Modelos PSPICE para programas de simulación. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.

Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Microcontroladores

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Las computadoras se están abaratando rápidamente, la velocidad de sus cálculos está creciendo. Han aparecido excelentes programas que permiten a los radioaficionados simular y observar en la pantalla del monitor procesos en dispositivos reales, cuyo trabajo directo requeriría instrumentos de medición muy costosos. Esto es especialmente importante para los principiantes que, por regla general, solo tienen un multímetro y, con menos frecuencia, un osciloscopio simple.

Los programas más populares entre los radioaficionados son MicroCap 5, Electronic Workbench, PSpice (PSpice está incluido en los paquetes Design Center, DesignLab, OrCad-9). Siempre se pueden encontrar en los discos láser que ofrecen los mercados de radio. Lo que falta en estos discos son modelos de componentes radioelectrónicos nacionales e importados para dichos programas. Y esto es una riqueza considerable, sobre todo si los modelos son elaborados por profesionales y verificados.

Históricamente, el programa PSpice fue el primero en aparecer: el desarrollo de MicroSim Corporation a principios de los años 70. Desde entonces, se ha desarrollado intensamente y, debido a la simplicidad del lenguaje de entrada y la confiabilidad de los algoritmos utilizados, se ha convertido en una especie de estándar para dichos sistemas. Por lo tanto, otros programas utilizan el lenguaje de entrada de PSpice. Los componentes del modelo PSpice o contienen el núcleo de este programa. De hecho, muchos de ellos son shells convenientes que le permiten escribir una tarea en el lenguaje natural para radioaficionados: el lenguaje de los circuitos eléctricos. Esto es muy conveniente, ya que el lenguaje de entrada "nativo" del programa PSpice es un archivo de texto en códigos ASCII, lo que requiere mucho trabajo manual, que es muy laborioso y, a menudo, va acompañado de errores.

Sin embargo, hay un área donde el lenguaje de entrada de PSpice es indispensable. Los buenos modelos de componentes de alta velocidad para estos programas están escritos en lenguaje PSpice. En países desarrollados, los fabricantes de circuitos integrados deben desarrollar y publicar modelos PSpice de sus dispositivos, de lo contrario no serán utilizados. Todavía no existen tales tradiciones en Rusia. Por lo tanto, las bibliotecas existentes de modelos de PSpice ciertamente no satisfarán a los radioaficionados, y la creación de sus propios modelos de componentes puede convertirse en una posible dirección para la creatividad de los radioaficionados. Demostremos con ejemplos simples que esto es bastante simple.

Para que todo quede más claro, tratemos con la terminología de PSpice.

• Diagrama eléctrico: una representación gráfica condicional de componentes electrónicos y conexiones eléctricas entre ellos en algún tipo de soporte de papel.
• Un nodo es un punto de conexión eléctricamente común para los terminales de los componentes del circuito.
• Componente: una unidad de circuito utilizada en la descripción de circuitos electrónicos. por regla general, correspondiente al dispositivo realmente producido por la industria. Un componente consta de su nombre, imagen gráfica y modelo, completo con parámetros.
• Un modelo es una descripción matemática de un componente que describe su funcionamiento con una precisión aceptable para fines prácticos.
• Modelo incorporado: un modelo cuya descripción se define en el cuerpo del programa PSpice.
• Macromodelo: consiste en un conjunto de componentes relacionados topológicamente con modelos incorporados. Dentro de un modelo macro, se pueden usar otros modelos macro.
• Macromodelo estándar: un macromodelo para el que se proporciona un programa regular que es capaz de generar automáticamente un macromodelo de un componente de acuerdo con los parámetros del pasaporte. Entonces, por ejemplo, los amplificadores operacionales y los comparadores en PSpice tienen modelos macro estándar.
• Definir modelo: establezca los parámetros correspondientes a un componente específico.
• Los parámetros son constantes numéricas que ajustan el modelo ideal a las propiedades de un dispositivo real.
• Un prototipo es un modelo ya existente que se utiliza como fuente de parámetros para un componente recién creado. Los prototipos son convenientes para usar cuando se crea un grupo relacionado de componentes con una diferencia solo en parámetros individuales.
• Un componente ideal es un componente que utiliza un modelo con parámetros predeterminados.
• Biblioteca: uno o más archivos que contienen modelos y macromodelos de componentes.
• Tarea de simulación: un archivo de texto en códigos ASCII que contiene comandos en el idioma de entrada del programa PSpice.

Está claro que para crear un componente basado en un modelo incorporado o un modelo macro estándar, debe definir sus parámetros. Para ello, existen programas especiales que, de acuerdo con los parámetros de pasaporte para un componente específico, le permiten generar su modelo. El trabajo es muy rutinario y requiere datos de referencia detallados sobre los componentes. En los libros de referencia publicados sobre radioelementos, por regla general, no hay información completa. Luego hay que realizar unas medidas independientes o consultar con los fabricantes de radioelementos. Este proceso se describe en detalle en [1-3]. Desafortunadamente, en las versiones DEMO, dichos programas funcionan con limitaciones, lo que le permite crear solo modelos de diodos.

Pero hay una salida. Hay una gran cantidad de estos modelos en las bibliotecas adjuntas a la distribución, y no es difícil encontrar un análogo para elementos domésticos asignándole un nuevo nombre y editándolo en consecuencia. Puede trabajar con bibliotecas, editar y copiar modelos utilizando cualquier editor de texto.

Además, para los radioaficionados que hablan lenguajes de programación, como BASIC, no será un gran problema escribir su propio programa para calcular los parámetros de los modelos de PSpice según los parámetros del pasaporte. Las relaciones entre las características del pasaporte y los parámetros del modelo se pueden encontrar en [1-3]. El autor planea crear tal utilidad, adaptada para directorios domésticos. Es bastante razonable establecer la tarea de escribir programas generadores para tales macromodelos de PSpice, cuya creación no está prevista en los programas regulares.

Otra tarea interesante para los radioaficionados sería la creación de un accesorio de medición automatizado a una computadora que generara los parámetros de modelos o macromodelos de PSpice a partir de muestras de control, e incluso con posibilidad de procesamiento estadístico. Los radioaficionados tienen experiencia en la creación de accesorios de medición que se pueden conectar a una PC.

Resistencias, capacitores, inductores, diodos, transistores, circuitos magnéticos, líneas de comunicación, fuentes de voltaje y corriente, un conjunto básico de elementos digitales y algunos elementos idealizados tienen modelos incorporados.

Pero, ¿qué pasa si no hay un modelo listo para usar de ningún componente? Entonces necesita poder desarrollar sus propios macromodelos. Y aquí las posibilidades de PSpice son realmente infinitas. Los primeros componentes básicos de los macromodelos son los modelos integrados. Debido a las limitaciones del artículo de la revista, solo hablaremos de ellos. que se utilizará en los ejemplos.

Para empezar, un poco sobre las características de los programas en el lenguaje PSpice.

• La primera línea del programa es un comentario.
• Símbolos "*" (asterisco) y ";" (punto y coma) indican líneas con comentarios o comentarios en líneas de programa.
• El símbolo (más) es un salto de línea, que se usa para declaraciones largas.
• Símbolo "." (punto) - el comienzo de la directiva de línea que controla el proceso de modelado.

Las líneas restantes se refieren a la descripción de la topología y los componentes.

Los comentarios juegan un papel de apoyo. Las directivas controlan el curso del proceso computacional, el acceso a modelos y macromodelos y la salida de los resultados de la simulación. Las líneas de descripción de topología definen formalmente el circuito eléctrico del dispositivo, indicando los nodos de conexión de los pines del componente y sus modelos.

MODELOS Y GRÁFICOS DE PSPICE

Para usar el modelo Pspice creado en programas que tienen un shell gráfico desarrollado, por ejemplo, MicroCap 5 o DesignLab, es necesario, utilizando las capacidades de servicio de estos paquetes, incluirlo en las bibliotecas PSpice existentes y crear un símbolo gráfico apropiado, preferiblemente de acuerdo con GOST. El trabajo posterior con el nuevo componente no será diferente de los existentes.

CREACIÓN DE COMPONENTES ANALÓGICOS CON UN MODELO INCORPORADO

Los parámetros de los componentes analógicos con un modelo integrado se indican de dos formas: directamente sobre una oración que describe la ubicación del componente en el circuito; utilizando la directiva .MODEL, que describe los modelos de componentes integrados.

La forma general de la descripción del modelo:

.MODEL <nombre de componente> 1AKO:<nombre de modelo de prototipo>] <nombre de tipo de modelo> ([<parámetros de modelo>=<valor> [<especificación de distribución aleatoria de valor de parámetro>]1 [T_MEA-SURED=<valor>] [[T_AB8=<valor>] o [T_REL_GLOBAC=<valor>] o [T_REL_LOCL=<valor>]])

donde: <nombre del componente> es el nombre de un dispositivo específico, por ejemplo: RM. KD503. KT315A;

[ACO:<nombre del modelo de prototipo>] - definición de un modelo utilizando un prototipo existente (esto reduce el tamaño de la biblioteca). En la descripción, solo se deben indicar los diferentes parámetros;

<nombre del tipo de modelo> - nombre estándar del modelo ideal incorporado (Tabla 1);

[<parámetros del modelo>=<valor> [<especificación de distribución aleatoria del valor del parámetro>]]: entre paréntesis, indique la lista de valores de los parámetros del modelo de componente. Si falta esta lista o está incompleta, los valores de los parámetros del modelo que faltan se asignan de forma predeterminada. Cada parámetro puede tomar valores aleatorios con respecto a su valor nominal, pero esto solo se usa en análisis estadístico.

Los parámetros de muchos modelos dependen de la temperatura. Hay dos formas de establecer la temperatura de los componentes pasivos y los dispositivos semiconductores. En primer lugar, la directiva .MODEL especifica la temperatura a la que se miden los parámetros T_MEASURED=<value> incluidos en ella. Este valor anula la temperatura TNOM establecida por la directiva .OPTIONS (predeterminada 27°C). En segundo lugar, puede establecer la temperatura física de cada dispositivo, anulando la temperatura global establecida por las directivas .TEMP, .STEP TEMP o .DC TEMP. Esto se puede hacer con uno de los siguientes tres parámetros: T ABS - temperatura absoluta (por defecto 27°C); T_REL_GLOBAL - diferencia entre las temperaturas absoluta y global (predeterminado - 0), entonces T_ABS = temperatura global + T_REL_GLOBAL, T_REL_LOCL - temperatura relativa, la temperatura absoluta del dispositivo en estudio es igual a la temperatura absoluta del prototipo más el valor del parámetro T_REL_LOCL

Todos los parámetros del modelo se indican en unidades SI. Para acortar el registro se utilizan prefijos especiales (Tabla 2). Se les permite agregar caracteres alfabéticos para mejorar la claridad de las designaciones, por ejemplo, 3, ZkOhm, 100pF, 10uF, 144MEG, WmV.

La forma de describir la inclusión de un componente en un circuito:

<primer carácter + continuar> lista de nodos> [<nombre del modelo>] <opciones>

Una descripción de componente es cualquier cadena que no comienza con el carácter "." (punto).

El nombre del componente consta del primer carácter estándar (Tabla 3), que define el tipo del componente, y una continuación arbitraria de no más de 130 caracteres.

Los números de nodos de conexión de componentes en el diagrama se enumeran en un orden específico establecido para cada componente. Nombre del modelo: el nombre del modelo del componente cuyo tipo está definido por el primer carácter.

A continuación, se pueden especificar los parámetros del modelo de componentes.

RESISTOR

La forma de la descripción de la inclusión de una resistencia en el circuito:

R<nombre> <nodo(+)> <nodo(-)> [<nombre del modelo>] <valor de resistencia>

Formulario de descripción del modelo:

.MODEL <nombre del modelo> RES(<parámetros del modelo>)

La lista de parámetros del modelo de resistencia se da en la Tabla. cuatro

Ejemplos: RL30 56 1.3K; Resistencia RL de 1,3 kΩ conectada a los nodos 30 y 56.

R2 12 25 2.4K CT=0.005, -0.0003; Resistencia R2 de 2.4 kΩ conectada a los nodos 12 y 25 y con coeficientes de temperatura TC1 = 0.005 °C-1 TC2 = -0.0003 °C-2. R3 3 13RM 12K

.MODEL RM.RES (R = 1.2 DEV = 10% TC1 = 0.015 TC2 = -0.003): resistencia R3 de 12 kΩ conectada entre los nodos 3 y 13. R es el coeficiente de proporcionalidad entre el valor de resistencia utilizado en la simulación y el valor nominal especificado.

Los modelos de un capacitor y un inductor se ven similares.

CONDENSADOR

La forma de la descripción de la inclusión de un condensador en el circuito:

C<nombre> <nodo(+)> <nodo(-)> (<nombre del modelo>) valor de capacidad>

Formulario de descripción del modelo:

.MODEL <nombre del modelo> CAP (<parámetros del modelo>)

La lista de parámetros del modelo de condensador se da en la Tabla. 5.

Ejemplos: C1 1 4 10i; el condensador C1 con una capacidad de 10 uF está conectado entre los nodos 1 y 4.

C24 30 56 100 págs. el condensador C24 con una capacidad de 100 pF está conectado entre los nodos 30 y 56.

INDUCTOR

La forma de la descripción de la inclusión de la bobina en el circuito:

L <nodo(+)> <nodo(-)> (<nombre del modelo>] Valor de inductancia>

Formulario de descripción del modelo:

.MODEL <nombre del modelo> IND (<parámetros del modelo>)

La lista de parámetros del modelo de inductor se da en la Tabla. 6.

Ejemplo: L2 30 56 100u; la bobina L2 con una inductancia de 100 μH está conectada entre los nodos 30 y 56.

DIODO

La forma de la descripción de la inclusión del diodo en el circuito:

D<nombre> <nodo(+)> <nodo(-)> [<nombre del modelo>]

Formulario de descripción del modelo:

.MODEL <nombre del módulo> D [<parámetros del modelo>)

La lista de parámetros del modelo de diodo se da en la Tabla. 7.

Ejemplos de modelos de diodos domésticos:

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

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

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

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

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

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

TRANSISTORES BIPOLARES

La forma de la descripción de la inclusión de un transistor bipolar en el circuito:

0<nombre> <nodo colector> <nodo base> <nodo emisor> [<nombre del modelo>)

Formulario de descripción del modelo:

.MODEL <nombre del modelo> NPN [<parámetros del modelo>); transistor bipolar de estructura npn

.MODEL <nombre del modelo> PNP [<parámetros del modelo>'; transistor bipolar de estructura pnp

La lista de parámetros del modelo de transistor bipolar se da en la Tabla. ocho.

TRANSISTOR DE CAMPO CON UNIÓN PN DE CONTROL

La forma de la descripción de la inclusión de un diagrama de transistor de efecto de campo 8:

o"<nombre> <nodo de drenaje> <nodo de puerta> <nodo de origen> (<nombre del modelo>)

Formulario de descripción del modelo:

.MODEL <nombre del modelo> NJF [<parámetros del modelo>], FET de canal n

.MODEL <nombre del modelo> PJF [<parámetros del modelo>]; transistor de efecto de campo de canal p

La lista de parámetros del modelo de transistor de efecto de campo se da en la Tabla. 9.

Ejemplos de modelos de transistores:

.modelo IDEAL NPN; transistores ideales.

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

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

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

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

.modelo 2T630A NPN (ls=17.03f Xti=3 + Eg=1.11 Vaf=l23 Bf=472.7 Ne= 1.368 + Ise=l63.3f lkf=.4095 Xtb=1.5 var=75 + Br=4.804 Nc=2 ls=1.35p 1kr=.21 + Rb=14.2 0.65. 2 Rc=24 Cjc=69L33p Vjc=.5 + Mjc=.34.4 Fc=.69 Cje=33p Vje=.50.12 + Mje=.1.795 Tr=65p Tf=60n ltf=.1.1 + Vtf=XNUMX Xtf=XNUMX)

FUENTES DE TENSIÓN Y CORRIENTE INDEPENDIENTES

Formulario de descripción de la fuente:

\/<nombre> <nodo{+)> <nodo(-)> [^C]<valor> [AC<amplitud>[fase)] [<señal>(<parámetros>)]

1<nombre> <nodo(+)> <nodo(-)> [(0C]<signo> [AC<amplitud> [fase]] [<señal>(<parámetros>)]

La dirección positiva de la corriente se considera la dirección desde el nodo (+) a través de la fuente hasta el nodo (-). Puede especificar valores para fuentes para cálculos de corriente continua y transitorios de CC (predeterminado - O), para análisis de frecuencia de CA (amplitud por defecto - 0; fase se indica en grados, por defecto - 0). Para una <señal>> transitoria puede tomar los siguientes valores: EXP - fuente de señal exponencial, PULSE - fuente de pulso, PWL - fuente polinómica, SFFM - fuente modulada en frecuencia, SIN - señal de fuente sinusoidal.

Ejemplos: V2 3 0 DC 12; fuente de tensión 12 V. conectada entre los nodos 3 y 0.

VSIN 2 O SIN(0 0.2V 1MEG); Fuente de tensión sinusoidal de 0.2 V con una frecuencia de 1 MHz con una componente constante de 0 V.

11 (4 11) CC 2 mA; Fuente de corriente de 2 mA conectada entre los nodos 4 y 11.

ISIN 2 0 SIN(0 0.2m 1000); fuente de corriente sinusoidal de 0.2 mA con una frecuencia de 1000 Hz con una componente constante de 0 mA.

FUENTES DE TENSIÓN Y CORRIENTE DEPENDIENTES

Las fuentes dependientes son ampliamente utilizadas en la construcción de macromodelos. Su uso permite medios simples para simular cualquier relación entre voltaje y corriente. Además, con su ayuda, es muy fácil organizar la transferencia de información de un bloque funcional a otro. PSpice tiene modelos integrados de fuentes dependientes:

E - fuente de tensión controlada por tensión (INUN);

F - fuente de corriente controlada por corriente (ITUT);

G - fuente de corriente controlada por voltaje (ITUN);

H - fuente de voltaje controlado por corriente (INUT).

Forma de descripción de las fuentes dependientes:

Primer carácter<nombre> <nodo(+)> <nodo(-)> <función de transferencia>

El primer carácter del nombre debe coincidir con el tipo de fuente. La dirección positiva de la corriente se considera la dirección desde el nodo (+) a través de la fuente hasta el nodo (-). A continuación, se indica la función de transferencia, la cual se puede describir de diferentes maneras:

polinomio de potencia: POLY (<expresión>):

fórmula: VALOR=(<expresión>):

tabla: TABLA (<expresión>):

Transformada de Laplace: LAPLACE (<expresión>):

tabla de frecuencias: FREQ (<expresión>);

Polinomio de Chebyshev: CHEBYSHEV (<expresión>).

Ejemplos: E1 (12 1) (9 10) 100: Voltaje controlado por voltaje entre los nodos 9 y 10. Conectado entre los nodos 12 y 1 con una ganancia de 100.

EV 23 56 VALUE={3VSQRT(V(3.2)+ +4*SIN(I(V1)}): fuente conectada entre los nodos 23 y 56, con dependencia funcional de la tensión entre los nodos 3 y 2 y la fuente de corriente VI.

EN 23 45 POLY(2) (3.0) (4,6) 0.0 13.6 0.2 0.005: fuente de voltaje no lineal conectada entre los nodos 23 y 45. dependiente del voltaje entre los nodos 3 y 0 V{3.0) y los nodos 4 y 6 V(4.6). La dependencia está descrita por el polinomio EN=0 + 13.6V3,0 + 0.2V1,6 + 0.005V3,02.

TABLA EP 2 0 (V(8))=(0.0) (1.3.3) (2.6.8): fuente conectada entre los nodos 2 y 0, en función de la tensión en el nodo 8. medida relativa al común. Además, después del signo igual, las filas de la tabla se enumeran con el par de valores (entrada, salida). Los valores intermedios se interpolan linealmente.

EL 8 0 LAPLACE {V( 10)}={exp(-0.0rS)/ (1+0.rS)}; asignación de la función de transferencia según Laplace.

G1 (12 1) (9 10) 0.1; fuente de corriente V(9.10) controlada por voltaje con un coeficiente de transferencia de 0.1.

Aquí es apropiado dar ejemplos de la designación de variables en los programas PSpice: V (9) - voltaje en el nodo 9. medido en relación con el cable común.

V(9.10) - voltaje entre los nodos 9 y 10.

V(R12) - caída de tensión en la resistencia R12v

VB(Q1) - voltaje en la base del transistor Q1.

VBE(Q1) - tensión base-emisor del transistor Q1 l(D1) - corriente del diodo D1.

1С(02) - corriente de colector del transistor Q2.

ESTUDIO DE MODELOS DE COMPONENTES

Los modelos de componentes se pueden explorar con programas de simulación. Usando el shell gráfico, es muy fácil crear un laboratorio virtual para probar las características estáticas y dinámicas de los elementos existentes y creados. Esto permitirá establecer el grado de cumplimiento de sus propiedades con los parámetros de referencia de componentes reales, seleccionar análogos entre modelos de componentes extraños o estudiar en detalle un modelo desconocido. Sin embargo, en los ejemplos dados, se utilizan las capacidades de PSpice.

Usemos la directiva .OS (cálculo multivariante del modo DC) del lenguaje PSpice y construyamos una familia de características de salida de un transistor bipolar npn conectado según un circuito emisor común (Fig. 1).

La característica de salida es la dependencia de la corriente del colector del transistor del voltaje en su colector.

Para varios valores de la corriente base, obtenemos una familia de características de salida. El cálculo se realizó para el transistor KT315A (Fig. 2) y un transistor ideal con parámetros predeterminados (Fig. 3).

La tarea de modelar en forma de texto parece muy simple (Tabla 10).

Para calcular el CVC de un transistor ideal, en el programa debe eliminar el asterisco al comienzo de la línea (* Q1 120 IDEAL) y agregarlo a la línea (Q1 1 2 0 KT315A). Es mejor escribir los comentarios en el texto del programa en inglés, o al menos en letras latinas, ya que los programas de simulación no suelen soportar el cirílico. En el artículo, los comentarios se dan en ruso para mayor claridad.

El CVC del diodo zener D814A está construido de manera similar: la dependencia del voltaje de la corriente (Fig. 4, 5, Tabla 11).

Ahora usemos las capacidades de las directivas .DC y .TEMP (variación de temperatura) y construyamos una familia de características de transferencia del transistor de efecto de campo KP303D conectado de acuerdo con un circuito fuente común (Fig. 6, Tabla 12).

La característica de transferencia de un transistor de efecto de campo es la dependencia de la corriente de drenaje del voltaje entre la puerta y la fuente. Para diferentes temperaturas, es posible construir una familia de características (Fig. 7), ya que el modelo tiene en cuenta la dependencia de la temperatura de los parámetros del transistor.

Como ejemplo de evaluación de las propiedades dinámicas de los modelos, construimos una familia de características de frecuencia del transistor KT315A en cuatro valores de la corriente del colector. El esquema de medición se muestra en la fig. 8.

Para ello, utilizamos las capacidades de las directivas .AC (cálculo de respuesta en frecuencia) y .STEP (análisis multivariado), componemos una tarea para modelar (Tabla 13), calculamos IB(Q1) y lC(Q1).

Después de realizar la simulación, comparamos los resultados obtenidos (Fig. 9) con los parámetros del manual [4].

Para ello procederemos de la siguiente manera. El posprocesador gráfico de los programas de simulación permite realizar operaciones matemáticas sobre gráficos. Esto nos permitirá trazar la relación entre la corriente de colector IC(Q1) y la corriente de base IB(Q 1). Como resultado, obtenemos la respuesta de frecuencia del módulo de coeficiente de transferencia de corriente del transistor a varias corrientes de colector. Usando el modo de medición del cursor, determinaremos el módulo del coeficiente de transferencia de corriente a una frecuencia de 100 MHz. Para todas las opciones, los números se indican en los gráficos. Habiéndolos comparado con el libro de referencia, veremos que el modelo propuesto del transistor KT315A, teniendo en cuenta la propagación, se acerca a la realidad. (Según el libro de referencia: lh21eI = 2,5 a Ik = 1 mA, Uk = 10 V). La dependencia de las propiedades de frecuencia del transistor con la corriente del colector también es consistente con la teoría y con los datos proporcionados en los libros de referencia.

Como conclusión de esta sección, se debe decir que los modelos incorporados, a pesar de la gran cantidad de parámetros que se tienen en cuenta, se comprometen rápidamente. Los dispositivos semiconductores simulados pasan fácilmente grandes corrientes y soportan grandes voltajes.

Es suficiente expandir los límites de cambio de voltaje y corriente en los ejemplos considerados aquí (ver Fig. 1, b) y quedará claro que el modelo de transistor incorporado no tiene en cuenta el fenómeno de ruptura de las uniones p-n.

Los modelos de resistencias, condensadores, inductores y transistores tampoco tienen en cuenta las capacitancias, inductancias y resistencias parásitas, y esto es muy importante cuando se simula el funcionamiento de un dispositivo a altas frecuencias.

Aproximadamente lo mismo puede decirse de otros modelos incorporados. Todos ellos tienen un alcance limitado y, por regla general, no tienen en cuenta nada.

Por lo tanto, se sigue la conclusión: necesitamos modelos más avanzados, libres de estas deficiencias. En casos extremos, para evitar, por ejemplo, la ruptura de los transistores, es necesario encender diodos con un modelo sin inercia en paralelo con las uniones de transistores y una elección adecuada del parámetro BV. Los efectos parásitos se pueden tener en cuenta "envolviendo" los modelos integrados con condensadores, bobinas y resistencias.

Los modelos incorporados son un tipo de bloques de construcción que le permiten explorar cualquier opción de modelado. Para eso son perfectos.

Usando los métodos que se discutirán a continuación, puede crear modelos eficientes y perfectos de componentes elementales.

CREACIÓN Y APLICACIÓN DE MACROMEDELOS

Si alguna vez ha estudiado lenguajes de programación, probablemente sepa lo que es una subrutina. Este es un programa especialmente diseñado, que es llamado repetidamente por el módulo del programa principal. En la práctica, esto significa un modelo macro.

Formulario de descripción del macromodelo: .SUBCKT <nombre del macromodelo> <lista + nodos externos>

+ [PARAMS:<<nombre del parámetro> = + <valor>>] + [TEXT:<<nombre del parámetro de texto> + =<texto>>]

<cadenas que describen el esquema del modelo macro> .ENDS

La directiva .SUBCKT es el encabezado del modelo macro. Define el comienzo del macromodelo, su nombre y nodos para conectarse al esquema externo.

Líneas de descripción del esquema del macromodelo: una lista de operadores en un orden arbitrario que describe la topología y la composición del macromodelo.

La directiva .ENDS define el final del cuerpo del macromodelo.

La palabra clave PARAMS define la lista de parámetros que se pasan de la descripción del circuito principal a la descripción del macromodelo.

La palabra clave TEXT define una variable de texto que se pasa de la descripción de la cadena principal a la descripción del modelo macro.

Forma de descripción de inclusión del modelo macro en el esquema: X<nombre> <nodos de conexión> [<nombre + macromodelo>]

+ [PARAMS:<<nombre del parámetro> = + <valor>)

+ (TEXTO:<<texto + nombre del parámetro>=<texto>]

Esta sentencia determina que el macromodelo descrito por la sentencia .SUBCKT está conectado a los nodos especificados en el esquema. El número y el orden de los nodos debe coincidir con el número y el orden de los nodos en la directiva .SUBCKT correspondiente.

Las palabras clave PARAMS y TEXT le permiten establecer los valores de los parámetros definidos como argumentos en la descripción del modelo macro y usar estas expresiones dentro del modelo macro.

EJEMPLO DE CREACIÓN DE UN MODELO MACRO SIMPLE

El ejemplo dado demuestra la solución del problema en la frente. Los radioaficionados suelen utilizar la lógica digital para realizar funciones analógicas, como amplificar o generar señales. Para el modelado detallado de tales dispositivos, tiene sentido construir un macromodelo exacto del elemento lógico. Considere el elemento lógico 2I-NOT del microcircuito K155LAZ.

Al crear un modelo macro, debe realizar el siguiente trabajo:

• dibujar un circuito eléctrico del macromodelo de este elemento (Fig. 10):
• asignar designaciones de referencia a todos los elementos del circuito;
• numere todos los nodos (al cable común siempre se le asigna el número 0):
• utilizando los operadores para incluir elementos en el circuito, describa todos los componentes:
• formalizar el macromodelo describiéndolo con las directivas .SUBCKT y .ENDS;
• guarde el texto del modelo macro en un archivo separado o agréguelo a un archivo de biblioteca existente con la extensión *.lib.

Como resultado, obtenemos un archivo de texto (Tabla 14).

Con este enfoque para crear un modelo macro, es necesario:

• la presencia de un circuito muy preciso del elemento (o microcircuito);
• la presencia de parámetros de referencia de los componentes que componen el SI.

Cabe señalar que siempre hay problemas con los parámetros de referencia, especialmente para los componentes integrales. En cuanto a la descripción exacta de los microcircuitos, rara vez se publica, en su mayoría encontrará los más simples, e incluso entonces, con errores. Desafortunadamente, hasta hace poco, esto rara vez preocupa a nadie.

Sin embargo, por extraño que parezca a primera vista, el enfoque descrito anteriormente al crear un macromodelo aún no ofrece ninguna garantía para construir un modelo que funcione bien.

¿CÓMO CREAR UN MODELO DE MACRO RÁPIDO SIMPLIFICADO?

No siempre la solución de este problema en la frente es la verdadera forma de crear un buen macromodelo. Los modelos construidos con este "método" requerirán muchos recursos informáticos y tendrán baja velocidad, es decir, el cálculo del circuito será muy lento. ¡Recordemos cuántos transistores en un chip pueden tener los microcircuitos modernos! Por lo tanto, es muy importante poder construir macromodelos simplificados reemplazando subsistemas de microcircuitos individuales con nodos equivalentes. Al mismo tiempo, la calidad del modelo puede incluso mejorar, especialmente si se modela un microcircuito de alto grado de integración.

Vamos a crear nuestro propio macromodelo PSpice simplificado del comparador K521CAZ.

Aquí también puede haber casos extremos. Puede, por ejemplo, implementar una función de comparación utilizando una fuente dependiente. En este caso, el modelo resultará simple y relativamente rápido, pero no reflejará la física del dispositivo real. Por lo tanto, es necesario buscar una solución de compromiso entre la precisión del modelo y su velocidad.

Considere qué es el comparador K521SAZ. Implementa la función de comparar dos señales analógicas. Si la diferencia entre las señales en las entradas es positiva, la salida del comparador será alta, si es negativa, baja. La comparación de señales se realiza mediante un amplificador diferencial en la entrada. La etapa de salida se implementa en un colector abierto y un transistor emisor. Esta información ya es suficiente para sintetizar el modelo más simple pero bastante funcional de este microcircuito (Fig. 11).

Para simular completamente las propiedades de entrada y salida del comparador, se instalan transistores en la entrada y la salida. Sin embargo, el amplificador diferencial está muy simplificado. Los emisores del par diferencial utilizan una fuente de corriente ideal, de hecho, se implementa en varios transistores. La interfaz con la etapa de salida se realiza mediante una fuente de corriente controlada por tensión. En un microcircuito real, también se utilizan varios transistores.

Por lo tanto, al construir este modelo de compromiso, los nodos multitransistores se reemplazan por otros simplificados e idealizados, pero con la preservación de las propiedades externas del dispositivo. PSpice tiene un conjunto perfecto de herramientas para expresar cualquier propiedad de dispositivos reales con suficiente precisión para propósitos prácticos incluso en casos más complejos.

Asignemos designaciones posicionales a todos los elementos del circuito, numeremos los nodos y describamos el macromodelo comparador en el lenguaje de entrada de PSpice (Tabla 15).

Ahora veamos cómo el macromodelo resultante realiza las funciones de un comparador. Para hacer esto, dibuje un circuito de prueba (Fig. 12).

Luego crearemos una tarea para modelar (Tabla 16) y calcularemos la característica de transferencia de este modelo (Fig. 13)

La característica de transferencia del comparador es la dependencia de la tensión de salida de la diferencia de tensión en las entradas. Se puede ver a partir de la característica calculada que a pesar de la sencillez del modelo, el comparador resultó ser bastante eficiente.

En este ejemplo, por primera vez usamos el macromodelo del componente, describiendo su conexión en el circuito con la línea X1 (0 1 2 0 4 3) K521CAZ. Tenga en cuenta que los nombres de los elementos en el modelo macro son locales y se pueden ignorar al nombrar componentes en la cadena externa.

Es hora de simular algún montaje electrónico realizado sobre el comparador K521SAZ. por ejemplo, un detector de amplitud de precisión (Fig. 14, Tabla 17).

Los resultados de la simulación se muestran en la fig. 15 y 16.

Llamaremos al macromodelo comparador desde el archivo de biblioteca C:\USERLlB\kompar.lib.

Para especificar las bibliotecas en las que se almacenan los modelos, se utiliza la directiva .LIB, que debe describirse en la tarea de modelado. Entonces ya no es necesario incluir una descripción del macromodelo en el texto. Forma de operador: .LIB [<nombre de archivo de la biblioteca^].

Tenga en cuenta que, en general, se pueden incluir otros macromodelos en un macromodelo. Por lo tanto, al descartar las directivas de control y colocar la descripción del detector de picos entre SUBCKT y .ENDS, obtenemos un nuevo macromodelo que contiene un macromodelo anidado. De esta manera, puede componer de forma muy compacta los modelos más complejos, si primero prepara los nodos típicos necesarios y los almacena en un archivo de biblioteca separado.

CREACIÓN DE MODELOS QUE CONSIDERAN LA DISTRIBUCIÓN TECNOLÓGICA Y EL EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPONENTES

Los parámetros de todos los elementos tienen un margen y. además, también dependen de la temperatura. La vida de los radioaficionados se volvería aburrida sin estos problemas, ya que sería imposible crear un diseño inoperable a partir de piezas reparables, guiados por el esquema correcto. La naturaleza nos ha dado tal oportunidad. Los programas de simulación le permiten identificar dispositivos cuyo rendimiento depende de la temperatura y de la dispersión de los parámetros de los componentes. Para ello se realiza el análisis estadístico por el método de Montecarlo y análisis multivariado. Sin embargo, debe tener los modelos de componentes apropiados.

En los modelos integrados de PSpice para tener en cuenta la dispersión y el efecto de la temperatura, existen: "Especificación de una dispersión aleatoria del valor del parámetro", "Coeficiente de temperatura lineal", "Coeficiente de temperatura cuadrático". "Coeficiente de temperatura exponencial". Además, puede controlar la temperatura de los componentes individuales utilizando los parámetros T_MEASURED. PESTAÑAS. T_REL_GLOBAL. T_REL_LOCL, que a veces es útil.

En el análisis multivariante, no solo la temperatura puede convertirse en una variable, sino también casi cualquier parámetro del modelo que pueda cambiar debido a cualquier impacto físico del entorno externo o la degradación de los parámetros de los componentes con el tiempo.

Obviamente, si los macromodelos se construyen sobre la base de dichos modelos, también tendrán una dispersión aleatoria y una dependencia de la temperatura.

De hecho, en el caso de la construcción de macromodelos, un enfoque tan sencillo es completamente inadecuado. Como se mencionó anteriormente, en la construcción de macromodelos se utilizan fundamentalmente simplificaciones y supuestos. Como resultado, el esquema del macromodelo rara vez se corresponde con el original. Además, es simplemente imposible para un radioaficionado rastrear las verdaderas conexiones térmicas entre los elementos integrados en el microcircuito. Por lo tanto, el macromodelo se construye a partir de componentes estables, y luego se introducen elementos con una dependencia de la temperatura y la dispersión de manera específica. Pero lo hacen de esta manera. para mostrar las propiedades estadísticas y térmicas más significativas del dispositivo simulado. Este enfoque es adecuado para tener en cuenta la influencia de otras influencias físicas, aunque no es el único. Entonces. con la radiación ionizante, que afecta a casi todos los parámetros de los componentes, es más conveniente tener varias copias de bibliotecas para diferentes dosis. Luego, utilizando la directiva .LIB, las bibliotecas de componentes completas se reemplazan de acuerdo con la dosis recibida. Los resultados se pueden combinar en un solo gráfico.

Como ejemplo de creación y uso de modelos con dispersión de parámetros y dependencia de la temperatura, simularemos un filtro (Fig. 17, Tabla 18) utilizado en radiotelefonía, que opera en condiciones climáticas difíciles. El rango de temperatura es de -40 a +80 "C. En los modelos de todos los componentes, se establecen los parámetros de dispersión tecnológica e inestabilidad de temperatura de los parámetros principales.

Usando las directivas .AC, .TEMP y .MC, calculamos la respuesta de frecuencia del filtro y sus variaciones con los cambios de temperatura y una dispersión en los parámetros de los elementos.

Inmediatamente queda claro (Fig. 18) que las características del filtro dependen en gran medida de la temperatura, y dicho teléfono funcionará mal. La conclusión es obvia: es necesario elegir elementos más estables y precisos para este filtro para obtener un dispositivo funcional.

EJEMPLO DE CONSTRUCCIÓN DE MODELOS PROFESIONALES

Estos son los macromodelos de amplificadores operacionales estándar para PSpice con transistores bipolares (K140UD7, Fig. 19, Tabla 19) y de efecto de campo (K140UD8, Fig. 20, Tabla 20) en la entrada.

Tenga en cuenta que todos los transistores están excluidos en ellos, excepto los de entrada. Esto afecta favorablemente el desempeño de los macromodelos. Sin embargo, tienen en cuenta con mucha precisión muchos efectos que ocurren en un dispositivo real.

Atención al uso masivo de fuentes dependientes e independientes. Esta es la herramienta principal para la construcción competente de buenos macromodelos de microcircuitos complejos.

La etapa diferencial de entrada modela la presencia de una corriente de mezcla y la dependencia de la velocidad de respuesta del voltaje de salida en el voltaje diferencial de entrada. El condensador Cee (Css) le permite mostrar la asimetría del pulso de salida del amplificador operacional en una conexión no inversora. El condensador C1 y la capacitancia de las uniones del transistor imitan la naturaleza bipolar de la respuesta de frecuencia del amplificador operacional. Las fuentes de corriente controladas ga, gcm y las resistencias r2, r®2 simulan la amplificación de voltaje diferencial y de modo común. Con la ayuda del condensador C2, conectado a elección del usuario, es posible simular la corrección interna o externa del amplificador operacional. La no linealidad de la etapa de salida del amplificador operacional está modelada por los elementos din. aderezo. ro1 (limitan la corriente máxima de salida) y dc, de, vc, ve (limitan la oscilación del voltaje de salida). La resistencia rp simula el consumo de corriente continua por parte del microcircuito. Protección diodo dp.

Sin embargo, la experiencia demuestra que no siempre se requieren modelos lánguidos, porque el precio de esto es un rendimiento reducido. Tiene sentido desarrollar una biblioteca de macromodelos simplificados para usted mismo, para no perder el tiempo esperando resultados cuando solo necesita "ejecutar" la idea.

Además, no debemos olvidar que siempre es posible crear un modelo más perfecto que el estándar o profesional. En nuestro caso particular, los macromodelos dados del amplificador operacional no modelan todas las propiedades de los dispositivos reales y pueden mejorarse. Esto se aplica a las características de temperatura, estadísticas, ruido y, sobre todo, a la resistencia de entrada. La capacitancia de entrada del amplificador es cero porque no se especifican capacitancias en el modelo de transistor. Otro inconveniente es la falta de una descripción de la ruptura (apertura de diodos protectores o ruptura reversible de uniones de emisores) en grandes señales de entrada de cierre, y la lista continúa.

Sobre la base de todo lo dicho, formulamos un enfoque formal general para la construcción de macromodelos de componentes analógicos.

La estructura más simple del macromodelo puede representarse como tres bloques conectados en serie: el primero describe las características de entrada, el segundo describe las características de transferencia (distorsiones lineales y no lineales), el tercero describe las características de salida. La transferencia de información de un bloque a otro se lleva a cabo utilizando fuentes dependientes de corriente o voltaje. El número de bloques, su tipo. distribución de funciones, el número de caminos paralelos puede ser diferente si la tarea lo requiere.

Habiendo creado un conjunto típico de modelos de tales bloques, es permisible poner la creación de macromodelos literalmente en marcha.

Por lo tanto, la creación de un buen modelo requiere un extenso material de referencia, intuición, conocimiento de la física de los semiconductores y dispositivos electrónicos, ingeniería eléctrica, ingeniería de radio, ingeniería de microcircuitos, circuitos, matemáticas y programación. La tarea es solo para radioaficionados con su infatigable energía creativa.

Literatura

1. Razevig V.D. Sistema de diseño de extremo a extremo DesignLab 8.0. - M.: Solón. 1999.
2. Razevig V.D. Sistema de modelado de circuitos MicroCap 5. - M.: Solon. 1997.
3. Arkhangelsky A. Ya. PSpice and Design Center. Parte 1 Modelado de circuitos. Modelos de elementos. Modelado de macros. - M.: MEPHI. 1996.
4. Semiconductores: transistores. Manual Ed. N. N. Goryunova. - M. Energoatomizdat. 1985.

Autor: O. Petrakov, Moscú

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