Divergencia LTSpice entre el análisis de CA y el análisis transitorio para ganancia de baja frecuencia

Se realiza una simulación en LTSpice (versión 4.23k)

Hay un inversor: Fig.1: esquemaFig.1: esquema

Entrada de pequeña señal de 1 mV.

Se ejecuta el análisis de CA. La ganancia de baja frecuencia (Vout/Vin) es de 20,69 dB (10,82 veces).

Se ejecuta el análisis transitorio (para el mismo esquema). La amplitud del componente de pequeña señal de Vout es 47,89 mV. Significa que la ganancia de baja frecuencia es 47.89.

Fig.2 Resultados de las simulaciones Fig.2 Resultados de las simulaciones

Significa que, para la ganancia de CC, el análisis de CA produjo 11x, mientras que el análisis transitorio produjo 48x. ¡¡¡Casi cinco de diferencia horaria!!!

1) ¿Puedes explicar la divergencia?

2) Después de esto, ¿podemos confiar en el análisis LTSpice AC?

El enlace a los archivos LTSpice está en los comentarios a continuación.

El enlace al modelo LTSpice: yadi.sk/d/p1a-6GlyrjLFn ¡Muchas gracias, amigos!
¿Ha realizado un barrido de CC para comprobar que la polarización de 2,5 V es en realidad el punto medio exacto de la transición en la función de transferencia de CC?
Como dice ThePhoton ... un inversor es un amplificador, y si elige el punto de operación correctamente, puede obtener ganancias muy grandes, pero esto depende mucho del punto de operación. Si proporciona retroalimentación a la entrada desde la salida para que el amplificador se polarice automáticamente, verá resultados más uniformes. Use una resistencia de alto valor si quiere hacer esto.
@The Photon: sí, lo hice. Es el punto medio. Como Adam Haun mencionó a continuación, también verificó esto.
@Sergej, por el momento no puedo explicar la discrepancia. Pero te puedo asegurar que el problema NO será causado por el simulador. En el 99,9% de todos los problemas similares es el usuario quien comete errores, suposiciones falsas o interpretaciones inapropiadas de los resultados. Para el mismo punto de operación, los análisis TRAN y AC darán los mismos resultados si (a) las amplitudes de TRAN son lo suficientemente pequeñas y (b) la frecuencia de operación es lo suficientemente baja como para no causar efectos no deseados (adicionales).
@LvW Gracias por tu aporte. Consulte a continuación la respuesta oficial de LTSpice. Dicen que el problema es el modelo BSIM Nivel 3 que quedó obsoleto hace 25 años y a menudo causa problemas como este. Entonces, esta vez este no es el error del usuario.

Respuestas (1)

Después de jugar con esto por un tiempo, creo que esto se debe a las diferencias en la forma en que se calculan los análisis transitorios y de CA. Obtuve resultados similares con diferentes voltajes de CA, resistencias de carga y diferentes modelos de MOSFET de MOSIS. También intenté poner los voltajes de CA y CC en serie y eliminar Rbig y Cbig en caso de que causaran problemas. Verifiqué que 2.5V es el sesgo de CC correcto para sus modelos.

Encontré poca concordancia entre la ganancia transitoria, la ganancia de análisis de CA y la ganancia de barrido de CC en el punto medio. El acuerdo fue mucho mejor (aunque no excelente) con una polarización de CC de 2,6 V, que tiene una ganancia de alrededor de 3.

Aquí está mi reproducción de la diferencia con los modelos MOSIS. Las ganancias fueron 59 para CC, 38 para transitorios y 23 para CA. Tenga en cuenta la escala vertical lineal en el gráfico de análisis de CA.

Esquemático

Análisis de CC que muestra el punto de polarización

Análisis de CC que muestra la ganancia

Análisis transitorio que muestra ganancia

Análisis de CA que muestra la ganancia

En cuanto a cuál es más correcto, parece depender de las circunstancias. Citando de un tutorial de SPICE :

El análisis de pequeña señal (AC) se realiza alrededor del punto de operación calculado utilizando el análisis OP y es exactamente igual que el análisis manual de pequeña señal. Dado que el circuito está linealizado para este análisis, el análisis no considera ninguna distorsión, saturación o intermodulación que pudiera ocurrir en el circuito real. El punto de operación se calcula automáticamente incluso si no se especifica el análisis OP.

De la página siguiente :

El análisis transitorio resuelve las ecuaciones diferenciales algebraicas no lineales completas de un circuito. Efectos como la distorsión no lineal, la intermodulación, la saturación, el recorte y las oscilaciones (comportamiento inestable) se pueden modelar con este análisis. Las ecuaciones se resuelven numéricamente por defecto utilizando el punto de operación como condición inicial.

Y aquí hay una cita de The Designer's Guide to SPICE and Spectre :

El análisis de CA calcula el comportamiento de señal pequeña de un circuito linealizando primero el circuito sobre un punto de operación de CC. Dado que los análisis de CA operan en una representación lineal invariable en el tiempo, los resultados calculados por los análisis de CA no pueden exhibir los efectos normalmente asociados con los circuitos no lineales y variables en el tiempo: distorsión y traducción de frecuencia. Sin embargo, los análisis de CA proporcionan una gran cantidad de información sobre el circuito linealizado y, por lo tanto, son invaluables en ciertas aplicaciones. También son, en general, mucho menos temperamentales que el análisis DC o transitorio. Los análisis de CA no están sujetos a los problemas de convergencia de CC y los problemas de precisión de los transitorios. Si los análisis de CA son inexactos, casi siempre se debe a que los modelos de los componentes son incorrectos.

ACTUALIZACIÓN: Según los comentarios de Placeholder, probé un estímulo de 10 nV para ver si había alguna mejora. La teoría detrás de esto sería que un estímulo más pequeño podría evitar volver a calcular el punto de operación durante el análisis transitorio, lo que alinearía los resultados con el análisis de CA linealizado. Cambié Rbig a 10MΩ y Cbig a 10mF cuando hice esto; Olvidé por qué. Desafortunadamente, los resultados son similares, a pesar de los problemas de cuantización obvios. La ganancia transitoria es de ~50 y la ganancia de CA es de ~10.

análisis de transitorios de 10 nV

Análisis de CA de 10 nV

ACTUALIZACIÓN 2: Sergei recibió una respuesta de Mike Engelhardt, el autor de LTSpice:

Descubrirá que la mayoría de los programas SPICE tienen problemas con la linealización de CA de nivel 3 (que es sobre lo que se informa la CA). He solucionado la mayoría de los problemas, pero quedan algunos. Es una de las razones por las que el nivel 3 quedó obsoleto hace 25 años. El nivel 3 ya no se usa en el diseño de circuitos integrados.

ACTUALIZACIÓN 3: Mike envió un mensaje de seguimiento:

Por cierto, puede agregar que buscaré si puedo mejorar el problema con el nivel 3 en su caso, y aprecio su vector de prueba, pero debe darse cuenta de que absolutamente cada vez que veo una pregunta de nivel 3 como esta, nunca hay ningún hardware involucrado. LTspice se trata del diseño de circuitos actual, no de buscar en archivos de modelos obsoletos.

Te estás perdiendo la parte sobre cómo el analista de transitorios realmente logra el modelado de efectos no lineales, etc. La matriz dispersa formada al comienzo de un análisis de transitorios será muy similar a la formada como parte del análisis de CA. Durante el análisis transitorio, el análisis de señales pequeñas continúa hasta el momento en que se determina que el OP se ha desplazado significativamente (que es un parámetro de simulación), momento en el que se calcula un nuevo OP, se realiza un nuevo análisis de señales pequeñas y se determina una nueva matriz. Así es como SPICE puede pasar el tiempo y modelar correctamente. Continuación
Continuación. SI luego usa un análisis transitorio con señales de excitación muy pequeñas, es posible que no cambie el OP lo suficiente como para causar este ciclo de recálculo. Si ese es el caso, entonces los resultados de CA serán muy similares a los resultados transitorios. Así que concluyo diciendo que es posible que sea solo la diferencia entre AC y .Tran, no se puede descartar que solo se deba a diferentes OP. Digo esto porque la excitación es muy pequeña aquí. Por supuesto, el autor de la publicación puede hacer que la herramienta descargue los puntos operativos calculados para compararlos.
Querido Adán. Muchas gracias por el modelado que ha realizado y la respuesta bien estructurada con enlaces. ¡Reconfirmaste la discrepancia! En resumen: 1) Los resultados de los análisis de CA y transitorios deben corresponder entre sí. Entonces, hemos detectado la inexactitud en los algoritmos numéricos de LTSpice que conducen a una discrepancia tan grande. Desde un punto de vista práctico, una diferencia tan grande es inaceptable, en mi humilde opinión. 2) Enviaré el error por correo electrónico a Linear Technology y responderé aquí si responden. Continuación
3) Intuitivamente, siento que la clave es el punto de operación incorrecto utilizado para el análisis de CA. Tenga en cuenta que cerca del punto medio, la derivada de la ganancia con respecto al voltaje de CC es alta (es decir, la ganancia es muy sensible a OP). Si tomamos un OP desplazado desde el punto medio de 2,5 V (por ejemplo, 2,3 V para entrada de CC), la discrepancia es menor (1,5x/1,4x para CA y transitorio, respectivamente). Lamentablemente, no tengo una herramienta para descargar el punto OP utilizado en AC, como sugirió el marcador de posición (también traté de buscarlo en Google sin éxito). Continuación
Adam, marcaré tu respuesta como solución a la pregunta mañana, a menos que nadie responda más. Estimado marcador de posición, muchas gracias por sus sugerencias sobre el punto de operación. PD: Estaba muy frustrado ayer, cuando me di cuenta de que mi simulador favorito producía basura. Sin embargo, después de que me has ayudado con esto, me siento bien mejor (:
@placeholder Sigo viendo la misma discrepancia (ganancia de CA de ~ 10, ganancia transitoria de ~ 50) incluso con una magnitud de 10 nV. Agregaré las parcelas a mi respuesta. El análisis de CC sugiere que la ganancia debe ser razonablemente constante dentro de un rango de ~ 30 mV, pero no sé qué tan confiable es eso.
Respuesta oficial de LTSpice (Mike Engelhardt) que recibí hace varios minutos: "Descubrirá que la mayoría de los programas SPICE tienen problemas con la linealización de CA de nivel 3 (que es sobre lo que se informa la CA). He solucionado la mayoría de los problemas, pero quedan algunos Es una de las razones por las que el nivel 3 quedó obsoleto hace 25 años. El nivel 3 ya no se usa en el diseño de circuitos integrados".
Entonces, tal como lo veo, la conclusión práctica de la situación es: no use modelos Spice Level 3 en análisis AC (al menos en LTSpice). Use modelos SPICE más nuevos para CA.
@SergeiGorbikov ¡Genial! He agregado la respuesta de Mike a la respuesta.
@Adam Haun Gracias. A continuación, se muestra una segunda respuesta de Mike Engelhardt (LTSpice), 7 p. Aprecio su vector de prueba, pero debe darse cuenta de que absolutamente cada vez que veo una pregunta de nivel 3 como esta, nunca hay ningún hardware involucrado. LTspice se trata del diseño de circuitos actual, no de buscar en archivos de modelos obsoletos".
Divergencia LTSpice entre el análisis de CA y el análisis transitorio para ganancia de baja frecuencia
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