مقاله PSPICE

پیشگفتار

در این تحقیق آشنایی مختصری با نرم افزارPSPICE  پیدا می کنیم و چگونگی توصیف مدار درآن را نشان خواهیم داد . هدف از گردآوری  این مطالب ، کمک به خواننده برای شروع کار با PSPICE ، ضمن معرفی قابلیت های شاخص و منحصر به فرد این نرم افزار است ، اما جانشین کافی برای مراجعه به کتاب ها و راهنماهای PSPICE  نیست، کتاب هایی که  عناوین برخی از آن ها در بخش مراجع آمده است .در این راستا سعی کردیم تا به اصول پردازش و الگوریتم های داخلی هر نوع تحلیل مدار های الکتریکی و الکترونیکی درPSPICE  بپردازیم تا ضمن ایجاد علاقه و انگیزه در خواننده ، کمک بیشتری به درک مفاهیم باشد .

تاریخچه کوتاهی از PSPICE

 نیاز به یک برنامه شبیه سازی و طراحی مدار، یک تیم پر تلاش از دانشجویان، استادان و افراد حرفه ای در

علم الکترونیک از مهمترین عوامل موثر در تحقق اسپایس بودند. با توجه به نسخه های مختلفی که  از این

نرم افزار کارا و توانمند موجود است، به بررسی  اجمالی تاریخچه ایجاد آن میپردازیم:                                             

CANCER

در اوایل سال 1970 میلادی  ران راهرر[1] تصمیم به  ارائه یک برنامه شبیه سازی برای کار در زمینه بهینه سازی  طراحی مدارات الکترونیکی گرفت. این عمل برای اولین بار در دانشگاه برکلی کالیفرنیا صورت گرفت  دانشجویان راهر از جمله لری ناگل [2] به همکاری با او پرداختند و CANCER را که مخفف عبارت:              

  بود را برای اولین بار به بازار   Computer Analysis of Nonlinear Circuits Excluding Radiation  . این نرم افزار به طور ابتدایی تنها شامل دیود ها و ترانزیستور های دوقطبی بود و فقط قادر     عرضه کردند  به انجام تحلیل DC و  AC  بود.                                                                                                      

 SPICE1

در سال 1972  (دو سال بعد) ناگل و پدرسون[3]   نسخه 1SPICE را عرضه کردند .با توجه به قابلیت های این نرم افزار به سرعت ابزار شبیه سازی استاندارد صنعتی شد. انواع JFET و MOSFET نیز به  برنامه اضافه شد.آنالیز مدارها نیز بر اساس تجزیه و تحلیل گره ای که ابتدایی ترین روش تحلیل است طراحی شده بود

کدSPICE1 به زبان فورترن نوشته شده و در کامپیوتر های main farme قابل اجرا بود.

SPICE2   

آنچه ناگل در 1975 ارائه کرد دارای پیشرفت های چشمگیری بود . آنالیز مدارها بر پایه تجزیه و تحلیل گره ای تصحیح شده (Modified Nodal Analysis) انجام میشد. این نسخه جدید منابع ولتاژ و القاگر ها را نیز حمایت  میکرد. مدل های MOSFET و دوقطبی تمدید شده و توسعه یافتند.عمده ترین ویژگی  SPICE2این بود که  تخصیص حافظه در آن با توجه به اندازه و پیچیدگی های مدار به صورت پویا انجام می شد. هم اکنون نیزبسیاری از شبیه سازی های تجاری با SPICE2G.6  انجام می شود .                                                                  

SPICE3

کد SPICE2   در سال 1978 به زبان C بازنویسی شد. این نرم افزار توسعه یافته  دارای محیط گرافیکی برای دیدن نتیجه بود. تمامی منابع ولتاژ و جریان کنترل شده خازن ها و القاگر ها را حمایت می کرد . مد ل های افزوده شده ، انواع MOSFET ،خطوط انتقال پراتلاف و سوییچ های غیر ایده آل بود .                         

از سال 1980به بعد

نسخه های تجاری با نام های مختلف به بازار عرضه شدند.اسپایس از لحاظ آموزشی و صنعتی بسیار مورد توجه قرار گرفت و شرکت های مختلف از انواع نسخه های آن در طراحی های اولیه و تهیه بسته های نرم افزاری خود استفاده کردند.  در این میان شرکت MICROSIM  اولین نسخه اسپایس برای PC ها را به نام PSPICE به بازار عرضه کرد.PSPICE  یک برنامه شبیه سازی  بود که رفتار یک مدار را مدل سازی می کرد.در سال های بعی نسخه PSPICE SV. (Student Version) برای استفاده توسط دانشجویان ارائه شد .شبیه سازی مدار در این نسخه بخصوص دارای محدودیت هایی از قبیل تعداد گره ها، ترانزیستورها،قطعات دیجیتال ، خطوط انتقال و... بود.نسخه دیگر این برنامه به نام    PSPICE PRO. برای استفاده توسط افراد حرفه ای، متخصصان، استادان دانشگاه ها و یا دانشجویان فارغ التحصیل طراحی شد که هیچیک از محدودیت های بالا را نداشت .                                                                                                       

 SPICEچیست؟

 SPICE یک برنامه کامپیوتری است که از آن می توان برای تحلیل مدارهای الکترونیکی شامل قطعاتی مثل دیود ها ، ترانزیستور ها ، خازن ها ، مقاومت ها و ... استفاده کرد .  SPICEبا استفاده از مدل هایی که کاربر برای عناصر به کار رفته در مدار مشخص می کند ، می تواند نقطه کار بایاس   dcهرعنصر را با تحلیل آن مشخص کند، سپس با استفاده از این مقادیر پارامتر های مدل سیگنال کوچک عنصر را تعیین کند و با استفاده از این پارامتر ها مقادیر بهره ولتاژو پاسخ فرکانسی و ... را محاسبه کند . همچنین  SPICEمی تواند تحلیل گذرای غیر خطی هر مدار مثل دریچه های منطقی و انواع مختلف تحلیل های دیگر را نیز انجام دهد که به توضیح در این موارد در بخش های بعدی خواهیم پرداخت .

 برای اینکه  SPICEشبیه سازی مدار معینی را کامل کند کاربر باید اطلاعات زیر را به آن بدهد :

 الف ) توصیف مدار :  توصیف کامل مداری که باید تحلیل شود  عناصر و منابع  dc و سیگنالی موجود  در آن واینکه چگونه به هم متصل شده اند  همچنین مقادیر پارامتر های مدل عناصر الکترونیکی استفاده شده .             

ب ) درخواست تحلیل : نوع تحلیل مثلا dc  گذرای سیگنال کوچک و مانند آن که کاربر می خواهد انجام دهد.

ج )  درخواست خروجی : نوع خروجی های لازم مثلا جدولی از جریان ها و ولتاژهای بایاس dc  نمودارهای VTC  [4]  و دریچه های منطقی و مانند آنها . 

لازم به توضیح است که همه این اطلاعات به صورت چندین سطر پشت سر هم از طریق یک پایانه کامپیوتری وارد یک پرونده کامپیوتری  می شود که پرونده ورودی اسپایس نام دارد و سطر اول آن شامل عنوانی است که مدار تحلیل شونده را مشخص می کند .

چرا از  PSPICEاستفاده می کنیم؟ 

Pspice  یک ابزار بسیار عالی برای یاد گرفتن علم الکترونیک است و شما می توانید با استفاده از آن درک خود را از انواع مدارات مختلف بالا ببرید و نتیجه گیری در این نرم افزار بسیار ساده و به سرعت انجام می گیرد . اغلب اوقات شما مجبورید برای  دریافت یک مفهوم ساده ساعت ها را صرف سیم بندی  یک مدار حقیقی کنید در حالی که با طراحی همان مدار در Pspice این مفهوم را در چند دقیقه در می یابید . درحقیقت Pspice می تواند به عنوان یک برد مجازی برای شما باشد که در زمان کوتاهی نتایج مطلوبی در اختیار شما قرار می دهد . به طور خلاصه  دلایل کلی استفاده از Pspice عبارتند از :

امتحان کردن ایده های طراحی

ذخیره زمان

پیش بینی عملکرد مدار 

انجام اندازه گیری های مشکل و محاسبات سنگین

مروری بز الگوریتم Pspice  

اگر به دانستن نحوه عملکرد Pspice علاقه مند هستید خوبست که مروری کلی بر الگوریتم اصلی برنامه داشته باشیم . شکل زیر نمودار ساده شده ای از جریان اصلی برنامه Pspice  است :

  ثعیین نقطه کار اولیه

ایجاد مدل های معادل خطی برای         عناصر غیر خطی 

ایجاد ماتریس گرهG*V=i 

   حل معادلات خطی گره برای           V 

آیا خطایی رخ داده؟

انتخاب مرتبه زمانی (h(n

محاسبه نقطه زمانی بعدی

T(n+1)=t(n)+h(n)

آیا زمان تمام شده؟

انتخاب نقطه کار جدید

ایجاد مدل های معادل خطی برای خازن ها و القاگر ها و ...

توقف

                                             (!شکل)                                                                                              

در اینجا به نکات کلیدی الگوریتم اشاره می کنیم :        

1 . هسته اصلی این برنامه که اساس هر نوع تجزیه و تحلیل مدارهای مختلف می باشد آنالیز گره ای است که طی مراحل 3 و4 از طریق تشکیل ماتریس گره و حل معادلات گره برای ولتاژهای مدار انجام می شود .

2 . حلقه داخلی ( مراحل 2 تا 6 ) راه حل مدارهای غیر خطی را ارائه می کند و قطعات غیر خطی با معادل های خطی خود جایگزین می شوند.توجه کنید که در این قسمت ممکن است رسیدن به نتیجه مطلوب با تکرار های زیادی همراه باشد . زیرا برنامه ابتدا با توجه به مقادیر المان های بکار رفته در مدار نقطه کار فرضی را حدس می زند، مدل های معادل خطی المان ها را جایگزین کرده  ، برای ولتاژ شاخه های مختلف مدار ماتریس گره را حل می کند، سپس از روی ولتاژهای به دست آمده یک نقطه کار جدید انتخاب می کند و دوباره به اول حلقه بر می گردد . در فاصله بین این تکرارها اگر تغییرات در ولتاژها و جریان های مدار از حدود مشخصی پایین تر بیاید، حلقه تکرار متوقف شده و نقطه کار بهینه مدار به دست آمده است .

3 . حلقه خارجی ( مراحل 7 تا 10 ) به همراه حلقه داخلی تحلیل گذرا را از طریق ایجاد مدل های معادل برای اجزای ذخیره کننده انرژی مانند خازن ها و سلف ها و ... و انتخاب بهترین نقطه کار انجام می دهد .

اگر چه الگوریتمی که در Pspice استفاده شده است بسیار قابل اطمینان است اما بعضی اوقات ممکن است با اشکالاتی مواجه شود که در این صورت برنامه ولتاژ گره ها را در آخرین تکرار چاپ کرده و به کار خود پایان می دهد . در این موارد ولتاژهای چاپ شده برای گره ها لزوما درست یا حتی نزدیک به واقعیت نیستند. انواع خطا ها در یک تحلیل dc معمولا  در نقاط اتصال مدار  مقادیر المان ها و یا مقادیر پارامتر های مدل قطعات  بوجود می آیند .