BÖLÜM 6 DC ANALİZİ Dc analizi, bütün devre noktaları için akım ve DC voltaj seviyesinin tam kümesini istediğimiz sınırlar içerisinde almak için kullanılır. Bu genellikle lineer olmayan devre elemanlarından oluşan devrelerin DC voltaj ve akım karakteristiklerinin elde edilmesini sağlar. Şimdi daha önce hazırlamış olduğumuz voltaj bölücü devresini kullanarak DC analizini yapalım. Bu analizi voltaj kaynağı 0-10 volt arasında artarken yapacağız. Şimdi şu işlemleri sırası ile yapalım; 1. Menüden PSpice Edit Simulation Profile Analysis seçeneklerini seçelim. Analiz tipinden DC sweep tuşunu seçelim. 2. Sweep değişkenini voltage ve sweep tipini linear olarak seçelim. Sweep değişkeninin adı V1 olmalı ve ya DC voltaj kaynağınızın adı ne ise o olmalıdır. Başlangıç (start), son (end) ve artış (increment) değerlerini sweep tipi kutucuklarının içine sırası ile 0,10,0.1 olarak yazalım (Şekil 6.1.). Şekil 6.1 Analiz Ayarları (DC) 3. Daha sonra ok tuşuna basalım. 4. Bu işlemin arkasından PSpice menüsünden RUN butonuna basalım. Artık karşımızda Capture ortamında yaptığımız devrenin DC analizi bulunmaktadır (Şekil 6.2.). 22
Şekil 6.2 DC Analizi sayfa görüntüsü Şimdi Trace Add Trace opsiyonlarını seçeriz. Bu karşımıza Add Trace diyalog kutusunu getirir (Şekil 6.3.). Şekil 6.3 Add Traces Diyalog Kutusu 23
Soldaki tablodan analizini yapmak istediğimiz aralığı seçeriz. Bu diyalog kutusundan V(V1:+) seçip OK tuşuna basarız. Bu durumda 0V 10V arasında voltaj kaynağının voltaj değerinin arttığını görürüz. Yeniden Trace Add Trace seçip karşımıza gelen diyalog kutusundan V(R1:2) seçtiğimizde R1 direnci üzerindeki voltaj düşümü görülebilir. Bu prop ekranına yeni bir grafik ekler. Bu eklenen grafik voltaj bölücü çıkışının voltajıdır. Bu grafik şekilde(şekil 6.4) de görüldüğü gibi lineer bir yol izler ve bir voltaj bölücüden beklenen sonuçla aynı sonucu verir. Şekil 6.4 Add Traces den Yapılan Değişikliklerden Sonra Çıkan Analiz Şekli Yukarıda yaptığımız işlemleri benzer bir devrede daha kolay bir metot kullanarak yapmaya çalışalım. Yapacağımız işlem şu şekildedir: Önce PSpice seçeneğinden Markers işaretlenir. Karşımıza gelen alt menüde voltaj ekleme (adding voltage), voltaj türevi (differential voltage) ve akım işaretçisi (current markers) seçenekleri çıkacaktır. Bu seçeneklerden voltage level (voltaj seviyesi) seçeneğini kullanalım ve istediğimiz farklı yerlerdeki voltaj değerlerini ölçmeye çalışalım. Bu işaretçiler kullanarak R1 ve R2 arasına bir tane ve R1 ile voltaj kaynağı arasına bir tane işaretçi koyalım. 24
Şekil 6.6 V1-R1 ve R1-R2 arasına Voltage Level (Voltaj Seviyesi) Eklenmiş Devre Şekli Şekildeki devre proje ortamında oluşturulduktan sonra tahmin edebileceğimiz gibi R1- R2 arasına yerleştirdiğimiz işaretçinin iki volta kadar ölçmesi diğer işaretçinin ise 10V değerine kadar ölçmesi gerekmektedir. Bu ölçümü proje ortamında oluşturabilmek için Pspice Edit Analysis Profile Data Collection daha sonrada karşımıza çıkan seçeneklerden At Markers only seçeneğini seçip Run tuşuna bastığımızda aşağıdaki şekli (şekil 6.7) göreceğiz. Şekil 6.7 V1-R1 ve R1-R2 Arasının Analizi Proje ortamında değişik isimlendirmeler yapabilmek için Place Net Alias seçeneği seçilip hangi voltaj değeri yazılacaksa onu ifade edersek (Şekil 6.8.); 25
Şekil 6.8 Net Alias Ekleme Menüsü Yazacağımız voltaj adlandırmasını gerekli yere artık götürüp yerleştirebiliriz. Bunun içinde hangi eleman üzerinde düşen voltaj değerini yazacaksak o elemanı bağlayan tellerin bir tanesine mause ile tıklayarak yerleştirme işlemini bitiririz. Şekil 6.9 Net Alias Eklenmiş Devre Son olarak da proje ortamında Run komutu verildikten sonra karşımıza çıkan şematik üzerinde değişik yazılar yazabilmek için Plot Label Text komutunu kullanırız. Yazdığımız bu yazıların yerlerini belirtmek için kullanacağımız ok işaretlerini Plot Label Arrow komutunu kullanarak oluşturabiliriz. 26
Şekil 6.10 Analiz Ekranında Yazı Ekleme ve Ok İşaretçileri Değişken Bileşen Değer etkilerini gösterme Bu örnekte kullanılan 2 tane direnç %1 tolerans değerlerine sahiptir. Bunun manası şudur onların gerçek değerleri %± 1 fazla veya azdır. Mesela 4.53K lık R1 direnci % 1 tolerans değerine sahip olduğundan bunun gerçek değeri 4,485K ile 4,575K arasında değişir. Biz DC analizin voltaj bölücü çıkışına etkilerini araştıracağız. Bunu yapmanın bir yolu 3 tane Voltaj Bölücü Devresi yapmaktır, bunlardan bir tanesi nominal direnç değerlerini temsil eder, bir diğeri minimum çıkış voltajı meydana getirecek durumu temsil eder ve üçüncüsü maksimum çıkış voltajı üretecek durumu temsil eder. Bu paralel devre şekilde gözükmektedir (Şekil 6.11.). 27
Şekil 6.11 Üç Paralel Devre Tasarımı Şimdi DC devresini run komutu ile çalıştırdığımızda 3 paralel devre için aşağıdaki şekilde olduğu gibi bir şematik çıkacaktır (Şekil 6.12.). 28
Şekil 6.12 Üç Çıkışlı Devre Analiz Şematiği Şekilde görüldüğü gibi 3 çıkış değeri de birbirine çok yakındır. Bu problem aşılabilir. Bunun yolu DC voltaj kaynağından giriş voltajı için voltaj değişme aralığını (0-10V) azaltmaktır. Mesela yukarıdaki devre için Edit simulating settings kısmından Sweep Type ayarlarından başlangıç ve bitiş voltaj değerlerini daha küçük aralıklara (6-10V) sıkıştırarak aşağıdaki şekli elde etmemiz mümkündür. 29
30
BÖLÜM 7 Zaman Domain (Transient) Analizi: Zaman domain, bir olaya (Step Girişi) bir devrenin nasıl cevap verdiğini araştırmak için kullanılır. Bu metot aynı zamanda Step Response analizi yapmak içindir. Bu metodun anlaşılması için biz bir RC devresi kuracağız. Araştırmanın diğer bir kısmı olarak da ana analiz tipine parametric Sweep seçeneğini tanıtacağız. Bir devre elemanı değerinde belli sınırlar içerisinde değişikler yapmamıza izin veren program olduğundan dolayı bu değişiklikler yapılarak bu devre elamanının bir devrenin üzerindeki bütün etkilerini incelememiz mümkündür. İlk olarak aşağıdaki devreyi kurmayla başlayacağız. Önce yeni bir proje oluşturmamız gerekiyor. RC devresi adı altında yeni bir proje oluşturalım. Bu devremizde yeni bir faktör olan kondansatör elemanı vardır. Kondansatörü de direnci seçtiğimiz Place Part seçeneğinden C opsiyonu tıklanarak seçilebilir. Devremizin bir diğer elemanı olan voltaj kaynağı da yine Place Part seçeneğinden V pulse opsiyonu tıklanarak seçilir. Şekil 7.1 RC Devresi Yukarıdaki devre şekli kurulduktan sonra voltaj kaynağının üzerine gelip çift tıklayıp kaynağın özellikleri şu değerlere ayarlanır : V1 = 0 V2 = 1 TD = 0 itibaren) TR = 0 TF = 0 PW = 3u Per = 6u Voltajın başlangıç seviyesi Voltajın bitiş seviyesi Atımın gecikme süresi (Simülasyonun başlangıç zamanından Yükselme zamanı Düşme zamanı Atım genişliği Atımın periyodu Atımının görüntüsü ise aşağıda görüldüğü gibidir. 31
Şekil 7.2 Atımın Periyot Görüntüsü Şimdi devrenin çalışmasını görebilmek için DC Sweep analizde daha önce yaptığımız gibi PSpice New Simulation Profile seçeneği tıklanarak simülasyon ayar diyalog kutusuna (simulation Settings Dialogue Box) geliriz buradan Time Domain (zaman domain) kısmını seçer ve run to time:6000ns olarak belirleriz. Simülasyonu çalıştırmadan önce (run) C1 kapasitörü ile R1 direnci arasına bir voltaj işaretleyici yerleştiririz. Devremizi çalıştırdığımızda (run) karşımıza aşağıda ki şekil gelecektir (Şekil 7.3.). Şekil 7.3 RC Devresi Şematik Analizi 32
BÖLÜM 8 AC SİNYAL/GÜRÜLTÜ ANALİZİ AC Sinyal/gürültü analizi devrenin frekans sonucunun simülasyonunu sağlar. Bunun için önce şekil 8.1 deki devreyi kuralım. Şekil 8.1 AC Sinyal Analiz Devresi VAC kaynağı, bu simülasyonda belirlenen frekans bandı üzerinde bir AC sinyali sağlar. Bu kaynak sinyalinin değerini, bu değer üzerine gelip çift tıklayarak, karşımıza çıkan diyalog kutusundan değiştirebiliriz. Aynı zamanda bir DC voltaj değeri de vermek mümkündür. Bu bir offset bias voltaj değeri simülasyonu yapabilmek içindir. OR-CAD programında PSpice de AC analizi yapabilmek için, şu işlemleri takip edelim; 33
Menüden PSpıce New Simulation Profile opsiyonu seçlir. Karşımıza çıkan bu menüden prjeye RLC devresi adı verelim (Şekil 8.2.). Şekil 8.2 Yeni Proje Oluşumu Ac Sweep/Noise seçeneğini seçip bu diyalog kutusunu Şekil 8.3. de olduğu gibi dolduralım. Şekil 8.3 Analiz tipinin belirlenmesi 34
Bu opsiyonlar belirlendikten sonra Tamama basıp Run seçeneğini seçip analizi çalıştıralım. (Bu arada ölçüm yapacağımız yere işaretçi yerleştirmek için daha önce yaptığımız gibi Pspice Markers Voltage Level opsiyonunu seçerek analiz yapacağımız yere işaretçiyi yerleştiririz) (Şekil 8.4.) Şekil 8.4 Voltaj Ölçme Aleti Ekleme 35
Şekil 8.5 Kondansatör Üzerine Düşen Voltaj Değerinin Frekansa Göre Değişimi Burada okuduğumuz değer Şekil 8.1 deki kurulan devrenin kondansatörü üzerinde düşen voltaj değerinin frekansa göre değişimidir. Burada frekans değeri 10Hz ile 10 MHz arasında değiştiği belirtilmiştir. Voltaj frekans grafiği genelde Desibel cinsinden ifade edilebilir. PSpice bu işlemin yapılabilmesi için kolay bir yol sunar. Bunun içinde simülasyon ayarlarını değiştirme butonundan (Edit Simulation Setting) Ac response (Frequency) seçilerek proje çalıştırılır. Şekil 8.5. de gösterilen frekans-voltaj değeri kondansatör üzerinde ölçülen voltaj değeridir. Aynı voltaj değerinin desibel cinsinden elde edebilmek için ; Menüden Trace Addtrace seçilir ve oradan analog operators or functions seçeneğinden DB seçilir (Şekil 8.6.). 36
Şekil 8.6 Devrenin Desibel Analiz Tablosu İçin Kullanılan Opsiyon Aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi Analog Operators And Functions bölümünden Desibel seçeneği seçilmiş gözlenecek değer olarak da V(C1:2) belirtilmiştir. Şekil 8.7 Analiz Yapacagımız Bacak Bağlantıları Ve Analiz Şekli 37
Şekil 8.8 Şekil 8.6 Üzerinde DB(V(C1:2)) Değişikliğinin Sonucu X ve Y eksenlerinin büyüklüklerini de ayarlamak mümkündür. Bunun için yine şematik ortamından Plot Axis Settings (eksen ayarları) opsiyonunu seçeriz. Axis Settings diyalog kutusundan çeşitli seçenekler tercih edilebilir. Mesela Linear veya Logaritmic skalaları veya Autorange (Otomatik büyüklük) yada User Defined Range (Kullanıcı tanımlı skala) seçilebilir. Yukarıdaki şekilde çizdirilmiş olan grafikte görülen lineer versiyon silinip frekans ayarları 30 KHz 778 KHz Şekil 8.9 X Frekans Değişimi 38
ve Y ekseni ise 20 DB den +40 DB çıkartılırsa; Şekil 8.11 deki grafik elde edilir Şekil 8.10 Y Eksen Değişimi Şekil 8.11 X ve Y Ayar Değişiklerinden Sonra 39
Bu şekil üzerinde maksimum noktayı daha iyi bir şekilde gösterebiliriz. Şekil 8.3. de grafik özellikleri düzenlenirken simülasyon ayarlarından (edit simulation settings) Points Decade seçeneği 50 olarak seçilmişti. Bu değeri 300 olarak değiştirip (Şekil 8.12.), Şekil 8.12 Simülasyon Ayarlarında Değişiklik Yapılabilir Daha sonra programı Run ettiğimizde karşımıza şematik yüzeyi gelecektir buradan da Trace Add Trace seçeneğine basılıp aşağıda olduğu gibi değerler seçelim (Şekil 8.13.); 40
Şekil 8.13. Trace Add Trace Menüsü Daha sonra voltaj skalasını plot Axis Settings opsiyonundan aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi 10Db-30Db arasında belirleyip; 41
Şekil 8.14. Voltaj Skalasını 10 ve 30 Arası Ayarlamak Daha sonra devreyi yeniden çalıştırırsak ( Run ) şekil 8.15. deki grafiği elde ederiz. Şekil 8.15 X ve Y Üzerinde Yapılan Değişiklikler Sonrasında Meydana gelen Şematik 42
Eğer gerçek data değerlerini görmek istiyorsak, Probe Toolbar (Prob malzeme çubuğu) üzerinden Mark Data Points ikonunu (Data değerleri işaretleme) seçeriz (Şekil 8.16.). Şekil 8.16 Mark Data Points İkonu Mesela frekans-voltaj grafiğini maksimum değerini bulmak istiyoruz. Bunun için Cursor Tool menüsünü kullanırız. Şöyle ki Marc Data Points ikonunun sağındaki Toggle Cursor ikonunu önce tıklarız. Artık ikinci kursor gurubu da aktif haldedir. Şekil 8.17 Toggle Cursor Menüsü Mausenin sağ tuşuna basarak A2 olarak isimlendirilen kursor sol tuşuna basarak ise A1 kursoru seçilir. Şekil 8.18 Toggle Cursor Menüsünün Kullanımı 43
Şekil 8.19 A1 ve A2 nin Değişik Yerlerde Kullanımı ve Farkın (dif) ten Gözlenmesi Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi mausenin sol ve sağ tuşlarını kullanılarak A1 ve A2 olarak ifade ettiğimiz yerlerin ifade ettiği frekansları ekranın sağ alt köşesinde (Probe Cursor) kutusunda görebiliriz. Yukarıdaki şekilde ise A1 ve A2 ile ifade ettiğimiz noktaların farklı yerlerde olduğunu görürüz. Probe Cursor kutusunda A1 ve A2 noktalarının bulunduğu yerleri gösterir. Dif bölümü ise A1 ve A2 noktaları arasındaki Frekans farkını gösterir. Amacımız grafiğin maksimum noktasını göstermek olduğundan dolayı Cursor Tool (kursor çubuğu) dan Cursor peak ikonuna tıklarsak (Toogle Cursor ikonun sağındadır) maksimum nokta seçilmiş olur. Şekil 8.20 Cursor Peak İkonunun ToolBoard da Görünümü Daha sonra Probe Tool Bar (Prob Malzeme Çubuğu) unun en sağındaki Mark Label ikonu seçilir. Bu sayede az önce belirlenmiş olan maksimum noktaya bir etiket yerleştirilmiş olur. 44
Şekil 8.21.A1 ve A2 Mause kullanılarak Yer Değiştirmesi Sonucu Oluşan Farkın Gözlenmesi Kursoru mause kullanırak hareket ettirebiliriz. A1 kursorunu sol mause butonunu kullanarak ve A2 kursorunu sağ mause butonunu kullanarak hareket ettirmemiz mümkündür. Yapılan işlemlerin sonucu yukarıdaki grafikte görülmektedir (Şekil 8.21.). 45