• For english, click here.
  • Mustafa Başer' in hazırladığı bir diğer alıştırma için buraya tıklayın
Qucs Alıştırması - DC Parametre Süpürüm Simülasyonu
          Bu alıştırma, özellikle benim gibi öğrencilere edinilmesi neredeyse imkansız olan ticari simülatörlerden bağımsız ve açık kaynak kodlu bir yazılımın tanıtılmasını amaçlamaktadır. Bu belgede anlatılacak olan şey, bir nMOS alan etkili transistörün Vgs' sini sabit tutarken Vds' sini 0-Vdd arasında süpürmek ve transistörün karakteristik I-V eğrisini çizmektir. Qucs' un ana sayfasında nazari ve uygulamalı pek çok yararlı belge bulunmaktadır. Bu alıştırmanın sonunda ulaşılacak durumu önceden görmek için yandaki resme tıklayınız. DC analizi, parametre süpürümü ve eşitlik işlevleri kullanılacaktır. Bu belgede anlatılan proje buradan indirilebilir (kullanıcının ev dizinindeki .qucs adlı dizinin içine kopyalayın).
          Bu uygulama resmi olarak Onur ve Özgür Çobanoğlu kardeşler tarafından 30 Aralık 2005 itibarı ile Türkçe' ye çevrilmiştir. Qucs 0.0.7 üzeri için bu Türkçe dil seçeneği, paket ile birlikte gelmektedir. Eğer bu sürümden daha eski bir sürümü kullanıyorsanız o zaman qucs_tr.qm dosyasını "/usr/local/share/qucs/lang/" altına kopyalayın ve LANG çevresel değişkenini "tr_TR" olarak atayın (komut satırında "export LANG=tr_TR" çalıştırın ya da bu komutu .bashrc ve ya eşdeğeri bir başlangıç betiği içine koyun). Qucs çalıştırıldığında Türkçe olacaktır. Eğer *.qm dosyaları işletim sisteminizde belirtilen yerde değilse "locate qucs_" komutu ile nerede bulunduklarını belirleyebilirsiniz; bu durumda dosyanın o dizine kopyalanması gerekecektir.

Qucs' un bilgisayarınıza kurulu olduğunu varsayarak, uygulamayı başlatın (kurulum bilgileri için uygulamanın sayfasına göz atabilirsiniz). Kullanıcı dostu ana pencere görünecektir. Burada Proje, İçerik ve Bileşenleer sekmeleri özellikle çok önemli; bünyelerinde pek çok işlevi barındırmaktadırlar.
Yeni bir proje oluşturun; devrelerimiz bu proje içinde bulunacak. Ben silBeni adını verdim kendi projeme.
silBeni projesine çift tıkladığınızda proje acılır ve İçerik sekmesinde Şemalar, Veri Göstergeleri ve Verigrupları satırları görünür. Bunlar sırasıyla devrelerimizi, çizdirilecek simülasyon parametrelerini ve veri gruplarını/setlerini içerecektir. Şu anda "isimsiz" adlı boş bir devre giriş sekmesi bizi beklemekte.
Bileşenler sekmesini kullanarak, resimde görülen devreyi oluşturun :
  • lineer olmayan bileşenler > n-MOSFET
  • sınıflandırılmamış bileşenler > toprak
  • kaynaklar > dc gerilim kaynağı
  • simülasyonlar > dc simülasyon
  • simülasyonlar > parametre süpürüm
Devre elemanlarını, üzerinde NAME yazılı düğmenin hemen solundaki iletim hattı düğmesini kullanarak birbirine bağlayın.


Bileşenlerin (devre elemanları ve simülasyonlar) parametrelerini atayacağız şimdi. V2 ideal dc gerilim kaynağının üzerinde çift tıklayın ve resimde görüldüğü gibi U değişkenini Vsupur olarak atayın. Bu, bizim süpürmek istediğimiz parametre. Aynı şeyi V1 için de yapın ama bu sefer değer olarak Vsüpür yerine 0.6 V atayın. (Dikkat: Uygula düğmesini her değişiklikten sonra kulanmalısınız aksi takdirde yalnız Tamam düğmesini kullanmak yapılan ayarları uygulamaya sokmaz; ben QucsV07 kullanıyorum)
nMOS parametrelerinin atanması. Transistör üzerinde çift tıklayın ve transistör davranışının model parametrelerini görün. Lamda parametresini 0.4 olarak atayın. Bu parametre kanal uzunluğu modülasyon parametresidir ve bu alıştırmada özellikle Qucs-eşitlik işlevinin gösterilmesinde kullanılacaktır. Eğer bu parametre ilk değerinde tutulursa, yani 0, mükemmel bir I-V eğrisi oluşacaktır. Parametre listesinde görüldüğü gibi, tüm model değişkenleri ya 0 ya da 1' dir ve bu değerler özellikle atanmadıkları takdirde etkisizdir. Qucs' un en kullanışlı işlevlerinden birini oluşturur çünkü kullanıcı hangi model değişkeninin hangi çıkış davranışına (simülasyon sonucuna) neden olduğunu izleyebilir.
DC simülasyon parametrelerinin atanması. İlgili kutu üzerinde çift tıklayın ve DC simülasyonu için kullanılan parametreleri görün. Ben resimde görülen deggerleri hiçdeğiştirmedim çünkü öntanımlı değerler pekçok simülasyon için uygun. Dikkat: DC1 ismi önemli; bir sonraki adımı görün.
Parametre süpürüm değiskenlerinin atanması. Devre şemasında ilgili kutunun üzerinde çift tıklayın ve resimdeki pencereyi görün. Simülasyonun adını DC1 olarak atayın; bu, Qucs' a süpürüm esnasında ihtiyaç duyacağı değerlerin DC1 nesnesi tarafından hesaplanacağını ve dolayısıyla gerekli sonuçları bu nesneye sorması gerektiğini anlatır. Süpürülen parametreyi Vsupur olarak atayın; bu süpürülmesini istediğimiz değiskendir ve devre şemasındaki V2 ideal dc gerilim kaynağının değerini teşkil eder. Ben Vdd' yi 1.5 volt olarak belirledim (zorunlu değil ama benim nedim şuydu : en son kullandığım teknoloji IBM-130nm idi ve burada Vdd, 1.5 Volttu) Başlangıç-Bitiş değerlerini atayın ve adiim sayısının kendiliğinden hesaplandığını görün. Bu simülasyonumuzdaki çözme gücünü oluşturur. Bu sayı ne kadar büyük olursa o kadar çok beklersiniz :) fakat sonuç da bi o kadar iyi olur.
Simülasyon > Simüle Et kullanarak (ya da F2' ye basarak) oluşturulan devreyi çalıştırın. Eğer herşey yolunda gittiyse, simülasyon mesajlarını Simülasyon > Son Mesajları Göster kullanarak okuyabilirsiniz. Resimde görülene dayanarak simülasyonumuzda hata olmadığını görüp bir sonraki adıma geçin.
Yıldırım hızıyla başlayıp biten simülasyon aşamasından sonra (*.dpl adında yeni bir sekme oluşur) sırada izlenmek istenen değişkenlerin çizdirilmesi gerekir. Bunun için üzerine grafik koymamızı bekleyen yeni bir sekme oluşur.

Bileşenler > Diyagramlar sekmesini kullanarak şekilde görüldüğü gibi bir kartezyen nesnesi seçilir ve boş alanda tıklamak yoluyla yeni sekme üzerine konur. Bu boş grafik nesnesi üzerine çift tıklayın ve bir sonraki adıma geçin.
Burada, çizilebilir değişkenleri solda ve çizilmek için seçilmiş değişkenleri sağda görebilirsiniz. Örnek olarak V2.I üzerinde çift tıklayın ve sağ tarafa geçtiğini görün. Bu değişken V2 ideal dc gerilim kaynağının üzerinden geçen akım anlamiindadır. Renk, Kalınlık ve Biçim gibi önemsiz özellikleri de seçip Uygula düğmesini kullanın. (Ayrıca, grafiğin sınırlarını da elle belirlemek mümkündür - Sınırlar sekmesi (grafiklerde özellikle belirli bir bölgeyi daha ayrıntılı görmek için); fakat zaman zaman çok can sıkıcı olabilecek bu tür ayrıntılı bir işleme bu alıştırma boyunca ihtiyaç duymayacağız)
Ve grafik karşımızda! Akımın yönü onu ne şekilde çizdiğinize bağlıdır. Bu, V2 gerilim kaynağından çekilen akımdır ve yönü negatiftir. Dikkat edilmelidir ki transistörün doyum öncesi ve sonrası arasındaki geçiş, bizim beklediğimiz kadar yumuşak değil. Bunun nedeni temel olarak DC süpürüm simülasyonunda adım sayısı olarak atadığımız değerin gerekenden çok küçük olmasıdır. Bunu sonra düzelteceğiz.
Üzerinde M1 yazan düğmeyi kullanarak grafik üzerine işaretleyici koymak mümkündür. Tam bu noktada, eğri üzerinde seçilen iki noktayı kullanarak lamda parametresinin 0.4 olduğunu teyyid edebilirsiniz. Qucs' un bana göre en kullanışlı olduğu yerlerden biri bu; sizin el ile yaptığınız hesapta bulduğunuz sonucun tam olarak aynısını verir (normalde devre elemanlarının davranışını modellemek için kullanılan matematiksel altyapı fazlasıyla karmaşıktır ve hiçbir durumda simülasyon sonucu el ile yapılan hesaba uymaz sadece benzerlik gösterir; bu modeller ise gerçek devre elemanları kullanılarak ters-mühendislik yoluyla elde edilir ve teknolojiye hastır). Bazen bu karmaşıklık nedeniyle, herşeyin kontrol altında olduğu ilk aşmadaki tasarım zevkini kaybedersiniz.

Yukarıda bahsedilen teyyid işleminin naşıl yapıldığını görmek için, hazırladığım bir diğer alıştırmayı görebilirsiniz. Ticari bir simülatör kullanıldı fakat fikir tamamen aynı; bu alıştırmada özellikle Method#1' i görün.

Bu alıştırmada da aynısını uygulayacağız; en sonda. Qucs-eşitlik işlevini kullanacağız. Bir sonraki adıma geçin.
Sonucu iyileştirmek için Sayıyı 160 yapın; daha önce yaptığınız gibi Parametre Süpürüm Simülasyon kutusuna çift tıklayıp resimdeki pencereye ulaşın. Adım hanesi kendiliğinden hesaplanacaktır. Yeni değerleri atamak için Uygula düğmesini kullanmayı unutmayın.
Tekrar simüle edin ve bu sefer geçişin daha yumuşak olduğunu görün. [Lamda' yı 0 yapın (transistörün üzerinde çift tıklayıp parametre listesine ulaşın) ve mükemmel I-V eğrisini görün, resimde görülen aynı pencere içinde.]
Uygulama ile oynayın; bir aleti öğrenmenin en iyi yolu onu kullanmaktır. Tüm diyagram çeşitleri tüm veri tipleriyle uyumlu olmayabilir; fakat ben burada örnek olması açısından bir Tablo nesnesi yardımıyla resimde üstteki eğrinin sayısal değerlerini görmek istedim. Bileşenler > diyagramlar > Tablo kullanarak daha önce Kartezyen grafik için yaptığınız gibi V2.I değişkenini seçin ve tabloda aşağı yukarı hareket edin.
Qucs-Eşitlik İşlevinin Kullanımı : Üzerinde NAME yazan düğmenin sağındaki düğmeyi kullanarak bir eşitlik koyun, devre şeması sekmesinde iken.

Teorik Hatırlatma : Sadeleştirilmiş oluk-kaynak (Ids) doyum akımı ifadesini hatırlayın :

bu lamda için çözülürse aşağıdakine ulaşılır :

Bu eşitliği, lamdayı Vds' nin bir işlevi olarak çizerken kullanacağız. Eşitlik kutusunun üzerinde çift tıklayın ve bir sonraki adıma geçin.
Eşitlikleri girin. Pencerenin sağ tarafında, iki girdi alanı bulunur. Yukarıdaki girilmek istenen eşitliğin sol tarafını ve aşağıdaki alan da sağ tarafını göstermektedir. Resimde görülen iletişim penceresinde Id=V2.I' nin anlamı, Id değişkenini V2 ideal dc gerilim kaynağı üzerinden akan akımı ifade etmek için kullanacağımızdır. Bu Id değişkeni ise lamda değişkeni içinde kullanılacaktır. Burada diff, Qucs' un sunduğu matematiksel işlevlerden biridir (türev). Daha ayrıntılı işlev listesi için Qucs kullanım kılavuzunu görün.
Devreyi tekrar simüle edin. Simülasyon sırasında bu sefer, eşitlikler de işleme sokulacaktır. Daha önce en az iki kez yaptığınız gibi yeni bir grafik oluşturun ve bos grafik üzerinde çift tıklayın; resimdeki pencereye ulaşın. Resimdeki pencerede görüldüğü gibi soldaki çizilebilecek değişkenler listesi eşitlikte tanımladığımız değiskenleri de içermekte. Lamdayı, çift tıklamak yolu ile seçin ve Uygula düğmesini kullanın.
Sonuç, yeşil eğridir. Transistörün lamdası bizim en başta atadığımız gibi hemen hemen tüm grafik boyunca 0.4. Resimde görüldüğü gibi grafikler, devre şeması sekmesine de konabilir. Bu şekilde herşey aynı sayfada görülebilir. Aynı işlemin bu sefer ticari bir simülatör ile nasıl yapıldığını görmek için buraya tıklayın; bu alıştırmada özellikle ikinci yolu görün.
 
Özgür Çobanoğlu