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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK PSPICE-Modelle für Simulationsprogramme. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Mikrocontroller Computer werden rasant billiger, die Geschwindigkeit ihrer Berechnungen nimmt zu. Es sind hervorragende Programme erschienen, die es Funkamateuren ermöglichen, Prozesse in realen Geräten auf dem Bildschirm zu simulieren und zu beobachten, für deren direkte Arbeit sehr teure Messgeräte erforderlich wären. Dies ist besonders wichtig für Einsteiger, die in der Regel nur über ein Multimeter und seltener über ein einfaches Oszilloskop verfügen. Die beliebtesten Programme unter Funkamateuren sind MicroCap 5, Electronic Workbench, PSpice (PSpice ist in den Paketen Design Center, DesignLab, OrCad-9 enthalten). Sie sind immer auf Laserdiscs zu finden, die von Radiomärkten angeboten werden. Was auf diesen Disketten fehlt, sind Modelle inländischer und importierter radioelektronischer Komponenten für solche Programme. Und das ist ein beachtlicher Reichtum, insbesondere wenn die Modelle von Profis erstellt und verifiziert werden. Historisch gesehen war das PSpice-Programm das erste, das in den frühen 70er Jahren von der MicroSim Corporation entwickelt wurde. Seitdem wurde es intensiv weiterentwickelt und ist aufgrund der Einfachheit der Eingabesprache und der Zuverlässigkeit der verwendeten Algorithmen zu einer Art Standard für solche Systeme geworden. Daher verwenden andere Programme die Eingabesprache PSpice. PSpice-Modellkomponenten oder enthalten den Kern dieses Programms. Tatsächlich handelt es sich bei vielen davon um praktische Shells, mit denen Sie eine Aufgabe in der natürlichen Sprache für Funkamateure schreiben können – der Sprache der elektrischen Schaltkreise. Dies ist sehr praktisch, da die „native“ Eingabesprache des PSpice-Programms eine Textdatei im ASCII-Code ist, was viel manuelle Arbeit erfordert, die sehr aufwändig ist und oft mit Fehlern einhergeht. Es gibt jedoch einen Bereich, in dem die Eingabesprache PSpice unverzichtbar ist. Gute Hochgeschwindigkeits-Komponentenmodelle für diese Programme sind in der PSpice-Sprache geschrieben. In entwickelten Ländern müssen Hersteller integrierter Schaltkreise PSpice-Modelle ihrer Geräte entwickeln und veröffentlichen, andernfalls werden sie nicht verwendet. In Russland gibt es solche Traditionen noch nicht. Daher werden die vorhandenen PSpice-Modellbibliotheken Funkamateure sicherlich nicht zufriedenstellen, und die Erstellung eigener Komponentenmodelle kann eine mögliche Richtung für die Kreativität von Amateurfunkern werden. Lassen Sie uns anhand einfacher Beispiele zeigen, dass dies ganz einfach ist. Damit alles weiter klar wird, beschäftigen wir uns mit der Terminologie von PSpice.
Es ist klar, dass Sie zum Erstellen einer Komponente basierend auf einem integrierten Modell oder einem Standardmakromodell deren Parameter definieren müssen. Hierfür gibt es spezielle Programme, mit denen Sie anhand der Passparameter einer bestimmten Komponente deren Modell generieren können. Die Arbeit ist sehr routiniert und erfordert detaillierte Referenzdaten zu den Komponenten. In den veröffentlichten Nachschlagewerken zu Radioelementen finden sich in der Regel keine vollständigen Informationen. Dann müssen Sie einige unabhängige Messungen durchführen oder sich an Hersteller von Radioelementen wenden. Dieser Vorgang ist in [1-3] ausführlich beschrieben. Leider funktionieren solche Programme in DEMO-Versionen nur eingeschränkt, sodass Sie nur Diodenmodelle erstellen können. Aber es gibt einen Ausweg. Es gibt eine große Anzahl solcher Modelle in den der Distribution beigefügten Bibliotheken, und es ist nicht schwer, ein Analogon für Haushaltselemente zu finden, indem man ihm einen neuen Namen zuweist und es entsprechend bearbeitet. Sie können mit Bibliotheken arbeiten sowie Modelle mit jedem Texteditor bearbeiten und kopieren. Darüber hinaus wird es für Funkamateure, die Programmiersprachen wie BASIC beherrschen, kein großes Problem sein, ein eigenes Programm zur Berechnung der Parameter von PSpice-Modellen gemäß Passparametern zu schreiben. Zusammenhänge zwischen Passmerkmalen und Modellparametern finden sich in [1-3]. Der Autor plant, ein solches Dienstprogramm zu erstellen, das für inländische Verzeichnisse angepasst ist. Es ist durchaus sinnvoll, sich die Aufgabe zu stellen, Generatorprogramme für solche PSpice-Makromodelle zu schreiben, deren Erstellung in regulären Programmen nicht vorgesehen ist. Eine weitere interessante Aufgabe für Funkamateure wäre die Schaffung eines automatisierten Messaufsatzes an einen Computer, der aus Kontrollproben die Parameter von PSpice-Modellen oder Makromodellen generiert und sogar die Möglichkeit einer statistischen Verarbeitung bietet. Funkamateure haben Erfahrung in der Herstellung von Messaufsätzen, die an einen PC angeschlossen werden können. Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Dioden, Transistoren, Magnetkreise, Kommunikationsleitungen, Spannungs- und Stromquellen, ein grundlegender Satz digitaler Elemente und einige idealisierte Elemente verfügen über integrierte Modelle. Was aber, wenn es für keine Komponente ein fertiges Modell gibt? Dann müssen Sie in der Lage sein, eigene Makromodelle zu entwickeln. Und hier sind die Möglichkeiten von PSpice wirklich endlos. Die ersten Bausteine von Makromodellen sind integrierte Modelle. Aufgrund der Einschränkungen des Zeitschriftenartikels werden wir nur auf diese eingehen. welches in den Beispielen verwendet wird. Zunächst ein wenig über die Funktionen von Programmen in der PSpice-Sprache.
Die restlichen Zeilen beziehen sich auf die Beschreibung der Topologie und Komponenten. Kommentare spielen eine unterstützende Rolle. Direktiven steuern den Ablauf des Rechenprozesses, den Zugriff auf Modelle und Makromodelle sowie die Ausgabe von Simulationsergebnissen. Topologiebeschreibungszeilen definieren formal den Stromkreis des Geräts und geben die Verbindungsknoten der Komponentenpins und deren Modelle an. PSPICE-MODELLE UND GRAFIKEN Um das erstellte Pspice-Modell in Programmen verwenden zu können, die über eine entwickelte grafische Shell verfügen, beispielsweise MicroCap 5 oder DesignLab, ist es erforderlich, die Servicefunktionen dieser Pakete zu nutzen, es in die vorhandenen PSpice-Bibliotheken einzubinden und eine entsprechende Grafik zu erstellen Symbol, vorzugsweise nach GOST. Die weitere Arbeit mit der neuen Komponente wird sich nicht von den bestehenden unterscheiden. ERSTELLUNG ANALOGER KOMPONENTEN MIT EINEM EINGEBAUTEN MODELL Die Parameter analoger Komponenten mit eingebettetem Modell werden auf zwei Arten angegeben: direkt über einen Satz, der die Position der Komponente in der Schaltung beschreibt; Verwenden der .MODEL-Direktive, die integrierte Komponentenmodelle beschreibt. Die allgemeine Form der Modellbeschreibung: .MODEL <Komponentenname> 1AKO:<Prototyp-Modellname>] <Modelltypname> ([<Modellparameter>=<Wert> [<Parameterwert-Zufallsverteilungsspezifikation>]1 [T_MEA-SURED=<Wert>] [[ T_AB8=<Wert>] oder [T_REL_GLOBAC=<Wert>] oder [T_REL_LOCL=<Wert>]]) Dabei ist: <Komponentenname> der Name eines bestimmten Geräts, zum Beispiel: RM. KD503. KT315A; [ACO:<Name des Prototypmodells>] – Definition eines Modells unter Verwendung eines vorhandenen Prototyps (dies reduziert die Größe der Bibliothek). In der Beschreibung sollten nur die verschiedenen Parameter angegeben werden; <Modelltypname> – Standardname des eingebauten idealen Modells (Tabelle 1); [<Modellparameter>=<Wert> [<Parameterwert-Zufallsverteilungsspezifikation>]] – Geben Sie in Klammern die Liste der Parameterwerte des Komponentenmodells an. Fehlt diese Liste oder ist sie unvollständig, werden die fehlenden Modellparameterwerte standardmäßig zugewiesen. Jeder Parameter kann relativ zu seinem Nominalwert zufällige Werte annehmen, dies wird jedoch nur in der statistischen Analyse verwendet.
Die Parameter vieler Modelle hängen von der Temperatur ab. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Temperatur von passiven Komponenten und Halbleiterbauelementen einzustellen. Erstens gibt die .MODEL-Direktive die Temperatur an, bei der die darin enthaltenen T_MEASURED=<value>-Parameter gemessen werden. Dieser Wert überschreibt die durch die .OPTIONS-Direktive festgelegte TNOM-Temperatur (Standard 27 °C). Zweitens können Sie die physische Temperatur jedes Geräts festlegen und dabei die durch die Anweisungen .TEMP, .STEP TEMP oder .DC TEMP festgelegte globale Temperatur außer Kraft setzen. Dies kann mit einem der folgenden drei Parameter erfolgen: T ABS – absolute Temperatur (Standard 27°C); T_REL_GLOBAL – Differenz zwischen absoluten und globalen Temperaturen (Standardwert – 0), also T_ABS = globale Temperatur + T_REL_GLOBAL, T_REL_LOCL – relative Temperatur, die absolute Temperatur des untersuchten Geräts ist gleich der absoluten Temperatur des Prototyps plus dem Wert des Parameters T_REL_LOCL Alle Modellparameter werden in SI-Einheiten angegeben. Um den Datensatz zu verkürzen, werden spezielle Präfixe verwendet (Tabelle 2). Um die Klarheit der Bezeichnungen zu verbessern, dürfen ihnen alphabetische Zeichen hinzugefügt werden, zum Beispiel 3, ZkOhm, 100pF, 10uF, 144MEG, WmV.
Die Form der Beschreibung der Einbeziehung eines Bauteils in eine Schaltung: <erstes Zeichen + weiter > Knotenliste> [<Modellname>] <Optionen> Eine Komponentenbeschreibung ist eine beliebige Zeichenfolge, die nicht mit dem Zeichen „.“ (Punkt) beginnt. Der Name der Komponente besteht aus dem standardmäßigen ersten Zeichen (Tabelle 3), das den Typ der Komponente definiert, und einer willkürlichen Fortsetzung von maximal 130 Zeichen.
Die Nummern der Komponentenverbindungsknoten im Diagramm werden in einer bestimmten Reihenfolge aufgeführt, die für jede Komponente festgelegt wurde. Modellname – Der Modellname der Komponente, deren Typ durch das erste Zeichen definiert wird. Als nächstes können die Parameter des Komponentenmodells spezifiziert werden. WIDERSTAND Die Form der Beschreibung der Einbeziehung eines Widerstands in die Schaltung: R<Name> <Knoten(+)> <Knoten(-)> [<Modellname>] <Widerstandswert> Modellbeschreibungsformular: .MODEL <Modellname> RES(<Modellparameter>) Die Liste der Parameter des Widerstandsmodells ist in der Tabelle angegeben. vier.
Beispiele: RL30 56 1.3K; 1,3 kΩ RL-Widerstand, angeschlossen an die Knoten 30 und 56. R2 12 25 2.4K TC=0.005, -0.0003; 2-kΩ-Widerstand R2.4, verbunden mit den Knoten 12 und 25 und mit Temperaturkoeffizienten TC1 = 0.005 °C-1 TC2 = -0.0003 °C-2. R3 3 13RM 12K .MODEL RM.RES (R = 1.2 DEV = 10 % TC1 = 0.015 TC2 = -0.003): 3 kΩ Widerstand R12 zwischen Knoten 3 und 13 angeschlossen. °С-1 ТС0,015 = 1 °С-2; R ist der Proportionalitätskoeffizient zwischen dem in der Simulation verwendeten Widerstandswert und dem angegebenen Nennwert. Modelle eines Kondensators und einer Induktivität sehen ähnlich aus. KONDENSATOR Die Form der Beschreibung der Aufnahme eines Kondensators in die Schaltung: C<Name> <Knoten(+)> <Knoten(-)> (<Modellname>) Kapazitätswert> Modellbeschreibungsformular: .MODEL <Modellname> CAP (<Modellparameter>) Die Liste der Parameter des Kondensatormodells ist in der Tabelle angegeben. 5.
Beispiele: C1 1 4 10i; Kondensator C1 mit einer Kapazität von 10 uF ist zwischen den Knoten 1 und 4 angeschlossen. C24 30 56 100 S. Kondensator C24 mit einer Kapazität von 100 pF ist zwischen Knoten 30 und 56 geschaltet. INDUKTOR Die Form der Beschreibung der Einbeziehung der Spule in die Schaltung: L <Knoten(+)> <Knoten(-)> (<Modellname>] Induktivitätswert> Modellbeschreibungsformular: .MODEL <Modellname> IND (<Modellparameter>) Die Liste der Parameter des Induktormodells ist in der Tabelle angegeben. 6.
Beispiel: L2 30 56 100u; Die Spule L2 mit einer Induktivität von 100 μH ist zwischen den Knoten 30 und 56 angeschlossen. DIOD Die Form der Beschreibung der Einbeziehung der Diode in die Schaltung: D<Name> <Knoten(+)> <Knoten(-)> [<Modellname>] Modellbeschreibungsformular: .MODEL <Modulname> D [<Modellparameter>) Die Liste der Parameter des Diodenmodells ist in der Tabelle angegeben. 7.
Beispiele für Modelle von Haushaltsdioden: .MODELL 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) .MODELL 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) .MODELL 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) .MODELL 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) .MODELL 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).MODELL 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) .MODELL 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 und EG= 1.11 XTI=3 ) BIPOLARER TRANSISTOR Die Form der Beschreibung der Aufnahme eines Bipolartransistors in die Schaltung: 0<Name> <Kollektorknoten> <Basisknoten> <Emitterknoten> [<Modellname>) Modellbeschreibungsformular: .MODEL <Modellname> NPN [<Modellparameter>); Bipolartransistor mit NPN-Struktur .MODEL <Modellname> PNP [<Modellparameter>'; Bipolartransistor mit pnp-Struktur Die Liste der Parameter des Bipolartransistormodells ist in der Tabelle angegeben. acht.
FELDTRANSISTOR MIT STEUER-PN-VERBINDUNG Die Form der Beschreibung der Aufnahme eines Feldeffekttransistors 8 Diagramm: o"<Name> <Drain-Knoten> <Gate-Knoten> <Quellknoten> (<Modellname>] Modellbeschreibungsformular: .MODEL <Modellname> NJF [<Modellparameter>], n-Kanal-FET .MODEL <Modellname> PJF [<Modellparameter>]; p-Kanal-Feldeffekttransistor Die Liste der Parameter des Feldeffekttransistormodells ist in der Tabelle angegeben. 9.
Beispiele für Transistormodelle: .Modell IDEAL NPN; Idealer Transistor. .Modell KT3102A NPN (ls=5.258f Xti=3 + Eg=1.11 Vaf=86 Bf=185 Ne=7.428 + lse=28.21n lkf=.4922 p lkr=.1.5 Rb=25 + Rc=2.713 Cjc=2lp Vjc=.21.2 Mjc=.25 + Fc=.52 Cje=1.65p Vje=.9.92 Mje=65 + Tr=33ln Tf=5p ltf =.11.3 Vtf=69 + Xtf=33) .Modell 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 =1.5p lkr=.30 Rb=2.201 + Rc=2 Cjc=5.5p Vjc=.1 Mjc=.37 + Fc"-.1.12 Cje=11.02p Vje=.65 Mje=.33 + Tr=5n Tf =13.31p W=.69 Vtf-33 + Xrf=41.67) .Modell KT3107A PNP (ls=5.2f Xti=3 + Eg= 1.11 Vaf=86 Bf= 140 Ne=7.4 lse=28n + lkf=.49 lkr=.1.5 Rb=25 Rc= 2.7 Cjc= 2p + Vjc=.21 Mjc=.25 Fc-.50 Cje=1.65p Vje=.10 + Mje=.65 Ti=33n Tf=5p ltf=11.3 Vtf= 7 + xtf=33) .Modell KT312A NPN (ls=21f Xti=3 + Eg=1.11 Vaf=126.2 Bf-06.76 Ne=1.328 + lse=189f Ikf=.l64 Nk=.5 lkr=1.5 + Rc=1 Rb=1.385 Cjc=66.74p Mjc=.1.812 + Vjc=.0.897 Fc=.300 Cje=8p Mje=.29 + Vje=.692 Tr= 5n Tf-2653n Itf = 333) .Modell 2T630A NPN (ls=17.03f Xti=3 + Eg=1.11 Vaf=l23 Bf=472.7 Ne= 1.368 + Ise=l63.3f lkf=.4095 1.5p 75kr=.4.804 + Rb=2 Rc=1.35 Cjc=1L21p Vjc=.14.2 + Mjc=.0.65 Fc=.2 Cje=24p Vje=.69 + Mje=.33 Tr=5p Tf=34.4n ltf=.69 + Vtf=33 Xtf=50.12) UNABHÄNGIGE SPANNUNGS- UND STROMQUELLEN Quellenbeschreibungsformular: \/<Name> <Knoten{+)> <Knoten(-)> [^C]<Wert> [AC<Amplitude>[Phase)] [<Signal>(<Parameter>)] 1<Name> <Knoten(+)> <Knoten(-)> [(0C]<Zeichen> [AC<Amplitude> [Phase]] [<Signal>(<Parameter>)] Als positive Richtung des Stroms gilt die Richtung vom Knoten (+) über die Quelle zum Knoten (-). Sie können Werte für Quellen für Berechnungen für Gleichstrom und DC-Transienten (Standard - O) für die AC-Frequenzanalyse (Amplitude standardmäßig - 0; Phase wird in Grad angegeben, standardmäßig - 0) angeben. Für einen Transienten kann <signal>> folgende Werte annehmen: EXP – exponentielles Quellsignal, PULSE – Impulsquelle, PWL – polynomische Quelle. SFFM – frequenzmodulierte Quelle, SIN – sinusförmiges Quellsignal. Beispiele: V2 3 0 DC 12; Spannungsquelle 12 V. zwischen den Knoten 3 und 0 angeschlossen. VSIN 2 O SIN(0 0.2V 1MEG); 0.2-V-Sinusspannungsquelle mit einer Frequenz von 1 MHz und einem konstanten Anteil von 0 V. 11 (4 11) DC 2mA; 2-mA-Stromquelle, die zwischen den Knoten 4 und 11 angeschlossen ist. ISIN 2 0 SIN(0 0.2m 1000); Quelle eines sinusförmigen Stroms 0.2 mA mit einer Frequenz von 1000 Hz mit einer konstanten Komponente von 0 mA. ABHÄNGIGE SPANNUNG UND STROMQUELLEN Abhängige Quellen werden häufig bei der Konstruktion von Makromodellen verwendet. Durch ihren Einsatz lassen sich mit einfachen Mitteln beliebige Zusammenhänge zwischen Spannung und Strom simulieren. Darüber hinaus ist es mit ihrer Hilfe sehr einfach, die Übertragung von Informationen von einem Funktionsblock zu einem anderen zu organisieren. PSpice verfügt über integrierte Modelle abhängiger Quellen: E - spannungsgesteuerte Spannungsquelle (INUN); F - stromgesteuerte Stromquelle (ITUT); G - spannungsgesteuerte Stromquelle (ITUN); H - stromgesteuerte Spannungsquelle (INUT). Form der Beschreibung abhängiger Quellen: Erstes Zeichen <Name> <Knoten(+)> <Knoten(-)> <Übertragungsfunktion> Das erste Zeichen des Namens muss mit dem Quelltyp übereinstimmen. Als positive Richtung des Stroms gilt die Richtung vom Knoten (+) über die Quelle zum Knoten (-). Als nächstes wird die Übertragungsfunktion angegeben, die auf verschiedene Arten beschrieben werden kann: Potenzpolynom: POLY (<Ausdruck>): Formel: WERT=(<Ausdruck>): Tabelle: TABELLE (<Ausdruck>): Laplace-Transformation: LAPLACE (<Ausdruck>): Häufigkeitstabelle: FREQ (<Ausdruck>); Chebyshev-Polynom: CHEBYSHEV (<Ausdruck>). Beispiele: E1 (12 1) (9 10) 100: Spannungsgesteuerte Spannung zwischen Knoten 9 und 10. Verbunden zwischen Knoten 12 und 1 mit einer Verstärkung von 100. EV 23 56 VALUE={3VSQRT(V(3.2)+ +4*SIN(I(V1)}): Quelle zwischen Knoten 23 und 56 angeschlossen, mit funktionaler Abhängigkeit von der Spannung zwischen Knoten 3 und 2 und dem Quellenstrom VI. EN 23 45 POLY(2) (3.0) (4,6) 0.0 13.6 0.2 0.005: nichtlineare Spannungsquelle zwischen Knoten 23 und 45 angeschlossen. Abhängig von der Spannung zwischen Knoten 3 und 0 V{3.0) und Knoten 4 und 6 V( 4.6). Die Abhängigkeit wird durch das Polynom EN=0 + 13.6V3,0 + 0.2V1,6 + 0.005V3,02 beschrieben. EP 2 0 TABELLE (V(8))=(0.0) (1.3.3) (2.6.8): Quelle zwischen Knoten 2 und 0 angeschlossen, abhängig von der Spannung an Knoten 8. gemessen relativ zur Masse. Außerdem werden nach dem Gleichheitszeichen die Zeilen der Tabelle mit dem Wertepaar (Eingabe, Ausgabe) aufgelistet. Zwischenwerte werden linear interpoliert. EL 8 0 LAPLACE {V( 10)}={exp(-0.0rS)/ (1+0.rS)}; Zuordnung der Übertragungsfunktion nach Laplace. G1 (12 1) (9 10) 0.1; spannungsgesteuerte V(9.10)-Stromquelle mit einem Übertragungskoeffizienten von 0.1. Hier ist es angebracht, Beispiele für die Bezeichnung von Variablen in PSpice-Programmen zu nennen: V (9) – Spannung am Knoten 9. gemessen relativ zum gemeinsamen Draht. V(9.10) - Spannung zwischen den Knoten 9 und 10. V(R12) - Spannungsabfall am Widerstand R12v VB(Q1) - Spannung an der Basis des Transistors Q1. VBE(Q1) - Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q1 l(D1) - Strom der Diode D1. 1С(02) - Kollektorstrom des Transistors Q2. STUDIEREN VON KOMPONENTENMODELLEN Komponentenmodelle können mit Simulationsprogrammen untersucht werden. Mithilfe der grafischen Oberfläche lässt sich ganz einfach ein virtuelles Labor zum Testen der statischen und dynamischen Eigenschaften bestehender und erstellter Elemente erstellen. Dadurch wird es möglich, den Grad der Übereinstimmung ihrer Eigenschaften mit den Referenzparametern realer Komponenten festzustellen, Analoga unter Modellen fremder Komponenten auszuwählen oder ein unbekanntes Modell im Detail zu untersuchen. In den angegebenen Beispielen werden jedoch die Fähigkeiten von PSpice selbst genutzt. Lassen Sie uns die .OS-Direktive (multivariante Berechnung des DC-Modus) der PSpice-Sprache verwenden und eine Familie von Ausgangseigenschaften eines NPN-Bipolartransistors erstellen, der gemäß einer gemeinsamen Emitterschaltung angeschlossen ist (Abb. 1).
Die Ausgangskennlinie ist die Abhängigkeit des Kollektorstroms des Transistors von der Spannung an seinem Kollektor. Für verschiedene Werte des Basisstroms erhalten wir eine Familie von Ausgangskennlinien. Die Berechnung wurde für den KT315A-Transistor (Abb. 2) und einen idealen Transistor mit Standardparametern (Abb. 3) durchgeführt.
Die Aufgabe zur Modellierung in Textform sieht sehr einfach aus (Tabelle 10).
Um den CVC eines idealen Transistors zu berechnen, müssen Sie im Programm das Sternchen am Anfang der Zeile (* Q1 120 IDEAL) entfernen und es zur Zeile hinzufügen (Q1 1 2 0 KT315A). Es ist besser, Kommentare im Text des Programms auf Englisch oder zumindest in lateinischen Buchstaben zu schreiben, da Simulationsprogramme normalerweise kein Kyrillisch unterstützen. Im Artikel sind die Kommentare aus Gründen der Klarheit auf Russisch wiedergegeben. Der CVC der Zenerdiode D814A ist ähnlich aufgebaut – die Abhängigkeit der Spannung vom Strom (Abb. 4, 5, Tabelle 11).
Nutzen wir nun die Fähigkeiten der Direktiven .DC und .TEMP (Temperaturschwankung) und erstellen wir eine Familie von Übertragungseigenschaften des Feldeffekttransistors KP303D, der nach einer Common-Source-Schaltung angeschlossen ist (Abb. 6, Tabelle 12).
Die Übertragungscharakteristik eines Feldeffekttransistors ist die Abhängigkeit des Drainstroms von der Spannung zwischen Gate und Source. Für unterschiedliche Temperaturen ist es möglich, ein Kennlinienfeld aufzubauen (Abb. 7), da das Modell die Temperaturabhängigkeit der Transistorparameter berücksichtigt.
Als Beispiel für die Bewertung der dynamischen Eigenschaften von Modellen erstellen wir eine Familie von Frequenzeigenschaften des KT315A-Transistors bei vier Werten des Kollektorstroms. Das Messschema ist in Abb. dargestellt. 8.
Dazu nutzen wir die Fähigkeiten der Direktiven .AC (Berechnung des Frequenzgangs) und .STEP (multivariate Analyse), stellen eine Aufgabe zur Modellierung zusammen (Tabelle 13), berechnen IB(Q1) und lC(Q1).
Nach Durchführung der Simulation vergleichen wir die erhaltenen Ergebnisse (Abb. 9) mit den Parametern aus dem Handbuch [4].
Dazu gehen wir wie folgt vor. Der grafische Postprozessor von Simulationsprogrammen ermöglicht die Durchführung mathematischer Operationen an Diagrammen. Dadurch können wir das Verhältnis des Kollektorstroms IC(Q1) zum Basisstrom IB(Q 1) darstellen. Als Ergebnis erhalten wir den Frequenzgang des Stromübertragungskoeffizientenmoduls des Transistors bei verschiedenen Kollektorströmen. Mit dem Cursor-Messmodus ermitteln wir den Modul des Stromübertragungskoeffizienten bei einer Frequenz von 100 MHz. Für alle Optionen sind die Zahlen in den Diagrammen angegeben. Wenn wir sie mit dem Nachschlagewerk vergleichen, werden wir feststellen, dass das vorgeschlagene Modell des KT315A-Transistors unter Berücksichtigung der Spreizung der Realität nahe kommt. (Laut Fachbuch: lh21eI = 2,5 bei Ik = 1 mA, Uk = 10 V). Auch die Abhängigkeit der Frequenzeigenschaften des Transistors vom Kollektorstrom stimmt mit der Theorie und den Angaben in den Nachschlagewerken überein. Abschließend ist in diesem Abschnitt festzuhalten, dass eingebaute Modelle trotz der Vielzahl der berücksichtigten Parameter schnell Kompromisse eingehen. Simulierte Halbleiterbauelemente lassen problemlos große Ströme durch und halten großen Spannungen stand. Es reicht aus, die Grenzen der Spannungs- und Stromänderung in den hier betrachteten Beispielen zu erweitern (siehe Abb. 1, b) und es wird deutlich, dass das eingebaute Transistormodell das Phänomen des Durchbruchs von pn-Übergängen nicht berücksichtigt. Modelle von Widerständen, Kondensatoren, Induktivitäten und Transistoren berücksichtigen außerdem keine parasitären Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände. Dies ist sehr wichtig, wenn der Betrieb eines Geräts bei hohen Frequenzen simuliert wird. Über andere Einbaumodelle lässt sich in etwa das Gleiche sagen. Sie alle haben einen begrenzten Umfang und berücksichtigen in der Regel nichts. Daraus folgt die Schlussfolgerung: Wir brauchen fortschrittlichere Modelle, die diese Mängel nicht aufweisen. Um beispielsweise einen Transistorausfall zu vermeiden, ist es in extremen Fällen erforderlich, Dioden mit einem trägheitslosen Modell parallel zu den Transistorübergängen einzuschalten und den BV-Parameter entsprechend zu wählen. Durch die „Umhüllung“ der eingebauten Modelle mit Kondensatoren, Spulen und Widerständen können parasitäre Effekte berücksichtigt werden. Integrierte Modelle sind eine Art Bausteine, mit denen Sie beliebige Modellierungsoptionen erkunden können. Dafür sind sie perfekt. Mit den im Folgenden besprochenen Methoden können Sie effiziente und perfekte Modelle elementarer Komponenten erstellen. ERSTELLUNG UND ANWENDUNG VON MAKROMODELLEN Wenn Sie jemals Programmiersprachen studiert haben, wissen Sie wahrscheinlich, was eine Unterroutine ist. Hierbei handelt es sich um ein speziell entwickeltes Programm, das vom Hauptprogrammmodul wiederholt aufgerufen wird. In der Praxis bedeutet dies ein Makromodell. Makromodell-Beschreibungsform: .SUBCKT <Name des Makromodells> <Liste + externe Knoten> + [PARAMS:<<Parametername> = + <Wert>>] + [TEXT:<<Textparametername> + =<Text>>] <Strings, die das Makromodellschema beschreiben> .ENDS Die .SUBCKT-Direktive ist der Makromodell-Header. Es definiert den Anfang des Makromodells, seinen Namen und Knoten für die Verbindung mit dem externen Schema. Beschreibungszeilen für das Makromodellschema – eine Liste von Operatoren in willkürlicher Reihenfolge, die die Topologie und Zusammensetzung des Makromodells beschreiben. Die Direktive .ENDS definiert das Ende des Hauptteils des Makromodells. Das Schlüsselwort PARAMS definiert die Liste der Parameter, die von der Beschreibung der Hauptschaltung an die Beschreibung des Makromodells übergeben werden. Das Schlüsselwort TEXT definiert eine Textvariable, die von der Hauptkettenbeschreibung an die Makromodellbeschreibung übergeben wird. Form der Beschreibung der Einbindung des Makromodells in das Schema: X<Name> <Verbindungsknoten> [<Name + Makromodell>] + [PARAMS:<<Parametername> = + <Wert>) + (TEXT:<<Text + Parametername>=<Text>] Diese Anweisung bestimmt, dass das von der .SUBCKT-Anweisung beschriebene Makromodell mit den angegebenen Knoten im Schema verbunden ist. Die Anzahl und Reihenfolge der Knoten muss mit der Anzahl und Reihenfolge der Knoten in der entsprechenden .SUBCKT-Direktive übereinstimmen. Mit den Schlüsselwörtern PARAMS und TEXT können Sie die Werte der als Argumente in der Makromodellbeschreibung definierten Parameter festlegen und diese Ausdrücke innerhalb des Makromodells verwenden. BEISPIEL ZUR ERSTELLUNG EINES EINFACHEN MAKROMODELLS Das gegebene Beispiel zeigt die Lösung des Problems in der Stirn. Funkamateure verwenden häufig digitale Logik, um analoge Funktionen wie das Verstärken oder Erzeugen von Signalen auszuführen. Zur detaillierten Modellierung solcher Geräte ist es sinnvoll, ein exaktes Makromodell des Logikelements zu erstellen. Betrachten Sie das logische Element 2I-NOT der K155LAZ-Mikroschaltung. Beim Erstellen eines Makromodells müssen Sie die folgenden Arbeiten ausführen:
Als Ergebnis erhalten wir eine Textdatei (Tabelle 14).
Bei diesem Ansatz zum Erstellen eines Makromodells ist Folgendes erforderlich:
Zu beachten ist, dass es insbesondere bei Integralanteilen immer wieder zu Problemen mit Referenzparametern kommt. Die genaue Beschreibung von Mikroschaltungen wird im Allgemeinen selten veröffentlicht, meist findet man die einfachsten und selbst dann – mit Fehlern. Leider beunruhigt dies bis vor Kurzem kaum jemanden. Allerdings bietet der oben beschriebene Ansatz bei der Erstellung eines Makromodells auf den ersten Blick seltsamerweise noch keine Garantie für den Aufbau eines gut funktionierenden Modells. WIE ERSTELLT MAN EIN VEREINFACHTES SCHNELLES MAKROMODELL? Es ist bei weitem nicht immer so, dass die Lösung dieses Problems im Kopf der wahre Weg zur Erstellung eines guten Makromodells ist. Modelle, die mit dieser „Methode“ erstellt werden, benötigen viele Rechenressourcen und haben eine geringe Geschwindigkeit, d. h. die Berechnung der Schaltung wird sehr langsam sein. Erinnern wir uns daran, wie viele Transistoren auf einem Chip moderne Mikroschaltungen haben können! Daher ist es sehr wichtig, vereinfachte Makromodelle erstellen zu können, indem einzelne Mikroschaltungs-Subsysteme durch äquivalente Knoten ersetzt werden. Gleichzeitig kann sich die Qualität des Modells sogar verbessern, insbesondere wenn eine Mikroschaltung mit hohem Integrationsgrad modelliert wird. Lassen Sie uns unser eigenes vereinfachtes PSpice-Makromodell des K521CAZ-Komparators erstellen. Auch hier kann es zu Extremfällen kommen. Sie können beispielsweise eine Komparatorfunktion mithilfe einer abhängigen Quelle implementieren. In diesem Fall erweist sich das Modell als einfach und relativ schnell, spiegelt jedoch nicht die Physik des realen Geräts wider. Daher muss nach einer Kompromisslösung zwischen der Genauigkeit des Modells und seiner Geschwindigkeit gesucht werden. Überlegen Sie, was der Komparator K521SAZ ist. Es implementiert die Funktion des Vergleichs zweier analoger Signale. Wenn die Differenz zwischen den Signalen an den Eingängen positiv ist, ist der Ausgang des Komparators hoch, wenn negativ, niedrig. Der Signalvergleich erfolgt durch einen Differenzverstärker am Eingang. Die Ausgangsstufe ist auf einem Transistor mit offenem Kollektor und Emitter implementiert. Diese Informationen reichen bereits aus, um das einfachste, aber durchaus funktionierende Modell dieser Mikroschaltung zu synthetisieren (Abb. 11).
Um die Ein- und Ausgangseigenschaften des Komparators vollständig zu simulieren, sind am Ein- und Ausgang Transistoren eingebaut. Allerdings wird der Differenzverstärker stark vereinfacht. Die Emitter des Differenzpaars nutzen eine ideale Stromquelle, tatsächlich ist sie auf mehreren Transistoren implementiert. Die Schnittstelle zur Endstufe erfolgt über eine spannungsgesteuerte Stromquelle. In einer echten Mikroschaltung kommen auch mehrere Transistoren zum Einsatz. Daher werden bei der Konstruktion dieses Kompromissmodells die Multitransistorknoten durch vereinfachte und idealisierte Knoten ersetzt, wobei jedoch die äußeren Eigenschaften des Geräts erhalten bleiben. PSpice verfügt über einen perfekten Satz an Werkzeugen, um alle Eigenschaften realer Geräte auch in komplexeren Fällen mit ausreichender Genauigkeit für praktische Zwecke auszudrücken. Weisen wir allen Elementen der Schaltung Positionsbezeichnungen zu, nummerieren die Knoten und beschreiben das Komparator-Makromodell in der PSpice-Eingabesprache (Tabelle 15).
Schauen wir uns nun an, wie das resultierende Makromodell die Funktionen eines Komparators erfüllt. Zeichnen Sie dazu eine Testschaltung (Abb. 12).
Anschließend erstellen wir eine Aufgabe zur Modellierung (Tabelle 16) und berechnen die Übertragungscharakteristik dieses Modells (Abb. 13).
Die Übertragungscharakteristik des Komparators ist die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Spannungsdifferenz an den Eingängen. Aus der berechneten Kennlinie ist ersichtlich, dass Trotz der Einfachheit des Modells erwies sich der Komparator als recht effizient. In diesem Beispiel haben wir zum ersten Mal das Makromodell der Komponente verwendet und ihre Verbindung im Stromkreis mit der Leitung X1 (0 1 2 0 4 3) K521CAZ beschrieben. Beachten Sie, dass Elementnamen im Makromodell lokal sind und bei der Benennung von Komponenten in der externen Kette ignoriert werden können. Es ist an der Zeit, einige elektronische Baugruppen zu simulieren, die auf dem Komparator K521SAZ hergestellt wurden. zum Beispiel ein Präzisionsamplitudendetektor (Abb. 14, Tabelle 17).
Die Simulationsergebnisse sind in Abb. 15 dargestellt. 16 und XNUMX.
Wir rufen das Komparator-Makromodell aus der Bibliotheksdatei C:\USERLlB\kompar.lib auf. Um die Bibliotheken anzugeben, in denen die Modelle gespeichert sind, wird die .LIB-Direktive verwendet, die in der Modellierungsaufgabe beschrieben werden muss. Dann ist es nicht mehr notwendig, eine Beschreibung des Makromodells in den Text aufzunehmen. Operatorform: .LIB [<Bibliotheksdateiname^]. Beachten Sie, dass im Allgemeinen auch andere Makromodelle in ein Makromodell einbezogen werden können. Indem wir die Steueranweisungen verwerfen und die Beschreibung des Spitzendetektors zwischen SUBCKT und .ENDS platzieren, erhalten wir ein neues Makromodell, das ein verschachteltes Makromodell enthält. Auf diese Weise können Sie die komplexesten Modelle sehr kompakt zusammenstellen, wenn Sie zunächst die erforderlichen typischen Knoten vorbereiten und diese in einer separaten Bibliotheksdatei speichern. ERSTELLUNG VON MODELLEN, DIE DIE TECHNOLOGISCHE VERTEILUNG UND DEN EINFLUSS DER TEMPERATUR AUF DIE EIGENSCHAFTEN VON KOMPONENTEN BERÜCKSICHTIGEN Die Parameter aller Elemente haben eine Streuung und. Darüber hinaus sind sie auch von der Temperatur abhängig. Das Leben von Funkamateuren würde ohne diese Probleme langweilig werden, da es unmöglich wäre, aus wartungsfähigen Teilen nach dem richtigen Schema ein funktionsunfähiges Design zu erstellen. Die Natur hat uns eine solche Gelegenheit gegeben. Mit Simulationsprogrammen können Sie Geräte identifizieren, deren Leistung von der Temperatur und der Streuung der Komponentenparameter abhängt. Hierzu erfolgt eine statistische Analyse nach der Monte-Carlo-Methode und einer multivariaten Analyse. Sie benötigen jedoch die entsprechenden Komponentenmodelle. In den eingebauten PSpice-Modellen zur Berücksichtigung der Ausbreitung und des Einflusses der Temperatur gibt es: „Angabe einer zufälligen Ausbreitung des Parameterwerts“, „Linearer Temperaturkoeffizient“, „Quadratischer Temperaturkoeffizient“. „Exponentieller Temperaturkoeffizient“. Darüber hinaus können Sie mit den T_MEASURED-Parametern die Temperatur einzelner Komponenten steuern. T ABS. T_REL_GLOBAL. T_REL_LOCL, was manchmal nützlich ist. Bei der multivariaten Analyse kann nicht nur die Temperatur zu einer Variablen werden, sondern auch fast jeder Modellparameter, der sich aufgrund physikalischer Einflüsse der äußeren Umgebung oder einer Verschlechterung der Komponentenparameter im Laufe der Zeit ändern kann. Wenn Makromodelle auf der Grundlage solcher Modelle erstellt werden, weisen sie natürlich auch eine zufällige Ausbreitung und Temperaturabhängigkeit auf. Tatsächlich ist ein solch einfacher Ansatz für die Erstellung von Makromodellen völlig ungeeignet. Wie oben erwähnt, werden bei der Erstellung von Makromodellen grundsätzlich Vereinfachungen und Annahmen verwendet. Dadurch entspricht das Schema des Makromodells selten dem Original. Darüber hinaus ist es für einen Funkamateur schlicht unmöglich, die wahren thermischen Verbindungen zwischen den in der Mikroschaltung integrierten Elementen nachzuvollziehen. Dazu wird das Makromodell aus stabilen Komponenten aufgebaut und anschließend gezielt Elemente mit Ausbreitungs- und Temperaturabhängigkeit eingebracht. Aber sie machen es so. um die wichtigsten statistischen und thermischen Eigenschaften des simulierten Geräts anzuzeigen. Dieser Ansatz eignet sich zur Berücksichtigung des Einflusses anderer physikalischer Einflüsse, ist jedoch nicht der einzige. So. Bei ionisierender Strahlung, die fast alle Parameter der Komponenten beeinflusst, ist es bequemer, mehrere Kopien von Bibliotheken für unterschiedliche Dosen zu haben. Anschließend werden mithilfe der .LIB-Direktive die gesamten Komponentenbibliotheken entsprechend der empfangenen Dosis ersetzt. Die Ergebnisse können dann in einem einzigen Diagramm kombiniert werden. Als Beispiel für die Erstellung und Verwendung von Modellen mit einer Streuung von Parametern und Temperaturabhängigkeit simulieren wir einen Filter (Abb. 17, Tabelle 18), der in der Funktelefonie verwendet wird und unter schwierigen klimatischen Bedingungen arbeitet. Der Temperaturbereich reicht von -40 bis +80 „C. In den Modellen aller Komponenten sind die Parameter Technologiestreuung und Temperaturinstabilität der Hauptparameter eingestellt.
Mit den Direktiven .AC, .TEMP und .MS berechnen wir den Frequenzgang des Filters und seine Schwankungen bei Temperaturänderungen und die Streuung der Parameter der Elemente. Es ist sofort klar (Abb. 18), dass die Eigenschaften des Filters stark von der Temperatur abhängen und ein solches Telefon schlecht funktionieren wird. Die Schlussfolgerung liegt auf der Hand: Um ein funktionsfähiges Gerät zu erhalten, müssen für diesen Filter stabilere und genauere Elemente ausgewählt werden.
BEISPIEL FÜR PROFESSIONELLEN MODELLBAU Hier sind die Makromodelle von Operationsverstärkern standardmäßig für PSpice mit bipolaren (K140UD7, Abb. 19, Tabelle 19) und Feldeffekttransistoren (K140UD8, Abb. 20, Tabelle 20) am Eingang.
Beachten Sie, dass darin alle Transistoren außer den Eingangstransistoren ausgeschlossen sind. Dies wirkt sich positiv auf die Leistung von Makromodellen aus. Sie berücksichtigen jedoch sehr genau viele Effekte, die in einem realen Gerät auftreten. Achten Sie auf die massive Nutzung abhängiger und unabhängiger Quellen. Dies ist das Hauptwerkzeug für die kompetente Konstruktion guter Makromodelle komplexer Mikroschaltungen. Die Eingangsdifferenzstufe modelliert das Vorhandensein eines Mischstroms und die Abhängigkeit der Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsdifferenzspannung. Mit dem Cee-Kondensator (Css) können Sie die Asymmetrie des Ausgangsimpulses des Operationsverstärkers in einer nicht invertierenden Verbindung anzeigen. Der Kondensator C1 und die Kapazität der Transistorübergänge imitieren die bipolare Natur des Frequenzgangs des Operationsverstärkers. Gesteuerte Stromquellen ga, gcm und Widerstände r2, rо2 simulieren Differenz- und Gleichtaktspannungsverstärkung. Mit Hilfe des Kondensators C2, der nach Wahl des Benutzers angeschlossen werden kann, ist es möglich, die interne oder externe Korrektur des Operationsverstärkers zu simulieren. Die Nichtlinearität der Ausgangsstufe des Operationsverstärkers wird durch die Elemente din modelliert. tauchen. ro1 (sie begrenzen den maximalen Ausgangsstrom) und dc, de, vc, ve (sie begrenzen den Ausgangsspannungshub). Der Widerstand rp simuliert den Gleichstromverbrauch der Mikroschaltung. Dioden-DP-Schutz. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass nicht immer träge Modelle erforderlich sind, denn der Preis dafür ist eine reduzierte Leistung. Es ist sinnvoll, selbst eine Bibliothek vereinfachter Makromodelle zu entwickeln, um keine Zeit mit dem Warten auf Ergebnisse zu verschwenden, wenn Sie die Idee nur „einspielen“ müssen. Darüber hinaus sollten wir nicht vergessen, dass es immer möglich ist, ein perfekteres Modell als das Standard- oder Profimodell zu erstellen. In unserem speziellen Fall bilden die angegebenen Makromodelle des Operationsverstärkers nicht alle Eigenschaften realer Geräte ab und können verbessert werden. Dies gilt für Temperatur, Statistik, Rauschverhalten und vor allem für den Eingangswiderstand. Die Eingangskapazität des Verstärkers ist Null, da im Transistormodell keine Kapazitäten angegeben sind. Ein weiterer Nachteil ist das Fehlen einer Beschreibung des Durchbruchs (Öffnen von Schutzdioden oder reversibler Durchbruch von Emitterübergängen) bei großen schließenden Eingangssignalen, und die Liste geht weiter. Auf der Grundlage des Gesagten formulieren wir einen allgemeinen formalen Ansatz zur Konstruktion von Makromodellen analoger Komponenten. Die einfachste Struktur des Makromodells kann als bestehend aus drei in Reihe geschalteten Blöcken dargestellt werden: Der erste beschreibt die Eingangseigenschaften, der zweite beschreibt die Übertragungseigenschaften (lineare und nichtlineare Verzerrungen), der dritte beschreibt die Ausgangseigenschaften. Die Informationsübertragung von Block zu Block erfolgt über abhängige Strom- oder Spannungsquellen. Die Anzahl der Blöcke, ihr Typ. Aufgrund der Funktionsverteilung kann die Anzahl der parallelen Pfade je nach Aufgabenstellung unterschiedlich sein. Nachdem ein typischer Satz von Modellen solcher Blöcke erstellt wurde, ist es zulässig, die Erstellung von Makromodellen buchstäblich in Gang zu setzen. Daher erfordert die Erstellung eines guten Modells umfangreiches Referenzmaterial, Intuition, Kenntnisse der Physik von Halbleitern und elektronischen Geräten, der Elektrotechnik, der Funktechnik, der Mikroschaltungstechnik, der Schaltungstechnik, der Mathematik und der Programmierung. Die Aufgabe ist nur für Funkamateure mit ihrer unermüdlichen kreativen Energie. Literatur
Autor: O. Petrakov, Moskau
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