1k OPT MIN 100 MAX 4k RB1 180k OPT MIN 10k MAX 400k RB2 20k OPT MIN 1k MAX 100k ff 10k

Un análisis inicial muestra que la respuesta de no optimización se corre primero. La optimización se inicia seleccionando luego el método GRADIENT.

En el barrido siguiente Sweep, la respuesta deseada se define usando una declaración de objetivo GOAL. El objetivo GOAL es un subcomando y se define así, en el objeto de barrido Sweep, después de dejar al menos una línea vacía. La declaración del objetivo GOAL, está seguida por una respuesta de la simulación estimada real y por un valor deseado para ésta. Los objetivos siguientes goals fijan las especificaciones descritas arriba. Estas líneas se deben agregar a la declaración de barrido Sweep; recuerde dejar al menos una línea en blanco entre los parámetros de barrido Sweep y la definición de objetivos GOAL, esto, si se está utilizando el objeto de control de barrido Sweep, en vez del de texto, Text: Goal Vdc(out) BETWEEN 3.5 5.5 Goal -Idc(Icc) LT 5m UNIT=1m Goal MagdB(Vac(out)) GT 43

El contenido total del objeto de control de barrido Sweep se especifica a continuación: "Optimización AC" loop 21 freq log 1 1G Y "Av" "dB" -30 50 Show DB Vac(out) If (NewLoop) $ Es TRUE antes de iniciarse un nuevo Barrido Goal -Idc(Icc) LT 5m UNIT=1m Goal Vdc(out) BETWEEN 3.5 5.5 EndIf If (f>5k)*(f<5Meg) $Goal MagdB(Vac(out)) GT 43 $Mayor Que Goal MagdB(Vac(out)) LT 43 $Menor Que $Goal MagdB(Vac(out)) EQ 43 $Igual a Show YGOAL 43 EndIf

• Revise el diagrama esquemático de la figura y genere el proceso de optimización La salida es: APLAC 8.10 Sun Jul 20 2008 at 19:01:04 Copyright (c) APLAC Solutions Corporation, Finland, 1998-2005 ______________________________________ * Optimization variables * _______________________ Rx = 1.023k R1 = 164.958k R2 = 21.858k * _______________________ * Optimization errors * ___________________ 1-norm = 5.439 2-norm = 2.315 max-norm = 1.883 * ___________________ Cycle 2: Optimization terminated due to small change in function (< OPT_FTOL)

écnicas avanzadas de optimización. En el ejemplo siguiente, las variables se declara para la serie E 24. Para este propósito, E=24 se agrega a las tres definiciones de Var. El mejor valor E24 para las variables se determina a través de un proceso posterior de procesamiento después de la optimización GRADIENT. Esto se realiza automáticamente, agregando una línea al barrido Sweep. MODE = OPTIMIZE_E Después de correrlo por segunda vez, la salida indica: APLAC 8.10 Sun Jul 20 2008 at 19:28:45 Copyright (c) APLAC Solutions Corporation, Finland, 1998-2005 __________________________________ * Optimization variables * _______________________ Rx = 1.500k R1 = 99.999k R2 = 10.000k * Optimization errors * ___________________ 1-norm = 7.237 2-norm = 2.641 max-norm = 1.781

8 Mejorar la optimización APLAC 8.10 Student version FOR NON-COMMERCIAL USE ONLY

50.00

180.00

Av/dB

PHASE

30.00

90.00

10.00

0.00

-10.00

-90.00

-30.00

-180.00 1.0

10.0

100.0

MagdB(Vac(out) 43

1.0k

10.0k f/Hz

100.0k

1.0M

Pha(Vac(out))

10.0M

100.0M