نرم افزار Spice

پيشگفتار
در اين تحقيق آشنايي مختصري با نرم افزارPSPICE پيدا مي کنيم و چگونگي توصيف مدار درآن را نشان خواهيم داد . هدف از گردآوري اين مطالب ، کمک به خواننده براي شروع کار با PSPICE ، ضمن معرفي قابليت هاي شاخص و منحصر به فرد اين نرم افزار است ، اما جانشين کافي براي مراجعه به کتاب ها و راهنماهاي PSPICE نيست، کتاب هايي که عناوين برخي از آن ها در بخش مراجع آمده است .در اين راستا سعي کرديم تا به اصول پردازش و الگوريتم هاي داخلي هر نوع تحليل مدارهاي الکتريکي و الکترونيکي درPSPICE بپردازيم تا ضمن ايجاد علاقه و انگيزه در خواننده ، کمک بيشتري به درک مفاهيم باشد .

تاريخچه کوتاهي از PSPICE
نياز به يک برنامه شبيه سازي و طراحي مدار، يک تيم پر تلاش از دانشجويان، استادان و افراد حرفه اي در
علم الکترونيک از مهمترين عوامل موثر در تحقق اسپايس بودند. با توجه به نسخه هاي مختلفي که از اين
نرم افزار کارا و توانمند موجود است، به بررسي اجمالي تاريخچه ايجاد آن ميپردازيم:

CANCER
در اوايل سال ۱۹۷۰ ميلادي ران راهرر تصميم به ارائه يک برنامه شبيه سازي براي کار در زمينه بهينه سازي طراحي مدارات الکترونيکي گرفت. اين عمل براي اولين بار در دانشگاه برکلي کاليفرنيا صورت گرفت دانشجويان راهر از جمله لري ناگل به همکاري با او پرداختند و CANCER را که مخفف عبارت:
بود را براي اولين بار به بازار Computer Analysis of Nonlinear Circuits Excluding Radiation . اين نرم افزار به طور ابتدايي تنها شامل ديود ها و ترانزيستور هاي دوقطبي بود و فقط قادر عرضه کردند به انجام تحليل DC و AC بود.

SPICE1
در سال ۱۹۷۲ (دو سال بعد) ناگل و پدرسون نسخه ۱SPICE را عرضه کردند .با توجه به قابليت هاي اين نرم افزار به سرعت ابزار شبيه سازي استاندارد صنعتي شد. انواع JFET و MOSFET نيز به برنامه اضافه شد.آناليز مدارها نيز بر اساس تجزيه و تحليل گره اي که ابتدايي ترين روش تحليل است طراحي شده بود
کدSPICE1 به زبان فورترن نوشته شده و در کامپيوتر هاي main farme قابل اجرا بود.

SPICE2
آنچه ناگل در ۱۹۷۵ ارائه کرد داراي پيشرفت هاي چشمگيري بود . آناليز مدارها بر پايه تجزيه و تحليل گره اي تصحيح شده (Modified Nodal Analysis) انجام ميشد. اين نسخه جديد منابع ولتاژ و القاگر ها را نيز حمايت ميکرد. مدل هاي MOSFET و دوقطبي تمديد شده و توسعه يافتند.عمده ترين ويژگي SPICE2اين بود که تخصيص حافظه در آن با توجه به اندازه و پيچيدگي هاي مدار به صورت پويا انجام مي شد. هم اکنون نيزبسياري از شبيه سازي هاي تجاري با SPICE2G.6 انجام مي شود .

SPICE3
کد SPICE2 در سال ۱۹۷۸ به زبان C بازنويسي شد. اين نرم افزار توسعه يافته داراي محيط گرافيکي براي ديدن نتيجه بود. تمامي منابع ولتاژ و جريان کنترل شده خازن ها و القاگر ها را حمايت مي کرد . مد ل هاي افزوده شده ، انواع MOSFET ،خطوط انتقال پراتلاف و سوييچ هاي غير ايده آل بود .
از سال ۱۹۸۰به بعد
نسخه هاي تجاري با نام هاي مختلف به بازار عرضه شدند.اسپايس از لحاظ آموزشي و صنعتي بسيار مورد توجه قرار گرفت و شرکت هاي مختلف از انواع نسخه هاي آن در طراحي هاي اوليه و تهيه بسته هاي نرم افزاري خود استفاده کردند. در اين ميان شرکت MICROSIM اولين نسخه اسپايس براي PC ها را به نام PSPICE به بازار عرضه کرد.

PSPICE يک برنامه شبيه سازي بود که رفتار يک مدار را مدل سازي مي کرد.در سال هاي بعي نسخه PSPICE SV. (Student Version) براي استفاده توسط دانشجويان ارائه شد .شبيه سازي مدار در اين نسخه بخصوص داراي محدوديت هايي از قبيل تعداد گره ها، ترانزيستورها،قطعات ديجيتال ، خطوط انتقال و… بود.نسخه ديگر اين برنامه به نام PSPICE PRO. براي استفاده توسط افراد حرفه اي، متخصصان، استادان دانشگاه ها و يا دانشجويان فارغ التحصيل طراحي شد که هيچيک از محدوديت هاي بالا را نداشت .

SPICEچيست؟
SPICE يک برنامه کامپيوتري است که از آن مي توان براي تحليل مدارهاي الکترونيکي شامل قطعاتي مثل ديود ها ، ترانزيستور ها ، خازن ها ، مقاومت ها و … استفاده کرد . SPICEبا استفاده از مدل هايي که کاربر براي عناصر به کار رفته در مدار مشخص مي کند ، مي تواند نقطه کار باياس dcهرعنصر را با تحليل آن مشخص کند، سپس با استفاده از اين مقادير پارامتر هاي مدل سيگنال کوچک عنصر را تعيين کند و با استفاده از اين پارامتر ها مقادير بهره ولتاژو پاسخ فرکانسي و … را محاسبه کند . همچنين SPICEمي تواند تحليل گذراي غير خطي هر مدار مثل دريچه هاي منطقي و انواع مختلف تحليل هاي ديگر را نيز انجام دهد که به توضيح در اين موارد در بخش هاي بعدي خواهيم پرداخت .

براي اينکه SPICEشبيه سازي مدار معيني را کامل کند کاربر بايد اطلاعات زير را به آن بدهد :
الف ) توصيف مدار : توصيف کامل مداري که بايد تحليل شود عناصر و منابع dc و سيگنالي موجود در آن واينکه چگونه به هم متصل شده اند همچنين مقادير پارامتر هاي مدل عناصر الکترونيکي استفاده شده .
ب ) درخواست تحليل : نوع تحليل مثلا dc گذراي سيگنال کوچک و مانند آن که کاربر مي خواهد انجام دهد.

ج ) درخواست خروجي : نوع خروجي هاي لازم مثلا جدولي از جريان ها و ولتاژهاي باياس dc نمودارهاي VTC و دريچه هاي منطقي و مانند آنها .
لازم به توضيح است که همه اين اطلاعات به صورت چندين سطر پشت سر هم از طريق يک پايانه کامپيوتري وارد يک پرونده کامپيوتري مي شود که پرونده ورودي اسپايس نام دارد و سطر اول آن شامل عنواني است که مدار تحليل شونده را مشخص مي کند .
چرا از PSPICEاستفاده مي کنيم؟

Pspice يک ابزار بسيار عالي براي ياد گرفتن علم الکترونيک است و شما مي توانيد با استفاده از آن درک خود را از انواع مدارات مختلف بالا ببريد و نتيجه گيري در اين نرم افزار بسيار ساده و به سرعت انجام مي گيرد . اغلب اوقات شما مجبوريد براي دريافت يک مفهوم ساده ساعت ها را صرف سيم بندي يک مدار حقيقي کنيد در حالي که با طراحي همان مدار در Pspice اين مفهوم را در چند دقيقه در مي يابيد . درحقيقت Pspice مي تواند به عنوان يک برد مجازي براي شما باشد که در زمان کوتاهي نتايج مطلوبي در اختيار شما قرار مي دهد .

به طور خلاصه دلايل کلي استفاده از Pspice عبارتند از :
– امتحان کردن ايده هاي طراحي
– ذخيره زمان
– پيش بيني عملکرد مدار
– انجام اندازه گيري هاي مشکل و محاسبات سنگين
مروري بز الگوريتم Pspice
اگر به دانستن نحوه عملکرد Pspice علاقه مند هستيد خوبست که مروري کلي بر الگوريتم اصلي برنامه داشته باشيم . شکل زير نمودار ساده شده اي از جريان اصلي برنامه Pspice است :

(!شکل)

در اينجا به نکات کليدي الگوريتم اشاره مي کنيم :
۱ . هسته اصلي اين برنامه که اساس هر نوع تجزيه و تحليل مدارهاي مختلف مي باشد آناليز گره اي است که طي مراحل ۳ و۴ از طريق تشکيل ماتريس گره و حل معادلات گره براي ولتاژهاي مدار انجام مي شود .

۲ . حلقه داخلي ( مراحل ۲ تا ۶ ) راه حل مدارهاي غير خطي را ارائه مي کند و قطعات غير خطي با معادل هاي خطي خود جايگزين مي شوند.توجه کنيد که در اين قسمت ممکن است رسيدن به نتيجه مطلوب با تکرار هاي زيادي همراه باشد . زيرا برنامه ابتدا با توجه به مقادير المان هاي بکار رفته در مدار نقطه کار فرضي را حدس مي زند، مدل هاي معادل خطي المان ها را جايگزين کرده ، براي ولتاژ شاخه هاي مختلف مدار ماتريس گره را حل مي کند، سپس از روي ولتاژهاي به دست آمده يک نقطه کار جديد انتخاب مي کند و دوباره به اول حلقه بر مي گردد .

در فاصله بين اين تکرارها اگر تغييرات در ولتاژها و جريان هاي مدار از حدود مشخصي پايين تر بيايد، حلقه تکرار متوقف شده و نقطه کار بهينه مدار به دست آمده است .

۳ . حلقه خارجي ( مراحل ۷ تا ۱۰ ) به همراه حلقه داخلي تحليل گذرا را از طريق ايجاد مدل هاي معادل براي اجزاي ذخيره کننده انرژي مانند خازن ها و سلف ها و … و انتخاب بهترين نقطه کار انجام مي دهد .
اگر چه الگوريتمي که در Pspice استفاده شده است بسيار قابل اطمينان است اما بعضي اوقات ممکن است با اشکالاتي مواجه شود که در اين صورت برنامه ولتاژ گره ها را در آخرين تکرار چاپ کرده و به کار خود پايان مي دهد . در اين موارد ولتاژهاي چاپ شده براي گره ها لزوما درست يا حتي نزديک به واقعيت نيستند. انواع خطا ها در يک تحليل dc معمولا در نقاط اتصال مدار مقادير المان ها و يا مقادير پارامتر هاي مدل قطعات بوجود مي آيند .

الگوريتم در عمل
Pspice به طور کلي اعمال زير را انجام مي دهد :
 تحليل dc
 تحليل ac
 تحليل گذرا

تحليل هاي توسعه يافته ديگري از قبيل حساسيت ها و تحليل هاي فوريه و محاسبه نويزو … نيز بر پايه اين سه نوع آناليز انجام مي شود. بنابراين درک نحوه عملکرد برنامه در انجام اين تجزيه و تحليل هاي پايه اي بسيار اهميت دارد.

پيش از بررسي الگوريتم هاي داخلي هر يک از انواع تحليل ها لازم به ذکر است که روند برنامه به طور کلي بر پايه مقادير دو پرچم MODE و MODEDC طراحي شده است. بدين ترتيب که اگرMODE = 1 باشد تحليل dc ، اگر MODE = 2 باشد تحليل گذرا و اگر MODE = 3 باشد تحليل ac بر روي مدار انجام خواهد شد. همچنين اگر MODEDC = 1 باشد تعيين نقطه کار dc ، اگر MODEDC = 2 باشد تعيين شرايط اوليه تحليل گذرا و اگرMODEDC = 3 باشد نمايش منحني انتقال dc درخواست شده است .

تحليل DC و AC
در فلوچارت زير تعيين نقطه کار dc و نحوه انجام آناليز ac نشان داده شده است . ابتدا سيستم چک مي کند که آيا نقطه کار dcخواسته شده است يا نه. در غير اين صورت تعيين نقطه کار dc فقط در صورتي انجام مي شود که تحليل acيک مدار غير خطي خواسته شده باشد . زيرا در اين حالت بايد پارامترهاي معادل خطي براي تحليل ac مدار تعيين شود.

وقتي ثابت شد که تعيين نقطه کار dc لازم است پرچم هاي MODEDC , MODEهر دو با مقدار ۱ ست مي شوند و رويه DCTRAN براي محاسبه نقطه کار dc مدار فراخواني مي شود. سپس از رويه DCOP براي چاپ پارامترهاي مدل قطعه خطي شده استفاده مي شود . تحليل ac نيز در صورت نياز با ست کردن پرچم MODE با مقدار ۳ و فراخواني ACAN انجام مي شود . در آخر رويه OVTPVT براي تهيه فهرست نهايي مقادير ولتاژها و جريان هاي مدار ف.راخواني مي شود.