תוכנת סימולציה אנלוגית (SPICE) שתעשה לך את החיים קלים DIGITAL MEANS NOTHING WITHOUT LINEAR

מייצבים לינאריים מתקשים לעתים להתמודד עם תופעות מעבר, שינויי מתח פתאומיים, אדווה וקפיצות.

מתכננים נוטים לבחור במייצבים לינאריים כדי לבצע ייצוב “וניקוי” ליציאות של מייצב המיתוג (Post Regulation). יתרונותיה של גישה זו כוללים שיפור ביציבות, בדיוק ובתגובת הטרנזיינט, לצד עכבת יציאה נמוכה יותר. בתנאים אידיאליים תתלווה ליתרונות אלו גם הפחתה באדווה ובקפיצות המתח שמחולל מייצב המיתוג.
בפועל, לעומת זאת, לכל המייצבים הלינאריים יש קושי כזה או אחר עם קפיצות ואדווה, ובמיוחד כאשר התדר עולה. הפרשי המתחים בין היציאות לכניסות הקטנות של המייצבים מחמירים את ההשפעות הללו; מצב זה הוא בעייתי במיוחד כיוון שיש צורך בהפרשים הקטנים אם רוצים לשמור על נצילות גבוהה.
קבלי מסנן כניסה מקלים על תופעות האדווה והקפיצות לפני שאלה מופיעים במייצב. קבל מוצא שומר על עכבת מוצא נמוכה בתדרים גבוהים, משפר את תגובת הטרנזיינט בעומס, ומספק פיצוי תדר עבור מייצבים מסוימים. מטרות נלוות הן צמצום הן של הרעש והן של הופעת תוצרים של שארית כניסה ביציאת המייצב. תוצרים אלה הם בעייתיים כיוון שרכיבי התדר הגבוה הללו הם אמנם בעלי משרעת קטנה, אבל עלולים לגרום לבעיות בוידאו רגיש לרעש, בתקשורת ובסוגים נוספים של מעגלים. המתכננים פורסים מספר גדול של קבלים ו”פטנטים” נוספים כדי למנוע את האותות הבלתי רצויים הללו ואת התוצרים שהם גוררים עמם. האותות הללו אמנם עיקשים במיוחד ולעתים נראה כי הם עמידים בפני כל טיפול ואמצעי, אך המפתח להתמודד עמם הוא להבין את התופעה לעומק.
מייצב מיתוג בעל תוכן מוצא AC דינאמי כולל אדוות תדר נמוך בתדר השעון של מייצב המיתוג, לרוב בין 100 קה”צ ל-3 מה”צ, ו”קפיצות” תדר גבוה הקשורות לתזמונים של מתג ההספק. אספקת האנרגיה של מייצב המיתוג מתרחשת בפולסים ולכן יוצרת את האדווה. קבלי המסנן מחליקים, אך לא מעלימים לגמרי, את תוכן ה-ac. הקפיצות, שלעתים קרובות יש להן תוכן הרמוני המתקרב ל-100 מה”צ, נובעות מאלמנטים של הספק בעלי מיתוג מהיר ואנרגיה גבוהה הקיימים בתוך מייצב המיתוג. האטה של קצב החזרה ותזמוני המעבר של המייצב יכולים לצמצם באופן ניכר את משרעת הקפיצות והאדווה, אך במקביל ממדי האלמנטים המגנטיים יגדלו ונצילותם תפחת. המיתוג והשעון המהירים המאפשרים את השימוש ברכיבים פסיביים קטנים ויעילים הם גם אלו שמובילים להופעתם של קפיצות ואדוות מתח גבוה במייצב הלינארי.
המייצב טוב יותר בדחיית האדווה מאשר בדחיית הקפיצות בפס רחב. בדוגמה אופיינית, ביצועי הדחייה של מייצב לינארי LDO מדגם LT1763 הם 40 ד”ב של ניחות ב-100 קה”צ, ומגיעים ל-25 ד”ב ב-1 מה”צ. קבל מסנן היציאה, אשר סופג את הקפיצות, סובל גם הוא ממגבלות ביצועים כאשר מגיעים לתדרים גבוהים. התגובה הבלתי מושלמת של המייצב ושל קבלי המסנן, בשל פרזיטים של תדר גבוה, היא פשטנית מדי. אם כוללים אלמנטים פרזיטיים וכמה רכיבים חדשים זה מאפשר לראות את נתיב הייצוב תוך הדגשתם של אלמנטים פרזיטיים בתדר גבוה. חשוב מאד לזהות את האלמנטים הללו כיוון שהם מאפשרים התפשטות של אדווה ושל קפיצות לתוך היציאה המיוצבת נומינלית.
בנוסף, הבנה של הרכיבים הפרזיטיים מאפשרת לתכנן אמצעי מניעה שעוזרים להפחית את תוכן יציאת התדר הגבוה. המייצב כולל נתיבים פרזיטיים בתדר גבוה, שהם בעיקר קיבוליים, לאורך הטרנזיסטור ולתוך מגבר הייצוב והייחוס שלו. אלמנטים אלה משתלבים עם רוחב-פס שבח סופי של המייצב וביחד הם מגבילים את הדחייה בתדר גבוה. קבלי המסנן ביציאה ובכניסה כוללים השראות והתנגדות פרזיטית, מה שמקטין את האפקטיביות שלהם כאשר התדר עולה. קיבוליות מערך שחורגת מגבולותיה מספקת נתיבי הזנה בלתי רצויים נוספים. התנגדות נתיב ההארקה וההשראות מעודדות הפרשי פוטנציאל הארקה, מה שמוסיף שגיאות וגם מסבך את המדידה.
בנוסף מופיעים רכיבים חדשים שלא תמיד נקשרו עם מייצבים לינאריים, כמו משרנים או כדורי פריט. לרכיבים אלה נתיבים פרזיטיים בתדר גבוה, אך הם מסוגלים לשפר באופן ניכר את דחיית התדר הגבוה הכוללת של המייצב.

בניית סימולוטור אדווה/קפיצות
כדי להבין את הבעיה עלינו לבחון את תגובת המייצב לאדווה ולקפיצות. כשמבצעים בחינה כזו יש לשנות את הפרמטרים השונים, כמו תדר, תוכן הרמוני, משרעת, משך זמן ורמת dc כדי להגיע למסקנות על תגובת המייצב בעבודה אמיתית.
אמנם לא קיים תחליף להתבוננות בביצועי המייצב הלינארי בתנאי עבודה אמיתיים, אך סימולטור חומרה מקטין את הסיכוי להפתעות. הוא מחקה את יציאת מייצב המיתוג עם פרמטרים שניתן לשנות את הגדרתם, כדוגמת dc, אדווה וקפיצות.
התכנון משלב מחולל פונקציות מסחרי עם שני נתיבי אותות מקביליים כדי ליצור את המעגל. הוא משדר dc ואדווה על נתיב איטי יחסית ומעבד מידע על קפיצות בפס רחב באמצעות נתיב מהיר. שני הנתיבים הללו משתלבים בכניסה של המייצב הלינארי. יציאת ה-ramp הניתנת להגדרה הקיימת במחולל הפונקציות מזינה את נתיב האדווה/dc, המורכב ממגבר הספק ורכיבים נוספים. מעגל משולב מקבל את כניסת ה-ramp ואת נתוני ה-dc-bias ומפעיל את המייצב במבחן. L והנגד של 1W מאפשרים למעגל המשולב להניע את המייצב בתדרי אדווה מבלי לגרום לאי-יציבות.
באפשרותכם להוריד את תוכנת חינם- סימולציה (מאתר החברה) SWCADזאת היא תוכנת Directive SPICE עבור כל רכיבי LINEAR ומאפשרת מבט מקיף ומעמיק על רזי התכנון האנלוגי מדובר בתוכנה ידידותית ואין צורך בקורס SPICE. באפשרותכם לשרטט את המעגל ולראות את הסיגנלים בכל נקודה במעגל במישור הזמן. תדר!!! חישובי נצילות ועוד הרבה “דברים טובים”… בהחלט שווה לנסות! מתאים למתכננים דיגיטליים שרוצים לקבל רקע וקצת עומק בתיכנון אנלוגי וגם לאנשי תיכנון אנלוגי מנוסים שרוצים לעשות בדיקות “חכמות” לדוגמא
LOOP COMPENSATION OPTIMIZATION בטופולוגיות הספק כך שללא צורך בחישובים מסובכים התוכנה נותנת כאן פיתרון יפה וחוסכת הרבה זמן “מעבדה” אך אינה מחליפה את “החיים האמיתיים”. שוב צריך לראות שהתמונה נראית “ריאלית” והגיונית ולקחת את זה הלאה עד לווידוי תכנון (המודלים הם מודלים מתמטיים מדויקים שנכתבו ע”י אנשי ליניאר).
אנא נסו ותיהנו זה “לא נושך” וזה ייתן לכם פרספקטיבה יפה ומבט מקיף על כמעט כל נושא בתיכנון אנלוגי – פשוט “בוננזה”!!! ובחינם..
אני ממליץ בחום אשמח לשמוע תגובתיכם…