Modelli PSPICE per programmi di simulazione. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / microcontrollori

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I computer stanno rapidamente diventando più economici, la velocità dei loro calcoli sta crescendo. Sono apparsi programmi eccellenti che consentono ai radioamatori di simulare e osservare sullo schermo del monitor processi in dispositivi reali, lavoro diretto con il quale richiederebbe strumenti di misurazione molto costosi. Ciò è particolarmente importante per i principianti, che, di norma, hanno solo un multimetro e, meno spesso, un semplice oscilloscopio.

I programmi più popolari tra i radioamatori sono MicroCap 5, Electronic Workbench, PSpice (PSpice è incluso nei pacchetti Design Center, DesignLab, OrCad-9). Possono sempre essere trovati sui laserdisc offerti dai mercati radiofonici. Ciò che manca su questi dischi sono i modelli di componenti radioelettronici domestici e importati per tali programmi. E questa è una ricchezza notevole, soprattutto se i modelli sono preparati da professionisti e verificati.

Storicamente, il programma PSpice è stato il primo ad apparire: lo sviluppo della MicroSim Corporation nei primi anni '70. Da allora è stato intensamente sviluppato e, grazie alla semplicità del linguaggio di input e all'affidabilità degli algoritmi utilizzati, è diventato una sorta di standard per tali sistemi. Pertanto, altri programmi utilizzano il linguaggio di input PSpice. Componenti del modello PSpice o contengono il nucleo di questo programma. In effetti, molte di esse sono comode shell che consentono di scrivere un'attività nel linguaggio naturale per i radioamatori: il linguaggio dei circuiti elettrici. Questo è molto comodo, poiché la lingua di input "nativa" del programma PSpice è un file di testo in codici ASCII, che richiede molto lavoro manuale, molto laborioso e spesso accompagnato da errori.

Tuttavia, c'è un'area in cui la lingua di input di PSpice è indispensabile. Buoni modelli di componenti ad alta velocità per questi programmi sono scritti nel linguaggio PSpice. Nei paesi sviluppati, i produttori di circuiti integrati devono sviluppare e pubblicare modelli PSpice dei loro dispositivi, altrimenti non verranno utilizzati. Non ci sono ancora tali tradizioni in Russia. Pertanto, le librerie esistenti di modelli PSpice non soddisferanno certamente i radioamatori e la creazione dei propri modelli di componenti può diventare una possibile direzione per la creatività dei radioamatori. Dimostriamo con semplici esempi che questo è abbastanza semplice.

Affinché tutto sia più chiaro, affrontiamo la terminologia di PSpice.

• Schema elettrico: una rappresentazione grafica condizionale di componenti elettronici e collegamenti elettrici tra loro su una sorta di supporto di carta.
• Un nodo è un punto di connessione elettricamente comune per i terminali dei componenti del circuito.
• Componente - un'unità circuitale utilizzata nella descrizione dei circuiti elettronici. di norma, corrispondente al dispositivo effettivamente prodotto dall'industria. Un componente è composto dal suo nome, immagine grafica e modello, completo di parametri.
• Un modello è una descrizione matematica di un componente che ne descrive il funzionamento con una precisione accettabile per scopi pratici.
• Modello integrato: un modello la cui descrizione è definita nel corpo del programma PSpice.
• Macromodello: consiste in un insieme di componenti topologicamente correlati con modelli incorporati. All'interno di un modello macro possono essere utilizzati altri modelli macro.
• Macromodello standard: un macromodello per il quale viene fornito un programma regolare in grado di generare automaticamente un macromodello di un componente in base ai parametri del passaporto. Quindi, ad esempio, amplificatori operazionali e comparatori in PSpice hanno modelli macro standard.
• Definisci modello: imposta i parametri corrispondenti a un particolare componente.
• I parametri sono costanti numeriche che adattano il modello ideale alle proprietà di un dispositivo reale.
• Un prototipo è un modello già esistente che viene utilizzato come fonte di parametri per un componente appena creato. I prototipi sono convenienti da usare quando si crea un gruppo correlato di componenti con una differenza solo nei singoli parametri.
• Un componente ideale è un componente che utilizza un modello con parametri predefiniti.
• Libreria: uno o più file che contengono modelli e macromodelli di componenti.
• Attività di simulazione: un file di testo in codici ASCII contenente comandi nella lingua di input del programma PSpice.

È chiaro che per creare un componente basato su un modello integrato o un modello macro standard, è necessario definirne i parametri. Per questo esistono programmi speciali che, in base ai parametri del passaporto per un componente specifico, consentono di generarne il modello. Il lavoro è molto di routine e richiede dati di riferimento dettagliati sui componenti. Nei libri di riferimento pubblicati sui radioelementi, di regola, non ci sono informazioni complete. Quindi devi eseguire alcune misurazioni indipendenti o consultare i produttori di elementi radio. Questo processo è descritto in dettaglio in [1-3]. Sfortunatamente, nelle versioni DEMO, tali programmi funzionano con limitazioni, consentendo di creare solo modelli di diodi.

Ma c'è una via d'uscita. Esiste un numero enorme di tali modelli nelle librerie allegate alla distribuzione e non è difficile trovare un analogo per gli elementi domestici assegnandogli un nuovo nome e modificandolo di conseguenza. Puoi lavorare con librerie, modificare e copiare modelli utilizzando qualsiasi editor di testo.

Inoltre, per i radioamatori che parlano linguaggi di programmazione, come BASIC, non sarà un grosso problema scrivere il proprio programma per calcolare i parametri dei modelli PSpice secondo i parametri del passaporto. Le relazioni tra caratteristiche del passaporto e parametri del modello possono essere trovate in [1-3]. L'autore prevede di creare una tale utilità, adattata per le directory domestiche. È abbastanza ragionevole impostare il compito di scrivere programmi generatori per tali macromodelli PSpice, la cui creazione non è prevista nei normali programmi.

Un altro compito interessante per i radioamatori sarebbe la creazione di un dispositivo di misurazione automatizzato a un computer che genererebbe i parametri dei modelli PSpice o macromodelli da campioni di controllo, e anche con la possibilità di elaborazione statistica. I radioamatori hanno esperienza nella creazione di dispositivi di misurazione che possono essere collegati a un PC.

Resistori, condensatori, induttori, diodi, transistor, circuiti magnetici, linee di comunicazione, sorgenti di tensione e corrente, un set base di elementi digitali e alcuni elementi idealizzati hanno modelli incorporati.

Ma cosa succede se non esiste un modello già pronto di alcun componente. Quindi devi essere in grado di sviluppare i tuoi macromodelli. E qui le possibilità di PSpice sono davvero infinite. I primi elementi costitutivi dei macromodelli sono i modelli incorporati. A causa dei limiti dell'articolo di giornale, parleremo solo di quelli. che verrà utilizzato negli esempi.

Per cominciare, un po' sulle caratteristiche dei programmi nel linguaggio PSpice.

• La prima riga del programma è un commento.
• Simboli "*" (asterisco) e ";" (punto e virgola) denotano righe con commenti o commenti in righe di programma.
• Il simbolo (più) è un'interruzione di riga, utilizzata per le istruzioni lunghe.
• Simbolo "." (punto) - l'inizio della direttiva di linea che controlla il processo di modellazione.

Le restanti righe si riferiscono alla descrizione della topologia e dei componenti.

I commenti svolgono un ruolo di supporto. Le direttive controllano il corso del processo computazionale, l'accesso a modelli e macromodelli e l'output dei risultati della simulazione. Le righe di descrizione della topologia definiscono formalmente il circuito elettrico del dispositivo, indicando i nodi di connessione dei pin dei componenti ed i loro modelli.

MODELLI E GRAFICA PSPICE

Per utilizzare il modello Pspice creato in programmi che dispongono di una shell grafica sviluppata, ad esempio MicroCap 5 o DesignLab, è necessario, utilizzando le funzionalità di servizio di questi pacchetti, includerlo nelle librerie PSpice esistenti e creare un grafico appropriato simbolo, preferibilmente secondo GOST. L'ulteriore lavoro con il nuovo componente non sarà diverso da quelli esistenti.

CREAZIONE DI COMPONENTI ANALOGICI CON UN MODELLO INCORPORATO

I parametri dei componenti analogici con un modello incorporato sono indicati in due modi: direttamente su una frase che descrive la posizione del componente nel circuito; utilizzando la direttiva .MODEL, che descrive i modelli dei componenti incorporati.

La forma generale della descrizione del modello:

.MODEL <nome componente> 1AKO:<nome modello prototipo>] <nome tipo modello> ([<parametri modello>=<valore> [<specifica diffusione casuale valore parametro>]1 [T_MEA-SURED=<valore>] [[ T_AB8=<valore>] o [T_REL_GLOBAC=<valore>] o [T_REL_LOCL=<valore>]])

dove: <nome componente> è il nome di un dispositivo specifico, ad esempio: RM. KD503. KT315A;

[ACO:<prototype model name>] - definizione di un modello usando un prototipo esistente (questo riduce la dimensione della libreria). Nella descrizione vanno indicati solo i diversi parametri;

<nome del tipo di modello> - nome standard del modello ideale integrato (Tabella 1);

[<parametri modello>=<valore> [<specifica diffusione casuale valore parametro>]]: tra parentesi indica l'elenco dei valori dei parametri del modello del componente. Se questo elenco è mancante o incompleto, i valori dei parametri del modello mancanti vengono assegnati per impostazione predefinita. Ogni parametro può assumere valori casuali rispetto al suo valore nominale, ma questo viene utilizzato solo nell'analisi statistica.

I parametri di molti modelli dipendono dalla temperatura. Esistono due modi per impostare la temperatura dei componenti passivi e dei dispositivi a semiconduttore. Innanzitutto, la direttiva .MODEL specifica la temperatura alla quale vengono misurati i parametri T_MEASURED=<valore> inclusi in essa. Questo valore sovrascrive la temperatura TNOM impostata dalla direttiva .OPTIONS (default 27°C). In secondo luogo, è possibile impostare la temperatura fisica di ciascun dispositivo, sovrascrivendo la temperatura globale impostata dalle direttive .TEMP, .STEP TEMP o .DC TEMP. Questo può essere fatto con uno dei seguenti tre parametri: T ABS - temperatura assoluta (default 27°C); T_REL_GLOBAL - differenza tra temperatura assoluta e globale (default - 0), quindi T_ABS = temperatura globale + T_REL_GLOBAL, T_REL_LOCL - temperatura relativa, la temperatura assoluta del dispositivo in studio è uguale alla temperatura assoluta del prototipo più il valore del parametro T_REL_LOCL

Tutti i parametri del modello sono indicati in unità SI. Per abbreviare il record vengono utilizzati prefissi speciali (Tabella 2). È consentito aggiungere caratteri alfabetici per migliorare la chiarezza delle designazioni, ad esempio 3, ZkOhm, 100pF, 10uF, 144MEG, WmV.

La forma per descrivere l'inclusione di un componente in un circuito:

<primo carattere + continua > elenco di nodi> [<nome modello>] <opzioni>

Una descrizione di un componente è qualsiasi stringa che non inizia con il carattere "." (punto).

Il nome del componente è costituito dal primo carattere standard (Tabella 3), che definisce il tipo di componente, e da una continuazione arbitraria di non più di 130 caratteri.

I numeri dei nodi di connessione dei componenti nel diagramma sono elencati in un ordine specifico stabilito per ciascun componente. Nome modello: il nome del modello del componente il cui tipo è definito dal primo carattere.

Successivamente, è possibile specificare i parametri del modello del componente.

RESISTORE

La forma della descrizione dell'inclusione di un resistore nel circuito:

R<nome> <nodo(+)> <nodo(-)> [<nome modello>] <valore di resistenza>

Modulo di descrizione del modello:

.MODEL <nome modello> RES(<parametri modello>)

L'elenco dei parametri del modello del resistore è riportato in Tabella. quattro.

Esempi: RL30 56 1.3K; Resistenza RL da 1,3 kΩ collegata ai nodi 30 e 56.

R2 12 25 2.4KTC=0.005, -0.0003; resistenza R2 da 2.4 kΩ collegata ai nodi 12 e 25 e avente coefficienti di temperatura TC1 = 0.005 °C-1 TC2 = -0.0003 °C-2. R3 3RM 13K

.MODEL RM.RES (R = 1.2 DEV = 10% TC1 = 0.015 TC2 = -0.003): resistenza R3 da 12 kΩ collegata tra i nodi 3 e 13. °С-1 ТС0,015 = 1 °С-2; R è il coefficiente di proporzionalità tra il valore di resistenza utilizzato nella simulazione e il valore nominale specificato.

I modelli di un condensatore e un induttore sembrano simili.

CONDENSATORE

La forma della descrizione dell'inclusione di un condensatore nel circuito:

C<nome> <nodo(+)> <nodo(-)> (<nome modello>) valore capacità>

Modulo di descrizione del modello:

.MODEL <nome modello> CAP (<parametri modello>)

L'elenco dei parametri del modello del condensatore è riportato in Tabella. 5.

Esempi: C1 1 4 10i; il condensatore C1 con una capacità di 10 uF è collegato tra i nodi 1 e 4.

C24 30 56 100pp. il condensatore C24 con una capacità di 100 pF è collegato tra i nodi 30 e 56.

INDUTTORE

La forma della descrizione dell'inclusione della bobina nel circuito:

l <nodo(+)> <nodo(-)> (<nome modello>] Valore induttanza>

Modulo di descrizione del modello:

.MODEL <nome modello> IND (<parametri modello>)

L'elenco dei parametri del modello di induttore è riportato nella tabella. 6.

Esempio: L2 30 56 100u; la bobina L2 con un'induttanza di 100 μH è collegata tra i nodi 30 e 56.

DIODE

La forma della descrizione dell'inclusione del diodo nel circuito:

D<nome> <nodo(+)> <nodo(-)> [<nome modello>]

Modulo di descrizione del modello:

.MODEL <nome modulo> D [<parametri modello>)

L'elenco dei parametri del modello di diodo è riportato in Tabella. 7.

Esempi di modelli di diodi domestici:

.MODELLO KD503A D (IS=7.92E-13 + RS=2.3 CJO=1.45p M=0.27 + ТТ=2.19Е-9 VJ=0.71 BV=30 + IBV=1E-11 EG= 1.11 FC=0.5 XTI=3 + N=1.JJ)

.MODELLO KD522A D (IS=2.27E-13 + RS=1.17 CJO=2.42p M=0.25 + TT=2.38n VJ=0.68 BV=50 IBV=1E-11 + EG= 1.11 FC=0.5 XTI=3 N= 1)

.MODELLO KD220A D (IS=1.12E-11 + N=1.25 RS=7.1E-2 CJO=164.5p + TT=1.23E-9 M=0.33 VJ=0.65 BV=400 + IBV=1E-11 EG=1.11 FC=0.5XTI=3)

.MODELLO KD212A D (IS=1.26E-10 + N=1.16 RS=0.11 CJO= 140.7p M=0.26 + TT-J.27E-8 VJ=0.73 BV=200 + IBV= 1E-10 EG-1.JJ FC=0.5 XT1=3)

.MODELLO KS133A D (fS=89E-15 + N=1.16 RS=25 CJO=72p TT=57n + M=0.47 VJ=0.8 FC=0.5 BV=3.3 IBV=5u + EG=1.11 XTI=3).MODELLO D814A D (IS=.392E- J2 + N=1.19 RS=1.25 CJO=41.15p + TT=49.11n M-0.41 VJ=0.73 FC=0.5 + BV=8 IBV=0.5u EG=1.11 XTI=3)

.MODELLO D814G D (IS=.1067E-12 + N=1.12 RS=3.4 CJO=28.08p + TT=68.87n M=0.43 VJ=0.75 FC=0.5 + BV^11 IBV= 1 e EG= 1.11 XTI=3 )

TRANSISTOR BIPOLARE

La forma della descrizione dell'inclusione di un transistor bipolare nel circuito:

0<nome> <nodo raccoglitore> <nodo base> <nodo emettitore> [<nome modello>)

Modulo di descrizione del modello:

.MODEL <nome modello> NPN [<parametri modello>); transistor bipolare a struttura npn

.MODEL <nome modello> PNP [<parametri modello>'; transistor bipolare a struttura pnp

L'elenco dei parametri del modello a transistor bipolare è riportato in Tabella. otto.

TRANSISTOR DI CAMPO CON GIUNZIONE PN DI CONTROLLO

La forma della descrizione dell'inclusione di un diagramma del transistor ad effetto di campo 8:

o"<nome> <nodo di drenaggio> <nodo di gate> <nodo di origine> (<nome modello>]

Modulo di descrizione del modello:

.MODEL <nome modello> NJF [<parametri modello>], FET a canale n

.MODEL <nome modello> PJF [<parametri modello>]; Transistor ad effetto di campo a canale p

L'elenco dei parametri del modello di transistor ad effetto di campo è riportato in Tabella. 9.

Esempi di modelli a transistor:

.modello IDEAL NPN; transistor ideale.

.modello KT3102A NPN (ls=5.258f Xti=3 + Eg=1.11 Vaf=86 Bf=185 Ne=7.428 + lse=28.21n lkf=.4922 Xtb=1.5 Var=25 + Br=2.713 Nc=2 lsc=21.2 p lkr=.25 Rb=52 + Rc=1.65 Cjc=9.92lp Vjc=.65 Mjc=.33 + Fc=.5 Cje=11.3p Vje=.69 Mje=33 + Tr=57.7ln Tf=611.5p ltf =.52 Vtf=80 + Xtf=2)

.modello KT3102B NPN (ls=3.628f Xti=3 h Eg= 1.11 Vaf=72 Bf=303.3 Ne=l3.47 + lse=43.35n lkf=96.35m Xtb=1.5 Var=30 + Br=2.201 Nc=2 lsc =5.5p lkr=.1 Rb=37 + Rc=1.12 Cjc=11.02p Vjc=.65 Mjc=.33 + Fc"-.5 Cje=13.31p Vje=.69 Mje=.33 + Tr=41.67n Tf =493.4p W=.12 Vtf-50 + Xrf=2)

.modello KT3107A PNP (ls=5.2f Xti=3 + Eg= 1.11 Vaf=86 Bf= 140 Ne=7.4 lse=28n + lkf=.49 Xtb= 1.5 Var=25 Br=2.7 Nc=2 + lsc=21 p lkr=.25 Rb=50 Rc= 1.65 Cjc= 10p + Vjc=.65 Mjc=.33 Fc-.5 Cje=11.3p Vje=.7 + Mje=.33 Ti=58n Tf=62p ltf=52 Vtf= 80+xtf=2)

.modello KT312A NPN (ls=21f Xti=3 + Eg=1.11 Vaf=126.2 Bf-06.76 Ne=1.328 + lse=189f Ikf=.l64 Nk=.5 Xtb=1.5 Br=1 + Nc" 1.385 lsc=66.74p lkr=1.812 + Rc=0.897 Rb=300 Cjc=8p Mjc=.29 + Vjc=.692 Fc=.5 Cje=2653p Mje=.333 + Vje=.75 Tr= 10n Tf-1.743n Itf = 1)

.modello 2T630A NPN (ls=17.03f Xti=3 + Eg=1.11 Vaf=l23 Bf=472.7 Ne= 1.368 + Ise=l63.3f lkf=.4095 Xtb=1.5 var=75 + Br=4.804 Nc=2 lsc= 1.35p 1kr=.21 + Rb=14.2 Rc=0.65 Cjc=2L24p Vjc=.69 + Mjc=.33 Fc=.5 Cje=34.4p Vje=.69 + Mje=.33 Tr=50.12p Tf=1.795n ltf=.65 + Vtf=60 Xtf=1.1)

FONTI DI TENSIONE E DI CORRENTE INDIPENDENTI

Modulo di descrizione della fonte:

\/<nome> <nodo{+)> <nodo(-)> [^C]<valore> [AC<ampiezza>[fase)] [<segnale>(<parametri>)]

1<nome> <nodo(+)> <nodo(-)> [(0C]<segno> [AC<ampiezza> [fase]] [<segnale>(<parametri>)]

La direzione positiva della corrente è considerata la direzione dal nodo (+) attraverso la sorgente al nodo (-). È possibile specificare i valori per le sorgenti per i calcoli per la corrente continua e i transitori CC (predefinito - O), per l'analisi della frequenza CA (l'ampiezza per impostazione predefinita - 0; la fase è indicata in gradi, per impostazione predefinita - 0). Per un transitorio <segnale>> può assumere i seguenti valori: EXP - sorgente segnale esponenziale, PULSE - sorgente impulso, PWL - sorgente polinomiale, SFFM - sorgente modulata in frequenza, SIN - sorgente segnale sinusoidale.

Esempi: V2 3 0 CC 12; sorgente di tensione 12 V. collegata tra i nodi 3 e 0.

VSIN 2 O SIN(0 0.2V 1MEG); Sorgente di tensione sinusoidale da 0.2 V con una frequenza di 1 MHz con una componente costante di 0 V.

11 (4 11) CC 2mA; Sorgente di corrente da 2 mA collegata tra i nodi 4 e 11.

ISIN 2 0 SIN(0 0.2m 1000); sorgente di corrente sinusoidale 0.2 mA con una frequenza di 1000 Hz con una componente costante di 0 mA.

FONTI DI TENSIONE E DI CORRENTE DIPENDENTI

Le fonti dipendenti sono ampiamente utilizzate nella costruzione di macromodelli. Il loro utilizzo consente di simulare in modo semplice qualsiasi relazione tra tensione e corrente. Inoltre, con il loro aiuto è molto facile organizzare il trasferimento di informazioni da un blocco funzionale all'altro PSpice ha modelli integrati di fonti dipendenti:

E - sorgente di tensione controllata da tensione (INUN);

F - sorgente di corrente controllata dalla corrente (ITUT);

G - sorgente di corrente controllata in tensione (ITUN);

H - sorgente di tensione controllata in corrente (INUT).

Forma di descrizione delle fonti dipendenti:

Primo carattere<nome> <nodo(+)> <nodo(-)> <funzione di trasferimento>

Il primo carattere del nome deve corrispondere al tipo di origine. La direzione positiva della corrente è considerata la direzione dal nodo (+) attraverso la sorgente al nodo (-). Successivamente, viene indicata la funzione di trasferimento, che può essere descritta in diversi modi:

polinomio di potenza: POLY (<espressione>):

formula: VALORE=(<espressione>):

tabella: TABELLA (<espressione>):

Trasformata di Laplace: LAPLACE (<espressione>):

tabella delle frequenze: FREQ (<espressione>);

Polinomio di Chebyshev: CHEBYSHEV (<espressione>).

Esempi: E1 (12 1) (9 10) 100: tensione controllata tra i nodi 9 e 10. Collegato tra i nodi 12 e 1 con un guadagno di 100.

EV 23 56 VALUE={3VSQRT(V(3.2)+ +4*SIN(I(V1)}): source connesso tra i nodi 23 e 56, con dipendenza funzionale dalla tensione tra i nodi 3 e 2 e dalla corrente di source VI.

EN 23 45 POLY(2) (3.0) (4,6) 0.0 13.6 0.2 0.005: sorgente di tensione non lineare collegata tra i nodi 23 e 45. dipendente dalla tensione tra i nodi 3 e 0 V{3.0) e i nodi 4 e 6 V( 4.6). La dipendenza è descritta dal polinomio EN=0 + 13.6V3,0 + 0.2V1,6 + 0.005V3,02.

EP 2 0 TABLE (V(8))=(0.0) (1.3.3) (2.6.8): sorgente collegata tra i nodi 2 e 0, in funzione della tensione al nodo 8. misurata rispetto al comune. Inoltre, dopo il segno di uguale, vengono elencate le righe della tabella con la coppia di valori (input, output). I valori intermedi sono interpolati linearmente.

EL 8 0 LAPLACE {V( 10)}={exp(-0.0rS)/ (1+0.rS)}; Assegnazione della funzione di trasferimento secondo Laplace.

G1 (12 1) (9 10) 0.1; sorgente di corrente V(9.10) controllata in tensione con un coefficiente di trasferimento di 0.1.

Qui è opportuno fornire esempi della designazione delle variabili nei programmi PSpice: V (9) - tensione al nodo 9. misurata rispetto al filo comune.

V(9.10) - tensione tra i nodi 9 e 10.

V(R12) - caduta di tensione attraverso il resistore R12v

VB(Q1) - tensione alla base del transistor Q1.

VBE(Q1) - tensione base-emettitore del transistor Q1 l(D1) - corrente del diodo D1.

1С(02) - corrente di collettore del transistor Q2.

STUDIO DI MODELLI DI COMPONENTI

I modelli dei componenti possono essere esplorati con programmi di simulazione. Utilizzando la shell grafica è molto semplice creare un laboratorio virtuale per testare le caratteristiche statiche e dinamiche di elementi esistenti e realizzati. Ciò consentirà di stabilire il grado di conformità delle loro proprietà con i parametri di riferimento di componenti reali, di selezionare analoghi tra modelli di componenti estranei o di studiare in dettaglio un modello sconosciuto. Tuttavia, negli esempi forniti, vengono utilizzate le capacità di PSpice stesso.

Usiamo la direttiva .OS (calcolo multivariante della modalità DC) del linguaggio PSpice e costruiamo una famiglia di caratteristiche di uscita di un transistor bipolare npn collegato secondo un circuito di emettitore comune (Fig. 1).

La caratteristica di uscita è la dipendenza della corrente del collettore del transistor dalla tensione sul suo collettore.

Per vari valori della corrente di base, otteniamo una famiglia di caratteristiche di uscita. Il calcolo è stato eseguito per il transistor KT315A (Fig. 2) e un transistor ideale con parametri predefiniti (Fig. 3).

Il compito di modellare in forma di testo sembra molto semplice (Tabella 10).

Per calcolare il CVC di un transistor ideale, nel programma è necessario rimuovere l'asterisco all'inizio della riga (* Q1 120 IDEAL) e aggiungerlo alla riga (Q1 1 2 0 KT315A). È meglio scrivere commenti nel testo del programma in inglese, o almeno in lettere latine, poiché i programmi di simulazione di solito non supportano il cirillico. Nell'articolo, i commenti sono forniti in russo per chiarezza.

Il CVC del diodo zener D814A è costruito in modo simile: la dipendenza della tensione dalla corrente (Fig. 4, 5, Tabella 11).

Ora usiamo le capacità delle direttive .DC e .TEMP (variazione di temperatura) e costruiamo una famiglia di caratteristiche di trasferimento del transistor ad effetto di campo KP303D collegato secondo un circuito sorgente comune (Fig. 6, Tabella 12).

La caratteristica di trasferimento di un transistor ad effetto di campo è la dipendenza della corrente di drain dalla tensione tra gate e source. Per temperature diverse, è possibile costruire una famiglia di caratteristiche (Fig. 7), poiché il modello tiene conto della dipendenza dalla temperatura dei parametri del transistor.

Come esempio di valutazione delle proprietà dinamiche dei modelli, costruiamo una famiglia di caratteristiche di frequenza del transistor KT315A a quattro valori della corrente del collettore. Lo schema di misurazione è mostrato in fig. 8.

Per fare ciò, utilizziamo le capacità delle direttive .AC (calcolo della risposta in frequenza) e .STEP (analisi multivariata), componiamo un'attività per la modellazione (Tabella 13), calcoliamo IB(Q1) e lC(Q1).

Dopo aver eseguito la simulazione, confrontiamo i risultati ottenuti (Fig. 9) con i parametri del manuale [4].

Per fare ciò, procederemo come segue. Il postprocessore grafico dei programmi di simulazione consente di eseguire operazioni matematiche sui grafici. Questo ci permetterà di tracciare il rapporto tra la corrente di collettore IC(Q1) e la corrente di base IB(Q 1). Di conseguenza, otteniamo la risposta in frequenza del modulo del coefficiente di trasferimento di corrente del transistor a varie correnti di collettore. Utilizzando la modalità di misurazione del cursore, determineremo il modulo del coefficiente di trasferimento corrente a una frequenza di 100 MHz. Per tutte le opzioni, i numeri sono indicati sui grafici. Dopo averli confrontati con il libro di riferimento, vedremo che il modello proposto del transistor KT315A, tenendo conto della diffusione, è vicino alla realtà. (Secondo il libro di riferimento: lh21eI = 2,5 a Ik = 1 mA, Uk = 10 V). Anche la dipendenza delle proprietà di frequenza del transistor dalla corrente del collettore è coerente con la teoria e con i dati forniti nei libri di consultazione.

In conclusione di questa sezione, va detto che i modelli integrati, nonostante l'enorme numero di parametri presi in considerazione, si compromettono rapidamente. I dispositivi semiconduttori simulati passano facilmente correnti enormi e resistono a tensioni enormi.

È sufficiente espandere i limiti di variazione di tensione e corrente negli esempi qui considerati (vedi Fig. 1, b) e diventerà chiaro che il modello a transistor integrato non tiene conto del fenomeno della rottura delle giunzioni p-n.

Anche i modelli di resistori, condensatori, induttori e transistor non tengono conto di capacità, induttanze e resistenze parassite, e questo è molto importante quando si simula il funzionamento di un dispositivo ad alte frequenze.

Più o meno lo stesso si può dire di altri modelli integrati. Tutti hanno una portata limitata e, di norma, non tengono conto di nulla.

Da qui segue la conclusione: abbiamo bisogno di modelli più avanzati, liberi da queste carenze. In casi estremi, per evitare ad esempio un guasto dei transistor, è necessario accendere diodi con modello inerziale in parallelo alle giunzioni dei transistor e opportuna scelta del parametro BV. Gli effetti parassiti possono essere presi in considerazione "avvolgendo" i modelli integrati con condensatori, bobine e resistori.

I modelli incorporati sono una sorta di elementi costitutivi che consentono di esplorare qualsiasi opzione di modellazione. Per questo sono perfetti.

Utilizzando i metodi che verranno discussi di seguito, è possibile creare modelli efficienti e perfetti di componenti elementari.

CREAZIONE E APPLICAZIONE DI MACROMODELLI

Se hai mai studiato linguaggi di programmazione, probabilmente sai cos'è una subroutine. Questo è un programma appositamente progettato, che viene ripetutamente chiamato dal modulo del programma principale. In pratica, questo significa un modello macro.

Modulo di descrizione del modello macro: .SUBCKT <nome macromodello> <elenco + nodi esterni>

+ [PARAMS:<<nome parametro> = + <valore>>] + [TEXT:<<nome parametro testo> + =<testo>>]

<stringhe che descrivono lo schema del modello macro> .ENDS

La direttiva .SUBCKT è l'intestazione del modello macro. Definisce l'inizio del macromodello, il suo nome ei nodi per la connessione allo schema esterno.

Righe di descrizione dello schema del macromodello: un elenco di operatori in un ordine arbitrario che descrivono la topologia e la composizione del macromodello.

La direttiva .ENDS definisce la fine del corpo del macromodello.

La parola chiave PARAMS definisce l'elenco dei parametri passati dalla descrizione del circuito principale alla descrizione del macromodello.

La parola chiave TEXT definisce una variabile di testo passata dalla descrizione della catena principale alla descrizione del modello macro.

Forma della descrizione dell'inclusione del macro modello nello schema: X<nome> <nodi di connessione> [<nome + macromodello>]

+ [PARAMETRI:<<nome parametro> = + <valore>)

+ (TESTO:<<testo + nome parametro>=<testo>]

Questa istruzione determina che il macromodello descritto dall'istruzione .SUBCKT è connesso ai nodi specificati nello schema. Il numero e l'ordine dei nodi devono corrispondere al numero e all'ordine dei nodi nella direttiva .SUBCKT corrispondente.

Le parole chiave PARAMS e TEXT consentono di impostare i valori dei parametri definiti come argomenti nella descrizione del macro modello e utilizzare queste espressioni all'interno del macro modello.

ESEMPIO DI CREAZIONE DI UN SEMPLICE MODELLO MACRO

L'esempio fornito dimostra la soluzione del problema nella fronte. I radioamatori usano spesso la logica digitale per eseguire funzioni analogiche come l'amplificazione o la generazione di segnali. Per la modellazione dettagliata di tali dispositivi, ha senso costruire un esatto macromodello dell'elemento logico. Considera l'elemento logico 2I-NOT del microcircuito K155LAZ.

Quando si crea un modello macro, è necessario eseguire il seguente lavoro:

• disegna un circuito elettrico del macromodello di questo elemento (Fig. 10):
• assegnare designazioni di riferimento a tutti gli elementi del circuito;
• numerare tutti i nodi (al filo comune è sempre assegnato il numero 0):
• utilizzando gli operatori per includere elementi nel circuito, descrivi tutti i componenti:
• formalizzare il macromodello descrivendolo con le direttive .SUBCKT e .ENDS;
• salvare il testo del modello macro in un file separato o aggiungerlo a un file di libreria esistente con estensione *.lib.

Di conseguenza, otteniamo un file di testo (Tabella 14).

Con questo approccio alla creazione di un modello macro, è necessario:

• la presenza di un circuito molto accurato dell'elemento (o microcircuito);
• la presenza di parametri di riferimento dei componenti che compongono l'IS.

Va notato che ci sono sempre problemi con i parametri di riferimento, soprattutto per i componenti integrali. Per quanto riguarda la descrizione esatta dei microcircuiti, è raramente pubblicata, per lo più troverai i più semplici, e anche allora - con errori. Sfortunatamente, fino a poco tempo fa, questo raramente preoccupava nessuno.

Tuttavia, stranamente a prima vista, l'approccio sopra descritto durante la creazione di un macromodello non fornisce ancora alcuna garanzia per la costruzione di un modello ben funzionante.

COME CREARE UN MODELLO DI MACRO VELOCE SEMPLIFICATO?

È tutt'altro che sempre che la soluzione di questo problema in fronte sia il vero modo per creare un buon macromodello. I modelli costruiti con questo "metodo" richiederanno molte risorse di calcolo e avranno una bassa velocità, ovvero il calcolo del circuito sarà molto lento. Ricordiamo quanti transistor su un chip possono avere i moderni microcircuiti! Pertanto, è molto importante poter costruire macromodelli semplificati sostituendo i singoli sottosistemi di microcircuiti con nodi equivalenti. Allo stesso tempo, la qualità del modello può anche migliorare, soprattutto se viene modellato un microcircuito ad alto grado di integrazione.

Creiamo il nostro macromodello PSpice semplificato del comparatore K521CAZ.

Anche qui ci possono essere casi estremi. È possibile, ad esempio, implementare una funzione di confronto utilizzando un'origine dipendente. In questo caso il modello risulterà semplice e relativamente veloce, ma non rifletterà la fisica del dispositivo reale. Pertanto, è necessario cercare una soluzione di compromesso tra la precisione del modello e la sua velocità.

Considera cos'è il comparatore K521SAZ. Implementa la funzione di confrontare due segnali analogici. Se la differenza tra i segnali agli ingressi è positiva, l'uscita del comparatore sarà alta, se negativa - bassa. Il confronto dei segnali viene eseguito da un amplificatore differenziale all'ingresso. Lo stadio di uscita è implementato su un collettore aperto e transistor emettitore. Questa informazione è già sufficiente per sintetizzare il modello più semplice, ma abbastanza funzionante di questo microcircuito (Fig. 11).

Per simulare completamente le proprietà di ingresso e uscita del comparatore, i transistor sono installati all'ingresso e all'uscita. Tuttavia, l'amplificatore differenziale è notevolmente semplificato. Gli emettitori della coppia differenziale utilizzano una sorgente di corrente ideale, infatti, è implementata su più transistor. L'interfaccia con lo stadio di uscita è realizzata tramite un generatore di corrente controllato in tensione. In un vero microcircuito vengono utilizzati anche diversi transistor.

Pertanto, quando si costruisce questo modello di compromesso, i nodi multitransistor vengono sostituiti da quelli semplificati e idealizzati, ma con la conservazione delle proprietà esterne del dispositivo. PSpice ha un set perfetto di strumenti per esprimere qualsiasi proprietà di dispositivi reali con sufficiente accuratezza per scopi pratici anche in casi più complessi.

Assegniamo designazioni posizionali a tutti gli elementi del circuito, numeriamo i nodi e descriviamo il macromodello del comparatore nel linguaggio di input PSpice (Tabella 15).

Ora controlliamo come il macromodello risultante svolge le funzioni di un comparatore. Per fare ciò, disegna un circuito di prova (Fig. 12).

Quindi comporremo un'attività per la modellazione (Tabella 16) e calcoleremo la caratteristica di trasferimento di questo modello (Fig. 13)

La caratteristica di trasferimento del comparatore è la dipendenza della tensione di uscita dalla differenza di tensione agli ingressi. Si può vedere dalla caratteristica calcolata che nonostante la semplicità del modello, il comparatore si è rivelato abbastanza efficiente.

In questo esempio, per la prima volta abbiamo utilizzato il componente macromodello, descrivendo la sua connessione nel circuito con la linea X1 (0 1 2 0 4 3) K521CAZ. Si noti che i nomi degli elementi nel modello macro sono locali e possono essere ignorati durante la denominazione dei componenti nella catena esterna.

È giunto il momento di simulare alcuni assemblaggi elettronici realizzati sul comparatore K521SAZ. ad esempio, un rilevatore di ampiezza di precisione (Fig. 14, Tabella 17).

I risultati della simulazione sono mostrati in fig. 15 e 16.

Chiameremo il macromodello del comparatore dal file di libreria C:\USERLlB\kompar.lib.

Per specificare le librerie in cui sono archiviati i modelli, viene utilizzata la direttiva .LIB, che deve essere descritta nell'attività di modellazione. Quindi non è più necessario includere una descrizione del macromodello nel testo. Forma operatore: .LIB [<nome file libreria^].

Tieni presente che, in generale, altri macromodelli possono essere inclusi in un macromodello. Pertanto, scartando le direttive di controllo e ponendo la descrizione del rilevatore di picco tra SUBCKT e .ENDS, otteniamo un nuovo macromodello che contiene un macromodello nidificato. In questo modo, puoi comporre in modo molto compatto i modelli più complessi, se prima prepari i nodi tipici necessari e li memorizzi in un file di libreria separato.

REALIZZAZIONE DI MODELLI CHE CONSIDERANO LA DISTRIBUZIONE TECNOLOGICA E L'EFFETTO DELLA TEMPERATURA SULLE CARATTERISTICHE DEI COMPONENTI

I parametri di tutti gli elementi hanno uno spread e. inoltre, dipendono anche dalla temperatura. La vita dei radioamatori diventerebbe noiosa senza questi problemi, poiché sarebbe impossibile creare un progetto inutilizzabile da parti riparabili, guidato dallo schema corretto. La natura ci ha dato una tale opportunità. I programmi di simulazione consentono di identificare i dispositivi le cui prestazioni dipendono dalla temperatura e dalla diffusione dei parametri dei componenti. Per fare ciò, l'analisi statistica viene eseguita con il metodo Monte Carlo e l'analisi multivariata. Tuttavia, è necessario disporre dei modelli di componenti appropriati.

Nei modelli PSpice incorporati per tenere conto della diffusione e dell'effetto della temperatura, ci sono: "Specifica di una diffusione casuale del valore del parametro", "Coefficiente di temperatura lineare", "Coefficiente di temperatura quadratico". "Coefficiente di temperatura esponenziale". Inoltre, è possibile controllare la temperatura dei singoli componenti utilizzando i parametri T_MEASURED. T ABS. T_REL_GLOBAL. T_REL_LOCL, che a volte è utile.

Nell'analisi multivariata, non solo la temperatura può diventare una variabile, ma anche quasi tutti i parametri del modello che possono cambiare a causa dell'impatto fisico dell'ambiente esterno o del degrado dei parametri dei componenti nel tempo.

Ovviamente, se i macromodelli sono costruiti sulla base di tali modelli, allora avranno anche una diffusione casuale e una dipendenza dalla temperatura.

Infatti, nel caso della costruzione di macromodelli, un approccio così diretto è del tutto inadatto. Come accennato in precedenza, quando si costruiscono macromodelli, si utilizzano fondamentalmente semplificazioni e ipotesi. Di conseguenza, lo schema del macromodello raramente corrisponde a quello originario. Inoltre, è semplicemente impossibile per un radioamatore tracciare le vere connessioni termiche tra gli elementi integrati nel microcircuito. Pertanto, il macromodello è costruito a partire da componenti stabili, quindi vengono introdotti in modo mirato elementi con una dipendenza dalla diffusione e dalla temperatura. Ma lo fanno in questo modo. per visualizzare le proprietà statistiche e termiche più significative del dispositivo simulato. Questo approccio è adatto per tenere conto dell'influenza di altre influenze fisiche, sebbene non sia l'unico. COSÌ. con radiazioni ionizzanti, che influenzano quasi tutti i parametri dei componenti, è più conveniente avere più copie di librerie per dosi diverse. Quindi, utilizzando la direttiva .LIB, le intere librerie di componenti vengono sostituite in base alla dose ricevuta. I risultati possono quindi essere combinati su un singolo grafico.

Come esempio di creazione e utilizzo di modelli con una diffusione di parametri e dipendenza dalla temperatura, simuleremo un filtro (Fig. 17, Tabella 18) utilizzato nella radiotelefonia, che opera in condizioni climatiche difficili. L'intervallo di temperatura va da -40 a +80 "C. Nei modelli di tutti i componenti sono impostati i parametri di diffusione tecnologica e instabilità di temperatura dei parametri principali.

Utilizzando le direttive .AC, .TEMP e .MC, calcoliamo la risposta in frequenza del filtro e le sue variazioni con variazioni di temperatura e una diffusione nei parametri degli elementi.

È subito chiaro (Fig. 18) che le caratteristiche del filtro dipendono fortemente dalla temperatura e un telefono del genere funzionerà male. La conclusione è ovvia: è necessario scegliere elementi più stabili e accurati per questo filtro per ottenere un dispositivo funzionante.

ESEMPIO DI MODELLO PROFESSIONALE

Ecco i macromodelli di amplificatori operazionali standard per PSpice con transistor bipolari (K140UD7, Fig. 19, Tabella 19) e ad effetto di campo (K140UD8, Fig. 20, Tabella 20) all'ingresso.

Si noti che tutti i transistor sono esclusi da essi, ad eccezione di quelli di ingresso. Ciò influisce favorevolmente sulle prestazioni dei macromodelli. Tuttavia, tengono conto in modo molto accurato di molti effetti che si verificano in un dispositivo reale.

Prestare attenzione all'uso massiccio di fonti dipendenti e indipendenti. Questo è lo strumento principale per la costruzione competente di buoni macromodelli di microcircuiti complessi.

Lo stadio differenziale di ingresso modella la presenza di una corrente di miscelazione e la dipendenza dello slew rate della tensione di uscita dalla tensione differenziale di ingresso. Il condensatore Cee (Css) consente di visualizzare l'asimmetria dell'impulso di uscita dell'amplificatore operazionale in una connessione non invertente. Il condensatore C1 e la capacità delle giunzioni dei transistor imitano la natura bipolare della risposta in frequenza dell'amplificatore operazionale. Le sorgenti di corrente controllate ga, gcm ei resistori r2, r®2 simulano l'amplificazione della tensione differenziale e di modo comune. Con l'ausilio del condensatore C2, collegato a scelta dell'utente, è possibile simulare la correzione interna o esterna dell'op-amp. La non linearità dello stadio di uscita dell'amplificatore operazionale è modellata dagli elementi din. immersione. ro1 (limitano la massima corrente di uscita) e dc, de, vc, ve (limitano l'oscillazione della tensione di uscita). Il resistore rp simula il consumo di corrente continua da parte del microcircuito. Diodo di protezione dp.

Tuttavia, l'esperienza dimostra che i modelli languidi non sono sempre richiesti, poiché il prezzo per questo è una riduzione delle prestazioni. Ha senso sviluppare per te stesso una libreria di macromodelli semplificati, in modo da non perdere tempo ad aspettare i risultati quando devi solo "eseguire" l'idea.

Inoltre, non dobbiamo dimenticare che è sempre possibile creare un modello più perfetto di quello standard o professionale. Nel nostro caso particolare, i macromodelli dati dell'amplificatore operazionale non modellano tutte le proprietà dei dispositivi reali e possono essere migliorati. Questo vale per le caratteristiche di temperatura, statistiche, rumore e, soprattutto, per la resistenza di ingresso. La capacità di ingresso dell'amplificatore è zero perché nessuna capacità è specificata nel modello a transistor. Un altro inconveniente è la mancanza di una descrizione del guasto (apertura dei diodi protettivi o guasto reversibile delle giunzioni dell'emettitore) a grandi segnali di ingresso di chiusura, e l'elenco potrebbe continuare.

Sulla base di quanto detto, formuliamo un approccio formale generale alla costruzione di macromodelli di componenti analogici.

La struttura più semplice del macromodello può essere rappresentata come costituita da tre blocchi collegati in serie: il primo descrive le caratteristiche di ingresso, il secondo descrive le caratteristiche di trasferimento (distorsioni lineari e non lineari), il terzo descrive le caratteristiche di uscita. Il trasferimento di informazioni da un blocco all'altro viene effettuato utilizzando fonti dipendenti di corrente o tensione. Il numero di blocchi, il loro tipo. distribuzione delle funzioni, il numero di percorsi paralleli può essere diverso se richiesto dall'attività.

Avendo creato un tipico insieme di modelli di tali blocchi, è consentito mettere letteralmente in moto la creazione di macromodelli.

Pertanto, la creazione di un buon modello richiede un ampio materiale di riferimento, intuizione, conoscenza della fisica dei semiconduttori e dei dispositivi elettronici, ingegneria elettrica, ingegneria radiofonica, ingegneria dei microcircuiti, circuiti, matematica e programmazione. Il compito è solo per i radioamatori con la loro instancabile energia creativa.

Letteratura

1. Razevig V.D. Sistema di progettazione end-to-end DesignLab 8.0. - M.: Solone. 1999.
2. Razevig V.D. Sistema di modellazione circuitale MicroCap 5. - M.: Solon. 1997.
3. Arkhangelsky A. Ya PSpice and Design Center. Parte 1 Modellazione di circuiti. Modelli di elementi. Modellazione macro. -M.: MEPhI. 1996.
4. Semiconduttori: transistor. Manuale ed. N. N. Goryunova. - M. Energoatomizdat. 1985.

Autore: O. Petrakov, Mosca

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