Modelos PSPICE para programas de simulação. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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 Comentários do artigo

Os computadores estão se tornando rapidamente mais baratos, a velocidade de seus cálculos está crescendo. Surgiram excelentes programas que permitem aos radioamadores simular e observar na tela do monitor processos em aparelhos reais, cujo trabalho direto exigiria instrumentos de medição muito caros. Isso é especialmente importante para iniciantes, que, via de regra, possuem apenas um multímetro e, com menos frequência, um osciloscópio simples.

Os programas mais populares entre os radioamadores são MicroCap 5, Electronic Workbench, PSpice (o PSpice está incluído nos pacotes Design Center, DesignLab, OrCad-9). Eles sempre podem ser encontrados em laserdiscs oferecidos pelos mercados de rádio. O que falta nesses discos são modelos de componentes radioeletrônicos nacionais e importados para tais programas. E isso é uma riqueza considerável, principalmente se os modelos forem elaborados por profissionais e verificados.

Historicamente, o programa PSpice foi o primeiro a aparecer - o desenvolvimento da MicroSim Corporation no início dos anos 70. Desde então, vem sendo intensamente desenvolvido e, devido à simplicidade da linguagem de entrada e à confiabilidade dos algoritmos utilizados, tornou-se uma espécie de padrão para tais sistemas. Portanto, outros programas usam a linguagem de entrada do PSpice. Componentes do modelo PSpice ou contém o núcleo deste programa. Na verdade, muitos deles são conchas convenientes que permitem escrever uma tarefa na linguagem natural para radioamadores - a linguagem dos circuitos elétricos. Isso é muito conveniente, pois o idioma de entrada "nativo" do programa PSpice é um arquivo de texto em códigos ASCII, que requer muito trabalho manual, muito trabalhoso e muitas vezes acompanhado de erros.

No entanto, há uma área em que a linguagem de entrada do PSpice é indispensável. Bons modelos de componentes de alta velocidade para esses programas são escritos na linguagem PSpice. Nos países desenvolvidos, os fabricantes de circuitos integrados devem desenvolver e publicar modelos PSpice de seus dispositivos, caso contrário não serão utilizados. Ainda não existem tais tradições na Rússia. Portanto, as bibliotecas existentes de modelos PSpice certamente não satisfarão os rádios amadores, e a criação de seus próprios modelos de componentes pode se tornar uma direção possível para a criatividade do rádio amador. Vamos mostrar com exemplos simples que isso é bastante simples.

Para que tudo fique mais claro, vamos lidar com a terminologia do PSpice.

• Diagrama elétrico - uma representação gráfica condicional de componentes eletrônicos e conexões elétricas entre eles em algum tipo de suporte de papel.
• Um nó é um ponto de conexão eletricamente comum para os terminais dos componentes do circuito.
• Componente - uma unidade de circuito usada na descrição de circuitos eletrônicos. em regra, correspondente ao dispositivo efetivamente produzido pela indústria. Um componente consiste em seu nome, imagem gráfica e modelo, completo com parâmetros.
• Um modelo é uma descrição matemática de um componente que descreve sua operação com uma precisão aceitável para fins práticos.
• Modelo embutido - um modelo cuja descrição é definida no corpo do programa PSpice.
• Macromodelo - consiste em um conjunto de componentes topologicamente relacionados com modelos embutidos. Dentro de um modelo macro, outros modelos macro podem ser usados.
• Macromodelo padrão - um macromodelo para o qual é fornecido um programa regular capaz de gerar automaticamente um macromodelo de um componente de acordo com os parâmetros do passaporte. Assim, por exemplo, amplificadores operacionais e comparadores no PSpice possuem modelos macro padrão.
• Definir modelo - defina os parâmetros correspondentes a um determinado componente.
• Parâmetros são constantes numéricas que ajustam o modelo ideal às propriedades de um dispositivo real.
• Um protótipo é um modelo já existente que é usado como fonte de parâmetros para um componente recém-criado. Os protótipos são convenientes de usar ao criar um grupo relacionado de componentes com uma diferença apenas em parâmetros individuais.
• Um componente ideal é um componente que usa um modelo com parâmetros padrão.
• Biblioteca - um ou mais arquivos que contêm modelos e modelos macro de componentes.
• Tarefa de simulação - um arquivo de texto em códigos ASCII contendo comandos na linguagem de entrada do programa PSpice.

É claro que, para criar um componente com base em um modelo integrado ou em um modelo de macro padrão, você precisa definir seus parâmetros. Para isso, existem programas especiais que, de acordo com os parâmetros do passaporte para um componente específico, permitem gerar seu modelo. O trabalho é muito rotineiro, exigindo dados de referência detalhados sobre os componentes. Nos livros de referência publicados sobre radioelementos, via de regra, não há informações completas. Então você tem que realizar algumas medições independentes ou consultar os fabricantes de radioelementos. Este processo é descrito em detalhes em [1-3]. Infelizmente, nas versões DEMO, esses programas funcionam com limitações, permitindo criar apenas modelos de diodo.

Mas há uma saída. Há um grande número desses modelos nas bibliotecas anexadas à distribuição, e não é difícil encontrar um análogo para elementos domésticos, atribuindo-lhe um novo nome e editando-o de acordo. Você pode trabalhar com bibliotecas, editar e copiar modelos usando qualquer editor de texto.

Além disso, para radioamadores que falam linguagens de programação, como BASIC, não será um grande problema escrever seu próprio programa para calcular os parâmetros dos modelos PSpice de acordo com os parâmetros do passaporte. As relações entre as características do passaporte e os parâmetros do modelo podem ser encontradas em [1-3]. O autor planeja criar tal utilitário, adaptado para diretórios domésticos. É bastante razoável definir a tarefa de escrever programas geradores para tais macromodelos PSpice, cuja criação não é prevista em programas regulares.

Outra tarefa interessante para radioamadores seria a criação de um anexo de medição automatizado a um computador que gerasse os parâmetros de modelos PSpice ou macromodelos a partir de amostras de controle, e ainda com possibilidade de processamento estatístico. Radioamadores têm experiência na criação de acessórios de medição que podem ser conectados a um PC.

Resistores, capacitores, indutores, diodos, transistores, circuitos magnéticos, linhas de comunicação, fontes de tensão e corrente, um conjunto básico de elementos digitais e alguns elementos idealizados possuem modelos embutidos.

Mas e se não houver um modelo pronto de qualquer componente. Então você precisa ser capaz de desenvolver seus próprios macromodelos. E aqui as possibilidades do PSpice são verdadeiramente infinitas. Os primeiros blocos de construção de modelos macro são modelos integrados. Devido às limitações do artigo da revista, falaremos apenas sobre elas. que será usado nos exemplos.

Para começar, um pouco sobre as funcionalidades dos programas na linguagem PSpice.

• A primeira linha do programa é um comentário.
• Símbolos "*" (asterisco) e ";" (ponto e vírgula) denotam linhas com comentários ou comentários em linhas de programa.
• O símbolo (mais) é uma quebra de linha, usada para instruções longas.
• Símbolo "." (ponto) - o início da linha-diretiva que controla o processo de modelagem.

As demais linhas referem-se à descrição da topologia e componentes.

Os comentários desempenham um papel de apoio. As diretivas controlam o curso do processo computacional, o acesso a modelos e macromodelos e a saída dos resultados da simulação. As linhas de descrição da topologia definem formalmente o circuito elétrico do dispositivo, indicando os nós de conexão dos pinos componentes e seus modelos.

MODELOS E GRÁFICOS PSPICE

Para usar o modelo Pspice criado em programas que possuem um shell gráfico desenvolvido, por exemplo, MicroCap 5 ou DesignLab, é necessário, usando os recursos de serviço desses pacotes, incluí-lo nas bibliotecas PSpice existentes e criar um gráfico apropriado símbolo, de preferência de acordo com GOST. O trabalho futuro com o novo componente não será diferente dos existentes.

CRIANDO COMPONENTES ANALÓGICOS COM UM MODELO INTEGRADO

Os parâmetros de componentes analógicos com modelo embarcado são indicados de duas formas: diretamente sobre uma sentença que descreve a localização do componente no circuito; usando a diretiva .MODEL, que descreve modelos de componentes integrados.

A forma geral da descrição do modelo:

.MODEL <nome do componente> 1AKO:<nome do modelo do protótipo>] <nome do tipo de modelo> ([<parâmetros do modelo>=<valor> [<especificação de distribuição aleatória do valor do parâmetro>]1 [T_MEA-SURED=<valor>] [[ T_AB8=<valor>] ou [T_REL_GLOBAC=<valor>] ou [T_REL_LOCL=<valor>]])

onde: <nome do componente> é o nome de um dispositivo específico, por exemplo: RM. KD503. KT315A;

[ACO:<prototype model name>] - definição de um modelo usando um protótipo existente (isso reduz o tamanho da biblioteca). Na descrição devem ser indicados apenas os diferentes parâmetros;

<nome do tipo de modelo> - nome padrão do modelo ideal embutido (Tabela 1);

[<parâmetros do modelo>=<valor> [<especificação de propagação aleatória do valor do parâmetro>]] - entre parênteses, indica a lista de valores de parâmetros do modelo de componente. Se esta lista estiver ausente ou incompleta, os valores de parâmetro do modelo ausentes serão atribuídos por padrão. Cada parâmetro pode assumir valores aleatórios em relação ao seu valor nominal, mas isso é usado apenas em análises estatísticas.

Os parâmetros de muitos modelos dependem da temperatura. Existem duas maneiras de definir a temperatura de componentes passivos e dispositivos semicondutores. Primeiro, a diretiva .MODEL especifica a temperatura na qual os parâmetros T_MEASURED=<valor> incluídos nela são medidos. Este valor substitui a temperatura TNOM definida pela diretiva .OPTIONS (padrão 27°C). Em segundo lugar, você pode definir a temperatura física de cada dispositivo, substituindo a temperatura global definida pelas diretivas .TEMP, .STEP TEMP ou .DC TEMP. Isso pode ser feito com um dos três parâmetros a seguir: T ABS - temperatura absoluta (padrão 27°C); T_REL_GLOBAL é a diferença entre as temperaturas absoluta e global (o padrão é 0), então T_ABS = temperatura global + T_REL_GLOBAL, T_REL_LOCL é a temperatura relativa, a temperatura absoluta do DUT é igual à temperatura absoluta do protótipo mais o valor do parâmetro T_REL_LOCL

Todos os parâmetros do modelo são indicados em unidades SI. Para encurtar o registro, são utilizados prefixos especiais (Tabela 2). É permitido adicionar caracteres alfabéticos a eles para melhorar a clareza das designações, por exemplo, 3, ZkOhm, 100pF, 10uF, 144MEG, WmV.

A forma de descrever a inclusão de um componente em um circuito:

<primeiro caractere + continue > lista de nós> [<nome do modelo>] <opções>

Uma descrição de componente é qualquer string que não comece com o caractere "." (ponto).

O nome do componente consiste no primeiro caractere padrão (Tabela 3), que define o tipo do componente e uma continuação arbitrária de não mais que 130 caracteres.

Os números de nós de conexão de componentes no diagrama são listados em uma ordem específica estabelecida para cada componente. Nome do modelo - O nome do modelo do componente cujo tipo é definido pelo primeiro caractere.

Em seguida, os parâmetros do modelo de componente podem ser especificados.

RESISTOR

A forma da descrição da inclusão de um resistor no circuito:

R<nome> <nó(+)> <nó(-)> [<nome do modelo>] <valor da resistência>

Formulário de descrição do modelo:

.MODEL <nome do modelo> RES(<parâmetros do modelo>)

A lista de parâmetros do modelo do resistor é dada na Tabela. 4.

Exemplos: RL30 56 1.3K; Resistor RL de 1,3 kΩ conectado aos nós 30 e 56.

R2 12 25 2.4K TC=0.005, -0.0003; Resistor R2 de 2.4 kΩ conectado aos nós 12 e 25 e com coeficientes de temperatura TC1 = 0.005 °C-1 TC2 = -0.0003 °C-2. R3 3 13RM 12K

.MODELO RM.RES (R = 1.2 DEV = 10% TC1 = 0.015 TC2 = -0.003): resistor de 3 kΩ R12 conectado entre os nós 3 e 13. °С-1 ТС0,015 = 1 °С-2; R é o coeficiente de proporcionalidade entre o valor da resistência utilizada na simulação e o valor nominal especificado.

Os modelos de um capacitor e um indutor são semelhantes.

CAPACITOR

A forma da descrição da inclusão de um capacitor no circuito:

C<nome> <nó(+)> <nó(-)> (<nome do modelo>) valor da capacidade>

Formulário de descrição do modelo:

.MODEL <nome do modelo> CAP (<parâmetros do modelo>)

A lista de parâmetros do modelo do capacitor é dada na Tabela. 5.

Exemplos: C1 1 4 10i; O capacitor C1 com capacidade de 10 uF é conectado entre os nós 1 e 4.

C24 30 56 100pp. O capacitor C24 com capacidade de 100 pF é conectado entre os nós 30 e 56.

INDUTOR

A forma da descrição da inclusão da bobina no circuito:

eu <nó(+)> <nó(-)> (<nome do modelo>] Valor da indutância>

Formulário de descrição do modelo:

.MODEL <nome do modelo> IND (<parâmetros do modelo>)

A lista de parâmetros do modelo do indutor é dada na Tabela. 6.

Exemplo: L2 30 56 100u; a bobina L2 com uma indutância de 100 μH é conectada entre os nós 30 e 56.

DIODO

A forma da descrição da inclusão do diodo no circuito:

D<nome> <nó(+)> <nó(-)> [<nome do modelo>]

Formulário de descrição do modelo:

.MODEL <nome do módulo> D [<parâmetros do modelo>)

A lista de parâmetros do modelo de diodo é dada na Tabela. 7.

Exemplos de modelos de diodos domésticos:

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

.MODELO 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)

.MODELO 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)

.MODELO 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)

.MODELO 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). MODELO 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)

.MODEL 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 BIPOLAR

A forma da descrição da inclusão de um transistor bipolar no circuito:

0<nome> <nó coletor> <nó base> <nó emissor> [<nome do modelo>)

Formulário de descrição do modelo:

.MODEL <nome do modelo> NPN [<parâmetros do modelo>); estrutura npn transistor bipolar

.MODEL <nome do modelo> PNP [<parâmetros do modelo>'; estrutura pnp transistor bipolar

A lista de parâmetros do modelo do transistor bipolar é dada na Tabela. 8.

TRANSISTOR DE CAMPO COM JUNÇÃO PN DE CONTROLE

A forma da descrição da inclusão de um transistor de efeito de campo 8 diagrama:

o"<nome> <nó dreno> <nó portão> <nó fonte> (<nome do modelo>]

Formulário de descrição do modelo:

.MODEL <nome do modelo> NJF [<parâmetros do modelo>], FET de canal n

.MODEL <nome do modelo> PJF [<parâmetros do modelo>]; transistor de efeito de campo de canal p

A lista de parâmetros do modelo do transistor de efeito de campo é dada na Tabela. 9.

Exemplos de modelos de transistores:

.model IDEAL NPN; transistor ideal.

.model 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)

.model KT3102B NPN (ls=3.628f Xti=3 h Eg= 1.11 Vaf=72 Bf=303.3 Ne=3.47 + 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)

.model 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)

.model 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)

.model 2T630A NPN (ls=17.03f Xti=3 + Eg=1.11 Vaf=l23 Bf=472.7 Ne= 1.368 + Ise=63.3f 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)

FONTES DE TENSÃO E CORRENTE INDEPENDENTES

Formulário de descrição da fonte:

\/<nome> <nó{+)> <nó(-)> [^C]<valor> [AC<amplitude>[fase)] [<sinal>(<parâmetros>)]

1<nome> <nó(+)> <nó(-)> [(0C]<sinal> [AC<amplitude> [fase]] [<sinal>(<parâmetros>)]

A direção positiva da corrente é considerada a direção do nó (+) através da fonte para o nó (-). Você pode especificar valores para fontes para cálculos de corrente contínua e transientes DC (padrão - O), para análise de frequência AC (amplitude por padrão - 0; a fase é indicada em graus, por padrão - 0). Para um <sinal>> transiente pode assumir os seguintes valores: EXP - sinal de fonte exponencial, PULSE - fonte de pulso, PWL - fonte polinomial SFFM - fonte modulada em frequência, SIN - sinal de fonte senoidal.

Exemplos: V2 3 0 DC 12; fonte de tensão 12 V. conectada entre os nós 3 e 0.

VSIN 2 O SIN(0 0.2V 1MEG); Fonte de tensão senoidal de 0.2 V com frequência de 1 MHz e componente constante de 0 V.

11 (4 11) DC 2mA; Fonte de corrente de 2 mA conectada entre os nós 4 e 11.

ISIN 2 0 SIN(0 0.2m 1000); fonte de corrente sinusoidal 0.2 mA com uma frequência de 1000 Hz com uma componente constante de 0 mA.

TENSÃO DEPENDENTE E FONTES DE CORRENTE

Fontes dependentes são amplamente utilizadas na construção de macromodelos. Seu uso permite meios simples para simular qualquer relação entre tensão e corrente. Além disso, com a ajuda deles, é muito fácil organizar a transferência de informações de um bloco funcional para outro. O PSpice possui modelos integrados de fontes dependentes:

E - fonte de tensão controlada por tensão (INUN);

F - fonte de corrente controlada por corrente (ITUT);

G - fonte de corrente controlada por tensão (ITUN);

H - fonte de tensão controlada por corrente (INUT).

Forma de descrição das fontes dependentes:

Primeiro caractere<nome> <nó(+)> <nó(-)> <função de transferência>

O primeiro caractere do nome deve corresponder ao tipo de origem. A direção positiva da corrente é considerada a direção do nó (+) através da fonte para o nó (-). A seguir, é indicada a função de transferência, que pode ser descrita de diversas formas:

polinômio de potência: POLY (<expressão>):

fórmula: VALOR=(<expressão>):

tabela: TABELA (<expressão>):

Transformada de Laplace: LAPLACE (<expressão>):

tabela de frequência: FREQ (<expressão>);

Polinômio de Chebyshev: CHEBYSHEV (<expressão>).

Exemplos: E1 (12 1) (9 10) 100: Tensão controlada por tensão entre os nós 9 e 10. Conectado entre os nós 12 e 1 com um ganho de 100.

EV 23 56 VALOR={3VSQRT(V(3.2)+ +4*SIN(I(V1)}): fonte conectada entre os nós 23 e 56, com dependência funcional da tensão entre os nós 3 e 2 e corrente da fonte VI.

EN 23 45 POLY(2) (3.0) (4,6) 0.0 13.6 0.2 0.005: fonte de tensão não linear conectada entre os nós 23 e 45. dependente da tensão entre os nós 3 e 0 V{3.0) e os nós 4 e 6 V( 4.6). A dependência é descrita pelo polinômio EN=0 + 13.6V3,0 + 0.2V1,6 + 0.005V3,02.

EP 2 0 TABELA (V(8))=(0.0) (1.3.3) (2.6.8): fonte conectada entre os nós 2 e 0, dependendo da tensão no nó 8. medida em relação ao comum. Além disso, após o sinal de igual, as linhas da tabela são listadas com o par de valores (entrada, saída). Valores intermediários são interpolados linearmente.

EL 8 0 LAPLACE {V( 10)}={exp(-0.0rS)/ (1+0.rS)}; atribuição da função de transferência segundo Laplace.

G1 (12 1) (9 10) 0.1; fonte de corrente V(9.10) controlada por tensão com um coeficiente de transferência de 0.1.

Aqui é apropriado dar exemplos de designação de variáveis ​​em programas PSpice: V (9) - tensão no nó 9. medida em relação ao fio comum.

V(9.10) - tensão entre os nós 9 e 10.

V(R12) - queda de tensão no resistor R12v

VB(Q1) - tensão na base do transistor Q1.

VBE(Q1) - tensão base-emissor do transistor Q1 l(D1) - corrente do diodo D1.

1С(02) - corrente de coletor do transistor Q2.

ESTUDANDO MODELOS DE COMPONENTES

Os modelos de componentes podem ser explorados com programas de simulação. Usando o shell gráfico, é muito fácil criar um laboratório virtual para testar as características estáticas e dinâmicas dos elementos existentes e criados. Isso permitirá estabelecer o grau de correspondência de suas propriedades com os parâmetros de referência de componentes reais, selecionar análogos entre modelos de componentes estranhos ou estudar em detalhes um modelo desconhecido. No entanto, nos exemplos fornecidos, os recursos do próprio PSpice são usados.

Vamos usar a diretiva .OS (cálculo multivariante do modo DC) da linguagem PSpice e construir uma família de características de saída de um transistor bipolar npn conectado segundo um circuito emissor comum (Fig. 1).

A característica de saída é a dependência da corrente do coletor do transistor na tensão em seu coletor.

Para vários valores da corrente de base, obtemos uma família de características de saída. O cálculo foi realizado para o transistor KT315A (Fig. 2) e um transistor ideal com parâmetros padrão (Fig. 3).

A tarefa de modelagem em forma de texto parece muito simples (Tabela 10).

Para calcular o CVC de um transistor ideal, no programa você precisa remover o asterisco no início da linha (* Q1 120 IDEAL) e adicioná-lo à linha (Q1 1 2 0 KT315A). É melhor escrever comentários no texto do programa em inglês, ou pelo menos em letras latinas, já que os programas de simulação geralmente não suportam cirílico. No artigo, os comentários são feitos em russo para maior clareza.

O CVC do diodo zener D814A é construído de forma semelhante - a dependência da tensão da corrente (Fig. 4, 5, Tabela 11).

Agora vamos usar os recursos das diretivas .DC e .TEMP (variação de temperatura) e construir uma família de características de transferência do transistor de efeito de campo KP303D conectado de acordo com um circuito de fonte comum (Fig. 6, Tabela 12).

A característica de transferência de um transistor de efeito de campo é a dependência da corrente de dreno da tensão entre a porta e a fonte. Para diferentes temperaturas é possível construir uma família de características (Fig. 7), desde que o modelo leve em consideração a dependência da temperatura dos parâmetros do transistor.

Como exemplo de avaliação das propriedades dinâmicas dos modelos, construímos uma família de características de frequência do transistor KT315A em quatro valores da corrente do coletor. O esquema de medição é mostrado na fig. 8.

Para isso, utilizamos as capacidades das diretivas .AC (cálculo da resposta em frequência) e .STEP (análise multivariada), compomos uma tarefa de modelagem (Tabela 13), calculamos IB(Q1) e lC(Q1).

Depois de realizada a simulação, comparamos os resultados obtidos (Fig. 9) com os parâmetros do manual [4].

Para fazer isso, vamos proceder da seguinte forma. O pós-processador gráfico de programas de simulação permite realizar operações matemáticas em gráficos. Isso nos permitirá plotar a relação da corrente de coletor IC(Q1) para a corrente de base IB(Q 1). Como resultado, obtemos a resposta de frequência do módulo de coeficiente de transferência de corrente do transistor em várias correntes de coletor. Usando o modo de medição do cursor, determinaremos o módulo do coeficiente de transferência de corrente na frequência de 100 MHz. Para todas as opções, os números são indicados nos gráficos. Ao compará-los com o livro de referência, veremos que o modelo proposto do transistor KT315A, levando em consideração o spread, está próximo da realidade. (De acordo com o livro de referência: lh21eI = 2,5 em Ik = 1 mA, Uk = 10 V). A dependência das propriedades de frequência do transistor na corrente do coletor também é consistente com a teoria e com os dados fornecidos nos livros de referência.

Concluindo esta seção, deve-se dizer que os modelos embutidos, apesar do grande número de parâmetros levados em consideração, rapidamente se comprometem. Os dispositivos semicondutores simulados passam facilmente por correntes enormes e suportam tensões enormes.

Basta expandir os limites de tensão e mudança de corrente nos exemplos considerados aqui (ver Fig. 1, b) e ficará claro que o modelo do transistor embutido não leva em consideração o fenômeno da quebra das junções p-n.

Modelos de resistores, capacitores, indutores e transistores também não levam em consideração capacitâncias, indutâncias e resistências parasitas, e isso é muito importante ao simular a operação de um dispositivo em altas frequências.

Praticamente o mesmo pode ser dito sobre outros modelos integrados. Todos eles têm um escopo limitado e, via de regra, não levam em consideração nada.

Daí a conclusão que se segue - precisamos de modelos mais avançados, livres dessas deficiências. Em casos extremos, para evitar, por exemplo, a quebra de transistores, é necessário ligar diodos com modelo inercial em paralelo com as junções do transistor e uma escolha adequada do parâmetro BV. Os efeitos parasitas podem ser levados em consideração "envolvendo" os modelos embutidos com capacitores, bobinas e resistores.

Os modelos integrados são uma espécie de blocos de construção que permitem explorar qualquer opção de modelagem. É para isso que eles são perfeitos.

Usando os métodos que serão discutidos abaixo, você pode criar modelos eficientes e perfeitos de componentes elementares.

CRIAÇÃO E APLICAÇÃO DE MACROMODELOS

Se você já estudou linguagens de programação, provavelmente sabe o que é uma sub-rotina. Este é um programa especialmente projetado, que é repetidamente chamado pelo módulo principal do programa. Na prática, isso significa um modelo macro.

Formulário de descrição do modelo de macro: .SUBCKT <nome do macromodelo> <lista + nós externos>

+ [PARAMS:<<nome do parâmetro> = + <valor>>] + [TEXT:<<nome do parâmetro de texto> + =<texto>>]

<strings que descrevem o esquema do modelo de macro> .ENDS

A diretiva .SUBCKT é o cabeçalho do modelo de macro. Define o início do macromodelo, seu nome e nós para conexão com o esquema externo.

Linhas de descrição do esquema do macromodelo - uma lista de operadores em uma ordem arbitrária que descreve a topologia e a composição do macromodelo.

A diretiva .ENDS define o fim do corpo do macromodelo.

A palavra-chave PARAMS define a lista de parâmetros passados ​​da descrição do circuito principal para a descrição do macromodelo.

A palavra-chave TEXT define uma variável de texto passada da descrição da cadeia principal para a descrição do modelo de macro.

Forma de descrição da inclusão do macromodelo no esquema: X<nome> <nós de conexão> [<nome + macromodelo>]

+ [PARAMS:<<nome do parâmetro> = + <valor>)

+ (TEXTO:<<texto + nome do parâmetro>=<texto>]

Essa instrução determina que o macromodelo descrito pela instrução .SUBCKT está conectado aos nós especificados no esquema. O número e a ordem dos nós devem corresponder ao número e à ordem dos nós na diretiva .SUBCKT correspondente.

As palavras-chave PARAMS e TEXT permitem definir os valores dos parâmetros definidos como argumentos na descrição do modelo de macro e usar essas expressões dentro do modelo de macro.

EXEMPLO DE CRIAÇÃO DE UM MODELO DE MACRO SIMPLES

O exemplo dado demonstra a solução do problema na testa. Os radioamadores costumam usar a lógica digital para executar funções analógicas, como amplificar ou gerar sinais. Para modelagem detalhada de tais dispositivos, faz sentido construir um macromodelo exato do elemento lógico. Considere o elemento lógico 2I-NOT do microcircuito K155LAZ.

Ao criar um modelo de macro, você precisa fazer o seguinte trabalho:

• desenhe um circuito elétrico do macromodelo deste elemento (Fig. 10):
• atribuir designações de referência a todos os elementos do circuito;
• numere todos os nós (o fio comum sempre recebe o número 0):
• usando os operadores para incluir elementos no circuito, descreva todos os componentes:
• formalize o macromodelo descrevendo-o com as diretivas .SUBCKT e .ENDS;
• salve o texto do modelo de macro em um arquivo separado ou adicione-o a um arquivo de biblioteca existente com a extensão *.lib.

Como resultado, obtemos um arquivo de texto (Tabela 14).

Com esta abordagem para criar um modelo macro, é necessário:

• a presença de um circuito muito preciso do elemento (ou microcircuito);
• a presença de parâmetros de referência dos componentes que compõem o SI.

Deve-se notar que sempre há problemas com parâmetros de referência, especialmente para componentes integrais. Quanto à descrição exata dos microcircuitos, geralmente raramente é publicada, principalmente você encontrará os mais simples e, mesmo assim, com erros. Infelizmente, até recentemente, isso raramente preocupava alguém.

No entanto, estranhamente à primeira vista, a abordagem descrita acima ao criar um macromodelo ainda não oferece nenhuma garantia para a construção de um modelo que funcione bem.

COMO CRIAR UM MODELO DE MACRO RÁPIDO SIMPLIFICADO?

Nem sempre a solução desse problema na testa é o verdadeiro caminho para criar um bom macromodelo. Os modelos construídos neste “método” vão exigir muitos recursos computacionais e terão baixa velocidade, ou seja, o cálculo do circuito será muito lento. Vamos lembrar quantos transistores em um chip os microcircuitos modernos podem ter! Portanto, é muito importante ser capaz de construir macromodelos simplificados substituindo subsistemas de microcircuitos individuais por nós equivalentes. Ao mesmo tempo, a qualidade do modelo pode até melhorar, especialmente se for modelado um microcircuito de alto grau de integração.

Vamos criar nosso próprio macromodelo PSpice simplificado do comparador K521CAZ.

Aqui também pode haver casos extremos. Você pode, por exemplo, implementar uma função de comparação usando uma fonte dependente. Nesse caso, o modelo será simples e relativamente rápido, mas não refletirá a física do dispositivo real. Portanto, é necessário buscar uma solução de compromisso entre a precisão do modelo e sua velocidade.

Considere o que é o comparador K521SAZ. Ele implementa a função de comparar dois sinais analógicos. Se a diferença entre os sinais nas entradas for positiva, a saída do comparador será alta, se negativa - baixa. A comparação dos sinais é realizada por um amplificador diferencial na entrada. O estágio de saída é implementado em um coletor aberto e transistor emissor. Esta informação já é suficiente para sintetizar o modelo mais simples, mas bastante funcional deste microcircuito (Fig. 11).

Para simular totalmente as propriedades de entrada e saída do comparador, os transistores são instalados na entrada e na saída. No entanto, o amplificador diferencial é bastante simplificado. Os emissores do par diferencial usam uma fonte de corrente ideal, na verdade, ela é implementada em vários transistores. A interface com o estágio de saída é feita por meio de uma fonte de corrente controlada por tensão. Em um microcircuito real, vários transistores também são usados.

Assim, ao construir esse modelo de compromisso, os nós multitransistores são substituídos por nós simplificados e idealizados, mas com a preservação das propriedades externas do dispositivo. O PSpice possui um conjunto perfeito de ferramentas para expressar quaisquer propriedades de dispositivos reais com precisão suficiente para fins práticos, mesmo em casos mais complexos.

Vamos atribuir designações posicionais a todos os elementos do circuito, numerar os nós e descrever o macromodelo comparador na linguagem de entrada do PSpice (Tabela 15).

Agora vamos verificar como o macromodelo resultante executa as funções de um comparador. Para fazer isso, desenhe um circuito de teste (Fig. 12).

Em seguida, comporemos uma tarefa para modelagem (Tabela 16) e calcularemos a característica de transferência deste modelo (Fig. 13)

A característica de transferência do comparador é a dependência da tensão de saída da diferença de tensão nas entradas. Pode ser visto a partir da característica calculada que apesar da simplicidade do modelo, o comparador se mostrou bastante eficiente.

Neste exemplo, pela primeira vez utilizamos o macromodelo do componente, descrevendo sua ligação no circuito com a linha X1 (0 1 2 0 4 3) K521CAZ. Observe que os nomes dos elementos no modelo de macro são locais e podem ser ignorados ao nomear componentes na cadeia externa.

É hora de simular alguma montagem eletrônica feita no comparador K521SAZ. por exemplo, um detector de amplitude de precisão (Fig. 14, Tabela 17).

Os resultados da simulação são mostrados na fig. 15 e 16.

Chamaremos o macromodelo comparador do arquivo de biblioteca C:\USERLlB\kompar.lib.

Para especificar as bibliotecas nas quais os modelos são armazenados, é utilizada a diretiva .LIB, que deve ser descrita na tarefa de modelagem. Então não é mais necessário incluir uma descrição do macromodelo no texto. Formulário do operador: .LIB [<nome do arquivo da biblioteca^].

Tenha em mente que, em geral, outros macromodelos podem ser incluídos em um macromodelo. Portanto, descartando as diretivas de controle e colocando a descrição do detector de pico entre SUBCKT e .ENDS, obtemos um novo macromodelo que contém um macromodelo aninhado. Dessa forma, você pode compor de forma muito compacta os modelos mais complexos, se primeiro preparar os nós típicos necessários e armazená-los em um arquivo de biblioteca separado.

CRIAÇÃO DE MODELOS QUE CONSIDERAM A DISTRIBUIÇÃO TECNOLÓGICA E O EFEITO DA TEMPERATURA NAS CARACTERÍSTICAS DOS COMPONENTES

Os parâmetros de todos os elementos têm uma extensão e. além disso, também dependem da temperatura. A vida dos rádios amadores se tornaria enfadonha sem esses problemas, pois seria impossível criar um design inoperável a partir de peças reparáveis, guiado pelo esquema correto. A natureza nos deu essa oportunidade. Os programas de simulação permitem identificar dispositivos cujo desempenho depende da temperatura e da distribuição dos parâmetros dos componentes. Para isso, a análise estatística é realizada pelo método de Monte Carlo e análise multivariada. No entanto, você precisa ter os modelos de componentes apropriados.

Nos modelos PSpice integrados para levar em conta a propagação e o efeito da temperatura, existem: "Especificação de uma propagação aleatória do valor do parâmetro", "Coeficiente de temperatura linear", "Coeficiente de temperatura quadrático". "Coeficiente Exponencial de Temperatura". Além disso, você pode controlar a temperatura de componentes individuais usando os parâmetros T_MEASURED. ABS T. T_REL_GLOBAL. T_REL_LOCL, que às vezes é útil.

Na análise multivariada, não apenas a temperatura pode se tornar uma variável, mas também quase todos os parâmetros do modelo que podem mudar devido a qualquer impacto físico do ambiente externo ou degradação dos parâmetros dos componentes ao longo do tempo.

Obviamente, se os macromodelos forem construídos com base nesses modelos, eles também terão uma distribuição aleatória e dependência de temperatura.

De fato, no caso de construção de macromodelos, uma abordagem tão direta é completamente inadequada. Como mencionado acima, ao construir macromodelos, simplificações e suposições são usadas fundamentalmente. Como resultado, o esquema do macromodelo raramente corresponde ao original. Além disso, é simplesmente impossível para um radioamador rastrear as verdadeiras conexões térmicas entre os elementos integrados no microcircuito. Portanto, o macromodelo é construído a partir de componentes estáveis ​​e, em seguida, elementos com dispersão e dependência de temperatura são introduzidos de maneira direcionada. Mas eles fazem assim. para exibir as propriedades estatísticas e térmicas mais significativas do dispositivo simulado. Essa abordagem é adequada para levar em consideração a influência de outras influências físicas, embora não seja a única. Então. com radiação ionizante, que afeta quase todos os parâmetros dos componentes, é mais conveniente ter várias cópias de bibliotecas para diferentes doses. Então, usando a diretiva .LIB, todas as bibliotecas de componentes são substituídas de acordo com a dose recebida. Os resultados podem então ser combinados em um único gráfico.

Como exemplo de criação e utilização de modelos com dispersão de parâmetros e dependência de temperatura, simularemos um filtro (Fig. 17, Tabela 18) utilizado em radiotelefonia, que opera em condições climáticas difíceis. A faixa de temperatura é de -40 a +80 "C. Nos modelos de todos os componentes, são definidos os parâmetros de propagação tecnológica e instabilidade de temperatura dos principais parâmetros.

Usando as diretivas .AC, .TEMP e .MC, calculamos a resposta em frequência do filtro e suas variações com mudanças de temperatura e uma dispersão nos parâmetros dos elementos.

Fica imediatamente claro (Fig. 18) que as características do filtro dependem fortemente da temperatura e esse telefone funcionará mal. A conclusão é óbvia - é necessário escolher elementos mais estáveis ​​\uXNUMXb\uXNUMXbe precisos para este filtro para obter um dispositivo funcional.

EXEMPLO DE CONSTRUÇÃO DE MODELO PROFISSIONAL

Aqui estão os macromodelos de amplificadores operacionais padrão para PSpice com transistores bipolares (K140UD7, Fig. 19, Tabela 19) e de efeito de campo (K140UD8, Fig. 20, Tabela 20) na entrada.

Observe que todos os transistores são excluídos neles, exceto os de entrada. Isso afeta favoravelmente o desempenho dos macromodelos. No entanto, eles levam em consideração com muita precisão muitos efeitos que ocorrem em um dispositivo real.

Preste atenção ao uso massivo de fontes dependentes e independentes. Esta é a principal ferramenta para a construção competente de bons macromodelos de microcircuitos complexos.

O estágio diferencial de entrada modela a presença de uma corrente de mistura e a dependência da taxa de variação da tensão de saída na tensão diferencial de entrada. O capacitor Cee (Css) permite exibir a assimetria do pulso de saída do amplificador operacional em uma conexão não inversora. O capacitor C1 e a capacitância das junções do transistor imitam a natureza bipolar da resposta de frequência do amplificador operacional. Fontes de corrente controladas ga, gcm e resistores r2, rо2 simulam amplificação de tensão diferencial e de modo comum. Com o auxílio do capacitor C2, conectado à escolha do usuário, é possível simular a correção interna ou externa do amplificador operacional. A não linearidade do estágio de saída do amplificador operacional é modelada pelos elementos din. mergulhar. ro1 (limitam a corrente máxima de saída) e dc, de, vc, ve (limitam a oscilação da tensão de saída). O resistor rp simula o consumo de corrente contínua pelo microcircuito. Diodo dp protetor.

No entanto, a experiência mostra que modelos lânguidos nem sempre são necessários, porque o preço para isso é desempenho reduzido. Faz sentido desenvolver uma biblioteca de macromodelos simplificados para você, para não perder tempo esperando os resultados quando você só precisa "executar" a ideia.

Além disso, não devemos esquecer que sempre é possível criar um modelo mais perfeito que o padrão ou profissional. Em nosso caso particular, os macromodelos fornecidos do amplificador operacional não modelam todas as propriedades de dispositivos reais e podem ser melhorados. Isso se aplica à temperatura, estatística, características de ruído e, acima de tudo, à resistência de entrada. A capacitância de entrada do amplificador é zero porque nenhuma capacitância é especificada no modelo do transistor. Outra desvantagem é a falta de uma descrição de quebra (abertura de diodos de proteção ou quebra reversível de junções do emissor) em grandes sinais de entrada de fechamento, e a lista continua.

Com base em tudo o que foi dito, formulamos uma abordagem formal geral para a construção de macromodelos de componentes analógicos.

A estrutura mais simples do macromodelo pode ser representada como consistindo de três blocos conectados em série: o primeiro descreve as características de entrada, o segundo descreve as características de transferência (distorções lineares e não lineares), o terceiro descreve as características de saída. A transferência de informações de bloco para bloco é realizada usando fontes dependentes de corrente ou tensão. O número de blocos, seu tipo. distribuição de funções, o número de caminhos paralelos pode ser diferente se exigido pela tarefa.

Tendo criado um conjunto típico de modelos de tais blocos, é permitido colocar a criação de macromodelos literalmente em operação.

Assim, a criação de um bom modelo requer extenso material de referência, intuição, conhecimento da física de semicondutores e dispositivos eletrônicos, engenharia elétrica, engenharia de rádio, engenharia de microcircuitos, circuitos, matemática e programação. A tarefa é apenas para radioamadores com sua incansável energia criativa.

Literatura

1. Razevig V.D. Sistema de design de ponta a ponta DesignLab 8.0. - M.: Sólon. 1999.
2. Razevig V.D. Sistema de modelagem de circuito MicroCap 5. - M.: Solon. 1997.
3. Arkhangelsky A. Ya. PSpice e Design Center. Parte 1 Modelagem de circuitos. Modelos de elementos. Modelagem macro. - M.: MEPhI. 1996.
4. Semicondutores: transistores. Manual Ed. N. N. Goryunova. - M. Energoatomizdat. 1985.

Autor: O. Petrakov, Moscou

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