Электроника учебное пособие

∙существенное сокращение времени для проверки правильности функционирования синтезированного устройства путем расчета его математической модели, а не формирования макета для каждой новой реализации;

∙возможность оценивать такие параметры и характеристики моделируемого устройства, которые нельзя непосредственно измерить на макете из-за недоступности узлов измерения;

∙снижение затрат на процесс проектирования, и др.

Математическое моделирование подразумевает применение специальных программных средств. При моделировании работы электронных устройств используют следующие основные разновидности программ:

1)универсальные программы математических расчетов (MATLAB, MathCAD, Maple и др.);

2)универсальные системы автоматизированного проектирования (САПР), обеспечивающие моделирование электронных устройств (PSpice, Micro-CAP, APLAC, Electronics Workbench и др.).

§14.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

ВСИСТЕМЕ DESIGNLAB

Основу системы DesignLab фирмы MicroSim составляет программа PSpice – наиболее известная модификация программы схемотехнического моделирования SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis),

разработанная в начале 70-х годов в Калифорнийском университете города Беркли. Она оказалась очень эффективной и востребованной, с тех пор интенсивно развивается и де-факто стала эталонной программой моделирования аналоговых устройств. Принятые в SPICE математические модели полупроводниковых приборов используются в настоящее время во многих аналогичных программах, а списки соединений компонентов в формате SPICE стали негласным стандартом описания аналоговых схем.

161

Задание на моделирование для программы PSpice формируют в виде текстового файла. Имя файла выбирают произвольным, а в качестве расширения рекомендуется использовать « .cir », воспринимаемое программой по умолчанию.

Первая строка файла содержит заглавие описания, которое рассматривается как комментарий и используется в дальнейшем в виде заголовка в выходном файле. В качестве первой строки рекомендуется указывать название проектируемого устройства, имя разработчика или дату создания проекта.

Строки комментариев содержат символ « * » в первой позиции. В тексте комментариев допускается использовать символы кириллицы. Продолжение любой строки после знака « ; » также воспринимается как комментарий.

Последняя строка файла содержит директиву « .END ».

Строка, начинающаяся с символа « + », рассматривается как продолжение предыдущей строки. В описании прописные и строчные буквы не различаются.

Задание на моделирование для программы PSpice состоит из двух частей – описания схемы, т.е. описаний компонентов, входящих в состав устройства, и связей между ними, а также директив, которые обеспечивают выполнение различных видов анализа и визуализацию формируемых результатов.

Описание схемы на входном языке программы PSpice

Описанием компонента считается любая строка, которая не начинается с символа « . », не является первой строкой, комментарием или стро- кой-продолжением. Описание компонента имеет следующую структуру:

<имя компонента> <номера узлов подключения> +[<имя модели>] <числовые значения>

Имя компонента состоит из последовательности символов латинского алфавита и цифр. Рекомендуется использовать имена компонентов, не превышающие 8 символов. Первый символ имени компонента определяет

162

его тип (табл. 14.1), далее указывают идентификатор компонента – произвольную алфавитно-цифровую последовательность.

Таблица 14.1

Номера узлов подключения компонента к схеме перечисляются в определенном порядке, установленном для каждого конкретного компонента. Для нумерации узлов схемы используют целые числа. Узел «земля» всегда обладает номером 0 (нуль). Остальные узлы могут нумероваться произвольными значениями, однако для них рекомендуется использовать последовательную нумерацию в возрастающем порядке, начиная с единицы.

Имя модели компонента не является обязательным параметром. Данный элемент чаще всего используется при описании активных электронных приборов (диодов, транзисторов и т.д.).

Числовые значения определяют номинальные величины параметров компонентов. Для задания числовых значений могут использоваться непосредственно числа, а также символьные масштабирующие множители

(табл. 14.2).

163

Описание пассивных компонентов

Резисторы описываются предложением

Rxxx <узел 1> <узел 2> <номинал>

Конденсаторы описываются предложением

Сxxx <узел 1> <узел 2> <номинал>

Индуктивности описываются предложением

Lxxx <узел 1> <узел 2> <номинал>

Здесь и далее ххх – произвольная алфавитно-цифровая последовательность длиной не более 7 символов, которая пишется слитно с первым символом имени компонента.

<Номинал> определяет величину сопротивления, емкости и индуктивности в омах, фарадах и генри соответственно для резистора, конденсатора и индуктивности.

Например, для схемы, представленной на рис. 14.1, описание пассивных компонентов будет иметь следующий вид:

164

Полупроводниковый диод описывается предложением

Dxxx <узел анода> <узел катода> <имя модели>

Модель диода задается следующим предложением:

.MODEL <имя модели> D(параметры модели)

Имя модели – алфавитно-цифровая последовательность, которая начинается с символа, определяет тип описываемого прибора.

Перечень и назначение параметров модели полупроводникового диода подробно описаны в [11].

Биполярный транзистор описывается предложением

Qxxx <узел коллектора> <узел базы> <узел эмиттера> <имя модели>

Модели биполярных транзисторов задаются следующими предложениями:

.MODEL <имя модели> NPN(параметры модели)

.MODEL <имя модели> PNP(параметры модели)

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом описывается предложением

Jxxx <узел стока> <узел затвора> <узел истока> <имя модели>

165

Модели полевых транзисторов задаются следующими предложениями:

.MODEL <имя модели> NJF(параметры модели)

.MODEL <имя модели> PJF(параметры модели)

МОП-транзистор описывается предложением

Mxxx <узел стока> <узел затвора> <узел истока> +<узел подложки> <имя модели>

Модели МОП-транзисторов задаются следующими предложениями

.MODEL <имя модели> NMOS(параметры модели)

.MODEL <имя модели> PMOS(параметры модели)

Независимые источники тока I и напряжения V стандартного вида описываются предложениями

Ixxx <+узел> <-узел> [[DC] <значение> ] [AC <модуль> [<фаза>]] +[спецификация сигнала]

Vxxx <+узел> <-узел> [[DC] <значение> ] [AC <модуль> [<фаза>]] +[спецификация сигнала]

Здесь <+узел> и <-узел> означают номера узлов положительного и отрицательного полюсов источников.

Источники могут использоваться во всех видах анализа (в статическом режиме, в частотной и временной областях). Для этого необходимо задать соответствующие карты в описании источника. Параметр DC определяет постоянную составляющую источника напряжения или тока. Источник с данным параметром можно использовать для расчета схемы в статическом режиме.

Для моделирования схемы в частотной области задается параметр АС, включающий модуль и фазу источника входного гармонического сигнала.

Элемент [спецификация сигнала] определяет закон изменения сигнала тока или напряжения во времени.

Рассмотрим способы описания синусоидального и импульсного сигналов.

Синусоидальная функция (рис. 14.2) задается списком параметров

SIN (y0 ya f td d f ϕ),

166

где y0 – постоянная составляющая сигнала, ya – амплитуда, f – частота, td – задержка, d f – коэффициент затухания и ϕ – фаза.

Импульсная функция (рис. 14.3) задается списком параметров

PULSE (y1 y2 td tr t f τ T ),

где y1 – начальное значение, y2 – максимальное значение, td – начало переднего фронта, tr – длительность переднего фронта, t f – длительность

заднего фронта, τ – длительность плоской части импульса, Т – период повторения.

Выделяют четыре разновидности зависимых источников тока и напряжения:

v= e(v) – источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН);

i= f (i) – источник тока, управляемый током (ИТУТ);

i= g(v) – источник тока, управляемый напряжением (ИТУН);

v = h(i) – источник напряжения, управляемый током (ИНУТ).

Источник напряжения, управляемый напряжением, задается пред-

ложением

Exxx <+узел> <-узел> <+ управляющий узел>

+<- управляющий узел> <коэффициент передачи>

Здесь и далее <+узел> и <-узел> означают номера выходных узлов положительного и отрицательного полюсов источника.

167

Источник тока, управляемый током, задается предложением

Fxxx <+узел> <-узел>

+<имя управляющего источника напряжения> +<коэффициент передачи>

Источник тока, управляемый напряжением, задается предложением

Gxxx <+узел> <-узел> <+ управляющий узел>

+<- управляющий узел> <коэффициент передачи>

Источник напряжения, управляемый током, задается предложением

Hxxx <+узел> <-узел>

+<имя управляющего источника напряжения> +<коэффициент передачи>

Директивы моделирования

Программа PSpice позволяет рассчитывать следующие характеристики электронных схем:

∙режим цепи по постоянному току в рабочей точке;

∙режим по постоянному току при вариации источников постоянного тока или напряжения, температуры и других параметров цепи;

∙характеристики схемы в частотной области при воздействии одного или нескольких сигналов;

∙переходные процессы при воздействии сигналов различной формы, и др.

Каждому виду расчета соответствует определенная директива.

Расчет постоянных токов и напряжений при номинальном режиме

(расчет рабочей точки активных приборов) выполняется по директиве .ОР При расчете режима по постоянному току принимаются во внимание параметры DC всех независимых источников напряжения и тока. Результаты расчета автоматически выводятся в текстовый файл-отчет в виде таблицы узловых потенциалов и списка токов независимых источников, а также информацию о постоянных токах и напряжениях активных приборов, вхо-

дящих в состав моделируемой схемы.

168

Расчет режима по постоянному току при вариации одного или не-

скольких источников постоянного тока или напряжения, температуры, параметров моделей компонентов схемы осуществляется по директиве

.DC <имя 1-й переменной> <начальное значение> +<конечное значение> <приращение> [<имя 2-й переменной> +<начальное значение> <конечное значение> <приращение>]

Режим по постоянному току рассчитывается для нескольких значений варьируемых переменных, в качестве которых могут выступать:

∙имена независимых источников тока и/или напряжения;

∙параметры моделей компонентов (указываются тип компонента, имя модели и в круглых скобках имя варьируемого параметра);

∙температура (в качестве ее имени используется ключевое слово

TEMP).

Если указаны спецификации двух варьируемых параметров, то первый параметр изменяется в заданных пределах для каждого значения второго параметра. Такой вложенный цикл удобен, в частности, для построения статических характеристик полупроводниковых приборов.

Например:

.DC Vdd 0.0 5.0 0.5

обеспечивает расчет постоянных токов и напряжений при изменении напряжения Vdd от нуля до пяти вольт с шагом 0,5 В.

.DC NPN KT316B(BF) 50 150 10

обеспечивает расчет постоянных токов и напряжений при изменении параметра BF модели биполярного транзистора KT316B.

.DC VCE 0 10 0.1 IB 0 10m 1m

обеспечивает расчет постоянных токов и напряжений при изменении напряжения VCE в диапазоне от нуля до десяти вольт с шагом 0,1 В для каждого значения тока IB из заданного диапазона.

Частотные характеристики расчитывают по директиве

.АC <закон> <n> <начальная частота> <конечная частота>

Здесь <закон> может принимать значения LIN, DEC, OCT. Параметр LIN устанавливает линейный шаг по частоте, при этом n – общее количе-

169

ство точек по частоте. Параметры DEC и OCT устанавливают логарифмический характер изменения частоты декадами или октавами соответственно. Параметр n в таком случае определяет количество точек по частоте на одной декаде или октаве. Параметры начальная частота и конечная час- тота задают границы диапазона изменения частоты входного сигнала.

Характеристики в частотной области рассчитывают после определения режима по постоянному току и линеаризации нелинейных компонентов (эти операции система PSpice выполняет автоматически). Все независимые источники тока и напряжения, для которых заданы параметры АСсигналов (амплитуда и фаза), являются входными воздействиями. При проведении АС-анализа остальные спецификации этих источников не принимаются во внимание.

Например:

.АC DEC 50 1 20MEG

обеспечивает расчет частотных характеристик при изменении частоты входного(ых) источника(ов) от 1 Гц до 20 МГц с шагом 20 отсчетов на каждую декаду частот.

Переходные процессы рассчитывают по директиве

.TRAN <шаг вывода данных> <конечное время> +[<начальное время>]

Переходные процессы всегда рассчитываются с момента времени t = 0 до момента <конечное время>. Перед началом расчета переходных процессов рассчитывается режим по постоянному току (автоматически). Если задан параметр <начальное время>, то вывод результатов расчетов подавляется в интервале времени от t = 0 до указанного значения. Величина <шаг вывода данных> используется при отображении результатов моделирования в табличном виде в выходном файле-отчете.

Например:

.TRAN 15m 200m

обеспечивает расчет переходных процессов с момента времени t = 0 до момента времени 200 миллисекунд, результаты моделирования будут отображаться с шагом 15 миллисекунд, начиная с нулевого момента времени.

170