Symulacje komputerowe lab by Andrzejster

Symulacje komputerowe Laboratorium â&#x20AC;&#x201C; III semestr EiT

SPIS TRE CI 1. Wprowadzenie

2. Edytor schematów – formułowanie prostych układów

elektronicznych i wyznaczanie ich charakterystyk statycznych, cz stotliwo ciowych oraz czasowych 3. Niezale ne i sterowane ródła napi ciowe i pr dowe

4. Modelowanie elementów indukcyjnych w programie PSPICE

5. Modelowanie diod półprzewodnikowych w programie PSPICE

6. Wyznaczanie warto ci parametrów modelu diody w programie

PARTS 7. Modelowanie układów cyfrowych w programie PSPICE

8. Analiza wybranych układów analogowych za pomoc programu

PSPICE 9. Analiza wybranych układów cyfrowych za pomoc programu

PSPICE 10. Interpretacja opisu tekstowego makromodelu układu scalonego 62 11. Tworzenie symbolu graficznego modelu elementu w edytorze

schematów 12. Formułowanie makromodeli elementów elektronicznych przy

wykorzystaniu ródeł sterowanych Literatura

Dodatek

1. Wprowadzenie

1. WPROWADZENIE Pakiet MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8 firmy MicroSim jest kolejn wersj , pracuj c w rodowisku Windows 98/2000/XP, popularnego pakietu do symulacji układów elektronicznych PSpice. Pojawiaj ce si na rynku coraz nowsze wersje tego programu zawieraj nowe funkcje ułatwiaj ce modelowanie elementów i układów. Na rys. 1.1 [10, 20] przedstawiono schemat blokowy ilustruj cy współdziałanie poszczególnych programów tego pakietu.

Rys.1.1. Schemat blokowy pakietu MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8

Pakiet MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8 zawiera narz dzia umo liwiaj ce narysowanie schematu (MicroSim Schematics), symulacj analogow i cyfrow (MicroSim Pspice A/D), optymalizacj parametrów układów (MicroSim Pspice Optimizer) i wizualizacj wyników oblicze całego procesu projektowego (MicroSim Probe). Wykorzystane s przy tym wszystkie zalety rodowiska Windows, co ułatwia prac z pakietem. Program Schematics pozwala narysowa schemat analizowanego układu, wybra typ i warto ci elementów, zdefiniowa parametry do optymalizacji oraz wybra rodzaje analiz, które maj by wykonane i ustali warto ci parametrów tych analiz. Opcje edycyjne umo liwiaj zapisywanie przygotowanego projektu, umieszczenie wybranych elementów w układzie, ich usuwanie, przenoszenie, zmian orientacji, wy wietlanie wła ciwo ci danego elementu, parametrów jego modelu i znajdowanie elementów na schemacie. Za pomoc znaczników mo na na schemacie wybra w zły, w których maj by , po wykonaniu oblicze , wy wietlone przebiegi napi oraz gał zie, dla których maj by wy wietlone przebiegi pr dów. Specjalne opcje umo liwiaj przej cie do edycji symboli, w których mo na stworzy graficzny symbol elementu, opisa jego ko cówki, okre li nazw elementu, nazw modelu, zdefiniowa symbol i jego obudow . W konfiguracji edytora mo na równie doda now bibliotek elementów elektronicznych.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

PSpice A/D umo liwia wykonanie analiz analogowych i cyfrowych układów elektronicznych. Wykonuje on analiz stałopr dow , zmiennopr dow , czasow , wra liwo ciow , Fouriera, tolerancji i temperaturow . Przed przyst pieniem do wykonywania oblicze program sprawdza poprawno formaln przygotowanego obwodu i informuje u ytkownika o ewentualnych bł dach formalnych, wynikaj cych np. z nieprawidłowego poł czenia elementów układu, z braku zdefiniowanych modeli elementów lub bł dnych ustawie analiz. Probe jest post-procesorem graficznym i umo liwia analiz wyników symulacji w postaci wykresów. Program ten umo liwia interaktywny podgl d charakterystyk w wybranych przez u ytkownika w złach i gał ziach. Program wizualizuje przebiegi napi i pr dów w układzie, jak równie pozwala przygotowa wykresy funkcji wyra onych przy u yciu funkcji arytmetycznych i funkcji specjalnych wprowadzonych przez u ytkownika. W oknach dialogowych mo na zamieni zmienne na poszczególnych osiach, zmieni zakresy ich warto ci i skale, doda dodatkowe osie, doda w oknie nowe wykresy. Opcje analizy przebiegu pozwalaj powi ksza i zmniejsza wykres lub jego fragmenty. Wykorzystanie kursora umo liwia dokładne odczytanie współrz dnych wybranych punktów na wykresach, wyznaczenie parametrów uzyskanego przebiegu, takich jak warto maksymalna, minimalna, okres sygnału. Opcje graficzne pozwalaj doda na wykresie tekst, linie, strzałki, punkty charakterystyczne, elipsy itp. Program PSpice Optimizer umo liwia optymalizacj analogowych układów elektronicznych. Realizuje on algorytm minimalizacji i algorytm najmniejszych kwadratów według ustawie zadanych w programie Schematics lub umo liwia deklaracj zmiennych bezpo rednio w platformie PSpice Optimizer. Procesowi optymalizacji mog podlega układy z zadeklarowanymi analizami zmiennopr dowymi, stałopr dowymi i czasowymi. Funkcje optymalizowane mog by zapisane w formie analitycznej w PSpice Optimizer lub mog by zapisane w formie tabelarycznej w pliku zewn trznym. Cały proces optymalizacji jest procesem iteracyjnym, w którym w PSpice Optimizer deklarowane s zakresy zmian wybranego parametru oraz minimalizowana funkcja, a w programie PSpice A/D wykonywane s obliczenia. Parts (MODEL EDITOR) jest programem słu cym do wyznaczenia warto ci parametrów modeli elementów półprzewodnikowych i układów scalonych na podstawie ich charakterystyk. Definiowanie elementu nast puje po podaniu jego podstawowych danych na bazie, których wygenerowany zostaje jego model. Model ten mo e by wykorzystywany przez program Schematics przy formułowaniu obwodu. PCBoards umo liwia projektowanie płytki drukowanej wybranego układu. Podczas jej projektowania uwzgl dniane s zadeklarowane przez u ytkownika komponenty, które maj by uwzgl dnione w procesie projektowania. cie ki na płytce prowadzone s przez projektanta zgodnie ze schematem poł cze układu. Po uzyskaniu mozaiki mo na j wydrukowa na folii. PLSyn pozwala na projektowanie i analiz programowalnych matryc logicznych. Jest to szeroko poj ta synteza logiczna układów swobodnie

1. Wprowadzenie

programowalnych. Program ten bazuje równie na programie Schematics, w którym deklarowany jest cały układ poł cze , nast pnie jest on analizowany, a jego sygnały przetwarzane s na map przeł cze , odpowiadaj c strukturze wybranego elementu programowalnego. Ten sam układ mo e by przetwarzany na struktur ró nych układów programowalnych. W procesie modelowania i analizy układów elektronicznych niezb dne s modele elementów elektronicznych w postaci równa matematycznych opisuj cych charakterystyki statyczne i dynamiczne poszczególnych elementów wraz z warto ciami parametrów tych modeli zawartych w bibliotekach modeli (pliki LIB), symboli graficznych elementów zawartych w bibliotekach symboli (pliki SLB) oraz rysunków obudów tych elementów zawartych w bibliotekach obudów (pliki PLB). Producenci oprogramowania dostarczaj wiele bibliotek elementów, a równie producenci elementów udost pniaj na swoich stronach internetowych biblioteki modeli produkowanych przez siebie elementów. Biblioteki takie mo e równie tworzy u ytkownik. Celem niniejszego podr cznika jest praktyczne zapoznanie czytelnika z pakietem oprogramowania MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8, a w szczególno ci z programem PSPICE A/D stanowi cym podstawow cz tego pakietu. Zapezentowano sposób formułowania obwodu w edytorze schematów oraz zadawania parametrów podstawowych analiz obwodu. Dalej opisano wbudowane w programie SPICE modele wybranych elementów półprzewodnikowych i biernych oraz niezale nych i sterowanych ródeł napi ciowych i pr dowych. Omówiony został sposób modelowania układów analogowych i cyfrowych oraz program PARTS do wyznaczania warto ci parametrów modeli elementów półprzewodnikowych w oparciu o ich dane katalogowe. Podsumowanie podr cznika stanowi wiczenia ilustruj ce sposób formułowania własnych modeli elementów elektronicznych i układów scalonych, zarówno w postaci makromodeli, jak równie symboli tych modeli do edytora schematów. W poszczególnych rozdziałach znajduje si wst p teoretyczny opisuj cy sposób realizacji rozwa anego zagadnienia oraz przykładowe zadania do samodzielnego rozwi zania przez uczestnika zaj , pozwalaj ce oceni stopie opanowania rozwa anych w rozdziale zagadnie . Przedstawione w niniejszym podr czniku informacje zostały opracowane na podstawie literatury, której wykaz podano na ko cu podr cznika [1 – 20] oraz do wiadczenia autora w zakresie modelowania i analizy elementów i układów elektronicznych. Podr cznik ten mo e by przydatny dla studentów kierunku elektronika i telekomunikacja oraz elektrotechnika, a tak e dla innych osób pragn cych rozszerzy sw wiedz z zakresu metod modelowania i analizy układów elektronicznych za pomoc programu Pspice.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

2. EDYTOR SCHEMATÓW – FORMUŁOWANIE PROSTYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH I WYZNACZANIE

ICH

CHARAKTERYSTYK

STATYCZNYCH,

CZ STOTLIWO CIOWYCH

ORAZ CZASOWYCH W niniejszym rozdziale opisano sposób formułowania schematu układu elektronicznego, który ma by poddany analizie oraz opisano sposób zadawania parametrów podstawowych analiz dost pnych w programie SPICE, tzn. wyznaczania punktu pracy, analizy stałopr dowej, małosygnałowej analizy cz stotliwo ciowej oraz analizy stanów przej ciowych. W celu uruchomienia programu Schematics nale y z menu Start systemu Windows wybra zakładk DesignLab Eval8, w której znajduje si program Schematics i dwukrotnie klikn myszk na nazwie tego programu. W wyniku tego pojawi si na ekranie główne okno programu, w którego górnej cz ci znajduje si pasek menu, a pozostał cz okna zajmuje obszar roboczy. Poni ej opisano sposób rysowania schematu analizowanego układu na przykładzie prostego wzmacniacza jednotranzystorowego, pokazanego na rys. 2.1.

Rys.2.1. Schemat analizowanego wzmacniacza jednotranzystorowego

Najpierw w menu programu Schematics nale y wybra Draw, a po rozwini ciu menu - Get New Part (Ctrl+G). W wyniku tych czynno ci na ekranie poka e si okno zawieraj ce list dost pnych elementów (rys.2.2). Okno to mo na równie otworzy klikaj c mysz na ikon . Symbol potrzebnego elementu mo na wybra z listy (z lewej strony okna) lub wpisa nazw w oknie Part Name. Po wybraniu elementu nale y klikn przycisk Place i umie ci wybrany element w wybranym fragmencie obszaru roboczego przez dwukrotne klikni cie lewym przyciskiem myszy. Po rozmieszczeniu wszystkich elementów danego typu nale y klikn prawym przyciskiem myszy i wybra kolejny element. Dla rozwa anego układu z rys.2.1

2. Edytor schematów – formułowanie prostych układów elektronicznych i …

nale y kolejno wybiera elementy o nast puj cych nazwach: - „VDC” - ródło napi cia stałego, - „R” – rezystor, - „Q2N2222” – tranzystor bipolarny typu 2N2222, - „GND_ANALOG” – masa.

Rys.2.2. Widok okna z list dost pnych elementów

Po umieszczeniu wszystkich elementów w obszarze roboczym nale y wcisn przycisk „Close”. Wówczas pole robocze powinno wygl da tak, jak na rys.2.3.

Rys.2.3. Widok pola roboczego po umieszczeniu wszystkich elementów analizowanego układu

Kolejnym etapem rysowania schematu jest poł czenie poszczególnych ko cówek elementów. W tym celu nale y z menu wybra Draw, a po rozwini ciu menu - Draw Wire, wybra na klawiaturze (Ctrl+W) lub klikn mysz na ikon . Wówczas kursor przyjmie kształt ołówka. Nale y najecha kursorem na wybran ko cówk jednego z elementów, klikn lewy przycisk myszy i narysowa cie k do odpowiedniej ko cówki innego elementu, klikaj c na koniec lewym przyciskiem myszy. W ten sposób nale y narysowa wszystkie potrzebne poł czenia mi dzy elementami w rozwa anym układzie. Na koniec nale y klikn prawy przycisk myszy.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

Wyst puj ce na rysunku elementy maj tzw. domy lne nazwy oraz warto ci. W celu edycji tych nazw lub warto ci nale y dwukrotnie klikn nazw lub warto elementu. Wówczas pojawi si okno dialogowe, pokazane na rys.2.4. W oknie tym nale y wpisa po dan warto lub nazw elementu. a) b)

Rys.2.4. Okna dialogowe do edycji warto ci (a) lub nazwy (b) elementu

Po wykonaniu powy szych czynno ci uzyskuje si schemat układu z rys.2.1. Plik ze schematem mo na zapisa wybieraj c w menu polecenie File a po rozwini ciu menu - Save lub wciskaj c na klawiaturze (Ctrl+S), albo klikaj c mysz na ikon . W typowym oknie dialogowym systemu Windows u ytkownik zostanie poproszony o podanie nazwy pliku oraz jego lokalizacji na dysku. Po narysowaniu schematu mo na sprawdzi , czy nie zawiera on bł dów formalnych przez wybranie w menu Analysis a po rozwini ciu menu - Create Netlist. Je eli przygotowany schemat zawiera bł dy formalne, to u ytkownik otrzyma opis bł dów w nowym oknie MicroSim Message Viewer. Wówczas nale y poprawi bł dy wyst puj ce na schemacie. Po narysowaniu poprawnego schematu mo na przeprowadzi jego analizy komputerowe. Najprostsz analiz jest wyznaczenie punktu pracy analizowanego układu. Aby przeprowadzi taka analiz nale y wybra w menu Analysis, a po rozwini ciu menu – Simulate lub wcisn przycisk F11, albo klikn napi

mysz ikon

. Po wykonaniu oblicze

w w złach klikaj c mysz przycisk

mo na odczyta warto ci

, a pr dy w poszczególnych

gał ziach - klikaj c mysz przycisk . Je eli po wci ni ciu tych przycisków na ekranie nie pojawi si współrz dne punktu pracy, nale y wybra w menu Analysis a po rozwini ciu menu - Display Results on Schematic i zaznaczy warto Enable. Aby wyznaczy charakterystyki statyczne badanego układu nale y przeprowadzi analiz stałopr dow . W charakterze przykładu pokazany zostanie sposób wyznaczenia zale no ci pr du kolektora tranzystora iC od napi cia na ródłe napi ciowym EC. W celu przeprowadzenia tej analizy nale y wybra w menu Analysis a po rozwini ciu menu – Setup lub klikn mysz na ikon

. Wówczas pojawi si okno dialogowe pokazane na rys.2.5.

2. Edytor schematów – formułowanie prostych układów elektronicznych i …

Rys.2.5. Okno dialogowe do wyboru rodzaju analizy

Na rysunku tym wyst puj białe kwadraty, w których zaznacza si , przy wykorzystaniu symbolu , rodzaj analizy, który ma by wykonany. Poszczególne przyciski oznaczaj : - AC Sweep – małosygnałow analiz cz stotliwo ciow , - Load Bias Point – wprowadzenie współrz dnych punktu pracy z zewn trznego pliku, - Save Bias Point – zapis współrz dnych punktu pracy do zewn trznego pliku, - DC Sweep – analiz stałopr dow , - Monte Carlo/Worst Case – analiz Monte Carlo lub analiz najgorszego przypadku przy zało onej tolerancji warto ci poszczególnych elementów układu, - Bias Point Detail – wyznaczenie punktu pracy układu, - Digital Setup – ustawienia analizy układów cyfrowych, - Options – opcje analizy, np. dokładno , ilo dopuszczalnych iteracji, - Parametric – analiza parametryczna, - Sensitivity – analiza czuło ciowa, - Temperature – zadawanie warto ci temperatury (wyra onej w stopniach Celsjusza), dla których maj by przeprowadzone analizy, - Transfer Function – wyznaczanie wzmocnienia układu, - Transient – analiza stanów przej ciowych. Wybrane rodzaje analiz zostan omówione szczegółowo w dalszej cz ci podr cznika. Aby przeprowadzi wybran analiz stłopr dow nale y w oknie z rys.2.5 wybra DC Sweep i klikaj c na przycisku o tej nazwie ustawi parametry tej analizy w oknie dialogowym, pokazanym na rys. 2.6. W oknie tym, z lewej strony wybiera si rodzaj zmiennej przemiatanej. Mo e nim by ródło napi ciowe, temperatura, ródło pr dowe, parametr modelu lub parametr globalny. W rozwa anym przypadku wybrano ródło napi ciowe. Z prawej strony nale y wpisa nazw tego ródła – w rozwa anym przypadku EC. Nast pnie w lewej, dolnej cz ci okna okre la si sposób zmian warto ci napi cia na wybranym ródle. Wybrano przemiatanie liniowe. W prawej dolnej cz ci okna podaje si 3 liczby: pocz tek zakresu przemiatania, koniec tego zakresu, oraz krok zmian warto ci przemiatanej. W rozwa anym przykładzie liczby te wynosz odpowiednio 0, 20 V oraz 0,1 V. Przy wprowadzaniu liczb w ró nych oknach dialogowych nale y pami ta , e separatorem dziesi tnym jest kropka, a nie przecinek.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

Rys.2.6. Okno dialogowe do ustalania parametrów analizy stałopr dowej

Po wprowadzeniu wymienionych danych nale y klikn na przycisk OK i zamkn okno dialogowe. Nast pnie nale y uruchomi analiz w sposób opisany przy wyznaczaniu punktu pracy, np. wcisn przycisk F11. Na ekranie pojawi si okno programu Pspice A/D, a nast pnie, je eli u ytkownik nie popełnił bł dów, pojawi si okno programu Probe. W górnej cz ci tego okna znajduje si pasek menu, poni ej pasek z przyciskami skrótu, a reszt okna zajmuje obszar wykresu. W celu uzyskania na ekranie wykresu iC ( EC ) , ilustruj cego wyniki przeprowadzonych analiz nale y: a) na pasku narz dziowym klikn Trace i wybra Add (Insert), b) Po pojawieniu si okna dialogowego, pokazanego na rys.2.7, nale y zaznaczy mysz „IC(Q1)”, c) Wybór nale y potwierdzi klikaj c na przycisk OK

Rys.2.7. Okno dialogowe umo liwiaj ce wybór zmiennych wykre lanych na wykresie

W oknie dialogowym z rys.2.7 z lewej strony wyst puj pr dy wszystkich elementów zawartych w analizowanym układzie oraz napi cia we wszystkich w złach układu. Pr dy oznaczone s liter I, po której nast puje ewentualnie

2. Edytor schematów – formułowanie prostych układów elektronicznych i …

litera oznaczaj ca ko cówk elementu, a dalej w nawiasie podana jest nazwa elementu. Przykładowo, pr d kolektora tranzystora Q1 jest oznaczony symbolem IC(Q1), a pr d rezystora R3 – symbolem I(R3). Z kolei, napi cia oznaczane s liter V, po której w nawiasie podana jest nazwa w zła lub nazwa ko cówki elementu. Przykładowo napi cie na bazie tranzystora Q1 jest oznaczone symbolem V(Q1:b), napi cie w w le 1 – symbolem V(1). Z prawej strony okna dialogowego wyst puj funkcje, które mog by wykorzystane w zale no ciach algebraicznych opisuj cych zmienn wykre lan na osi pionowej. W oknie Trace Expression wpisuje si z klawiatury lub odpowiednio wybiera mysz funkcje i zmienne, opisuj ce wykre lan zale no . W wyniki uzyskuje si wykres przedstawiony na rys.2.8. Osie wykresu s skalowane automatycznie w taki sposób, aby uzyska na ekranie obraz rozwa anej zale no ci w całym zakresie zmian zmiennej przemiatanej. Automatycznie zmienna przemiatana jest wybierana jako zmienna wykre lana na osi poziomej, a skale na obu osiach s liniowe.

Rys.2.8. Okno programu PROBE z wykresem iC(EC)

Oczywi cie u ytkownik mo e zmieni zmienn wykre lan na osi poziomej. Przykładowo, w celu uzyskania, w oparciu o wyniki poprzednio przeprowadzonej analizy, wykresu charakterystyki iC (uCE ) tranzystora Q1 nale y: a) W menu programu PROBE wybra Plot, a po rozwini ciu menu wybra X Axis Settings, b) Wówczas pojawi si okno dialogowe, pokazane na rys.2.9. W oknie tym nale y klikn mysz na przycisk Axis Variable, a nast pnie z listy, która si pojawi wybra napi cie na kolektorze tranzystora V(Q1:c) i zaakceptowa wybór wciskaj c Ok. W wyniku uzyska si wykres pokazany na rys.2.10. Zmiennymi przemiatanymi w analizie DC mog by nie tylko wydajno ci ródeł napi ciowych lub pr dowych, ale tak e tzw. parametry globalne. Poni ej przedstawiono sposób przeprowadzenia analizy stałopr dowej prowadz cej do

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

uzyskania zale no ci pr du kolektora od rezystancji rezystora RC.

Rys.2.9. Okno dialogowe programu PROBE do zmian ustawie osi X

W celu przeprowadzenia takiej analizy nale y przej do programu Schematics i zmodyfikowa schemat pokazany na rys.2.1, dodaj c na nim pseudo-element PARAM oraz parametryzuj c warto rezystancji rezystora RC. Wykonanie wymienionych modyfikacji wymaga przeprowadzenia nast puj cych czynno ci: a) Na schemacie nale y podda edycji rezystancj rezystora RC, wpisuj c {RC} zamiast 1k, b) Wybra z listy elementów i umie ci na schemacie element PARAM.

Rys.2.10. Okno programu PROBE z wykresem iC(uCE)

W wyniku uzyska si schemat układu pokazany na rys.2.11. Po dwukrotnym klikni ciu mysz elementu „PARAMETERS” otworzy si okno dialogowe, pokazane na rys.2.12. W oknie tym nale y wprowadzi nazw parametru globalnego (NAME1) – w rozwa anym przypadku RC oraz domy ln warto tego parametru (VALUE1) – w rozwa anym przypadku 1K. Nast pnym krokiem jest ustawienie odpowiednich parametrów analizy. W celu przeprowadzenia parametrycznej analizy stałopr dowej nale y wybra w Setupie DC Sweep, a w oknie dialogowym pokazanym na rys.2.6 wybra nast puj ce ustawienia: - Swept Var. Type - Global Parameter,

2. Edytor schematów – formułowanie prostych układów elektronicznych i …

- Name – RC - Sweep Type – Decade - Start Value – 1 - End Value – 10meg - Pts/Decade – 20

Rys.2.11. Zmodyfikowany schemat analizowanego układu

Rys.2.12. Okno dialogowe programu Schematics do deklaracji parametrów globalnych

Ustawienia powy sze oznaczaj , e przeprowadzona zostanie analiza stałopr dowa, w której przemiatana b dzie warto parametru globalnego RC w zakresie od 1 Ω do 1 MΩ, przy czym przemiatanie b dzie realizowane logarytmicznie, a obliczenia b d wykonywane w ka dej dekadzie dla 20 warto ci tego parametru. Po wykonaniu oblicze pojawi si okno programu PROBE. W celu uzyskania wykresu zale no ci iC (RC ) nale y: a) Wybra jako zmienn wykre lan na osi pionowej „IC(Q1)”, b) W oknie dialogowym, pokazanym na rys.2.9 zaznaczy Scale – Log, dzi ki czemu uzyska si skal logaryczniczn na osi X. Parametryzacja warto ci elementów układu mo e by równie wykorzystana do wyznaczania rodzin charakterystyk układów elektronicznych. Przykładowo, dla rozwa anego układu z rys.2.11 mo na wyznaczy charakterystyki iC ( EC ) dla wybranych warto ci rezystancji RC. W celu przeprowadzenia takiej analizy nale y w Setupie zaznaczy 2 rodzaje analiz – DC Sweep oraz Parametric. Potem nale y ustawi nast puj ce parametry analizy stałopr dowej (DC Sweep) w oknie dialogowym pokazanym na rys. 2.6: - Swept Var. Type – Voltage Source,

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

- Name – EC - Sweep Type – Linear - Start Value – 0 - End Value – 30 - Increment – 0.01 Ustawienia te oznaczaj , e analiza stałopr dowa b dzie przeprowadzona wzgl dem wydajno ci ródła napi ciowego EC. Wydajno ta b dzie zmieniana liniowo od 0 do 30 V z krokiem 0,01 V. Nast pnie nale y w oknie dialogowym analizy parametrycznej, pokazanym na rys.2.13, wprowadzi nast puj ce ustawienia:

Rys.2.13. Okno dialogowe programu Schematics do deklaracji parametrów analizy parametrycznej

- Swept Var. Type – Global Parameter, - Name – RC - Sweep Type – Value List - Values – 100, 1k, 10k, 100k Ustawienia te oznaczaj , e analizy stałopr dowe, zdefiniowane w oknie DC Sweep b d przeprowadzone przy ró nych warto ciach parametru globalnego RC. Parametr ten b dzie kolejno przyjmował warto ci równe 100 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ oraz 100 kΩ. Po zamkni ciu okna Setup oraz uruchomieniu oblicze , np. przyciskiem F11 zostan przeprowadzone 4 analizy stałopr dowe. Po zako czeniu oblicze zostanie uruchomiony program PROBE, który wy wietli okno dialogowe pokazane na rys.2.14. W oknie tym podana jest lista wykonanych analiz. U ytkownik mo e obejrze wyniki wszystkich analiz, wówczas wybiera tylko przycisk OK, lub pozostawia (klikaj c mysz ) zaznaczone na li cie tylko te analizy, których wyniki chce wy wietli i klikn przycisk OK. Dalej pojawi si standardowe okno programu PROBE, na którym nale y wybra wykres pr du IC(Q1). Na ekranie pojawi si 4 krzywe oznaczone ró nymi kolorami, a pod wykresem znajd si markery o takich samych kolorach. Klikaj c dwukrotnie na marker uzyskuje si okno z informacj na temat ustawie analizy, której dotyczy dana krzywa na wykresie. Zilustrowano to na rys.2.15.

2. Edytor schematów – formułowanie prostych układów elektronicznych i …

Rys.2.14. Okno dialogowe wyboru analizy w programie PROBE

Rys.2.15. Okno programu PROBE z wykresem iC(EC) dla ró nych rezystancji RC

Domy lnie analizy w programie SPICE wykonywane s dla temperatury równej 27oC. Warto ci tej temperatury u ytkownik mo e zmienia . Przykładowo, w celu wyznaczenia charakterystyk iC ( EC ) dla trzech temperatur, równych 27°C, 100°C, 150°C nale y w Setupie zaznaczy 2 rodzaje analiz – DC Sweep oraz Temperature. Nast pnie nale y ustawi parametry analizy stałopr dowej (DC Sweep) identyczne jak w poprzednim przykładzie. Nast pnie w oknie dialogowym, pokazanym na rys.2.16, nale y wprowadzi list warto ci temperatury (w stopniach Celsjusza), dla których maj by wykonane analizy. Po uruchomieniu symulacji SPICE wykona obliczenia zdefiniowane w oknie DC Sweep kolejno dla ka dej warto ci temperatury zdefiniowanej w oknie Temperature Analysis. Po wykonaniu oblicze pojawi si okno dialogowe

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

programu PROBE, podobnie jak na rys.2.14, z list wykonanych analiz, których wyniki mo na obejrze .

Rys.2.16. Okno dialogowe programu Schematics do zadawania temperatur analizy

Oprócz charakterystyk statycznych, uzyskiwanych za pomoc analizy DC Sweep, program SPICE umo liwia równie wyznaczenie małosygnałowych charakterystyk cz stotliwo ciowych przy wykorzystaniu analizy AC Sweep. Przy realizacja takiej analizy w obwodzie powinno znajdowa si co najmniej jedno ródło VAC lub IAC. Aby przeprowadzi analiz cz stotliwo ciow nale y w oknie Setup zaznaczy analiz AC Sweep i wypełni okno dialogowe pokazane na rys.2.17.

Rys.2.17. Okno dialogowe programu Schematics do zadawania parametrów analizy cz stotliwo ciowej

W oknie tym wybiera si sposób przemiatania cz stotliwo ci (Linear, Octave lub Decade), ilo punktów w ka dej dekadzie cz stotliwo ci oraz pocz tek i koniec przedziału zmian cz stotliwo ci. W oknie tym mo na równie zada parametry analizy szumowej (Noise Analysis). Przykładowo, w celu wyznaczenia rodziny charakterystyk cz stotliwo ciowych rozwa anego układu tranzystorowego przy ró nych warto ciach rezystancji RC nale y najpierw zmodyfikowa schemat analizowanego układu do postaci pokazanej na rys.2.18. Dla wprowadzonego na schemacie ródła napi ciowego VAC o nazwie EB nale y poda niezerow warto amplitudy składowej zmiennej (ACMAG) oraz warto składowej stałej (DC) zapewniaj c prac tranzystora Q1 w zakresie aktywnym normalnym. W rozwa anym przykładzie przyj to DC=0,6V oraz ACMAG=1V. Na schemacie wprowadzono równie etykiety w złów wej ciowego (we) i wyj ciowego (wy). Etykiety te wprowadza si klikaj c dwukrotnie na wybrany w zeł i wpisuj c z klawiatury, po pojawieniu si okna dialogowego, wybran nazw w zła.

2. Edytor schematów – formułowanie prostych układów elektronicznych i …

Rys.2.18. Schemat rozwa anego układu do analizy cz stotliwo ciowej

Kolejnym krokiem jest wybranie w Setupie dwóch analiz: AC Sweep oraz Parametric oraz wypełnienie odpowiednich okien dialogowych w sposób pokazany na rys.2.17 oraz 2.13. Po uruchomieniu symulacji program SPICE wykona czterokrotnie analiz AC w zakresie od 10 Hz do 1000 MHz dla poszczególnych warto ci rezystancji RC. Po zako czeniu analiz pojawi si na ekranie okno dialogowe programu PROBE umo liwiaj ce wybór wyników analiz, które b d stanowiły dane dla tworzonych wykresów. Wynikiem analizy AC Sweep s zale no ci amplitud oraz faz napi i pr dów od cz stotliwo ci. W celu wykre lenia charakterystyki amplitudowej nale y w programie PROBE wybra z menu Trace i po jego rozwini ciu klikn mysz Add. Wówczas pojawi si okno dialogowe o postaci pokazanej na rys.2.7. Nale y wówczas przy wykorzystaniu myszy lub klawiatury wpisa w oknie Trace Expression wyra enie „V(wy)/V(we)” i klikn na przycisk OK. Aby jednocze nie móc ogl da charakterystyk fazow układu nale y w menu wybra Plot i po jego rozwini ciu klikn mysz Add Plot. Wówczas pojawi si dodatkowo puste pole wykresu. Znów nale y wybra z menu Trace i po jego rozwini ciu klikn mysz Add. Po pojawieniu si okna dialogowego o postaci pokazanej na rys.2.7 nale y wpisa w oknie Trace Expression wyra enie „P(V(wy)/V(we))” i klikn na przycisk OK. W wyniku tych operacji uzyskuje si wykresy pokazane na rys.2.19. Na górze wykre lona jest charakterystyka fazowa a na dole - charakterystyka amplitudowa. Jak mo na zauwa y na charakterystyce fazowej, transmitancja rozwa anego układu posiada 3 bieguny, powoduj ce zmian przesuni cia fazowego wnoszonego przez badany układ od 180o do -90o. Cz sto istotne jest wyznaczenie czasowych przebiegów wyst puj cych w analizowanym układzie elektronicznym. W tym celu wykorzystuje si analiz stanów przej ciowych (Transient). Przy realizacji tej analizy w układzie powinno by co najmniej jedno ródło napi ciowe lub pr dowe, którego wydajno zmienia si w funkcji czasu. Sposób realizacji analizy stanów przej ciowych zostanie zilustrowany poni ej na przykładzie wzmacniacza jednotranzystorowego pobudzanego sygnałem trapezoidalnym. Celem analizy jest wyznaczenie czasowego przebiegu oraz widma pr du kolektora. Aby zrealizowa t analiz nale y zmodyfikowa schemat rozwa anego układu do postaci pokazanej na rys.2.20.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

Rys.2.19. Wynik analizy cz stotliwo ciowej układu z rys.2.18

Rys.2.20. Schemat rozwa anego układu do analizy stanów przej ciowych

Rozwa any układ pobudzany jest sygnałem trapezoidalnym ze ródła napi ciowego EB typu VPULSE. Po klikni ciu na symbol ródła VPULSE pojawi si okno dialogowe, w którym nale y wprowadzi nast puj ce warto ci parametrów tego ródła: - poziom niski napi cia V1 = -2 V, - poziom wysoki napi cia V2 = 5 V, - czas opó nienia TD = 0, - czas narastania impulsu TR = 100 ns, - czas opadania impulsu TF = 100 ns, - czas trwania impulsu PW = 5 µs, - okres powtarzania impulsu PER = 10 µs.

2. Edytor schematów – formułowanie prostych układów elektronicznych i …

W Setupie nale y wybra analiz Transient. Wówczas pojawi si okno dialogowe, pokazane na rys.2.21.

Rys.2.21. Okno dialogowe programu Schematics do zadawania parametrów analizy stanów przej ciowych

W górnej cz ci tego okna zadawane s parametry analizy stanów przej ciowych. Parametr Print Step oznacza krok wydruku wyników oblicze w wyj ciowym pliku tekstowym (*.out). Warto tego parametru musi by dodatnia i mniejsza od warto ci parametru Final Time oznaczaj cego czas zako czenia oblicze . Obliczenia realizowane s ze zmiennym krokiem czasowym, zale nym od szybko ci zmian napi i pr dów w analizowanym układzie. Je eli u ytkownik chce zmniejszy wielko pliku wynikowego i nie s dla niego istotne wyniki oblicze z przedziału czasowego od zera do pewnej warto ci tmax, to wówczas wpisuje w oknie dialogowym No-Print Delay = tmax. Ostatni parametr – Step Ceiling oznacza maksymalny krok oblicze . Warto tego parametru podaje si , gdy wyst puj problemy ze zbie no ci oblicze lub wtedy, gdy uzyskiwane przebiegi czasowe nie s gładkie. Zwykle podaje si tylko warto ci Print Step oraz Final Time. Z kolei, w dolnej cz ci okna dialogowego podawane s parametry analizy widmowej. Je eli analiza ta ma by realizowana, to nale y zaznaczy kwadrat Enable Fourier, poda warto cz stotliwo ci podstawowej (Center Frequency), liczb harmonicznych (Number of harmonics) oraz list zmiennych, dla której maj by wyznaczone warto ci poszczególnych harmonicznych (Output Vars). Cz stotliwo podstawowa musi by wy sza od odwrotno ci czasowego zakresu analizy, a liczba harmonicznych nie mo e przekroczy 100. Wyniki analizy widmowej podawane s w formie tekstowej w pliku *.out. Przy ustawieniach analizy stanów przej ciowych podanych na rys.2.21 czasowy zakres analizy wynosi 50 µs. Po wykonaniu oblicze nale y w programie PROBE wybra z menu Trace i klikn mysz Add. W oknie dialogowym nale y wybra „IC(Q1)” i potwierdzi wybór przyciskiem Ok. W wyniku uzyska si czasowy przebieg pr du kolektora tranzystora Q1 pokazany na rys.2.22.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

Rys.2.22. Czasowy przebieg pr du kolektora tranzystora Q1 uzyskany z analizy stanów przej ciowych

W celu wyznaczenia widma pr du kolektora tranzystora Q1 nale y klikn mysz ikon

. W wyniku uzyska si wykres pokazany na rys.2.23.

Rys.2.23. Widmo pr du kolektora tranzystora Q1 uzyskane z analizy stanów przej ciowych

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Narysowa schemat układu przedstawionego na rysunku 2.24 i przeprowadzi nast puj ce analizy: a) wyznaczenie punktu pracy układu, b) wyznaczenie stałopr dowej zale no ci pr du kolektora tranzystora Q1 od napi cia mi dzy jego zaciskami wyj ciowymi przy 4

2. Edytor schematów – formułowanie prostych układów elektronicznych i …

warto ciach napi cia na ródle V1 równych kolejno 0,6 V, 1 V, 1,5 V, 2 V. Przyj zakres zmian napi cia na ródle EC od zera do 50 V.

Rys.2.24. Schemat układu rozwa anego w zadaniu 1

c) wyznaczenie zale no ci pr du rezystora RC od rezystancji rezystora RE (zmienianej w zakresie od 0,1 Ω do 10 kΩ) przy 3 warto ciach temperatury równych kolejno 0, 30 oraz 100 oC. d) wyznaczenie charakterystyki amplitudowej i fazowej rozwa anego układu w zakresie cz stotliwo ci od 1 Hz do 1 GHz przy 2 warto ciach składowej stałej napi cia na ródle V1 równych kolejno 1 V oraz 2 V. Przyj , e napi ciem wej ciowym jest napi cie na ródle V1, a napi ciem wyj ciowym – napi cie na kolektorze tranzystora Q1. e) wyznaczenie czasowego przebiegu i widma napi cia mi dzy kolektorem a emiterem tranzystora Q1 przy pobudzeniu sygnałem ze ródła V1 w postaci przebiegu trapezoidalnego o poziomach równych -2 V oraz 4 V, czasach narastania i opadania równych 50 ns, czasie trwania impulsu 4 µs oraz okresie 10 µs. 2. Narysowa schemat układu przedstawionego na rysunku 2.25 i przeprowadzi nast puj ce analizy:

Rys.2.25. Schemat układu rozwa anego w zadaniu 2

a) wyznaczy punkt pracy układu, b) wyznaczy przej ciow charakterystyk amplitudow i fazow układu uwy/uwe dla warto ci R1 równych 1 kΩ, 100 Ω, 10 Ω,

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

c) wykona analiz stanów przej ciowych układu dla pobudzenia sygnałem trapezoidalnym o poziomach - 2 V oraz 5 V, czasie opó nienia TD = 0, czasie narastania i opadania równym 100 ns, czasie trwania impulsu równym 5 µs oraz okresie równym 10 µs. Wyznaczy przebieg czasowy oraz widmo napi cia wyj ciowego uwy. d) powtórzy obliczenia z punktu c) dla pobudzenia sygnałem trójk tnym o identycznym okresie oraz warto ci maksymalnej i minimalnej jak dla sygnału trapezoidalnego, zdefiniowanego w punkcie c).

Uwaga:

1. Je eli w czasie rysowania schematu trzeba odwróci element, to po zaznaczeniu go mysz (ma wówczas kolor czerwony) nale y nacisn przyciski Ctrl+R (obrót o 90o) lub Ctrl+F (lustrzne odbicie w poziomie). 2. W ka dym analizowanym układzie musi wyst pi w zeł masy, traktowany jako punkt odniesienia w układzie. 3. Mi dzy ka dym w złem obwodu a mas musi istnie poł czenie o sko czonej rezystancji. 4. Do ka dego w zła musz by podł czone ko cówki co najmniej dwóch elementów. 5. Niespełnienie warunków 2-4 uniemo liwi wykonanie jakichkolwiek analiz.

3. Niezale ne i sterowane ródła napi ciowe i pr dowe

NIEZALE NE

STEROWANE

RÓDŁA

NAPI CIOWE I PR DOWE W programie PSPICE mo na wykorzystywa ródła napi ciowe i pr dowe. Nazwy niezale nych ródeł napi ciowych rozpoczynaj si od litery V, a nazwy niezale nych ródeł pr dowych od litery I. Poniewa sygnały generowane przez ródła napi ciowe i pr dowe mog mie identyczny kształt, w dalszych rozwa aniach opisano szczegółowo tylko niezale ne ródła napi ciowe. W przypadku potrzeby zastosowania ródła pr dowego generuj cego przebieg o okre lonym kształcie nale y wykorzysta ródło, w którego nazwie b dzie zast piona tylko pierwsza litera V liter I. Oczywi cie wszystkie parametry maj ce sens napi maj w takich ródłach sens pr dów. W poprzednim rozdziale stosowane było ródło napi cia stałego Vdc, którego jedynym parametrem jest warto napi cia stałego wytwarzanego na jego zaciskach. W rozdziale 2 wykorzystywane było równie ródło Vac dedykowane do zastosowania w analizie cz stotliwo ciowej. ródło Vac ma 3 parametry: - składow stał DC, - amplitud składowej zmiennej ACMAG, - faz pocz tkow składowej zmiennej ACPHASE. Je eli u ytkownik nie poda warto ci którego z wymienionych parametrów, to program przyjmie domy ln warto tego parametru równ zero. W programie PSPICE jest kilka rodzajów ródeł niezale nych wytwarzaj cych napi cia o przebiegach zmiennych w czasie. Poni ej scharakteryzowano najwa niejsze z nich. • ródło sygnału sinusoidalnego (VSIN) wytwarza na swoich zaciskach przebieg charakteryzowany przez nast puj ce parametry: - VOFF – warto rednia, - VAMPL – amplituda, - FREQ – cz stotliwo , - TD – czas opó nienia (do tego czasu, licz c od pocz tku analizy TRAN, napi cie wyj ciowe ródła ma warto równ VOFF), - DF – współczynnik tłumienia napi cia wyj ciowego, - PHASE – faza pocz tkowa napi cia wyj ciowego. • ródło sygnału trapezoidalnego (VPULSE) wytwarza na swoich zaciskach przebieg charakteryzowany przez nast puj ce parametry: - V1 – poziom pocz tkowy napi cia wyj ciowego, - V2 – poziom napi cia wyj ciowego po przeł czeniu, - TD – czas opó nienia (do tego czasu, licz c od pocz tku analizy TRAN, napi cia wyj ciowe ródła ma warto równ V1), - TR – czas narastania, - TF – czas opadania, - PW – czas trwania impulsu, - PER – okres powtarzania impulsów.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

•

ródło sygnału opisanego łaman (VPWL) wytwarza na swoich zaciskach przebieg charakteryzowany przez pary liczb Ti, Vi (i = 1, 2, 3, …, n) okre laj cych odpowiednio współrz dn czasow i napi ciow punktu, b d cego w złem łamanej opisuj cej czasowy przebieg napi cia wyj ciowego ródła. Je eli czas T1 > 0, to dla czasów mniejszych od T1 napi cie wyj ciowe ródła równe jest V1. Dla czasów wi kszych od najwi kszego czasu Tn przebieg napi cia wyj ciowego jest funkcj stał równ Vn. Oprócz ródeł niezale nych dost pne s równie w programie PSPICE 4 rodzaje ródeł sterowanych: a) ródło napi ciowe sterowane napi ciem, którego nazwa rozpoczyna si od litery E, b) ródło napi ciowe sterowane pr dem, którego nazwa rozpoczyna si od litery H, c) ródło pr dowe sterowane napi ciem, którego nazwa rozpoczyna si od litery G, d) ródło pr dowe sterowane pr dem, którego nazwa rozpoczyna si od litery F. O ile ródła niezale ne s dwójnikami, to ródła sterowane s czwórnikami. Symbole, stosowane w programie Schematics, wybranych ródeł niezale nych pokazano na rys.3.1, a symbole wybranych ródeł sterowanych na rys.3.2. W ródłach sterowanych wyst puj zaciski wyj ciowe (z prawej strony symbolu) oraz zaciski steruj ce (z lewej strony symbolu).

Rys.3.1. Symbole wybranych ródeł niezale nych w programie Schematics

Rys.3.2. Symbole wybranych ródeł sterowanych w programie Schematics

ródła sterowane mog by ródłami liniowymi, w których relacja mi dzy wielko ci wej ciow i wyj ciow jest liniowa, lub ródłami nieliniowymi, w których zale no ta jest nieliniowa. W ródłach liniowych wyst puje tylko jeden parametr GAIN opisuj cy iloraz wielko ci wyj ciowej przez wej ciow . W ródłach E ma on sens wzmocnienia napi ciowego, w ródłach F – wzmocnienia pr dowego, w ródłach G – transkonduktancji, a w ródłach H – transrezystancji. Relacja mi dzy wielko ci wyj ciow a wej ciow mo e by równie

3. Niezale ne i sterowane ródła napi ciowe i pr dowe

opisana za pomoc wielomianu. W nazwie takich ródeł po pierwszej literze wyst puje POLY. Przykładowo w ródle napi ciowym sterowanym napi ciem (EPOLY) napi cie wyj ciowe Uwy ródła opisane jest wielomianem napi cia steruj cego Uwe. W opisie ródła nale y poda liczby, stanowi ce współczynniki przy kolejnych pot gach wielomianu, pocz wszy od najni szej do najwy szej. Poszczególne współczynniki nale y oddzieli od siebie spacjami. Je eli który współczynnik wielomianu jest równy zero, to nale y wpisa na li cie warto ci parametrów w odpowiednim miejscu zero, np. w przypadku wielomianu o postaci x4 + x2 nale y wpisa COEFF = 0 0 1 0 1. ródła sterowane napi ciem (E oraz G) mog by opisane tak e za pomoc funkcji odcinkami liniowej ( ródła ETABLE oraz GTABLE) lub za pomoc zło enia funkcji elementarnych (EVALUE oraz GVALUE). Tabela 3.1. Funkcje elementarne, które mog by u yte w opisie wydajno ci ródła EVALUE FUNKCJA ZNACZENIE OPIS |x| warto bezwzgl dna z x ABS(X),M(X) cos-1(x) arcus cosinus z x [rad] ACOS(X) ARCTAN(X), tan-1(x) arcus tangens z x [rad] ATAN(X) -1 sin (x) arcus sinus z x [rad] ASIN(X) tan-1(y/x) arcus tangens z y/x [rad] ATAN2(Y,X) cos(x) cosinus z x [rad] COS(X) cosh(x) cosinus hiperboliczny z x [rad] COSH(X) dx/dt pochodna dx/dt DDT(X) ex eksponenta z x EXP(X)

IF(T,X,Y) LIMIT (X,MIN,MAX) LOG(X) MAX(X,Y) MIN(X,Y) PWR(X,Y) PWRS(X,Y) SDT(X) SGN(X) SIN(X) SINH(X) STP(X) SQRT(X) TAN(X) TANH(X)

zwraca x je li spełniony warunek t; zwraca y je li nie jest spełniony warunek t zwraca min je li x<min; zwraca max je li x>max; zwraca x w pozostałych ln(x) zwraca wi ksz spo ród warto ci x oraz y zwraca mniejsz spo ród warto ci x oraz y |x|y y + |x| gdy x>0; – |x|y gdy x<0 x dt zwraca + 1 gdy x>0; zwraca – 1 gdy x<0 sin(x) sinh(x) zwraca + 1 gdy x>0.0; zwraca – 1 gdy x<0.0 x1/2 tan(x) tanh(x)

funkcja warunkowa if

logarytm naturalny z x maksimum x i y minimum x i y funkcja pot gowa funkcja pot gowa ze znakiem całka z x Znak wyra enia x sinus z x [rad] sinus hiperboliczny z x [rad] pierwiastek kwadratowy z x tangens z x [rad] tangens hiperboliczny z x [rad]

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

Przykładowo, w opisie ródła ETABLE nale y poda nazw wielko ci steruj cej (domy lnie jest to napi cie wej ciowe Uwe) oraz współrz dne punktów (Uwei, Uwyi), gdzie i = 1, 2, …n, stanowi cych w zły łamanej, b d cej wykresem rozwa anej funkcji odcinkami liniowej. Dla napi wej ciowych mniejszych od Uwe1 warto ci napi cia wyj ciowego wynosz Uwy1, za dla napi wej ciowych wi kszych od Uwen, napi cie wyj ciowe wynosi Uwyn. Z kolei, w ródle sterowanym EVALUE zale no napi cia wyj ciowego od wielko ci steruj cej dane jest zło eniem funkcji elementarnych (dozwolone funkcje wymienione s w tabeli 3.1). W opisie wydajno ci ródła wpisuje si posta funkcji opisuj cej wydajno ródła. Przykładowo, je eli ródło sterowane jest napi ciem w w le 1, a funkcja opisuj ca stanowi sum funkcji wykładniczej (ekspotencjalnej) i liniowej, to nale y w opisie ródła wpisa EXPR=exp(v(1))+v(1).

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Wybra odpowiedni typ ródła napi ciowego i rodzaj analizy, zapewniaj cy uzyskanie czasowego przebiegu sinusoidalnego o cz stotliwo ci 1 kHz, amplitudzie 2 V oraz warto ci redniej 3 V. 2. Wybra odpowiedni typ ródła napi ciowego i rodzaj analizy, zapewniaj cy uzyskanie czasowego tłumionego przebiegu cosinusoidalnego o cz stotliwo ci 1 kHz, amplitudzie 2 V, warto ci redniej 3 V oraz współczynniku tłumienia 100. 3. Wybra odpowiedni typ ródła napi ciowego i rodzaj analizy, zapewniaj cy uzyskanie czasowego przebiegu trapezoidalnego o poziomach równych odpowiednio 1 V oraz 5 V, czasie narastania i opadania równych 1 µs, czasie trwania impulsu 10 µs oraz cz stotliwo ci 50 kHz. Generacja przebiegu powinna rozpocz si po upływie 15 µs od chwili rozpocz cia analizy. 4. Wybra odpowiedni typ ródła napi ciowego i rodzaj analizy, zapewniaj cy uzyskanie czasowego przebiegu trójk tnego o warto ci minimalnej i maksymalnej równych odpowiednio 1 V i 5 V oraz cz stotliwo ci 20 kHz. Generacja przebiegu powinna rozpocz si po upływie 18 µs od chwili rozpocz cia analizy. 5. Wybra odpowiedni typ ródła napi ciowego i rodzaj analizy, zapewniaj cy uzyskanie czasowego przebiegu napi cia o kształcie pokazanym na rys.3.3 6. W układzie z rys.3.4 opisa wydajno ródła E1 w taki sposób, aby na jego zaciskach uzyska napi cie opisane zale no ci

U wy = (uwe ) + uwe + 2 2

(3.1)

Wykre li charakterystyk przej ciow ródła E1 przy zmianach warto ci uwe w zakresie od 0 do 10V. 7. W układzie z rys.3.5 opisa wydajno ródła E6 w taki sposób, aby spełniało ono rol ogranicznika napi cia wyj ciowego w zakresie od -2 V do 3 V. Wyst puj ce na tym rysunku ródło V1 wytwarza napi cie

3. Niezale ne i sterowane ródła napi ciowe i pr dowe

sinusoidalne o warto ci redniej równej zero, amplitudzie 5 V i cz stotliwo ci 10 kHz. Przedstawi przebiegi na zaciskach obu ródeł dla czasu od 0 do 200 µs. 6 5

U[V]

4 3 2 1 0 0

t[ms] Rys.3.3. Przebieg napi cia do wygenerowania w punkcie 5

Rys.3.4. Układ rozwa any w punkcie 6

Rys.3.5. Układ rozwa any w punkcie 7

8. W układzie z rys.3.6 opisa wydajno ródła E1 w taki sposób, aby na jego zaciskach uzyska napi cie opisane zale no ci

U wy = (uwe ) + exp 2

Wykre li charakterystyk zakresie od 0 do 10 V.

uwe +2 3

(3.2)

ródła E1 przy zmianach warto ci uwe w

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

Rys.3.6. Układ rozwa any w punkcie 8

4. Modelowanie elementów indukcyjnych w programie SPICE

4. MODELOWANIE ELEMENTÓW INDUKCYJNYCH W PROGRAMIE PSPICE Elementy bierne, do których nale rezystory, kondensatory i cewki s typowo opisywane w programie PSPICE za pomoc modeli liniowych, opisywanych za pomoc jednego parametru. W przypadku cewek jest to indukcyjno L. Istniej równie nieliniowe modele wymienionych elementów. W modelach tych typowo wykorzystuje si wielomian drugiego stopnia, opisuj cy zale no indukcyjno ci od pr du i oraz temperatury T dany wzorem

[

L(i, T ) = L ⋅ 1 + TC1 ⋅ (T − T0 ) + TC 2 ⋅ (T − T0 ) + IL1 ⋅ i + IL 2 ⋅ i 2 2

]

(4.1)

We wzorze tym L oznacza indukcyjno c cewki przy pr dzie i = 0 oraz temperaturze T równej temperaturze odniesienia T0 (domy lnie T0 = 27oC), TC1 i TC2 oznaczaj liniowy oraz kwadratowy współczynnik temperaturowych zmian indukcyjno ci, za IL1 i IL2 - liniowy oraz kwadratowy współczynnik pr dowych zmian indukcyjno ci. Opis indukcyjno ci za pomoc wzoru (4.1) dotyczy cewek, które w programie Schematics nosz nazw Lbreak. Cewki o nazwie L s elementami liniowymi. Parametrami modelu cewki Lbreak s : L, TC1, TC2, IL1, IL2. Oprócz tego u ytkownik wprowadza dla tego elementu parametr Value. Indukcyjno cewki stanowi iloczyn parametru Value oraz warto ci uzyskanej ze wzoru (4.1). W praktyce cz sto wykorzystuje si cewki z rdzeniem ferromagnetycznym. Ze wzgl du na nieliniowo tego rdzenia obserwuje si silnie nieliniowe charakterystyki cewki. W programie PSPICE modeluje si cewki z rdzeniem przy wykorzystaniu modelu Jilesa-Athertona, który opisuje wła ciwo ci rdzenia ferromagnetycznego. Model ten opisuj nast puj ce równania [9, 20] Ma − M dM C dM a (4.2) = + ⋅ dH (1 + C ) ⋅ δ ⋅ K 1 + C dH

Ma = MS ⋅

H H +A

(4.3)

W powy szych równaniach H oznacza nat nie pola magnetycznego w rdzeniu, M – magnetyzacj rdzenia, Ma – magnetyzacj na krzywej pierwotnego magnesowania, pozostałe wielko ci to parametry modelu. Maj one nast puj cy sens: C – współczynnik elastycznych odkształce cian domen magnetycznych, K – współczynnik nieelastycznych odkształce cian domen, A – parametr pola magnetycznego, MS – magnetyzacja nasycenia, δ - współczynnik równy 1, gdy nat enie pola magnetycznego ro nie oraz -1, gdy nat enie to maleje. Model Jilesa-Athertona charakteryzuje wła ciwo ci materiału ferromagnetycznego, ale na wła ciwo ci rdzenia maj istotny wpływ równie jego wymiary definiowane przez parametry PATH – długo drogi magnetycznej [cm], GAP – długo szczeliny powietrznej w rdzeniu [cm], AREA – pole przekroju czynnego rdzenia [cm2].

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

Sprz enie cewki z rdzeniem zapewnia element Kbreak, który zawiera w sobie nieliniowy model rdzenia, a przy jego deklaracji podaje si nazw cewki, która współpracuje z tym rdzeniem. Cewka ta musi by opisana modelem liniowym, a jej warto jest interpretowana przez program nie jako indukcyjno , ale jako ilo zwojów nawini tych na rdzeniu. Oczywi cie indukcyjno tej cewki jest zale na od warto ci pr du. Niestety, stosuj c nieliniowy model rdzenia nie mo na uwzgl dni zale no ci indukcyjno ci od temperatury. Aby wyznaczy zale no indukcyjno ci cewki od pr du nale y wykorzysta układ pokazany na rys.4.1. W układzie tym badana cewka L1 zasilana jest ze ródła pr dowego Iwe generuj cego przebieg trapezoidalny. Rezystor R1 wyst puje w układzie ze wzgl dów formalnych, poniewa w PSPICE niedopuszczalne jest tworzenie oczek zawieraj cych tylko cewk i ródło pr dowe. W parametrach ródła pr dowego przyjmuje si zerow warto poziomu niskiego I1, a warto poziomu wysokiego I2 równa jest warto ci maksymalnej pr du, dla której ma by wyznaczona zale no L(i). Nale y przyj zerow warto czasu opó nienia TD, a czas narastania impulsu TR powinien wynosi około 1 ms. Dla rozwa anego układu nale y przeprowadzi analiz stanów przej ciowych, przyjmuj c warto Final Time równ warto ci czasu TR. Wówczas, w całym rozwa anym zakresie analizy, pr d jest liniowo narastaj c funkcj czasu.

Rys.4.1. Układ do wyznaczania zale no ci L(i)

Jak wiadomo, podstawowe równanie cewki ma posta

uL = L ⋅

diL dt

(4.4)

gdzie uL oznacza napi cie na cewce, za iL – pr d płyn cy przez t cewk . A zatem po wykonaniu analizy stanów przej ciowych nale y w programie PROBE wykre li na osi pionowej wyra enie o postaci

u L ⋅ TR , a na osi I 2 − I1

poziomej wybra pr d cewki i(L1). Aby mo na było zbada wpływ parametrów modelu cewki na uzyskiwan zale no L(i) nale y wprowadzi do modelu cewki Lbreak wybrane warto ci parametrów L, TC1, TC2, IL1 oraz IL2. Po narysowaniu schematu pokazanego na rys.4.1 nale y dwukrotnie klikn

4. Modelowanie elementów indukcyjnych w programie SPICE

na symbolu cewki. Wówczas pojawi si okno dialogowe pokazane na rys.4.2.

Rys.4.2. Okno dialogowe do wprowadzania warto ci parametrów cewki

W oknie tym trzeba wprowadzi warto parametru VALUE, który jest mno nikiem indukcyjno ci obliczonej ze wzoru (4.1). Mo na równie poda warto parametru IC, maj cego sens warunku pocz tkowego pr du cewki. W celu wprowadzenia lub modyfikacji warto ci parametrów nieliniowego modelu cewki nale y zaznaczy cewk na schemacie (jej symbol stanie si wówczas czerwony), a nast pnie z menu programu Schematics wybra Edit, a po rozwini ciu tego menu – Model. Wówczas pojawi si okno dialogowe pokazane na rys.4.3.

Rys.4.3. Okno dialogowe Edit Model

Przyciski znajduj ce si z prawej strony okna umo liwiaj kolejno: - zmian nazwy modelu, - edycj tekstow warto ci parametrów modelu, - edycj lub estymacj parametrów modelu w programie PARTS. Po wybraniu rodkowego przycisku pojawia si okno dialogowe, pokazane na rys.4.4, umo liwiaj ce edycj warto ci parametrów modelu Lbreak.

Rys.4.4. Okno dialogowe umo liwiaj ce edycj warto ci parametrów modelu Lbreak

W lewym górnym rogu tego okna znajduje si informacja o nazwie modelu oraz bibliotece ródłowej (w tym przypadku BREAKOUT.LIB). W prawym górnym rogu podana jest cie ka dost pu i nazwa pliku, w którym zostanie zapisany zmodyfikowany model. W głównej cz ci okna znajduje si deklaracja modelu Lbreak, która składa si ze słowa kluczowego model (poprzedzonego kropk ), nazwy modelu (Lbreak), rodzaju opisywanego elementu (IND) oraz

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

listy parametrów modelu wraz z ich warto ciami. Opis modelu ko czy znak *$. Jak wida , w pokazanej deklaracji wyst puje tylko jeden parametr – L. Pozostałe parametry modelu maj warto ci domy lne (w tym przypadku zerowe). W celu wprowadzenia warto ci innych parametrów modelu nale y wpisa ich nazwy i warto ci w obszarze mi dzy rodzajem modelu a znakiem ko ca opisu modelu. W przypadku cewki z rdzeniem ferromagnetycznym układ do wyznaczania zale no ci L(i) ma posta pokazan na rys.4.5.

Rys.4.5. Układ do wyznaczania zale no ci L(i) dla cewki z rdzeniem

W układzie tym cewka L1 jest opisana modelem liniowym, a jej warto oznacza liczb zwojów. Rdze jest reprezentowany przez element K typu Kbreak. Po dwukrotnym klikni ciu mysz na symbolu K otwiera si okno dialogowe, pokazane na rys.4.6, umo liwiaj ce deklaracj cewek sprz onych przez ten rdze .

Rys.4.6. Okno dialogowe umo liwiaj ce deklaracj elementów sprz przez rdze

onych magnetycznie

W oknie tym podaje si kolejno nazwy cewek sprz onych przez rozwa any rdze (w rozwa anym przypadku jest to tylko jedna cewka L1) oraz warto współczynnika sprz enia (COUPLING), która musi by zawarta w przedziale od 0 do 1. Warto ci parametrów modelu rdzenia (AREA, GAP, PATH, MS, A, C, K) wprowadza si analogicznie jak dla modelu cewki Lbreak, przy czym przed wej ciem do menu nale y zaznaczy element K. Analizuj c układy zawieraj ce rdze ferromagnetyczny uzyskuje si w wyniku, oprócz przebiegów napi i pr dów, tak e przebiegi nat enia pola magnetycznego H oraz indukcji pola magnetycznego B. Nale y pami ta , e w programie PROBE jednostkami tych wielko ci nie s jednostki układu SI, ale jednostki układu cgs, odpowiednio Oe oraz Ga. Relacje mi dzy tymi jednostkami, a jednostkami układu SI s nast puj ce: 1 A/m = 79,6 Oe, za 1

4. Modelowanie elementów indukcyjnych w programie SPICE

T = 10000 Ga. Oprócz cewek do elementów indukcyjnych nale równie transformatory. Najprostszym modelem transformatora s sprz one cewki. Na rys.4.7 przedstawiono schemat układu do badania charakterystyk transformatora.

Rys.4.7. Układ do badania charakterystyk transformatora

Na rysunku tym cewka L1 reprezentuje uzwojenie pierwotne transformatora, cewka L2 – uzwojenie wtórne, za element K zapewnia sprz enie magnetyczne mi dzy tymi cewkami. Przedstawiony model opisuje transformator idealny, którego charakterystyki nie zale ani od temperatury, ani od pr dów płyn cych w uzwojeniach. Nieliniowo ci transformatora mo na uwzgl dni wykorzystuj c zamiast liniowych cewek L1 i L2 cewki o modelach nieliniowych Lbreak lub wykorzystuj c nieliniowy model rdzenia ferromagnetycznego Kbreak.

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Wykorzystuj c model Lbreak cewki wyznaczy zale no napi cia na cewce od czasu przy pobudzeniu pr dem liniowo narastaj cym w zakresie od 0 do 1 A dla trzech temperatur równych 270C, 1000C oraz 2000C. W obliczeniach przyj warto parametru VALUE cewki równ 1 oraz nast puj ce zestawy warto ci parametrów modelu cewki: a) L = 10 mH, TC1 = 0, TC2 = 0, IL1 = 0, IL2 = 0 b) L = 10 mH, TC1 = 0,1 K-1, TC2 = 0, IL1 = 0,01 A-1, IL2 = 0 c) L = 10 mH, TC1 = 0,01 K-1, TC2 = 0,01 K-2, IL1 = 0,01A-1, IL2 = 0,1 A2 . 2. Wykorzystuj c układ z rys.4.5 wyznaczy przebieg p tli histerezy B(H) rdzenia ferromagnetycznego o domy lnych warto ciach parametrów. W charakterze ródła zasilaj cego Iwe wykorzysta ródło typu ISIN o nast puj cych warto ciach parametrów: IOFF = 0, IAMPL=15 A, FREQ=10 kHz.

Uwaga:

W celu uzyskania gładkiej krzywej nale y przeprowadzi obliczenia z wysok dokładno ci . Wymaga to ustawienia w Setupie warto ci opcji RELTOL (okre laj cej wzgl dn dokładno oblicze napi i pr dów) równej 0,00001 zamiast standardowej warto ci równej 0,001.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

3. Wykorzystuj c układ z rys.4.5 wyznaczy zale no L(i) cewki z rdzeniem dla pr dów z zakresu od 0 do 10 A. Cewka zawiera 10 zwojów nawini tych na rdzeniu opisanym nast puj cym zestawem parametrów: area = 1 cm2, path = 1 cm, gap = 0, MS = 1 MA/m, A = 1 kA/m, c = 0,2, k = 500 A/m. 4. Dla cewki zdefiniowanej w punkcie 3, zbada wpływ parametrów modelu rdzenia (A, MS, C, K, GAP) na zale no L(i). 5. W układzie z rys.4.7 wyznaczy czasowe przebiegi napi cia na rezystorze R2 przy pobudzeniu sygnałem ze ródła VSIN o nast puj cych warto ciach parametrów: VOFF = 0, VAMPL = 10 V, FREQ = 100 Hz. Obliczenia wykona dla 4 warto ci atrybutu VALUE cewki L2 równych odpowiednio: 1, 0,5; 0,25; 0,1. W oparciu o uzyskane wyniki oblicze okre li charakter zale no ci mi dzy przekładni napi ciow transformatora a ilorazem indukcyjno ci jego uzwoje .

5. Modelowanie diod półprzewodnikowych w programie SPICE

5. MODELOWANIE DIOD PÓŁPRZEWODNIKOWYCH W PROGRAMIE PSPICE W programie PSPICE wbudowane s modele wielu elementów półprzewodnikowych takich jak diody, tranzystory bipolarne, tranzystory polowe zł czowe, tranzystory MOSFET, tranzystory IGBT. Wszystkie te elementy opisane s modelami nieliniowymi wielkosygnałowymi, których posta jest bardzo zło ona. W niniejszym rozdziale przedstawiono opis najprostszego z rozwa anych modeli – modelu diody oraz przedstawiono sposób wyznaczania wybranych charakterystyk tego elementu. Dioda opisana jest w programie PSPICE za pomoc modelu, którego reprezentacj obwodow pokazano na rys.5.1 [9, 20]. iA

RA icd

K Rys.5.1. Reprezentacja obwodowa modelu diody w programie PSPICE

W modelu tym, ródło pr dowe Id modeluje charakterystyki statyczne rozwa anego elementu, RA – jego rezystancj szeregow , za Cd – pojemno zł cza. Pr d ródła Id stanowi sum składowej dyfuzyjnej i generacyjnorekombinacyjnej oraz pr du przebicia zł cza, zgodnie ze wzorem [1, 9, 12, 14, 19, 20] I d = I nrm ⋅ K inj + I rec ⋅ K gen − I revh − I revl (5.1) gdzie Inrm oznacza składow dyfuzyjn dan wzorem (5.2), Kinj – współczynnik wstrzykiwania dany wzorem (5.3), Irec – składow rekombinacyjn dan wzorem (5.4), Kgen – współczynnik generacji opisany wzorem (5.5), za Irevh oraz Irevl oznaczaj wysokopr dow i niskopradow składow pr du przebicia wyra onych wzorami (5.6) i (5.7). I nrm = IS ⋅ exp

V −1 N ⋅ Vt

(5.2)

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

K inj =

IKF IKF + I nrm V −1 NR ⋅ Vt

I rec = ISR ⋅ exp

K gen =

V 1− VJ

(5.3)

+ 0,005

(5.4) 2

(5.5)

I revh = IBV ⋅ exp

− BV − V NBV ⋅ Vt

(5.6)

I revl = IBVL ⋅ exp

− BV − V NBVL ⋅ Vt

(5.7)

We wzorach prezentowanych w niniejszym rozdziale V oznacza napi cie na ródle pr dowym Id, Vt – potencjał termiczny, a pozostałe symbole oznaczaj parametry modelu diody, których sens wyja niono w tabeli 5.1. Inercja elektryczna diody jest modelowana za pomoc kondensatora Cd, którego pojemno dana wzorem

Cd = TT ⋅

dI +Cj dV

(5.8)

stanowi sum składowej dyfuzyjnej i składowej zł czowej Cj wyra onej wzorem CJ 0 ⋅ 1 − Cj =

−M

V VJ

− (M +1)

CJ 0 ⋅ (1 − FC )

V ≤ FC ⋅VJ V 1 − FC ⋅ (1 + M ) + M ⋅ VJ

dla

(5.9)

V > FC ⋅VJ

Jak wiadomo, wła ciwo ci elementów półprzewodnikowych silnie zale od temperatury. Modele tych elementów wbudowane w programie PSPICE uwzgl dniaj t zale no poprzez uzale nienie takich parametrów modelu jak pr d nasycenia IS, pr d nasycenia składowej rekombinacyjnej ISR, pr d kolana IKF, napi cie przebicia BV, rezystancja szeregowa RS, potencjał zł czowy VJ, pojemno zł czowa przy zerowej polaryzacji CJO oraz szeroko przerwy energetycznej Eg od temperatury. Zale no ci te dane s wzorami IS (T ) = IS ⋅ exp ISR(T ) = ISR ⋅ exp

Eg T T ⋅ −1 ⋅ N ⋅ Vt T0 T0 Eg T T ⋅ −1 ⋅ NR ⋅ Vt T0 T0

XTI

(5.10) NR

(5.11)

IKF (T ) = IKF ⋅ [1 + TIKF ⋅ (T − T0 )]

[ ] RS (T ) = RS ⋅ [1 + TRS1 ⋅ (T − T ) + TRS 2 ⋅ (T − T ) ]

BV (T ) = BV ⋅ 1 + TBV 1 ⋅ (T − T0 ) + TBV 2 ⋅ (T − T0 )

(5.12) (5.13) (5.14)

5. Modelowanie diod półprzewodnikowych w programie SPICE

VJ (T ) = VJ ⋅

T T T − 3 ⋅ Vt ⋅ ln − E g (T0 ) ⋅ + E g (T ) T0 T0 T0

CJ 0(T ) = CJ 0 ⋅ 1 + M ⋅ 0.0004 ⋅ (T − T0 ) + 1 −

E g = 1,16 −

VJ (T ) VJ

0.000702 ⋅ T 2 T + 1108

Nazwa parametru

AF BV CJO EG

wykładnik szumów migotania napi cie przebicia pojemno zł czowa przy zerowej polaryzacji Szeroko przerwy energetycznej Współczynnik w linearyzowanej zale no ci Cj(V) Pr d kolana składowej niskopr dowej pr du przebicia pr d przebicia przy V = - BV Pr d kolana pr d nasycenia Pr d nasycenia składowej rekombinacyjnej wykładnik opisuj cy profil domieszkowania zł cza współczynnik emisji Współczynnik nieidealno ci pr du przebicia Współczynnik nieidealno ci składowej niskopr dowej pr du przebicia Współczynnik emisji dla składowej rekombinacyjnej Rezystancja szeregowa Liniowy współczynnik temperaturowych zmian napi cia przebicia Kwadratowy współczynnik temperaturowych zmian napi cia przebicia Liniowy współczynnik temperaturowych zmian rezystancji szeregowej Kwadratowy współczynnik temperaturowych zmian rezystancji szeregowej czas przelotu Temperatura elementu w czasie analizy potencjał zł czowy wykładnik w pot gowej zale no ci pr du nasycenia od temperatury

FC IBVL IBV IKF IS ISR M N NBV NBVL NR RS TBV1 TBV2 TRS1 TRS2 TT T_ABS VJ XTI

(5.16) (5.17)

Tabela 5.1. Lista parametrów modelu diody wraz z ich warto ciami domy lnymi

Symbol

(5.15)

Jednostka

V F eV

Warto domy lna 0 ∞ 0 1.11

0.5 A

A A A A

0,1 n ∞ 10 f 0 0.5 1 1 1 2

Ω

C-1

C-2

s C V

0 27 1

C-1

W celu wyznaczenia charakterystyki statycznej diody trzeba narysowa schemat układu, stanowi cy równoległe poł czenie badanej diody oraz

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

niezale nego ródła napi ciowego lub pr dowego i przeprowadzi analiz DC Sweep wzgl dem wydajno ci tego ródła w zadanym zakresie zmian napi cia lub pr du. W celu oceny wpływu wybranego parametru na charakterystyki statyczne diody nale y wybra w Setupie 2 analizy: DC Sweep oraz Parametric. W oknie dialogowym analizy DC Sweep nale y ustawi analiz wzgl dem wydajno ci ródła zasilaj cego w wybranym zakresie jego zmian. Z kolei, w oknie dialogowym analizy parametrycznej (Parametric) nale y wybra w charakterze rodzaju zmiennej przemiatanej Model Parameter, jako Model Type nale y wybra D (co oznacza diod ), jako Model Name - nazw analizowanej diody, np. D1N4002, jako Param. Name - nazw badanego parametru, np. IS, jako Sweep Type – Value List oraz wpisa list warto ci wybranego parametru modelu, dla których maj by przeprowadzone analizy. Przykładowy wygl d wypełnionego okna dialogowego Parametric pokazano na rys.5.2. Okno to odpowiada analizie wpływu parametru IS na charakterystyki diody D1N4002, a obliczenia s wykonywane przy warto ciach rozwa anego parametru równych 1 pA oraz 1 fA.

Rys.5.2. Okno dialogowe analizy parametrycznej

W celu wyznaczenia zale no ci pojemno ci zł czowej diody od napi cia na jej zaciskach mo na wykorzysta układ przedstawiony na rys.5.3. Układ ten składa si z badanej diody oraz ródła napi ciowego generuj cego przebieg trapezoidalny. W parametrach ródła napi ciowego przyjmuje si zerow warto poziomu niskiego V1, a warto poziomu wysokiego V2 równa jest warto ci napi cia wstecznego na diodzie, dla której ma by wyznaczona zale no Cj(V). Nale y przyj zerow warto czasu opó nienia TD, a czas narastania impulsu TR powinien wynosi około 1 ms. Dla rozwa anego układu nale y przeprowadzi analiz stanów przej ciowych, przyjmuj c warto Final Time równ warto ci czasu TR. Wówczas, w całym rozwa anym zakresie analizy, napi cie wsteczne na diodzie jest liniowo narastaj c funkcj czasu. Jak wiadomo, podstawowe równanie kondensatora ma posta

iC = C ⋅

duC dt

gdzie iC oznacza pr d kondensatora C, za uC – napi cie na jego zaciskach.

(5.18)

5. Modelowanie diod półprzewodnikowych w programie SPICE

Rys.5.3. Schemat układu do wyznaczania charakterystyki Cj(V) diody

A zatem po wykonaniu analizy stanów przej ciowych nale y w programie

PROBE wykre li na osi pionowej wyra enie o postaci − i(D1) ⋅ TR , a na osi V 2 −V1

poziomej wybra napi cie na diodzie. Do oceny wła ciwo ci impulsowych diody wykorzystuje si przeł cznika diodowego pokazany na rys.5.4.

układ

Rys.5.4. Schemat układu przeł cznika diodowego

W układzie tym obok diody i ródła napi ciowego znajduje si rezystor. ródło napi ciowe wytwarza przebieg trapezoidalny. Dla poprawnego działania układu niezb dne jest, aby poziomy napi w generowanym przebiegu miały przeciwne znaki, a moduły ich warto ci były znacznie wi ksze od spadku napi cia na diodzie spolaryzowanej w kierunku przewodzenia. Współczynnik wypełnienia tego sygnału powinien wynosi 0,5, a czas trwania impulsu powinien by około dwukrotnie dłu szy od oczekiwanej warto ci czasu odzyskiwania zdolno ci zaworowej diody. Czasy narastania i opadania impulsu powinny by co najmniej stukrotnie krótsze od czasu trwania impulsu. Dla wybranej diody, czasy narastania i opadania powinny wynosi około 20 ns.

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Wyznaczy charakterystyki styczne diody D1N4002 w zakresie przewodzenia, blokowania i przebicia dla dwóch warto ci temperatury, równych odpowiednio 270C oraz 1500C. 2. Zbada wpływ nast puj cych parametrów modelu diody: IS, N, ISR, NR, IKF, RS, BV na przebieg jej charakterystyk statycznych.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

3. Wyznaczy charakterystyk Cj(u) rozwa anej diody oraz zbada wpływ parametrów CJO, M oraz VJ na jej przebieg. 4. Wyznaczy czasowe przebiegi pr du diody D1N4002 w czasie jej przeł czania. Na podstawie uzyskanych wyników oblicze wyznaczy zale no czasu odzyskiwania zdolno ci zaworowej trr diody od parametru TT. Obliczenia przeprowadzi dla maksymalnej warto ci pr du wstecznego IR diody w czasie wył czania, równego –1 A.

6. Wyznaczanie warto ci parametrów modelu diody w programie PARTS

6. WYZNACZANIE WARTO CI PARAMETRÓW MODELU DIODY W PROGRAMIE PARTS W bibliotekach doł czonych do programu PSPICE mo na znale parametry modeli wielu elementów elektronicznych. W przypadku, gdy warto ci parametrów modelu elementu, który ma by zastosowany w analizowanym układzie nie s podane w dost pnych bibliotekach mo na je w prosty sposób wyznaczy u ywaj c programu PARTS [11]. Program ten umo liwia estymacj (wyznaczanie warto ci) parametrów modeli takich elementów jak: a) dioda, b) tranzystor bipolarny, c) tranzystor JFET, d) tranzystor MOS (level=3), e) tranzystor IGBT, f) tranzystor MESFET (GASFET), g) rdze ferromagnetyczny, h) wzmacniacz operacyjny, i) komparator, k) liniowy stabilizator napi cia, l) ródło napi cia odniesienia. Do estymacji niezb dne s dane katalogowe modelowanego elementu podawane typowo w jego karcie katalogowej. W dalszej cz ci rozdziału przedstawiono sposób realizacji procedury estymacji parametrów modelu diody. Aby rozpocz proces estymacji nale y uruchomi program PARTS wybieraj c z paska START - Programy/DesignLab Eval 8/Accesories/Parts. Po uruchomieniu tego programu pojawi si na ekranie okno programu PARTS. Wówczas z menu głównego nale y wybra File, a po rozwini ciu menu tego polecenia - Open/Create library. Wówczas pojawi si standardowe okno dialogowe systemu Windows, w którym nale y wskaza lokalizacj i nazw pliku, który b dzie stanowił bibliotek modeli elementów dla programu PSPICE. Standardowe rozszerzenie tego pliku to LIB. Program utworzy oprócz pliku LIB tak e plik o tej samej nawie i rozszerzeniu SLB zawieraj cy symbol modelowanego elementu dla programu Schematics. Program PARTS umo liwia tworzenie nowego modelu elementu (estymacj parametrów modelu) trzema metodami. Wszystkie te metody wymagaj wybrania z menu programu PARTS polecenia Part, a po rozwini ciu tego menu jednego z trzech polece : • Get... - umo liwia edycj ju istniej cego modelu, • Copy... - skopiowanie z wybranej biblioteki istniej cego ju modelu i jego edycj , • New... - utworzenie modelu nowego typu elementu poprzez wprowadzenie danych uzyskanych z kart katalogowych lub z pomiarów, albo przez edycj domy lnych warto ci parametrów modelu. Po wybraniu dowolnego z wymienionych polece trzeba poda nazw elementu, którego model ma by sformułowany oraz rodzaj elementu (dioda,

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

tranzystor bipolarny npn, itp.). W przypadku, gdy wybranym elementem jest dioda pojawi si na ekranie okno dialogowe pokazane na rys.6.1. Na rysunku tym, w nagłówku okna podana jest nazwa programu – Parts, za ni nazwa edytowanej biblioteki – lab oraz nazwa tworzonego lub edytowanego modelu – MOJA DIODA wraz z podanym rodzajem elementu (DIODE). Poni ej nagłówka okna znajduje si pasek menu oraz ikony skrótów. Główn cz ekranu stanowi dwa okna – Model Spec oraz Parameters. W pierwszym z nich wymienione s okre lenia charakterystyk, z których współrz dne powinien wprowadzi u ytkownik, a w drugim oknie podane s nazwy parametrów modelu, estymowane lub edytowane w programie PARTS wraz z warto ciami tych parametrów. Gwiazdkami oznaczone s te parametry, których warto ci s estymowane na podstawie współrz dnych punktów wprowadzonych na charakterystyce wybranej w pierwszym oknie.

Rys.6.1. Okno programu PARTS do estymacji warto ci parametrów modelu diody

Warto ci parametrów IKF, IS, N, RS s wyznaczane na podstawie charakterystyki diody w zakresie przewodzenia (Forward Current). Z kolei, warto ci parametrów CJO, M, VJ – na podstawie charakterystyki Junction Capacitance opisuj cej zale no pojemno ci zł czowej diody od napi cia w zakresie blokowania, parametry ISR, NR – na podstawie charakterystyki diody w zakresie blokowania (Reverse Leakage), parametry BV, IBV – na podstawie charakterystyki diody w zakresie przebicia (Reverse Breakdown), za parametr TT – na podstawie czasowego przebiegu pr du diody podczas jej wył czania (charakterystyki Reverse Recovery). Parametry EG, FC oraz XTI nie s estymowane, ale mog by edytowane przez u ytkownika. Pozostałe parametry modelu, opisane w rozdziale 5, maj warto ci domy lne podane w tabeli 5.1. Po klikni ciu mysz na nazw charakterystyki w oknie MODEL Spec pojawi si okno dialogowe umo liwiaj ce wprowadzanie współrz dnych punktów z poszczególnych charakterystyk. W przypadku charakterystyk Forward Current, Junction Capacitance, Reverse Recovery u ytkownik mo e wprowadzi współrz dne wielu punktów

6. Wyznaczanie warto ci parametrów modelu diody w programie PARTS

le cych na wymienionych charakterystykach, natomiast dla pozostałych charakterystyk podawane s współrz dne jedynie jednego punku. Wprowadzanie współrz dnych jest realizowane przez okno dialogowe. Przykładowo dla charakterystyki Forward Current ma ono posta pokazan na rys.6.2.

Rys.6.2. Okno programu PARTS do wprowadzania współrz dnych punktów na charakterystyce Forward Current

W oknie tym kolejno wprowadza si współrz dne punktów le cych na charakterystyce statycznej diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia, przy czym w polu Vfwd nale y wprowadzi współrz dn napi ciow , a w polu Ifwd – współrz dn pr dow wybranego punktu, a nast pnie klikn mysz przycisk Add. Mo na wprowadzi współrz dne wielu punktów. Z do wiadczenia autora wynika, e punktów tych musi by co najmniej tyle, ile parametrów jest wyznaczanych na podstawie danej charakterystyki. Punkty te powinny znajdowa si zarówno w zakresie małych, jak i du ych pr dów diody. U ytkownik mo e zmieni współrz dne wprowadzonych punktów zaznaczaj c je oraz klikaj c mysz na przycisk Modify. Podobnie mo na usun wybrany punkt wciskaj c przycisk Delete. Po zako czeniu wpisywania współrz dnych wszystkich punktów nale y klikn przycisk OK. Do wprowadzania współrz dnych punktów na charakterystykach Junction Capacitance oraz Reverse Recovery wykorzystuje si okna o postaci identycznej, jak na rys.6.2, przy czym wprowadzane b d współrz dne punktów le cych na charakterystykach Cj(U) oraz Irev(Urev) modelowanej diody. Z kolei, w odniesieniu do charakterystyki Reverse Breakdown wprowadza si tylko warto ci napi cia przebicia Vz, pr du przebicia Iz oraz rezystancji Zenera Zz. Dla ostatniej charakterystyki - Reverse Recovery podaje si warto ci czasu odzyskiwania zdolno ci zaworowej Trr uzyskanej w układzie przeł cznika diodowego, w którym dioda zasilana jest ze ródła napi ciowego przez rezystor o rezystancji RI, które zapewniaj maksymaln warto pr du przewodzenia diody równ Ifwd oraz maksymaln warto pr du wstecznego w czasie wył czania równy Irev. Aby wyznaczy warto ci parametrów modelu w oparciu o wprowadzone dane nale y z menu programu PARTS wybra Extract, a po rozwinieciu menu – Parameters. Po wykonaniu tych czynno ci pojawi si nowe warto ci w oknie Parameters.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

Aby sprawdzi , jak dobrze uzyskany zestaw warto ci parametrów aproksymuje wprowadzone charakterystyki elementu nale y klikn mysz na ikon . Wówczas pojawi si okno wykresu, na którym kwadraty oznaczaj dane wyj ciowe, których współrz dne wprowadził u ytkownik, a linia – charakterystyk obliczon przy wykorzystaniu estymowanych warto ci parametrów. Przykładowy wykres charakterystyki statycznej w kierunku przewodzenia Forward Current pokazano na rys.6.3.

Rys.6.3. Okno programu PARTS ilustruj ce dopasowanie aproksymowanej charakterystyki Forward Current do wyników pomiarów

W oknie tym, podobnie jak w programie PROBE mo na zmienia zakresy warto ci zmiennych na osi poziomej i pionowej oraz skla liniow na logarytmiczn i odwrotnie. Wybieraj c w menu polecenie Trace, a po jego rozwini ciu Add, mo na dodatkowo wykre li obliczon charakterystyk odpowiadaj c innej warto ci temperatury ni 27oC. Wykres dla innej temperatury mo na uzyska dla wszystkich wykresów wymaganych w programie PARTS z wyj tkiem charakterystyki Reverse Recovery, gdy program SPICE nie uwzgl dnia wpływu temperatury na czas TT. Powrót do okna pokazanego na rys.6.1. uzyskuje si po klikni ciu ikony . Po zako czeniu procedury estymacji nale y z menu File wybra polecenie Save Library i zako czy działanie programu PARTS. Sformułowana biblioteka powinna zosta automatycznie dodana do listy bibliotek w programie Schematics. Je eli po uruchomieniu programu Schematics oka e si , e utworzona biblioteka nie jest dost pna, to wówczas nale y bibliotek t doda do listy

6. Wyznaczanie warto ci parametrów modelu diody w programie PARTS

bibliotek wykonuj c nast puj ce operacje: a) W menu programu Schematics wybra polecenie Options, a po jego rozwini ciu polecenie Editor Configuration. Wówczas pojawi si okno dialogowe, w którym nale y klikn mysz na przycisk Library settings. Po otwarciu kolejnego okna dialogowego nale y klikn przycisk Browse i wyszuka na dysku utworzon bibliotek symboli o rozszerzeniu slb. Nast pnie nale y klikn mysz na przycisk Add*, a nast pnie kolejno na dwa przyciski OK. b) W menu programu Schematics wybra polecenie Analysis, a po rozwini ciu menu Library and Include Files... Wówczas pojawi si na ekranie okno dialogowe, w którym nale y klikn mysz na przycisk Browse, a nast pnie wyszuka na dysku utworzon bibliotek z warto ciami parametrów modelu o rozszerzeniu lib. Nast pnie nale y klikn mysz przyciski Add Library* oraz OK. Utworzony model elementu mo e by wykorzystywany tak jak modele biblioteczne elementów do tworzenia schematów układów elektronicznych i wykonywania analiz tych układów. W pakiecie DesignLab mo liwa jest równie edycja modelu przy u yciu programu PARTS bezpo rednio z poziomu programu Schematics. Aby tego dokona nale y zaznaczy wybrany element a nast pnie wybra z menu głównego programu Edit, a po rozwini ciu tego menu - Model. W rozwini tym oknie dialogowym nale y wówczas wybra Edit Instance Model (Parts)... W oknie edycyjnym programu mo na wówczas zmienia parametry modelu wprowadzaj c współrz dne punktów pomiarowych na jego charakterystykach i wykonuj c estymacj parametrów lub wybieraj c parametry, których warto ci maj by zmienione, przez dwukrotne klikni cie mysz na polu wybranego parametru w oknie Parameters i wpisanie z klawiatury nowych warto ci tych parametrów. Uruchamiaj c program PARTS z poziomu edytora schematów mo liwe jest równie obejrzenie charakterystyk elementu, na podstawie których zostały wyznaczone parametry modelu. W ten sposób mo na te dokona dokładnego „dostrajania” modelu dla potrzeb dalszych symulacji poprzez edycj jego parametrów. Problem wpływu liczby i poło enia punktów stanowi cych dane wej ciowe dla programu PARTS na wynik estymacji parametrów wybranych elementów półprzewodnikowych przeanalizowano m.in. w pracach [6, 7, 8, 18].

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Utworzy i zapisa na pulpicie bibliotek programu SPICE z parametrami modelu diody. Przy estymacji parametrów wykorzysta nast puj ce współrz dne punktów na poszczególnych charakterystykach diody: - Forward Current: (0,5 V, 1 µA), (0,55 V, 10 µA), (0,6 V, 0,1 mA), (0,66 V, 1 mA), (0,72 V, 10 mA), (0,78 V, 0,1 A), (0,85 V, 0,3 A) - Junction Capaticance: (0, 120 pF), (1 V, 93 pF), (2 V, 80 pF), (5 V, 65 pF) - Reverse Leakage: (1 V, 20 nA), (10 V, 30 nA), (30 V, 40 nA)

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

- Reverse Breakdown: Vz = 7,5 V, Iz = 20 µA, Zz = 5 Ω - Reverse Recovery: Trr = 2µs, Ifwd = 1 A, Irev = 1 A, RI = 50 Ω. 2. Sprawdzi dopasowanie uzyskanych po estymacji wykresów rozwa anych charakterystyk do wyników wprowadzonych jako dane ródłowe. 3. Przeanalizowa wpływ temperatury na rozwa ane charakterystyki, wykre laj c ich przebiegi w temperaturze 27oC oraz 120oC. 4. W programie Schematics narysowa układ do wyznaczania charakterystyk statycznych rozwa anej diody. Nast pnie przeprowadzi odpowiednie analizy, których wynikiem b d charakterystyki statyczne tej diody pracuj cej w zakresie przewodzenia, blokowania i przebicia. Obliczenia wykona dla dwóch temperatur równych 25oC oraz 100oC.

7. Modelowanie układów cyfrowych w programie SPICE

7. MODELOWANIE UKŁADÓW CYFROWYCH W PROGRAMIE PSPICE W programie PSPICE istnieje mo liwo analizy zło onych układów cyfrowych składaj cych si z samych elementów cyfrowych jak i układów zawieraj cych jednocze nie elementy analogowe i cyfrowe. W analizie układów cyfrowych rozró nia si pi stanów, tzn. standardowe stany logiczne „0” i „1”, stany przej ciowe R (zbocze narastaj ce) i F (zbocze opadaj ce) oraz stan nieokre lony X [19]. Sposoby przedstawiania wymienionych stanów logicznych w programie PROBE, s zilustrowane na rys. 7.1.

Rys.7.1. Poziomy logiczne wyst puj ce w programie PSPICE

Tak dokładne wyznaczanie stanów logicznych i opó nie , umo liwia przeprowadzenie bardzo efektywnych analiz układów zło onych z wi kszej liczby elementów cyfrowych. Wbudowany w programie PSPICE model układu cyfrowego składa si z opisu funkcji logicznej realizowanej przez rozwa any układ cyfrowy oraz dwóch submodeli [19, 20]: czasowego (Timing model) oraz wej cia/wyj cia (I/O model). Pierwszy z nich zawiera informacje o czasach propagacji i jest specyficzny dla ka dego układu cyfrowego, natomiast drugi decyduje o przebiegu charakterystyk zaciskowych tych układów i jest wspólny dla całej rodziny, np. dla układów TTL, TTL-LS, HCT. Opis funkcji logicznej zawiera informacj o funkcji logicznej realizowanej przez wybrany element wraz z liczb wej tego układu. W programie PSPICE wyró niamy kilka rodzajów elementów cyfrowych: - Bramki standardowe i trójstanowe, np. AND(2) - dwuwej ciowa bramka AND, AND3(2)- dwuwej ciowa trójstanowa bramka AND. Bramki trójstanowe posiadaj dodatkowe wej cie zezwalaj ce; - Przerzutniki, np. JKFF(1)- pojedynczy przerzutnik J-K wyzwalany zboczem opadaj cym, DFF(2)- podwójny przerzutnik D wyzwalany zboczem narastaj cym; - Linie opó niaj ce, np. DLYLINE- linia opó niaj ca posiadaj ca jedno wej cie i jedno wyj cie. Sygnał wyj ciowy z linii opó niaj cej, zostaje opó niony w stosunku do sygnału wej ciowego o czas, który jest specyfikowany w modelu czasowym elementu; - Programowalne tablice logiczne (Programmable Logic Array), np. UDECODE PLANDC(3,8)- Programowalna tablica logiczna posiadajaca

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

3 wej cia i 8 wyj . Układy te umo liwiaj zdefiniowanie elementów o dowolnej liczbie wej oraz wyj i przypisanie ka demu z nich jednej bramki logicznej (steruj cej); - Pami ci ROM (Read Only Memory) oraz RAM (Random Access Memory), np. UMULTIPLY ROM(8,8)- pami ROM zawieraj ca osiem bitów adresowych oraz osiem wyj ; - Przetworniki A/D (analogowo- cyfrowe) i D/A (cyfrowo-analogowe), np. DAC(4)- czterobitowy przetwornik cyfrowo-analogowy lub ADC(8) o miobitowy przetwornik cyfrowo-analogowy. Ka dy element cyfrowy wymaga ródła zasilania. Jednak u ytkownik nie musi go deklarowa , gdy poszczególne układy cyfrowe podł czone s domy lnie do standardowych ródeł zasilania elementów cyfrowych. W bibliotekach układów cyfrowych doł czonych do programu PSPICE zawarte s modele podstawowych rodzin układów cyfrowych, np. bramek TTL, przerzutników, rejestrów, liczników itd. Wbudowane w programie PSPICE modele układów cyfrowych realizuj funkcj logiczn tego układu, która jest charakteryzowana przez rodzaj elementu, np. dwuwej ciowa bramka AND, trójstanowa dwuwej ciowa bramka NAND, przerzutnik D wyzwalany zboczem itd. W celu zastosowania okre lonego elementu cyfrowego w analizie nale y, podobnie jak dla elementu biernego lub czynnego, wstawi go na schemat i zadeklarowa odpowiedni rodzaj analizy. Je eli analizowany układ zawiera tylko elementy cyfrowe, to w wyniku otrzyma si tylko poziomy logiczne w poszczególnych punktach układu, natomiast dla w złów, w których elementy cyfrowe ł cz si z analogowymi uzyska mo na przebiegi napi i pr dów. Biblioteka elementów cyfrowych programu PSPICE, udost pnia ponad tysi c modeli elementów cyfrowych TTL i CMOS, które podczas przeprowadzanej analizy s wywoływane jako podobwody badanego układu. Przykładowo po wstawieniu na schemat elementu 7400 (dwuwej ciowa bramka NAND) i wybraniu z menu polecenia Edit, a nast pnie Model i wybieraj c w otwartym oknie dialogowym, pokazym na rys. 4.3, przycisk Edit Instance Model (Text)… uzyska si okno dialogowe pokazane na rys.7.2.

Rys.7.2. Okno edycji modelu układu cyfrowego na przykładzie układu 7400

7. Modelowanie układów cyfrowych w programie SPICE

W oknie tym podane s informacje o modelowanym układzie 7400. W deklaracji modelu, która zaczyna si od słowa kluczowego SUBCKT okre lono rodzaj elementu – NAND(2) – dwuwej ciowa bramka NAND, zasilana napi ciem podł czonym do standardowego w zła zasilania cyfrowego DPWR oraz uziemiona do standardowego w zła masy cyfrowej DGND. Wej cia bramki nosz nazwy A oraz B, a jej wyj cie – Y. Model czasowy nosi nazw D_00, za model wej cia-wyj cia – IO_STD. Z modelu czasowego b d wybierane warto ci czasów propagacji zgodnie z warto ci opcji MNTYMXDLY, a interfejs analogowo-cyfrowy b dzie opisany na poziomie ustalonym opcj IO_LEVEL. Ustawienie poszczególnych parametrów dla danego układu cyfrowego, powoduje i program przed dokonaniem symulacji pobiera informacje o modelu czasowym oraz modelu wej cia-wyj cia układu z biblioteki przyrz dów cyfrowych. W modelu wej cia-wyj cia, w zale no ci od parametru IO_LEVEL, znajduj si odwołania do podobwodów interfejsowych. Dodatkowo podobwody interfejsowe cyfrowo-analogowe posiadaj trzy parametry: DRVL, DRVH, które wyznaczaj poziomy logiczne „0” oraz „1” i charakteryzuj rezystancj wyj ciow układu, natomiast CAPACITANCE charakteryzuj ce pojemno wyj ciow układu. Jak zaznaczono powy ej, ka dy przyrz d cyfrowy, posiada swój unikalny model czasowy, który opisuje parametry czasowe danego układu cyfrowego, takie jak czas propagacji, czas ustawienia czy czas zatrzymania. Istnieje mo liwo ustawienia ka dego parametru czasowego przez zmian warto ci parametru MNTYMXDLY na jedn z dost pnych warto ci: 0= warto programowa 1= warto minimalna 2= warto typowa 3= warto maksymalna Przykładowo, model czasowy dla inwerterów 7404, zawarty w bibliotece programu PSPICE, opisany jest przez nast puj c deklaracj : .model D_04 ugate (tplhmn=8ns, tplhty=12ns, tplhmx=22ns, tphlmn=5ns, tphlty=8ns, tphlmx=15ns) w której tplhmx oznacza maksymaln warto czasu propagacji do stanu wysokiego na wyj ciu, tplhty - typow warto czasu propagacji do stanu wysokiego na wyj ciu, tplhmn – minimaln warto czasu propagacji do stanu wysokiego na wyj ciu, tphlmx – maksymaln warto czasu propagacji do stanu niskiego na wyj ciu, tphlty – typow warto czasu propagacji do stanu niskiego na wyj ciu, tphlmn - minimaln warto czasu propagacji do stanu niskiego na wyj ciu. Model wej cia-wyj cia (I/O MODEL) opisuje charakterystyki statyczne przyrz du cyfrowego. Jest on wspólny dla całej rodziny przyrz dów cyfrowych. Przykładowo w bibliotece elementów cyfrowych programu PSPICE, znajduj si tylko cztery I/O modele, dla całego szeregu układów rodziny 74LS: IO_LS (standardowy), IO_LS_OC (dla układów z otwartym kolektorem), IO_LS_ST (dla bramek z wyj ciem Schmitta) oraz IO_LS_OC_ST (dla bramek z wyj ciem

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

Schmitta i otwartym kolektorem). I/O MODEL zawiera interfejsowe podobwody DtoA (Cyfrowo-Analogowe) oraz AtoD (Analogowo-Cyfrowe), które s automatycznie generowane przez program PSPICE w miejscu poł czenia przyrz du analogowego z cyfrowym. Dokładno opisu charakterystyk pr dowo-napi ciowych poszczególnych układów zale y od wyboru poziomu (IO_LEVEL) modelu obwodu interfejsowego. Oprócz poziomu modelu deklaruje si jeszcze warto ci 4 parametrów podanych w tabeli 7.1. Tabela 7.1. Parametry obwodu interfejsowego DtoA oraz AtoD

Symbol parametru INLD OUTLD DRVH

DRVL

Parametru modelu

Jednostk a F F stanie Ω

Pojemno wej ciowa Pojemno wyj ciowa Rezystancja wyj ciowa w wysokim Rezystancja wyj ciowa w stanie niskim

Ω

Warto domy lna 0 0 50

Pojemno wej ciowa (INLD) oraz pojemno wyj ciowa (OUTLD) s wykorzystywane podczas oblicze czasów propagacji elementu cyfrowego. Rezystancja w stanie niskim i wysokim okre la „istotno ” wyj cia elementu cyfrowego, w przypadku poł czenia jego wyj cia z wej ciem innego elementu. I/O MODEL zawiera opcjonalny parametr IO_LEVEL, dzi ki któremu mo na wybra 1 z 4 dost pnych obwodów interfejsowych. Domy lnie warto ustawiana jest na 0, a mo liwymi s : 1= AtoD1/DtoA1- prosty model zawieraj cy stany R, F oraz X 2= AtoD2/DtoA2- Prosty model bez stanów po rednich 3= AtoD3/DtoA3- Dokładny model, zawieraj cy stany R, F oraz X 4= AtoD4/DtoA4- Dokładny model bez stanów po rednich Wybieraj c model dokładny powoduje si , e obliczenia staj si dokładniejsze, lecz równocze nie czas trwania oblicze mo e znacznie si wydłu y . W celu wyznaczenia charakterystyk pr dowo-napi ciowych obwodów interfejsowych mo na sformułowa schemat obwodu pokazanego na rys.7.3. Obwód ten zawiera badan bramk NOT z układu 7404, ródło napi cia wej ciowego oraz rezystor obci aj cy.

Rys.7.3. Schemat układu do wyznaczania charakterystyk przej ciowych i wej ciowych inwertera TTL

7. Modelowanie układów cyfrowych w programie SPICE

Aby wyznaczy charakterystyk wej ciow i przej ciow badanej bramki nale y przeprowadzi analiz stałopr dow (DC Sweep) układu z rys.7.3 wzgl dem wydajno ci ródła napi ciowego V1, która powinna zmienia si w zakresie od 0 do 5 V z krokiem równym 0,01 V. Wyboru poziomu modelowania obwodów interfejsowych dokunuje si w Setupie klikaj c na przycisk Digital Setup. Wówczas pojawi si na ekranie okno dialogowe pokazane na rys.7.4.

Rys.7.4. Okno dialogowe Digital Setup

W lewej górnej cz ci tego okna wybiera si , jakie (minimalne, typowe, maksymalne lub najbardziej niekorzystne) warto ci czasów propagacji poszczególnych cyfrowych układów scalonych maj by wykorzystane w analizach. Z kolei, w prawej górnej cz ci okna wybiera si poziom modelu interfejsu AtoD oraz DtoA. W lewej dolnej cz ci okna wybiera si stany pocz tkowe przerzutników stosowanych w układzie. Po wybraniu odpowiedniego poziomu obwodu interfejsowego nale y zamkn Setup i uruchomi obliczenia, np. klikaj c w programie Schematic na ikon

. Po zako czeniu oblicze

pojawi si

okno programu PROBE.

, a po Charakterystyk przej ciow uzyskuje si klikaj c mysz na ikon pojawieniu si na ekranie okna dialogowego pokazanego na rys.2.7 wybieraj c V(wy). Z kolei, dla uzyskania charakterystyki wej ciowej nale y w oknie dialogowym pokazanym na rys.2.7 wybra -I(V1). W celu wyznaczenia charakterystyk wyj ciowych badanej bramki w stanie wysokim na wyj ciu nale y zmodyfikowa analizowany obwód do postaci pokazanej na rys.7.5.

Rys.7.5. Schemat układu do wyznaczania charakterystyk wyj ciowych bramki NOT w stanie wysokim na wyj ciu

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

W Setupie nale y wybra analiz DC Sweep wzgl dem ródła pr dowego I1, którego wydajno b dzie zmienia si logarytmicznie w zakresie od 1 nA do 1 A z wykorzystaniem 30 punktów w ka dej dekadzie warto ci tego pr du. Po wykonaniu oblicze nale y w programie PROBE klikn na ikon i wybra w oknie dialogowym V(wy). Do wyznaczenia charakterystyk wyj ciowych bramki w stanie niskim na wyj ciu nale y dokona nast puj cych zmian w układzie z rys.7.5: a) ustawi warto napi cia na ródle napi ciowym V1 równ 5 V, b) odwróci kierunek przepływu pr du przez ródło pr dowe I1. Po wykonaniu powy szych czynno ci i przeprowadzeniu oblicze nale y w programie PROBE wybra wykres napi cia V(wy). W celu zbadania wła ciwo ci dynamicznych modelowanej bramki nale y sformułowa układ pokazany na rys.7.6, w którym badana bramka pobudzana jest sygnałem prostok tnym ze ródła DigStim, a obci enie badanej bramki stanowi wej cie bramki tego samego typu.

Rys.7.6. Schemat układu do badania wła ciwo ci dynamicznych bramki NOT

W układzie tym nie jest widoczny w zeł masy, gdy zarówno ródło sygnału pobudzaj cego, jak i obie bramki s domy lnie podł czone ujemnym biegunem zasilania do w zła masy cyfrowej DGND. Aby wprowadzi po dane warto ci parametrów ródła sygnału pobudzaj cego DSTM1 nale y dwukrotnie klikn na symbolu elementu DigStim, potwierdzi nazw ródła w oknie dialogowym i wprowadzi po dane warto ci parametrów tego ródła wykorzystuj c okno dialogowe pokazane na rys.7.7. Przebieg pobudzaj cy mo na opisa podaj c jego cz stotliwo i współczynnik wypełnienia lub okres i czas trwania impulsu. W przypadku wybrania drugiego z wymienionych zestawów parametrów zostanie wy wietlone okno dialogowe widoczne na rys.7.7. Po wprowadzeniu widocznych w tym oknie warto ci, czyli Period = 70ns, On time = 35ns, Initial value = 0, time delay = 0 wygenerowany zostanie przebieg o okresie równym 70 ns, czasie trwania impulsu 35 ns, niskim stanie pocz tkowym oraz zerowym czasie opó nienia, którego wykres widoczny jest w rozwa anym oknie dialogowym. Parametry analizy stanów przej ciowych, która ma by wykonana w celu zbadania inercji rozwa anej bramki s zadawane w oknie dialogowym pokazanym na rys. 2.21. Nale y przyj warto parametru Final Time co najmniej dwukrotnie wi ksz od okresu sygnału pobudzaj cego. Po wykonaniu analizy stanów przej ciowych uruchomiony zostanie program PROBE. Po klikni ciu na ikon

otworzy si okno dialogowe, w

7. Modelowanie układów cyfrowych w programie SPICE

którym nale y wybra przebiegi oznaczone jako we oraz wy.

Rys.7.7. Okno dialogowe programu Stimulus Editor do wprowadzania parametrów ródła DigStim

Rys.7.8. Okno programu PROBE z oknem kursora

W celu odczytania warto ci czasów propagacji badanej bramki dogodnie jest wykorzysta funkcj kursorów dost pnych w programie PROBE po klikni ciu ikony

. Na rys.7.8 pokazano okno programu PROBE w

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

rozwa anymi przebiegami oraz oknem kursora (Probe Cursor). W oknie kursora wy wietlane s współrz dne czasowe oraz stany logiczne w punktach przebiegu wybranych przez klikni cie prawym przyciskiem myszy (punkt A1), przez klikni cie lewym przyciskiem myszy (punkt A2) oraz ró nica mi dzy tymi współrz dnymi (dif). W sytuacji pokazanej na rys.7.8 warto dif jest równa czasowi propagacji rozwa anej bramki do stanu niskiego na wyj ciu. Przy wyznaczaniu czasów propagacji bramek wielowej ciowych nale y okre li długo odcinka czasu, który upływa pomi dzy spełnieniem przez sygnały wej ciowe warunku do zmiany stanu na wyj ciu a wyst pieniem tej zmiany. Pomimo tego, e biblioteki układów cyfrowych doł czonych do programu PSPICE zawieraj modele bardzo wielu układów cyfrowych, mo e si zda y , e nie ma w bibliotece modelu, który odpowiadałby wybranemu układowi cyfrowemu. Wówczas nale y wybra układ, które realizuje tak sam funkcj logiczn i podda edycji jego model czasowy lub model wej cia-wyj cia. Przykładowo, dla dwuwej ciowej bramki NAND mo na wykorzysta model bramki 7400 i wybieraj c z menu programu Schematics kolejno polecenia Edit oraz Model zmieni nazw modelu czasowego tej bramki z D_00 na D_00X i dopisa nowy model czasowy, np. .model D_00X ugate (tplhty=15ns tplhmx=22ns tplhmn=7ns + tphlty=20ns tphlmx=50ns tphlmn=10ns) Podobnie mo na zmieni nazw i wyedytowa parametry modelu wej ciawyj cia, np. zmieni nazw modelu IO_STD na IO_STD1 oraz dopisa nowy model wej cia-wyj cia o postaci: .model IO_STD1 uio (drvh=100 drvl=10 inld=5p outld=5p + AtoD1="AtoD_STD" AtoD2="AtoD_STD_NX" + AtoD3="AtoD_STD" AtoD4="AtoD_STD_NX" + DtoA1="DtoA_STD" DtoA2="DtoA_STD" + DtoA3="DtoA_STD" DtoA4="DtoA_STD" + tswhl1=1.373ns tswlh1=3.382ns + tswhl2=1.346ns tswlh2=3.424ns + tswhl3=1.511ns tswlh3=3.517ns + tswhl4=1.487ns tswlh4=3.564ns + DIGPOWER="DIGIFPWR").

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Wyznaczy statyczne charakterystyki wej ciowe, wyj ciowe i przej ciowe bramki 7404, wykorzystuj c kolejno wszystkie poziomy modeli interfejsów DtoA oraz AtoD. Wskaza zaobserwowane ró nice mi dzy przebiegami charakterystyk dla ró nych modeli interfejsów DtoA oraz AtoD. W jakim zakresie rozwa ane charakterystyki maj przebieg niefizyczny? 2. Wyznaczy czasy propagacji do stanu niskiego na wyj ciu i do stanu wysokiego na wyj ciu dla bramki 7400 obci onej bramk 7404 dla czterech ustawie Timing Mode w Digital Setup. Uzasadni uzyskane ró nice w warto ciach czasów propagacji.

8. Analiza wybranych układów analogowych za pomoc programu SPICE

8. ANALIZA WYBRANYCH UKŁADÓW ANALOGOWYCH ZA POMOC PROGRAMU PSPICE Jak zaznaczono w poprzednich rozdziałach, program PSPICE umo liwia przeprowadzenie szeregu analiz, których wyniki mog by u yteczne przy weryfikacji poprawno ci zaprojektowanego układu elektronicznego [12, 15, 16]. W przypadku układów analogowych typowo wyznacza si punkt pracy badanego układu, analizuje si zmiany wybranych napi i pr dów w układzie przy zmianach warunków zasilania, temperatury lub warto ci elementów obwodu w warunkach statycznych przy wykorzystaniu analizy DC Sweep. W przypadku układów liniowych, np. wzmacniaczy lub filtrów wykonuje si analizy cz stotliwo ciowe (AC Sweep), które umo liwiaj m.in. wyznaczenie pasma przenoszenia układu i jego wzmocnienia oraz pozwala na zbadanie jego stabilno ci. W analizie tej przyjmuje si liniowe modele elementów elektronicznych, linearyzowanych wokół punktów ich pracy. Wła ciwo ci impulsowe układów elektronicznych mo na przeanalizowa wykorzystuj c analiz stanów przej ciowych (Transient). W trakcie tej analizy mo na równie wyznaczy warto ci poszczególnych harmonicznych sygnału pobudzaj cego i w ten sposób wyznaczy współczynnik zawarto ci harmonicznych w wybranym przebiegu. Sposób realizacji poszczególnych analiz opisano w rozdziale 2. Przy realizacji poszczególnych zada nale y uwzgl dni konieczne zmiany struktury analizowanego obwodu.

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Wyznaczy punkt pracy wzmacniacza ró nicowego, którego schemat pokazano na rys.8.1.

Rys.8.1. Schemat badanego wzmacniacza ró nicowego

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

2. Wyznaczy , w jakim zakresie zmian napi cia wej ciowego ze ródła V3 zale no napi cia wyj ciowego (mi dzy kolektorami tranzystorów) od napi cia wej ciowego jest liniowa dla temperatur równych 25oC oraz 100oC. 3. Wyznaczy charakterystyki amplitudowe i fazowe rozwa anego wzmacniacza ró nicowego przy warto ciach rezystancji rezystora R1 równych kolejno 8 kΩ, 10 kΩ, 12 kΩ. 4. Wyznaczy czasowe przebiegi napi cia wyj ciowego wzmacniacza, widmo tego przebiegu oraz współczynnik zawarto ci harmonicznych przy pobudzeniu napi ciem wej ciowym w postaci sygnałów: a) sinusoidalnego o amplitudzie 25 mV i cz stotliwo ci 10 kHz, b) trapezoidalnego o poziomach równych -20 mV oraz 20 mV, cz stotliwo ci 10 kHz, współczynniku wypełnienia równym 0,5, c) sinusoidalnego o cz stotliwo ci 10 kHz oraz amplitudzie 2 V. 5. Wyznaczy charakterystyki amplitudowe i fazowe filtru aktywnego, którego schemat pokazano na rys.8.2. Zbada wpływ rezystancji rezystora R2 na szeroko pasma trzydecybelowego oraz wzmocnienie w rodku pasma.

Rys.8.2. Schemat badanego filtru aktywnego

6. Wyznaczy czasowe przebiegi w stanie ustalonym napi w punktach wy i dioda oraz pr du cewki w układzie dławikowej przetwornicy buck, której schemat pokazano na rys.8.3. W obliczeniach przyj dla okresu sygnału pobudzaj cego ze ródła napi ciowego V2 równego 10 µs, czas trwania impulsu tw = 5 µs, czasy trwania zboczy narastaj cego i opadaj cego równe 50 ns, a poziomy napi dobra tak, aby napi cie bramka- ródło tranzystora M1 zmieniało si w zakresie od 0 do 10 V. Okre li minimalny czas trwania analizy niezb dny do uzyskania stanu ustalonego na wyj ciu przetwornicy.

8. Analiza wybranych układów analogowych za pomoc programu SPICE

Rys.8.3. Schemat analizowanej przetwornicy buck

7. Powtórzy obliczenia z punktu 6 przy rezystancji obci enia przetwornicy równej R1 = 1 kΩ. Jak zmieniło si napi cie na wyj ciu przetwornicy w stosunku do wyników z punktu 6?

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

9. ANALIZA WYBRANYCH UKŁADÓW CYFROWYCH ZA POMOC PROGRAMU PSPICE Jak pokazano w rozdziale 7, układy cyfrowe mog by analizowane w programie PSPICE podobnie jak układy analogowe. W niniejszym rozdziale rozwa ane s wybrane cyfrowe układy kombinacyjne i sekwencyjne oraz przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe.

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Sformułowa tablic prawdy układu kombinacyjnego, którego schemat pokazano na rys.9.1. W tym celu nale y przeprowadzi analiz stanów przej ciowych przy pobudzeniu ze ródeł DSTM1, DSTM2, DSTM3 sygnałem o wypełnieniu 0,5, okresach znacznie dłu szych od czasów propagacji bramek dobranych w taki sposób, aby okresy sygnałów generowanych przez s siednie ródła ró niły si dwukrotnie.

Rys.9.1. Schemat analizowanego układu kombinacyjnego

2. W układzie dzielnika cz stotliwo ci, pokazanego na rys.9.2, wyznaczy krotno podziału cz stotliwo ci sygnału zegarowego clk na wyj ciu wy. Dobra parametry sygnału generowanego przez ródło DSTM3 w taki sposób, aby po rozpocz ciu symulacji na wyj ciu Q obu przerzutników był stan niski.

9. Analiza wybranych układów cyfrowych za pomoc programu SPICE

Rys.9.2. Schemat analizowanego dzielnika czestotliwo ci

3. Na rys.9.3 przedstawiono układ aplikacyjny licznika dwójkowego 74393. Wyznaczy zakres zliczania licznika.

Rys.9.3. Schemat analizowanego licznika dwójkowego

4. Zmodyfikowa schemat układu z rys.9.3 w taki sposób, aby realizował on funkcj licznika modulo 7. Przy realizacji tego zadania nale y w Setupie po wybraniu przycisku Digital Setup zaznaczy Flip-flop Initialization – All 0. 5. W układzie przedstawionym na rys.9.4 blok A pełni funkcj licznika dwójkowego, a blok B – funkcj przetwornika cyfrowo-analogowego (C/A). Przeprowadzi analizy stanów przej ciowych i wyznaczy czasowy przebieg napi cia na wyj ciu układu (w zeł wy). Uzasadni kształt uzyskanego przebiegu. 6. Na rys.9.5 przedstawiono schemat przetwornika C/A sterowanego z licznika 8 bitowego. Zaobserwowa przebiegi sygnałów na wej ciach monolitycznego przetwornika C/A (DAC8break) i przebieg napi cia wyj ciowego. Ustali jaki jest okres generowanego sygnału na wyj ciu i od czego on zale y. Przy rysowaniu schematu nale y najpierw narysowa cał magistral bit[70], a dopiero potem poł czy poszczególne jej linie z reszt układu. 7. W układzie z rys.9.6, stanowi cym poł czenie przetworników A/C oraz C/A przeprowadzi analiz stanów przej ciowych i porówna czasowy przebieg oraz widmo sygnału wej ciowego, generowanego przez ródło napi ciowe V1 z napi ciem na wyj ciu układu. Przyj amplitud sygnału wej ciowego

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

równ 1 V i składow stał tego napi cia równ 2V oraz cz stotliwo generowanego przebiegu równ 10 kHz. Sygnał taktuj cy powinien mie okres równy 1 µs oraz wypełnienie równe 50%. Przeprowadzi analiz wpływu cz stotliwo ci zegara taktuj cego przetwornik C/A na odchyłki mi dzy rozwa anymi przebiegami napi .

Rys.9.4 Schemat analizowanego przetwornika C/A

Rys.9.5. Schemat przetwornika C/A sterowanego z licznika 8-bitowego

Uwaga.

Przy analizie wszystkich rozwa anych układów cyfrowych posiadaj cych wej cie zeruj ce nale y zapewni takie sterowanie tego wej cia, aby po uruchomieniu analiz wej cie to było aktywne tylko przez około 100 ns.

9. Analiza wybranych układów cyfrowych za pomoc programu SPICE

Rys.9.6. Schemat układu stanowi cego poł czenie przetwornika A/C z przetwornikiem C/A

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

10. INTERPRETACJA OPISU TEKSTOWEGO MAKROMODELU UKŁADU SCALONEGO Oprócz licznych modeli elementów wbudowanych w programie PSPICE wykorzystuje si równie modele elementów elektronicznych w postaci makromodeli, czyli sieci elektrycznej, która modeluje wa ne elektryczne wła ciwo ci układu oryginalnego, obserwowalne na jego zaciskach zewn trznych z zadawalaj c dokładno ci , a stopie zło ono ci tej sieci jest mniejszy od stopnia zło ono ci modelowanego układu [13]. Pierwsze makromodele układów scalonych (wzmacniaczy operacyjnych i komparatorów) zostały opublikowane w latach siedemdziesi tych XX wieku [2, 4]. Obecnie producenci elementów półprzewodnikowych i układów scalonych oferuj na swoich stronach internetowych makromodele produktowych przez siebie wyrobów dla programu PSPICE. Makromodele te prezentowane s w postaci opisu tekstowego. W celu przeanalizowania postaci oferowanego makromodelu dogodnie jest sformułowa i przeanalizowa jego reprezentacj obwodow . Cz sto producenci udost pniaj biblioteki dla programu PSPICE, zawieraj ce w jednym pliku makromodele wielu elementów elektronicznych lub układów scalonych. Deklaracja makromodelu zawarta jest mi dzy słowami kluczowymi SUBCKT oraz ENDS. W nagłówku tej deklaracji, po słowie SUBCKT znajduje si nazwa podukładu, a po niej lista nazw zacisków makromodelu i ewentualnie lista parametrów (wymienionych po słowie PARAMS). Po deklaracji makromodelu, w kolejnych liniach zdefiniowane s poszczególne elementy składowe makromodelu. Definicja ka dego elementu umieszczona jest w osobnej linii i zawiera jego nazw , nazwy w złów, do których podł czone s wyprowadzenia tego elementu oraz warto tego elementu lub nazw jego modelu. Pierwsza litera w linii deklaracji elementu okre la jego rodzaj. Pierwsze litery nazw elementów wraz z odpowiadaj cymi im rodzajami elementów zebrano w tabeli 10.1. Po okre leniu typu elementu znajduje si ci g znaków oryginalny dla danego elementu (ka dy element musi mie inn nazw ), a nast pnie po spacji wymienione s nazwy w złów, do których podł czony jest rozwa any element. W przypadku dwójników najpierw wyst puje w zeł „+”, a potem w zeł „-” oraz warto lub nazwa modelu. Dla elementów półprzewodnikowych w zły podane s w nast puj cej kolejno ci: a) dla diody D – a k (a –anoda, k – katoda), b) dla tranzystora bipolarnego Q – c b e (c- kolektor, b – baza, e- emiter), c) dla tranzystora MOS M – d g s b (d – dren, g – bramka, s – ródło, b – podło e), d) dla tranzystora JFET J oraz dla tranzystora GaAsFET B – d g s (d – dren, g – bramka, s – ródło), e) dla tranzystora IGBT Z - c g e (c – kolektor, g – bramka, e – emiter).

10. Interpretacja opisu tekstowego makromodelu układu scalonego

Tabela 10.1. Znaczenie pierwszych liter nazw elementów w makromodelu

Symbol B C D E F G H I J K L M Q R S U V W X Z

Rodzaj elementu

tranzystor GaAsFET kondensator dioda ródło napi ciowe sterowane napi ciem ródło pr dowe sterowane pr dem ródło pr dowe sterowane napi ciem ródło napi ciowe sterowane pr dem niezale ne ródło pr dowe tranzystor JFET rdze ferromagnetyczny lub sprz enie cewek cewka tranzystor MOSFET tranzystor bipolarny rezystor klucz sterowany napi ciem układ cyfrowy niezale ne ródło napi ciowe klucz sterowany pr dem makromodel tranzystor IGBT

Po nazwach w złów tych elementów wyst puje nazwa modelu elementu, z któr skojarzona jest lista warto ci parametrów modelu oraz rodzaj jego polaryzacji. Dane te s podane w jednej z linii makromodelu, która zaczyna si od słowa kluczowego MODEL. Po tym słowie kluczowym wyst puje nazwa modelu, a nast pnie słowo kluczowe, okre laj ce rodzaj i polaryzacj elementu (tabela 10.2) oraz lista warto ci parametrów tego modelu. Tabela 10.2. Okre lenia polaryzacji i rodzaju elementu w deklaracji MODEL

Oznaczenie rodzaju elementu i jego polaryzacji D NPN PNP LPNP NJF PJF NMOS PMOS GASFET NIGBT

Rodzaj elementu i jego polaryzacja

dioda Tranzystor bipolarny npn Tranzystor bipolarny pnp Boczny tranzystor bipolarny pnp Tranzystor JFET z kanałem typu n Tranzystor JFET z kanałem typu p Tranzystor MOS z kanałem typu n Tranzystor MOS z kanałem typu p Tranzystor GaAsFET Tranzystor IGBT

W przypadku ródeł napi ciowych lub pr dowych sterowanych napi ciem wystepuj 4 wyprowadzenia – najpierw 2 wyprowadzenia wyj ciowe ródła, a potem 2 wyprowadzenia steruj ce ródła. Po li cie w złów wyj ciowych i steruj cych podana jest warto wzmocnienia lub transkonduktacji lub nast puje opis wydajno ci ródła w postaci przedstawionej w rozdziale 3.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

W przypadku ródeł napi ciowych lub pr dowych sterowanych pr dem wyst puj 2 w zły wyj ciowe, nazwa ródła napi ciowego, przez które przepływa pr d steruj cy oraz liczba okre laj ca wzmocnienie pr dowe lub transrezystancj . Przy tworzeniu schematu zast pczego analizowanego makromodelu nale y zwróci uwag na zwroty napi i pr dów generowanych przez ródła napi ciowe lub pr dowe. Zilustrowano to na rys.10.1, na którym przedstawiono symbole sterowanych i niezale nych ródeł napi ciowych i pr dowych. W celu uzyskania prostej postaci schematu rozwa anego makromodelu pomini to w symbolach ródeł sterowanych zaciski steruj ce.

Rys.10.1. Symbole niezale nych i sterowanych ródeł napi ciowych i pr dowych wykorzystywane przy tworzeniu schematów zast pczych makromodeli

W charakterze przykładu przedstawiono w tabeli 10.3 opis tekstowy makromodelu wzmacniacza operacyjnego LM324. Opis ten mo na uzyska wybieraj c w programie Schematics element LM324, umieszczaj c go w obszarze roboczym, wybieraj c z menu programu Edit, a po jego rozwini ciu Model oraz klikaj c w oknie dialogowym na przycisk Edit Instance Model (Text). Tabela 10.3. Opis tekstowy makromodelu wzmacniacza operacyjnego LM324

Opis makromodelu *---------------------------------------------------------------------------* connections: non-inverting input * | inverting input * | | positive power supply * | | | negative power supply * | | | | output * ||||| .subckt LM324-X 1 2 3 4 5 * C1 11 12 2.887E-12 C2 6 7 30.00E-12 Dc 5 53 dx De 54 5 dx Dlp 90 91 dx Dln 92 90 dx Dp 4 3 dx Egnd 99 0 poly(2) (3,0) (4,0) 0 .5 .5 Fb 7 99 poly(5) vb vc ve vlp vln 0 21.22E6 + -20E6 20E6 20E6 -20E6 Ga 6 0 11 12 188.5E-6 Gcm 0 6 10 99 59.61E-9

Komentarz do opisu Komentarze – okre lenie wyprowadze

Nagłówek makromodelu z list wyprowadze Kondensator C1 o pojemno ci 2,887pF Kondensator C2 o pojemno ci 30 pF Diody DC, DE, DLP, DLN oraz DP o parametrach danych w modelu dx

Sterowane ródło napi ciowe Egnd Sterowane ródło pr dowe Fb Sterowane ródło pr dowe Ga Sterowane ródło pr dowe Gcm

10. Interpretacja opisu tekstowego makromodelu układu scalonego

Iee 3 10 dc 15.09E-6 Hlim 90 0 vlim 1K Q1 11 2 13 qx Q2 12 1 14 qx R2 6 9 100.0E3 Rc1 4 11 5.305E3 Rc2 4 12 5.305E3 Re1 13 10 1.845E3 Re2 14 10 1.845E3 Ree 10 99 13.25E6 Ro1 8 5 50 Ro2 7 99 25 Rp 3 4 9.082E3 Vb 9 0 dc 0 Vc 3 53 dc 1.500 Ve 54 4 dc 0.65 Vlim 7 8 dc 0 Vlp 91 0 dc 40 Vln 0 92 dc 40 .model dx D(Is=800.0E-18 Rs=1) .model qx PNP(Is=800.0E-18 Bf=166.7) .ends

Niezale ne ródło pr dowe Iee o pr dzie 15,09 µA Sterowane ródło napi ciowe Hlim Tranzystory bipolarne Q1, Q2 o parametrach danych w modelu qx Rezystor R2 o rezystancji 100 kΩ Rezystor Rc1 o rezystancji 5,305 kΩ Rezystor Rc2 o rezystancji 5,305 kΩ Rezystor Re1 o rezystancji 1,845 kΩ Rezystor Re2 o rezystancji 1,845 kΩ Rezystor Ree o rezystancji 13,25 MΩ Rezystor Ro1 o rezystancji 50 Ω Rezystor Ro2 o rezystancji 25 Ω Rezystor Rp o rezystancji 9,082 kΩ ródło napi ciowe Vb o zerowej wydajno ci ródło napi ciowe Vc o napi ciu 1,5V ródło napi ciowe Ve o napi ciu 0,65V ródło napi ciowe Vlim o zerowej wydajno ci ródła napi ciowe Vlp oraz Vln o napi ciu 40 V Lista parametrów modelu dx diody Lista parametrów modelu qx tranzystora pnp

W przedstawionym opisie makromodelu linie rozpoczynaj ce si od symbolu * stanowi komentarz. Przykładowo, pierwszych siedem linii rozwa anego makromodelu stanowi opis jego wyprowadze . W nagłówku makromodelu znajduje si lista jego wyprowadze oznaczonych cyframi od 1 do 5. Dalej wyst puj kolejno elementy składowe makromodelu, które opisano w poszczególnych wierszach tabeli 10.3. Na rys.10.2 przedstawiono reprezentacj obwodow rozwa anego makromodelu. W celu uzyskania tej reprezentacji nale y kolejno: 1. Narysowa na kartce symbole poszczególnych elementów wraz z ich nazwami oraz nazwami w złów, do których maj by one podł czone, 2. Poł czy ze sob wyprowadzenia elementów o identycznych nazwach, 3. Analizuj c uzyskany schemat obwodu zaplanowa takie rozmieszczenie elementów, przy którym wyst pi najmniejsza liczba przeci lini na schemacie. 4. Narysowa poprawiony schemat obwodu. 5. Je eli uzyskany schemat zawiera zbyt du liczb przeci lini, to nale y ponownie wykonywa punkty 3 i 4, a rezultat b dzie zadawalaj cy.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

Rys.10.2. Reprezentacja obwodowa makromodelu wzmacniacza operacyjnego LM324

Jak wida na rys.10.2 w rozwa anym makromodelu, stopie wej ciowy wzmacniacza jest reprezentowany przez wzmacniacz ró nicowy z dwoma tranzystorami pnp. Polaryzacj wzmacniacza zapewnia ródło pradowe IEE, a jego obci eniem s rezystory RC1 oraz RC2. Zakres pracy liniowej wzmacniacza rozszerzaj rezystory RE1 oraz RE2. Dioda DP wraz z rezystorem RP reprezentuj wła ciwo ci wzmacniacza przy odwrotnym podł czeniu biegunów zasilania. ródła napi ciowe VE i VC wraz z diodami DC i DE ograniczaja zakres zmian napi cia wyj ciowego wzmacniacza podczas jego nasycenia. Pozostałe elementy modeluj wła ciwo ci dynamiczne modelowanego wzmacniacza.

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Na podstawie opisu tekstowego makromodelu układu uA741 przygotowa jego reprezentacj obwodow . 2. Na podstawie opisu tekstowego makromodelu wybranego przez prowadz cego zaj cia przygotowa reprezentacj obwodow tego makromodelu.

11. Tworzenie symbolu graficznego modelu elementu w edytorze schematów

11. TWORZENIE SYMBOLU GRAFICZNEGO MODELU ELEMENTU W EDYTORZE SCHEMATÓW W celu przygotowania schematu analizowanego układu w programie Schematics niezb dne s biblioteki z symbolami dla tego programu wszystkich elementów, które s składnikami tego układu. Je eli u ytkownik chce przeprowadzi analiz , wykorzystuj c np. makromodele elementów elektronicznych oferowane w formie tekstowej przez ich producentów, to musi wcze niej przygotowa bibliotek odpowiednich symboli. W niniejszym rozdziale przedstawiono sposób formułowania biblioteki symboli oraz wprowadzania tych bibliotek do programu Schematics. W celu sformułowania nowej biblioteki symboli nale y, po uruchomieniu programu Schematics, klikn mysz na ikon . Spowoduje to otwarcie okna Symbol Editor. Wybieraj c z menu głównego programu Symbol Editor polecenie Part, a po rozwini ciu menu – Symbol Wizard uruchamia si ci g okien dialogowych, umo liwiaj cych wybór i edycj symbolu modelowanego elementu. Pierwsze z tych okien, pokazane na rys.11.1 umo liwia wybór, czy tworzony symbol b dzie zwi zany z istniej cym makromodelem (From a model library), czy te b dzie to symbol nie zwi zany z adnym istniej cym modelem (From scratch).

Rys.11.1. Okno dialogowe do wyboru sposobu tworzenia symbolu

Poniewa rozwa any jest przypadek tworzenia symbolu do istniej cego makromodelu, w oknie z rys.11.1 nale y wybra opcj From a model library i klikn mysz na przycisk Next>. Wówczas pojawi si kolejne okno dialogowe, w którym nale y poda scie k dost pu do pliku z makromodelem rozwa anego elementu lub układu scalonego i ponownie klikn przycisk Next>. Nast pnie nale y poda nazw , wraz ze cie k dost pu, tworzonej biblioteki symboli. Wówczas pojawi si okno dialogowe pokazane na rys.11.2, w którym nale y wybra , w zale no ci od potrzeb, zmian symboli wszystkich elementów zawartych w bibliotece lub utworzenie symboli tylko tych elementów, które nie maj jeszcze zdefiniowanych symboli. Po klikni ciu na przycisk Next> pojawi si kolejne okno dialogowe, pokazane na rys.11.3, w którym wymienione s osobno nazwy modeli elementów, dla których został ju zdefiniowany symbol oraz te, które jeszcze takiego symbolu nie maj . Nazwie modelu towarzyszy informacja o liczbie wyprowadze i lista ich nazw.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

Rys.11.2. Okno dialogowe do wyboru sposobu zast powania istniej cych symboli elementów

Jak wida , dla ka dego elementu biblioteki mo na wybra symbol ju zdefiniowanego elementu (przycisk Existing Symbol) lub wybra nowy symbol o kształcie prostok ta (przycisk Generic Rectangle). Przykładowo, dla elementu IRF840 wybrano przycisk Existing Symbol. Wówczas pojawia si okno wyboru symbolu (rys.11.4), w którym nale y wybra symbol graficzny nowego elementu korzystaj c z symboli dost pnych w bibliotekach doł czonych ju do programu Schematics.

Rys.11.3. Okno dialogowe z informacj o elementach biblioteki posiadajacych zdefiniowany symbol i nieposiadajacych takiego symbolu

Rys.11.4. Okno dialogowe do wyboru istniej cego symbolu elementu

11. Tworzenie symbolu graficznego modelu elementu w edytorze schemat贸w

Po wybraniu odpowiedniego symbolu oraz naci ni ciu przycisku Next> pojawi si okno dialogowe (rys.11.5), w kt贸rym nale y przypisa poszczeg贸lnym nazwom wyprowadze makromodelu nazwy wyprowadze wybranego symbolu.

Rys.11.5. Okno dialogowe do przyporz dkowania nazw wyprowadze makromodelu wyprowadzeniom symbolu elementu

Po wykonaniu tego przyporz dkowania pojawi si kolejne okno dialogowe (rys.11.6), w kt贸rym jest pokazany nowy symbol elementu oraz wyst puje miejsce na opis elementu.

Rys.11.6. Okno dialogowe do wyprowadzenia opisu symbolu elementu

Po wybraniu przycisku Finish zako czy si proces tworzenia symbolu modelowanego elementu. W przypadku, gdy w oknie dialogowym pokazanym na rys.11.1 zostanie wybrana opcja From scratch, rozpocznie si tworzenie biblioteki symboli od

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

podstaw. Wówczas pojawi si okno dialogowe Create New Symbol (rys.11.7), w którym nale y wprowadzi nazw i krótki opis elementu, którego symbol dla programu Schematics b dzie tworzony.

Rys.11.7. Okno dialogowe Create New Symbol

Po wprowadzeniu wymaganych informacji oraz klikni ciu przycisku Next> pojawi si kolejne okno dialogowe Select Symbol Shape (rys.11.8), w którym nale y wybra po dany kształt tworzonego symbolu elementu.

Rys.11.8. Okno dialogowe Select Symbol Shape

Jak wida na rys.11.8, u ytkownik mo e wybra symbol elementu w postaci prostok ta, kwadratu lub innego kształtu, w której to grupie mieszcz si standardowe symbole: diody, tranzystora GaAsFET, tranzystora IGBT, tranzystora JFET z kanałem typu n lub z kanałem typu p, trójzaciskowego lub czterozaciskowego tranzystora MOS z kanałem typu n lub z kanałem typu p, tranzystora bipolarnego npn lub pnp, wzmacniacza operacyjnego oraz diody Zenera. Po wybraniu odpowiedniego kształtu symbolu i klikni ciu przycisku Next> przechodzi si do okna dialogowego Add Pins (rys.11.9). W oknie tym nale y podawa kolejno nazwy wyprowadze elementu, które maj by widoczne na symbolu elementu w okienku Pin Name oraz odpowiadaj ce im numery wyprowadze , zgodnie z nazewnictwem stosowanym w nagłówku makromodelu, dla którego tworzony jest symbol. Dane te nale y wprowadza kolejno dla ka dego wyprowadzenia, zaznaczaj c, z której strony symbolu ma si znale dane wyprowadzenie oraz klikaj c przycisk Add. Po wprowadzeniu informacji o wszystkich wyprowadzeniach elementu mo na zmienia lokalizacj tych wyprowadze , edytowa je lub usuwa . Na rys.11.9 pokazano zawarto okna Add Pins dla makromodelu tranzystora mocy MOS, dla którego wybrano symbol trójzaciskowy. Po wypełnieniu okna dialogowego Add Pins i klikni ciu przycisku Next>

11. Tworzenie symbolu graficznego modelu elementu w edytorze schematów

przechodzi si do okna dialogowego Review Pins (rys.11.10), w którym wy wietlane s informacje o wszystkich wyprowadzeniach modelowanego elementu. Je eli jakie dane s niezgodne z podanymi przez u ytkownika, to mo e on je wyedytowa i poprawi .

Rys.11.9. Okno dialogowe Add Pins

Rys.11.10. Okno dialogowe Review Pins

W kolejnym oknie dialogowym Set Up Packaging nale y tylko sprawdzi , czy wprowadzane dane na temat wyprowadze obudowy elementu s poprawne. W kolejnym oknie dialogowym Specify Footprint nale y wybra odpowiedni typ obudowy modelowanego elementu, np. TO-220AB, DIP14. Kolejne okno dialogowe Assign Pins (rys.11.11) umo liwia przyporz dkowanie poszczególnych wyprowadze elementu poszczególnym wyprowadzeniom wybranej obudowy. W oknie Setup Library nale y poda nazw , wraz ze cie k dost pu, biblioteki symboli, w której b dzie zapisany utworzony symbol. Dogodnie jest, aby biblioteka ta miała identyczn nazw z bibliotek , w której zawarte s opisy makromodeli. Po klikni ciu na przycisku Finish, w oknie głównym Symbol Editor pojawi si symbol modelowanego elementu. Uzyskanie po danego wygl du tego symbolu wymaga wykonania pewnych zabiegów edycyjnych. Przykładowo, dla pokazanego na rys.11.12, symbolu tranzystora MOS nale y klikaj c mysz

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

przesun wyprowadzenia elementu tak, aby poł czyły si z odpowiednimi ko cówkami symbolu tranzystora MOS.

Rys.11.11. Okno dialogowe Assign Pins

Rys.11.12. Okno Symbol Editor z symbolem tranzystora MOS przed wykonaniem zabiegów edycyjnych na jego symbolu

Nast pnie, z menu programu Symbol Editor wybra polecenie Part, a po jego rozwini ciu Attributes. Wówczas pojawi si okno dialogowe, pokazane na rys.11.13. W oknie tym nale y wprowadzi warto ci nast puj cych atrybutów modelu: 1. REFDES – nazwa elementu, która b dzie pojawiała si automatycznie po wprowadzeniu elementu na schemat; je eli w nazwie znajdzie sie znak “?”, to w jego miejsce b d podstawiane kolejne liczby naturalne, np.

11. Tworzenie symbolu graficznego modelu elementu w edytorze schematów

wprowadzaj c M? uzyska si nazwy kolelejno wprowadzanych elementów: M1, M2, M3,…

Rys.11.13. Okno dialogowe Attributes

2. PART – nazwa typu elementu, np. IRF840, uA741 3. MODEL – nazwa modelu skojarzona z edytowanym symbolem; nazwa ta musi by identyczna z nazw wyst pujac w bibliotece makromodelu, np. IRF840 4. TEMPLATE – szablon zawieraj cy list wyprowadze , ma on posta : X^@REFDES [lista wyprowadze elementu ] @MODEL przykładowo X^@REFDES %D %G %S @MODEL nale y pami ta , aby nazwy wyprowadze były poprzedzone znakiem „%” i oddzielone od siebie spacjami. Dla ka dego atrybutu mo na niezale nie okre li , czy na schemacie ma by wy wietlana jego nazwa oraz warto przez odpowiednie zaznaczenie opcji What to Display (w lewej górnej cz ci okna dialogowego). Po wypełnieniu pola Value nale y ka dorazowo klikn mysz na przycisk Save Attr. Po wprowadzeniu warto ci wszystkich atrybutów nale y klikn mysz na przycisk OK. Wygl d symbolu elementu mo na dopracowa wybieraj c z menu programu Symbol Editor polecenie Part, a po rozwini ciu menu – Pin List. Wówczas pojawi si okno dialogowe pokazane na rys.11.14.

Rys.11.14. Okno dialogowe Pin List

W oknie tym, mo na w szczególno ci zablokowa wy wietlanie nazwy wyprowadze przez odznaczenie Display Name dla ka dego wyprowadzenia. Mo na równie zablokowa wy wietlanie numeru wyprowadzenia klikaj c

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

mysz na przycisk Edit Attributes i, po pojawieniu si kolejnego okna dialogowego, zaznaczaj c None. W wyniku przeprowadzonych zabiegów symbol elementu z postaci pokazanej na rys.11.12 zmienił si do postaci pokazanej na rys.11.15. Na koniec nale y z menu programu Symbol Editor wybra polecenie File, a po rozwini ciu menu - Save i potwierdzi dodanie biblioteki o wybranej nazwie do listy bibliotek programu Schematics. Wersja edukacyjna programu PSPICE pozwala na jednoczesne wykorzystywanie w programie Schematics 10 bibliotek z symbolami elementów. Je eli tworzona biblioteka nie mo e zosta doł czona automatycznie do programu Schematics, to nale y doł czy j „r cznie” wykonuj c nast puj ce czynno ci:

Rys.11.15. Okno Symbol Editor z symbolem tranzystora MOS po edycyji jego symbolu

1. W menu programu Schematics wybra Options, a po rozwini ciu menu – Editor Configuration. Wówczas pojawi si okno dialogowe Editor Configuration, w którym nale y klikn na przycisk Library Settings. Wówczas pojawi si okno dialogowe Library Settings, pokazane na rys.11.16. 2. W oknie tym najpierw trzeba wybra bibliotek , która aktualnie jest niepotrzebna i po zaznaczeniu jej nazwy, usun j przez klikni cie mysz przycisku Delete. Nast pnie nale y klikn na przycisk Browse i wskaza lokalizacj biblioteki symboli, która ma by doł czona i potwierdzi doł czenie biblioteki klikaj c na przycisk Add* lub Add Local.

11. Tworzenie symbolu graficznego modelu elementu w edytorze schematów

Rys.11.16. Okno dialogowe Library Settings

3. Naciskaj c na przyciski OK w kolejnych oknach dialogowych ko czy si proces konfiguracji bibliotek. Oprócz doł czenia biblioteki symboli niezb dne jest tak e doł czenie do programu Schematics biblioteki z modelami elementów. W celu doł czenia takiej biblioteki nale y z menu programu Schematics wybra polecenie Analysis, a po rozwini ciu menu – Library and Include Files. Wówczas otworzy si okno dialogowe pokazane na rys.11.17.

Rys.11.17. Okno dialogowe Library and Include Files

Po klikni ciu mysz przycisku Browse nale y okre li lokalizacj pliku zawieraj cego odpowiedni bibliotek , a nast pnie klikn przycisk Add Library lub Add Library*. Okno to umo liwia równie dodanie pliku, który b dzie doł czany do pliku wej ciowego dla programu PSPICE A/D, np. z definicj funkcji u ytkownika, lub pliku z opisem ródła sygnału pobudzaj cego. Po wprowadzeniu wszystkich potrzebnych bibliotek nale y klikn na przycisk OK.

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Sformułowa symbol tranzystora MOS mocy typu IRF840, wykorzystuj cy makromodel tego elementu zawarty w bibliotece LAB.lib dostarczonej przez prowadz cego zaj cia. 2. Wykorzystuj c sformułowany model wyznaczy rodzin charakterystyk wyj ciowych tranzystora IRF840 w zakresie zmian napi cia uDS od 0 do 20V, przy 3 warto ciach napi cia uGS równych kolejno 4,5 V, 5 V oraz 5,5 V. Analizy przeprowadzi dla dwóch temperatur równych 0°C oraz

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

150°C. Uwaga. Przy zadawaniu analiz nale y w Setupie w oknie DC Sweep klikn przycisk Neested Sweep i w otwartym oknie dialogowym zada parametry analizy zagnie d onej. 3. Sformułowa symbol w postaci kwadratu monolitycznego stabilizatora napi cia LM723, wykorzystuj cy makromodel tego elementu zawarty w bibliotece LAB.lib dostarczonej przez prowadzacego zaj cia. List nazw wyprowadze i ich numery podano poni ej: Nazwa wyprowadzenia Numer wyprowadzenia CL 2 CS 3 4 + 5 Vref 6 Vcc7 Vz 9 Vout 10 Vc 11 Vcc+ 12 FC 13 4. Wykorzystuj c zdefiniowany symbol, wyznaczy zale no napi cia wyj ciowego (w w le wy) od napi cia wej ciowego (w w le we) dla układu stabilizatora napi cia pokazanego na rys.11.18 przy 3 warto ciach temperatury równych kolejno 25°C, 75°C, 150°C. Przyj zmiany napi cia wej ciowego w zakresie od 0 do 15 V.

Rys.11.18. Schemat analizowanego stabilizatora napi cia

12. Formułowanie makromodeli elementów elektronicznych przy wykorzystaniu

12. FORMUŁOWANIE MAKROMODELI ELEMENTÓW ELEKTRONICZNYCH PRZY WYKORZYSTANIU RÓDEŁ STEROWANYCH Program PSPICE jest bardzo wygodnym narz dziem do modelowania elementów i układów elektronicznych. Wykorzystuj c wła ciwo ci sterowanych ródeł napi ciowych i pr dowych mo na sformułowa makromodel elementów, których charakterystyki opisane s przy wykorzystaniu zło enia funkcji elementarnych [5, 17]. W celu pokazania metody formułowania makromodeli elementów elektronicznych pokazano poni ej metod formułowania makromodelu diody o zró nicowanej dokładno ci. Najpierw rozwa any jest stałopr dowy model diody idealnej, opisany wzorem

i = Is ⋅ exp

u −1 VT

(12.1)

gdzie i oznacza pr d diody, u – napi cie na diodzie, a Is oraz VT s parametrami modelu. Makromodel tej diody ma posta ródła pr dowego sterowanego napi ciem na tym ródle. Posta obwodow tego makromodelu pokazano na rys.12.1.

Rys.12.1. Reprezentacja obwodowa makromodelu diody idealnej

Przedstawiony model mo na łatwo rozbudowa , np. o rezystancj szeregow , doł czaj c szeregowo do ródła pr dowego G1 rezystor RS, modeluj cy t rezystancj . Parametry modelu diody zale od temperatury jej wn trza Tj, która stanowi sum temperatury otoczenia Ta oraz nadwy ki temperatury spowodowanej przez

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

zjawisko samonagrzewania. Równania opisuj ce charakterystyki diody przy uwzgl dnieniu samonagrzewania (charakterystyki nieizotermiczne) maj posta :

i = Is(T ) ⋅ exp Is (T ) = Io ⋅

u − RS (T ) ⋅ i −1 VT

Tj T0

exp

− Eg VT

RS (T ) = RS ⋅ (1 + α R (T j − T0 ))

VT = VT 0 ⋅

T0 T j = Ta + Rth ⋅ u ⋅ i

(12.2)

(12.3) (12.4) (12.5) (12.6)

W zale no ciach (12.2 – 12.6) Io, Eg, RS, αR, VTO oznaczaj parametry diody wyznaczone w temperaturze odniesienia T0, za Rth oznacza rezystancj termiczn diody. Reprezentacj obwodow elektrotermicznego makromodelu diody opisanego powy szymi równaniami przedstawiono na rys.12.2.

Rys.12.2. Reprezentacja obwodowa elektrotermicznego makromodelu diody

12. Formułowanie makromodeli elementów elektronicznych przy wykorzystaniu

W rozwa anym makromodelu mo na wyró ni obwód główny oraz obwody pomocnicze. Obwód główny zawiera sterowane ródło pr dowe G1, które opisuje charakterystyki diody idealnej, dane wzorem (12.1), rezystor R1 reprezentuj cy rezystancj szeregow diody w temperaturze odniesienia T0 oraz sterowane ródło napi ciowe E1, którego napi cie wyj ciowe charakteryzuje zmiany rezystancji szeregowej spowodowane przez zjawisko samonagrzewania. Obwody pomocnicze zawieraj sterowane ródła napi ciowe i rezystory. Obwody te słu do wyliczania warto ci temperatury wn trza Tj, której odpowiada napi cie w w le tj, pr du nasycenia Is, któremu odpowiada napi cie w w le IS oraz potencjału termicznego, któremu odpowiada napi cie w w le vt. Wykorzystuj c przedstawiony makromodel mo na wyznaczy nieizotermiczne charakterystyki diody wykonuj c klasyczn analiz stałopr dow (DC Sweep) wzgl dem wydajno ci ródła napi ciowego V1 w układzie pokazanym na rys.12.3. Wyniki oblicze przedstawiono na rys.12.4. Na prezentowanych charakterystykach statycznych –i(V1)=f(V(A)) wida , e na skutek samonagrzewania maleje napi cie przewodzenia diody. Na wykresie v(tj)=f(V(A)) wida , e temperatura wn trza diody w rozwa anym zakresie zmian wydajno ci ródła zasilaj cego wzrasta na skutek samonagrzewania przekraczaj c a 400 K.

Rys.12.3. Schemat układu do wyznaczania nieizotermicznych charakterystyk diody

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

Rys.12.4. Obliczone nieizotermiczne charakterystyki diody

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Sformułowa makromodel rezystora nieliniowego, charakterystyka i(u) opisana jest nast puj c zale no ci

którego

i = A⋅u2 + B ⋅u

(12.7) 2. Wykorzystuj c sformułowany makromodel wyznaczy jego charakterystyk i(u) dla napi z zakresu od 0 do 20 V, przyjmuj c warto ci parametrów modelu A = 1 S/V, B = 3 S. 3. Sformułowa elektrotermiczny makromodel termistora NTC, którego rezystancja opisana jest wzorem

R = R25 ⋅ exp

B B − T j 298 K

(12.8)

gdzie R25 oraz B s parametrami makromodelu, natomiast Tj oznacza temperatur wn trza termistora wyra on wzorem (12.6), w którym u oraz i oznaczaj odpowiednio napi cie i pr d na termistorze. Uwaga. Przy formułowaniu makromodelu wygodnie jest przekształci zale no (12.8) na zale no i(u). 4. Wykorzystuj c sformułowany makromodel termistora NTC wyznaczy jego nieizotermiczne charakterystyki statyczne i(u) oraz Tj(u) przyjmuj c nast puj ce warto ci parametrów modelu: R25 = 100 Ω, B = 4000 K, Ta = 300 K, Rth = 100 K/W.

Literatura

LITERATURA 1. 2. 3. 4. 5. 6.

8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.

Antognetti P., Massobrio G.: Semiconductor Device Modeling with SPICE. McGraw-Hill Company, New York, 1988. Boyle G. R., Cohn B. M., Pederson D. O., Solomon J. E.: Macromodeling of Integrated Circuit Operational Amplifiers. IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-9, No. 6, 1974, pp. 353 – 363. Dobrowolski A.: Pod mask SPICE’a. Metody i algorytmy analizy układów elektronicznych. Wydawnictwo BTC, Warszawa, 2004. Getreu I.E., Hadiwidjaja A. D., Brinch J. M.: An Integrated-Circuit Comparator Macromodel. IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. S.C.-11, no.6, 1976, pp. 826 – 833. Górecki K.: Modelowanie i analiza obcowzbudnych stabilizatorów impulsowych zawieraj cych dławikowe przetwornice dc-dc z uwzgl dnieniem samonagrzewania. Prace Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia, 2007. Górecki K., Stepowicz W.J., Zar bski J.: Estymacja parametrów modelu tranzystora JFET za pomoc programu PARTS. XXVIII Mi dzynarodowa Konferencja z Podstaw Elektrotechniki i Teorii Obwodów IC-SPETO’2005, Ustro , 2005, Vol. 2, ss. 301-304. Górecki K., Stepowicz W.J., Zar bski J.: Zastosowanie programu PARTS do estymacji parametrów modelu komparatora. XXVII Mi dzynarodowa Konferencja z Podstaw Elektrotechniki i Teorii Obwodów IC-SPETO’2004, Niedzica,2004, Vol. 2, ss. 269-272. Górecki K., Stepowicz W.J., Zar bski J.: Using Program PARTS in Teaching of Modelling of Semiconductor Devices. 9-th International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems MIXDES 2002, Wrocław, 2002, pp. 695-698. Izydorczyk J.: PSPICE komputerowa symulacja układów elektronicznych. Helion, Gliwice, 1993. Król A., Moczko J.: Pspice. Symulacja i optymalizacja układów elektronicznych. Wydawnictwo Nakom, Pozna , 1998. Król A., Moczko J.: Sposób wyznaczania parametrów modelu diody za pomoc programu PARTS z pakietu Pspice-DesignLAB. Elektronika, Not-Sigma, Warszawa, Nr 9, 1999, ss. 17-19. Por bski J., Korohoda P.: SPICE program analizy nieliniowej układów elektronicznych. Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1996 Stanclik J.: Modyfikacja makromodeli wzmacniaczy operacyjnych. Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, Vol. 44, z. 1, 1998, ss. 19-34. Wilamowski B.M., Jaeger R.C.: Computerized circuit Analysis Using SPICE Programs. McGraw-Hill, New York, 1997. Zachara Z., Wojtuszkiewicz K.: PSpice Przykłady praktyczne. Mikom, Warszawa, 2000. Zachara Z., Wojtuszkiewicz K.: PSpice Symulacje wzmacniaczy dyskretnych. Mikom, Warszawa, 2000. Zar bski J.: Modelowanie, symulacja i pomiary przebiegów elektrotermicznych w elementach półprzewodnikowych i układach elektronicznych. Prace Naukowe Wy szej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdynia, 1996. Zar bski J., Górecki K.: SPICE Aided Estimation of the Power BJT Model Parameters. IEEE Int. Power Electronics Congress CIEP’2000, Acapulco, 2000, pp. 258-262.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

19. Zimny P., Karwowski K.: SPICE klucz do elektrotechniki. Instrukcja, program, przykłady. Wydawnictwo Politechniki Gda skiej, Gda sk, 1996. 20. MicroSim PSPICE A/D. Reference Manual. Version 8.0. MicroSim Corporation, 1997.

Dodatek

DODATEK OPIS FUNKCJI MATEMATYCZNYCH DOST PNYCH W PROGRAMIE PSPICE 8.0 Poni ej przedstawiono operatory matematyczne oraz funkcje dost pne przy opisie ródeł sterowanych w programie PSPICE, jak i w programie PROBE. Operatory matematyczne przedstawiono w tabeli D.1 natomiast funkcje w tabeli D.2 Tabela D.1. Operatory matematyczne.

ARYTMETYCZNE + dodawanie – odejmowanie * mno enie dzielenie / ** pot gowanie LOGICZNE ~ NOT OR | ^ XOR & AND RELACJI (U YWANE W SKŁADNI FUNKCJI IF()) == test równo ci != test nierówno ci > wi ksze ni ... >= równe lub wi ksze ni ... < mniejsze ni <= równe lub mniejsze ni ... FUNKCJE ABS(X),M(X) ACOS(X) ARCTAN(X), ATAN(X) ASIN(X) ATAN2(Y,X) COS(X) COSH(X) DDT(X) EXP(X) IF(T,X,Y) IMG(X) LIMIT (X,MIN,MAX)

Tabela. D.2. Funkcje

ZNACZENIE |x| cos-1(x) tan-1(x) sin-1(x) tan-1(y/x) cos(x) cosh(x) dx/dt ex zwraca x je li spełniony warunek t, zwraca y je li, niespełniony warunek t zwraca min je li x<min

OPIS warto bezwzgl dna z x arcus cosinus z x [rad] arcus tangens z x [rad] arcus sinus z x [rad] arcus tangens z y/x [rad] cosinus z x [rad] cosinus hiperboliczny z x [rad] pochodna dx/dt eksponenta z x funkcja warunkowa cz

urojona liczby zespolonej x

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

FUNKCJE

LOG(X) LOG10(X) MAX(X,Y) MIN(X,Y) P(X) PWR(X,Y) PWRS(X,Y) R(X) SDT(X) SGN(X) SIN(X) SINH(X) STP(X) SQRT(X) TAN(X) TANH(X)

ZNACZENIE OPIS zwraca max je li x>max zwraca x w pozostałych ln(x) logarytm naturalny z x log10(x) logarytm dziesi tny z x maksimum x i y minimum x i y faza liczby zespolonej |x|y funkcja pot gowa y + |x| je li x>0 funkcja pot gowa ze znakiem – |x|y je li x<0 cz rzeczywista liczby zespolonej x całka z x x dt zwraca + 1 gdy x>0 znak liczby zwraca – 1 gdy x<0 sin(x) sinus z x [rad] sinh(x) sinus hiperboliczny z x [rad] zwraca + 1 je li x>0.0 zwraca – 1 je li x<0.0 x1/2 pierwiastek kwadratowy z x tan(x) tangens z x [rad] tanh(x) tangens hiperboliczny z x [rad]