Проблема постоянных времени

Еще одна причина, которая в ряде случаев может препятствовать получению результатов моделирования в PSpice, определяется так называемой проблемой постоянных времени. Суть этой проблемы сводится к следующему: если в анализируемой схеме присутствуют очень «быстрые» и очень «медленные» процессы, то есть процессы, протекающие с малой постоянной времени и с большой постоянной времени, то максимально допустимая величина шага интегрирования ограничена малой постоянной времени, а длительность переходного процесса определяется большой постоянной времени. В случае если эти постоянные времени существенно различны, то объем вычислительной работы, необходимой для анализа всего переходного процесса, может стать неприемлемым из-за нереально большого расхода машинного времени.

Проиллюстрируем это на примере. На рис. 6.14 приведена схема заряда емкостей Cl, С2 через резисторы Rl, R2 с различными постоянными времени Т1 = R1 • С1 и Т2 = R2 • С2. При этом постоянная времени Т1 была неизменной и при Rl = 10³ и Cl = 10^-9 равнялась 10^-6. Постоянная времени Т2 за счет изменения сопротивления R2 и при постоянной величине емкости С2 = 10~⁶ изменялась в пределах от КГ³ до 0,9- 10⁷. При этом отношение

Рис. 6.14. Схема, иллюстрирующая проблему постоянных времени при моделировании

Т2/Т1 изменялось от 10³ до 0,9 • 10¹³. Длительность переходного процесса принималась равной 5 ? Т2. Анализ переходных процессов производился при значениях управляющих опций OrCAD по умолчанию. При этом фиксировалось общее время моделирования (Total Job Time, 7]_т). Результаты эксперимента приведены в табл. 6.6 и на графике (рис. 6.15).

Рис. 6.15. Общее время моделирования схемы (7]г) в зависимости от отношения постоянных времени Т2/Т1

Таблица 6.6. Общее время моделирования схемы (Tjt) в зависимости от отношения постоянных времени Т2/Т1

* На компьютере Pentium III 1000 МГц, ОЗУ 512 Мб за 1 час 10 минут завершить моделирование не удалось.

Примерами очень «быстрых» и очень «медленных» процессов могут быть колебания, частоты которых существенно различаются, длительный импульс с очень коротким фронтом и т. д. Для предотвращения проблем, связанных с невозможностью завершить процесс моделирования, необходимо проанализировать моделируемую схему и путем исключения соответствующих элементов схемы или изменения их параметров уменьшить отношение соответствующих постоянных времени.

Ограничение по верхнему пределу частоты

Собственно, программа PSpice не имеет частотных ограничений, но различные модели могут вести себя неадекватно на высоких частотах (вообще говоря, эти частоты для различных моделей различны). PSpice содержит несколько высокочастотных моделей, таких как радиочастотные транзисторы фирмы Motorola.

Однако пользователи должны быть осведомлены о следующих ограничениях при моделировании своих схем [26]:

• • пассивные элементы (R, L, С) идеальны, то есть, они не включают паразитных элементов и имеют независимую от частоты добротность. При моделировании на высоких частотах, часто необходимо уточнять паразитные элементы и значения их параметров. Если такие модели будут использоваться для моделирования переходных процессов, то частотный диапазон должен включать очень низкие и очень высокие частоты. В этом случае задание фазы является обязательным, включая информацию о задержках. Их также необходимо учитывать при моделировании полупроводниковых устройств. С учетом гибкой структуры PSpice пользователи могут легко создать собственные библиотеки, в которых паразитные элементы будут добавляться автоматически;
• • существуют длинные линии, модели которых не основываются на их геометрических размерах. Такие длинные линии должны моделироваться параметрами R, L, G, С, отнесенными к единице длины. PSpice модели длинных линий являются распределенными, а не сосредоточенными и позволяют получать частотную зависимость для R и G при моделировании поверхностного эффекта и диэлектрических потерь.

Таким образом, частотные ограничения должны учитываться пользователем при построении конкретных моделей. Как правило, такие ограничения возникают при учете паразитных параметров или элементов с параметрами, значения которых очень малы.

Кроме перечисленных в этой главе причин, вызывающих неудачи при моделировании, необходимо принимать во внимание проблему конвергенции (см. главу 5) и правильность вычисления начального приближения (см. п. 3.2.2).

Глава 7