Modèles PSPICE pour les programmes de simulation. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / microcontrôleurs

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Les ordinateurs deviennent rapidement moins chers, la vitesse de leurs calculs augmente. D'excellents programmes sont apparus qui permettent aux radioamateurs de simuler et d'observer sur l'écran du moniteur des processus dans de vrais appareils, un travail direct avec lequel nécessiterait des instruments de mesure très coûteux. Ceci est particulièrement important pour les débutants, qui, en règle générale, ne disposent que d'un multimètre et, moins souvent, d'un simple oscilloscope.

Les programmes les plus populaires parmi les radioamateurs sont MicroCap 5, Electronic Workbench, PSpice (PSpice est inclus dans les packages Design Center, DesignLab, OrCad-9). Ils peuvent toujours être trouvés sur les laserdiscs proposés par les marchés de la radio. Ce qui manque sur ces disques, ce sont des modèles de composants radioélectroniques nationaux et importés pour de tels programmes. Et c'est une richesse considérable, surtout si les modèles sont préparés par des professionnels et vérifiés.

Historiquement, le programme PSpice a été le premier à apparaître - le développement de MicroSim Corporation au début des années 70. Depuis lors, il a été développé de manière intensive et, en raison de la simplicité du langage d'entrée et de la fiabilité des algorithmes utilisés, il est devenu une sorte de standard pour de tels systèmes. Par conséquent, d'autres programmes utilisent le langage d'entrée PSpice. Les composants du modèle PSpice ou contiennent le noyau de ce programme. En fait, beaucoup d'entre eux sont des coquilles pratiques qui vous permettent d'écrire une tâche dans le langage naturel des radioamateurs - le langage des circuits électriques. C'est très pratique, car la langue d'entrée "native" du programme PSpice est un fichier texte en codes ASCII, qui demande beaucoup de travail manuel, qui est très laborieux et souvent accompagné d'erreurs.

Cependant, il existe un domaine où le langage de saisie PSpice est indispensable. De bons modèles de composants à grande vitesse pour ces programmes sont écrits dans le langage PSpice. Dans les pays développés, les fabricants de circuits intégrés doivent développer et publier des modèles PSpice de leurs appareils, sinon ils ne seront pas utilisés. Il n'y a pas encore de telles traditions en Russie. Par conséquent, les bibliothèques existantes de modèles PSpice ne satisferont certainement pas les radioamateurs, et la création de leurs propres modèles de composants peut devenir une direction possible pour la créativité des radioamateurs. Montrons par des exemples simples que c'est assez simple.

Pour que tout soit plus clair, abordons la terminologie de PSpice.

• Schéma électrique - une représentation graphique conditionnelle des composants électroniques et des connexions électriques entre eux sur une sorte de support en papier.
• Un nœud est un point de connexion électriquement commun pour les bornes des composants du circuit.
• Composant - une unité de circuit utilisée dans la description des circuits électroniques. en règle générale, correspondant à l'appareil réellement produit par l'industrie. Un composant se compose de son nom, de son image graphique et de son modèle, complétés par des paramètres.
• Un modèle est une description mathématique d'un composant qui décrit son fonctionnement avec une précision acceptable à des fins pratiques.
• Modèle intégré - un modèle dont la description est définie dans le corps du programme PSpice.
• Macromodèle - consiste en un ensemble de composants topologiquement liés avec des modèles intégrés. Au sein d'un modèle macro, d'autres modèles macro peuvent être utilisés.
• Macromodèle standard - un macromodèle pour lequel un programme régulier est fourni, capable de générer automatiquement un macromodèle d'un composant selon les paramètres du passeport. Ainsi, par exemple, les amplificateurs opérationnels et les comparateurs de PSpice ont des modèles macro standard.
• Définir le modèle - définissez les paramètres correspondant à un composant spécifique.
• Les paramètres sont des constantes numériques qui ajustent le modèle idéal aux propriétés d'un appareil réel.
• Un prototype est un modèle déjà existant qui est utilisé comme source de paramètres pour un composant nouvellement créé. Les prototypes sont pratiques à utiliser lors de la création d'un groupe de composants associés avec une différence uniquement dans les paramètres individuels.
• Un composant idéal est un composant qui utilise un modèle avec des paramètres par défaut.
• Bibliothèque - un ou plusieurs fichiers contenant des modèles et des macro-modèles de composants.
• Tâche de simulation - un fichier texte en codes ASCII contenant des commandes dans la langue d'entrée du programme PSpice.

Il est clair que pour créer un composant basé sur un modèle intégré ou un modèle de macro standard, vous devez définir leurs paramètres. Pour cela, il existe des programmes spéciaux qui, selon les paramètres du passeport pour un composant spécifique, vous permettent de générer son modèle. Le travail est très routinier, nécessitant des données de référence détaillées sur les composants. Dans les ouvrages de référence publiés sur les radioéléments, en règle générale, il n'y a pas d'informations complètes. Ensuite, vous devez effectuer des mesures indépendantes ou consulter les fabricants de radioéléments. Ce processus est décrit en détail dans [1-3]. Malheureusement, dans les versions DEMO, ces programmes fonctionnent avec des limitations, vous permettant de créer uniquement des modèles de diodes.

Mais il y a une issue. Il existe un grand nombre de ces modèles dans les bibliothèques attachées à la distribution, et il n'est pas difficile de trouver un analogue pour les éléments domestiques en lui attribuant un nouveau nom et en le modifiant en conséquence. Vous pouvez travailler avec des bibliothèques, modifier et copier des modèles à l'aide de n'importe quel éditeur de texte.

De plus, pour les radioamateurs qui parlent des langages de programmation, tels que BASIC, ce ne sera pas un gros problème d'écrire leur propre programme pour calculer les paramètres des modèles PSpice selon les paramètres du passeport. Les relations entre les caractéristiques du passeport et les paramètres du modèle peuvent être trouvées dans [1-3]. L'auteur envisage de créer un tel utilitaire, adapté aux annuaires nationaux. Il est tout à fait raisonnable de définir la tâche d'écrire des programmes générateurs pour de tels macromodèles PSpice, dont la création n'est pas prévue dans les programmes réguliers.

Une autre tâche intéressante pour les radioamateurs serait la création d'une pièce jointe de mesure automatisée à un ordinateur qui générerait les paramètres des modèles PSpice ou des macromodèles à partir d'échantillons de contrôle, et même avec la possibilité de traitement statistique. Les radioamateurs ont l'expérience de la création d'accessoires de mesure connectables à un PC.

Les résistances, les condensateurs, les inductances, les diodes, les transistors, les circuits magnétiques, les lignes de communication, les sources de tension et de courant, un ensemble de base d'éléments numériques et certains éléments idéalisés ont des modèles intégrés.

Mais que se passe-t-il s'il n'y a pas de modèle prêt à l'emploi d'un composant. Ensuite, vous devez être capable de développer vos propres macromodèles. Et ici, les possibilités de PSpice sont vraiment infinies. Les premiers blocs de construction des macro-modèles sont des modèles intégrés. En raison des limites de l'article de revue, nous ne parlerons que de ceux-ci. qui seront utilisés dans les exemples.

Pour commencer, un peu sur les fonctionnalités des programmes en langage PSpice.

• La première ligne du programme est un commentaire.
• Symboles "*" (astérisque) et " ;" (point-virgule) désignent des lignes avec des commentaires ou des commentaires dans les lignes de programme.
• Le symbole (plus) est un saut de ligne, utilisé pour les longues déclarations.
• Symbole "." (point) - le début de la directive de ligne qui contrôle le processus de modélisation.

Les lignes restantes renvoient à la description de la topologie et des composants.

Les commentaires jouent un rôle de soutien. Les directives contrôlent le déroulement du processus de calcul, l'accès aux modèles et macromodèles et la sortie des résultats de simulation. Les lignes de description de la topologie définissent formellement le circuit électrique de l'appareil, indiquant les nœuds de connexion des broches des composants et leurs modèles.

MODÈLES ET GRAPHIQUES PSPICE

Afin d'utiliser le modèle Pspice créé dans des programmes dotés d'un shell graphique développé, par exemple MicroCap 5 ou DesignLab, il est nécessaire, en utilisant les capacités de service de ces packages, de l'inclure dans les bibliothèques PSpice existantes et de créer un graphique approprié. symbole, de préférence selon GOST. Les travaux ultérieurs avec le nouveau composant ne seront pas différents de ceux existants.

CRÉER DES COMPOSANTS ANALOGIQUES AVEC UN MODÈLE INTÉGRÉ

Les paramètres des composants analogiques avec un modèle embarqué sont indiqués de deux manières : directement autour d'une phrase qui décrit l'emplacement du composant dans le circuit ; à l'aide de la directive .MODEL, qui décrit les modèles de composants intégrés.

La forme générale de la description du modèle :

.MODEL <nom du composant> 1AKO :<nom du modèle prototype>] <nom du type de modèle> ([<paramètres du modèle>=<valeur> [<spécification de propagation aléatoire de la valeur du paramètre>]1 [T_MEA-SURED=<valeur>] [[ T_AB8=<valeur>] ou [T_REL_GLOBAC=<valeur>] ou [T_REL_LOCL=<valeur>]])

où : <component name> est le nom d'un appareil spécifique, par exemple : RM. KD503. KT315A ;

[ACO:<nom du modèle de prototype>] - définition d'un modèle à partir d'un prototype existant (cela réduit la taille de la bibliothèque). Dans la description, seuls les différents paramètres doivent être indiqués ;

<nom du type de modèle> - nom standard du modèle idéal intégré (tableau 1) ;

[<paramètres du modèle>=<valeur> [<spécification de la répartition aléatoire de la valeur du paramètre>]] - indiquez entre parenthèses la liste des valeurs des paramètres du modèle de composant. Si cette liste est manquante ou incomplète, les valeurs manquantes des paramètres du modèle sont attribuées par défaut. Chaque paramètre peut prendre des valeurs aléatoires par rapport à sa valeur nominale, mais cela n'est utilisé que dans l'analyse statistique.

Les paramètres de nombreux modèles dépendent de la température. Il existe deux façons de régler la température des composants passifs et des dispositifs à semi-conducteurs. Tout d'abord, la directive .MODEL spécifie la température à laquelle les paramètres T_MEASURED=<valeur> inclus dans celle-ci sont mesurés. Cette valeur remplace la température TNOM définie par la directive .OPTIONS (27°C par défaut). Deuxièmement, vous pouvez définir la température physique de chaque appareil, en remplaçant la température globale définie par les directives .TEMP, .STEP TEMP ou .DC TEMP. Cela peut être fait avec l'un des trois paramètres suivants : T ABS - température absolue (par défaut 27°C) ; T_REL_GLOBAL - différence entre les températures absolues et globales (par défaut - 0), donc T_ABS = température globale + T_REL_GLOBAL, T_REL_LOCL - température relative, la température absolue de l'appareil à l'étude est égale à la température absolue du prototype plus la valeur du paramètre T_REL_LOCL

Tous les paramètres du modèle sont indiqués en unités SI. Pour raccourcir la notice, des préfixes spéciaux sont utilisés (tableau 2). Il est permis de leur ajouter des caractères alphabétiques pour améliorer la clarté des désignations, par exemple, 3, ZkOhm, 100pF, 10uF, 144MEG, WmV.

La forme de description de l'inclusion d'un composant dans un circuit :

<premier caractère + continuer > liste des nœuds> [<nom du modèle>] <options>

Une description de composant est une chaîne qui ne commence pas par le caractère "." (point).

Le nom du composant se compose du premier caractère standard (tableau 3), qui définit le type du composant, et d'une suite arbitraire de 130 caractères maximum.

Les numéros de nœuds de connexion des composants dans le diagramme sont répertoriés dans un ordre spécifique établi pour chaque composant. Nom du modèle - Le nom du modèle du composant dont le type est défini par le premier caractère.

Ensuite, les paramètres du modèle de composant peuvent être spécifiés.

RÉSISTANCE

La forme de la description de l'inclusion d'une résistance dans le circuit:

R<nom> <nœud(+)> <nœud(-)> [<nom du modèle>] <valeur de résistance>

Formulaire de description du modèle :

.MODEL <nom du modèle> RES(<paramètres du modèle>)

La liste des paramètres du modèle de résistance est donnée dans le tableau. quatre.

Exemples : RL30 56 1.3K ; Résistance RL de 1,3 kΩ connectée aux nœuds 30 et 56.

R2 12 25 2.4K TC=0.005, -0.0003 ; Résistance R2 de 2.4 kΩ connectée aux nœuds 12 et 25 et ayant des coefficients de température 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) : résistance R3 de 12 kΩ connectée entre les nœuds 3 et 13. °С-1 ТС0,015 = 1 °С-2 ; R est le coefficient de proportionnalité entre la valeur de résistance utilisée dans la simulation et la valeur nominale spécifiée.

Les modèles d'un condensateur et d'un inducteur se ressemblent.

CONDENSATEUR

La forme de la description de l'inclusion d'un condensateur dans le circuit:

C<nom> <nœud(+)> <nœud(-)> (<nom du modèle>) valeur de capacité>

Formulaire de description du modèle :

.MODEL <nom du modèle> CAP (<paramètres du modèle>)

La liste des paramètres du modèle de condensateur est donnée dans le tableau. 5.

Exemples : C1 1 4 10i ; le condensateur C1 d'une capacité de 10 uF est connecté entre les nœuds 1 et 4.

C24 30 56 100pp. le condensateur C24 d'une capacité de 100 pF est connecté entre les nœuds 30 et 56.

INDUCTEUR

La forme de la description de l'inclusion de la bobine dans le circuit:

L <nœud(+)> <nœud(-)> (<nom du modèle>] Valeur d'inductance>

Formulaire de description du modèle :

.MODEL <nom du modèle> IND (<paramètres du modèle>)

La liste des paramètres du modèle d'inducteur est donnée dans le tableau. 6.

Exemple : L2 30 56 100u ; la bobine L2 avec une inductance de 100 μH est connectée entre les nœuds 30 et 56.

DIODE

La forme de la description de l'inclusion de la diode dans le circuit:

D<nom> <nœud(+)> <nœud(-)> [<nom du modèle>]

Formulaire de description du modèle :

.MODEL <nom du module> D [<paramètres du modèle>)

La liste des paramètres du modèle de diode est donnée dans le tableau. sept.

Exemples de modèles de diodes domestiques :

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

.MODÈLE 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)

.MODÈLE 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 CF=0.5XTI=3)

.MODÈLE 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)

.MODÈLE 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).MODÈLE D814A D (IS=.392E- J2 + N=1.19 RS=1.25 CJO=41.15p + TT=49.11n M-0.41 VJ=0.73 FC=0.5 + BV=8 IBV=0.5u EG=1.11 XTI=3)

.MODÈLE 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 et EG= 1.11 XTI=3 )

TRANSISTOR BIPOLAIRE

La forme de la description de l'inclusion d'un transistor bipolaire dans le circuit:

0<nom> <nœud collecteur> <nœud de base> <nœud émetteur> [<nom du modèle>)

Formulaire de description du modèle :

.MODEL <nom du modèle> NPN [<paramètres du modèle> ); transistor bipolaire à structure npn

.MODEL <nom du modèle> PNP [<paramètres du modèle>' ; transistor bipolaire à structure pnp

La liste des paramètres du modèle de transistor bipolaire est donnée dans le tableau. huit.

TRANSISTOR DE CHAMP AVEC JONCTION PN DE COMMANDE

La forme de la description de l'inclusion d'un schéma de transistor à effet de champ 8:

o"<nom> <nœud de drainage> <nœud de porte> <nœud source> (<nom du modèle>]

Formulaire de description du modèle :

.MODEL <nom du modèle> NJF [<paramètres du modèle>], FET canal n

.MODEL <nom du modèle> PJF [<paramètres du modèle>] ; transistor à effet de champ à canal p

La liste des paramètres du modèle de transistor à effet de champ est donnée dans le tableau. 9.

Exemples de modèles de transistors :

.modèle IDÉAL NPN ; transistor idéal.

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

.model KT3102B NPN (ls=3.628f Xti=3 h Eg= 1.11 Vaf=72 Bf=303.3 Ne=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 + Rc=1.12 Cjc=11.02p Vjc=.65 Mjc=.33 + Fc"-.5 Cje=13.31p Vje=.69 Mje=.33 + Tr=41.67n Tf =493.4p W=.12 Vtf-50 + Xrf=2)

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

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

.modèle 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 lsc= 1.35p 1kr=21 + Rb=14.2 Rc=0.65 Cjc=2L24p Vjc=69 + Mjc=33 Fc=5 Cje=34.4p Vje=69 + Mje=33 Tr=50.12p Tf=1.795n ltf=.65 + Vtf=60 Xtf=1.1)

SOURCES DE TENSION ET DE COURANT INDÉPENDANTES

Formulaire de description des sources :

\/<nom> <nœud{+)> <nœud(-)> [^C]<valeur> [AC<amplitude>[phase)] [<signal>(<paramètres>)]

1<nom> <nœud(+)> <nœud(-)> [(0C]<signe> [AC<amplitude> [phase]] [<signal>(<paramètres>)]

La direction positive du courant est considérée comme la direction du nœud (+) à travers la source vers le nœud (-). Vous pouvez spécifier des valeurs pour les sources pour les calculs de courant continu et de transitoires CC (par défaut - O), pour l'analyse de fréquence CA (amplitude par défaut - 0 ; la phase est indiquée en degrés, par défaut - 0). Pour un transitoire, le <signal>> peut prendre les valeurs suivantes : EXP - signal source exponentiel, PULSE - source impulsionnelle, PWL - source polynomiale, SFFM - source modulée en fréquence, SIN - signal source sinusoïdal.

Exemples : V2 3 0 DC 12 ; source de tension 12 V. connectée entre les nœuds 3 et 0.

VSIN2SIN(0 0.2V 1MEG); Source de tension sinusoïdale de 0.2 V avec une fréquence de 1 MHz avec une composante constante de 0 V.

11 (4 11) CC 2 mA ; Source de courant 2 mA connectée entre les nœuds 4 et 11.

ISIN 2 0 SIN(0 0.2m 1000); source de courant sinusoïdal 0.2 mA avec une fréquence de 1000 Hz avec une composante constante de 0 mA.

SOURCES DE TENSION ET DE COURANT DÉPENDANTES

Les sources dépendantes sont largement utilisées dans la construction de macromodèles. Leur utilisation permet des moyens simples pour simuler n'importe quelle relation entre la tension et le courant. De plus, avec leur aide, il est très facile d'organiser le transfert d'informations d'un bloc fonctionnel à un autre. PSpice a des modèles intégrés de sources dépendantes :

E - source de tension contrôlée par tension (INUN);

F - source de courant contrôlée par le courant (ITUT);

G - source de courant commandée en tension (ITUN);

H - source de tension contrôlée en courant (INUT).

Forme de description des sources dépendantes :

Premier caractère<nom> <nœud(+)> <nœud(-)> <fonction de transfert>

Le premier caractère du nom doit correspondre au type de source. La direction positive du courant est considérée comme la direction du nœud (+) à travers la source vers le nœud (-). Ensuite, la fonction de transfert est indiquée, qui peut être décrite de différentes manières :

polynôme puissance : POLY (<expression>) :

formule : VALEUR=(<expression>) :

table : TABLE(<expression>):

Transformée de Laplace : LAPLACE (<expression>) :

tableau des fréquences : FREQ (<expression>) ;

Polynôme de Tchebychev : CHEBYCHEV (<expression>).

Exemples : E1 (12 1) (9 10) 100 : Tension contrôlée en tension entre les nœuds 9 et 10. Connecté entre les nœuds 12 et 1 avec un gain de 100.

EV 23 56 VALUE={3VSQRT(V(3.2)+ +4*SIN(I(V1)}) : source connectée entre les nœuds 23 et 56, avec dépendance fonctionnelle de la tension entre les nœuds 3 et 2 et du courant de source VI.

EN 23 45 POLY(2) (3.0) (4,6) 0.0 13.6 0.2 0.005 : source de tension non linéaire connectée entre les nœuds 23 et 45. dépend de la tension entre les nœuds 3 et 0 V{3.0) et les nœuds 4 et 6 V( 4.6). La dépendance est décrite par le polynôme EN=0 + 13.6V3,0 + 0.2V1,6 + 0.005V3,02.

EP 2 0 TABLE (V(8))=(0.0) (1.3.3) (2.6.8) : source connectée entre les nœuds 2 et 0, en fonction de la tension au nœud 8. mesurée par rapport au commun. De plus, après le signe égal, les lignes du tableau sont répertoriées avec la paire de valeurs (entrée, sortie). Les valeurs intermédiaires sont interpolées linéairement.

EL 8 0 LAPLACE {V( 10)}={exp(-0.0rS)/ (1+0.rS)} ; affectation de la fonction de transfert selon Laplace.

G1 (12 1) (9 10) 0.1 ; source de courant V(9.10) commandée en tension avec un coefficient de transfert de 0.1.

Il convient ici de donner des exemples de désignation de variables dans les programmes PSpice : V (9) - tension au nœud 9. mesurée par rapport au fil commun.

V(9.10) - tension entre les nœuds 9 et 10.

V(R12) - chute de tension à travers la résistance R12v

VB(Q1) - tension à la base du transistor Q1.

VBE(Q1) - tension base-émetteur du transistor Q1 l(D1) - courant de la diode D1.

1С(02) - courant de collecteur du transistor Q2.

ÉTUDIER LES MODÈLES DE COMPOSANTS

Les modèles de composants peuvent être explorés avec des programmes de simulation. A l'aide du shell graphique, il est très facile de créer un laboratoire virtuel pour tester les caractéristiques statiques et dynamiques des éléments existants et créés. Cela permettra d'établir le degré de correspondance de leurs propriétés avec les paramètres de référence de composants réels, de sélectionner des analogues parmi des modèles de composants étrangers, ou d'étudier en détail un modèle inconnu. Cependant, dans les exemples donnés, les capacités de PSpice lui-même sont utilisées.

Utilisons la directive .OS (calcul multivariant du mode DC) du langage PSpice et construisons une famille de caractéristiques de sortie d'un transistor bipolaire npn connecté selon un circuit d'émetteur commun (Fig. 1).

La caractéristique de sortie est la dépendance du courant du collecteur du transistor à la tension sur son collecteur.

Pour différentes valeurs du courant de base, on obtient une famille de caractéristiques de sortie. Le calcul a été effectué pour le transistor KT315A (Fig. 2) et un transistor idéal avec des paramètres par défaut (Fig. 3).

La tâche de modélisation sous forme de texte semble très simple (tableau 10).

Pour calculer le CVC d'un transistor idéal, dans le programme, vous devez supprimer l'astérisque au début de la ligne (* Q1 120 IDEAL) et l'ajouter à la ligne (Q1 1 2 0 KT315A). Il est préférable d'écrire des commentaires dans le texte du programme en anglais, ou au moins en lettres latines, car les programmes de simulation ne prennent généralement pas en charge le cyrillique. Dans l'article, les commentaires sont donnés en russe pour plus de clarté.

Le CVC de la diode Zener D814A est construit de la même manière - la dépendance de la tension au courant (Fig. 4, 5, tableau 11).

Utilisons maintenant les capacités des directives .DC et .TEMP (variation de température) et construisons une famille de caractéristiques de transfert du transistor à effet de champ KP303D connecté selon un circuit à source commune (Fig. 6, Tableau 12).

La caractéristique de transfert d'un transistor à effet de champ est la dépendance du courant de drain à la tension entre la grille et la source. Pour différentes températures, il est possible de construire une famille de caractéristiques (Fig. 7), car le modèle prend en compte la dépendance à la température des paramètres du transistor.

À titre d'exemple d'évaluation des propriétés dynamiques des modèles, nous construisons une famille de caractéristiques de fréquence du transistor KT315A à quatre valeurs du courant de collecteur. Le schéma de mesure est illustré à la fig. 8.

Pour ce faire, nous utilisons les capacités des directives .AC (calcul de réponse en fréquence) et .STEP (analyse multivariée), composons une tâche de modélisation (Tableau 13), calculons IB(Q1) et lC(Q1).

Après avoir effectué la simulation, nous comparons les résultats obtenus (Fig. 9) avec les paramètres du manuel [4].

Pour ce faire, nous procéderons comme suit. Le post-processeur graphique des programmes de simulation permet d'effectuer des opérations mathématiques sur des graphes. Cela nous permettra de tracer le rapport du courant de collecteur IC(Q1) au courant de base IB(Q 1). En conséquence, nous obtenons la réponse en fréquence du module de coefficient de transfert de courant du transistor à différents courants de collecteur. En utilisant le mode de mesure du curseur, nous déterminerons le module du coefficient de transfert de courant à une fréquence de 100 MHz. Pour toutes les options, les numéros sont indiqués sur les graphiques. Après les avoir comparés avec l'ouvrage de référence, nous verrons que le modèle proposé du transistor KT315A, compte tenu de la propagation, est proche de la réalité. (Selon l'ouvrage de référence : lh21eI = 2,5 à Ik = 1 mA, Uk = 10 V). La dépendance des propriétés de fréquence du transistor au courant de collecteur est également cohérente avec la théorie et avec les données données dans les ouvrages de référence.

En conclusion de cette section, il faut dire que les modèles intégrés, malgré le grand nombre de paramètres pris en compte, se compromettent rapidement. Les dispositifs semi-conducteurs simulés laissent facilement passer d'énormes courants et résistent à d'énormes tensions.

Il suffit d'élargir les limites de changement de tension et de courant dans les exemples considérés ici (voir Fig. 1, b) et il deviendra clair que le modèle de transistor intégré ne prend pas en compte le phénomène de claquage des jonctions p-n.

Les modèles de résistances, condensateurs, inductances et transistors ne tiennent pas non plus compte des capacités, inductances et résistances parasites, ce qui est très important lors de la simulation du fonctionnement d'un appareil à haute fréquence.

On peut dire à peu près la même chose des autres modèles intégrés. Tous ont une portée limitée et, en règle générale, ne tiennent compte de rien.

D'où la conclusion suivante - nous avons besoin de modèles plus avancés, exempts de ces lacunes. Dans les cas extrêmes, pour éviter par exemple un claquage des transistors, il faut allumer des diodes avec un modèle sans inertie en parallèle avec les jonctions des transistors et un choix approprié du paramètre BV. Les effets parasites peuvent être pris en compte en « enveloppant » les modèles intégrés avec des condensateurs, des bobines et des résistances.

Les modèles intégrés sont une sorte de blocs de construction qui vous permettent d'explorer toutes les options de modélisation. C'est pour cela qu'ils sont parfaits.

En utilisant les méthodes qui seront discutées ci-dessous, vous pouvez créer des modèles efficaces et parfaits de composants élémentaires.

CRÉATION ET APPLICATION DE MACROMODÈLES

Si vous avez déjà étudié les langages de programmation, vous savez probablement ce qu'est un sous-programme. Il s'agit d'un programme spécialement conçu, qui est appelé à plusieurs reprises par le module principal du programme. En pratique, cela signifie un modèle macro.

Formulaire de description du modèle de macro : .SUBCKT <nom du modèle de macro> <liste + nœuds externes>

+ [PARAMS :<<nom du paramètre> = + <valeur>>] + [TEXT :<<nom du paramètre de texte> + =<texte>>]

<chaînes décrivant le schéma du modèle de macro> .ENDS

La directive .SUBCKT est l'en-tête du modèle de macro. Il définit le début du macromodèle, son nom et les nœuds de connexion au schéma externe.

Lignes de description du schéma du macromodèle - une liste d'opérateurs dans un ordre arbitraire qui décrivent la topologie et la composition du macromodèle.

La directive .ENDS définit la fin du corps du macromodèle.

Le mot clé PARAMS définit la liste des paramètres passés de la description du circuit principal à la description du macromodèle.

Le mot-clé TEXT définit une variable de texte transmise de la description de la chaîne principale à la description du modèle de macro.

Forme de la description de l'inclusion du modèle de macro dans le schéma : X<nom> <nœuds de connexion> [<nom + macromodèle>]

+ [PARAMS :<<nom du paramètre> = + <valeur>)

+ (TEXTE :<<texte + nom du paramètre>=<texte>]

Cette instruction détermine que le macromodèle décrit par l'instruction .SUBCKT est connecté aux nœuds spécifiés dans le schéma. Le nombre et l'ordre des nœuds doivent correspondre au nombre et à l'ordre des nœuds dans la directive .SUBCKT correspondante.

Les mots clés PARAMS et TEXT permettent de définir les valeurs des paramètres définis comme arguments dans la description du modèle de macro et d'utiliser ces expressions à l'intérieur du modèle de macro.

EXEMPLE DE CRÉATION D'UN MODÈLE DE MACRO SIMPLE

L'exemple donné montre la solution du problème dans le front. Les radioamateurs utilisent souvent la logique numérique pour exécuter des fonctions analogiques telles que l'amplification ou la génération de signaux. Pour une modélisation détaillée de tels dispositifs, il est logique de construire un macromodèle exact de l'élément logique. Considérez l'élément logique 2I-NOT du microcircuit K155LAZ.

Lors de la création d'un modèle de macro, vous devez effectuer le travail suivant :

• tracer un circuit électrique du macromodèle de cet élément (Fig. 10) :
• attribuer des désignations de référence à tous les éléments du circuit ;
• numéroter tous les nœuds (le fil commun porte toujours le numéro 0) :
• à l'aide des opérateurs d'insertion d'éléments dans le circuit, décrire tous les composants :
• formaliser le macromodèle en le décrivant avec les directives .SUBCKT et .ENDS ;
• enregistrez le texte du modèle de macro dans un fichier séparé ou ajoutez-le à un fichier de bibliothèque existant avec l'extension *.lib.

En conséquence, nous obtenons un fichier texte (tableau 14).

Avec cette approche de création d'un macro modèle, il faut :

• la présence d'un circuit très précis de l'élément (ou microcircuit);
• la présence de paramètres de référence des composants qui composent le SI.

Il convient de noter qu'il y a toujours des problèmes avec les paramètres de référence, en particulier pour les composants intégraux. Quant à la description exacte des microcircuits, elle est généralement rarement publiée, la plupart du temps vous trouverez les plus simples, et même alors - avec des erreurs. Malheureusement, jusqu'à récemment, cela inquiète rarement qui que ce soit.

Cependant, curieusement à première vue, l'approche décrite ci-dessus lors de la création d'un macromodèle ne fournit pas encore de garanties pour la construction d'un modèle qui fonctionne bien.

COMMENT CRÉER UN MODÈLE DE MACRO RAPIDE SIMPLIFIÉ ?

Il est loin d'être toujours que la solution de ce problème au niveau du front soit le véritable moyen de créer un bon macromodèle. Les modèles construits selon cette "méthode" nécessiteront beaucoup de ressources informatiques et auront une faible vitesse, c'est-à-dire que le calcul du circuit sera très lent. Rappelons-nous combien de transistors sur une puce les microcircuits modernes peuvent avoir ! Par conséquent, il est très important de pouvoir construire des macromodèles simplifiés en remplaçant les sous-systèmes de microcircuits individuels par des nœuds équivalents. Dans le même temps, la qualité du modèle peut même s'améliorer, surtout si un microcircuit à haut degré d'intégration est modélisé.

Créons notre propre macromodèle PSpice simplifié du comparateur K521CAZ.

Ici aussi, il peut y avoir des cas extrêmes. Vous pouvez, par exemple, implémenter une fonction de comparaison à l'aide d'une source dépendante. Dans ce cas, le modèle se révélera simple et relativement rapide, mais il ne reflétera pas la physique de l'appareil réel. Il faut donc chercher une solution de compromis entre la précision du modèle et sa rapidité.

Considérez ce qu'est le comparateur K521SAZ. Il implémente la fonction de comparaison de deux signaux analogiques. Si la différence entre les signaux aux entrées est positive, la sortie du comparateur sera haute, si négative - basse. La comparaison des signaux est effectuée par un amplificateur différentiel en entrée. L'étage de sortie est implémenté sur un collecteur ouvert et un transistor émetteur. Ces informations sont déjà suffisantes pour synthétiser le modèle le plus simple mais tout à fait fonctionnel de ce microcircuit (Fig. 11).

Afin de simuler pleinement les propriétés d'entrée et de sortie du comparateur, des transistors sont installés à l'entrée et à la sortie. Cependant, l'amplificateur différentiel est grandement simplifié. Les émetteurs de la paire différentielle utilisent une source de courant idéale, en effet, elle est implémentée sur plusieurs transistors. L'interface avec l'étage de sortie est réalisée au moyen d'une source de courant commandée en tension. Dans un vrai microcircuit, plusieurs transistors sont également utilisés.

Ainsi, lors de la construction de ce modèle de compromis, les nœuds multitransistors sont remplacés par des nœuds simplifiés et idéalisés, mais avec la préservation des propriétés externes du dispositif. PSpice dispose d'un ensemble d'outils parfait pour exprimer toutes les propriétés de dispositifs réels avec une précision suffisante à des fins pratiques, même dans des cas plus complexes.

Attribuons des désignations de position à tous les éléments du circuit, numérotons les nœuds et décrivons le macromodèle de comparateur dans le langage d'entrée PSpice (tableau 15).

Voyons maintenant comment le macromodèle résultant remplit les fonctions d'un comparateur. Pour ce faire, dessinez un circuit de test (Fig. 12).

Ensuite nous allons composer une tâche de modélisation (Tableau 16) et calculer la caractéristique de transfert de ce modèle (Fig. 13)

La caractéristique de transfert du comparateur est la dépendance de la tension de sortie à la différence de tension aux entrées. On peut voir à partir de la caractéristique calculée que malgré la simplicité du modèle, le comparateur s'est avéré assez efficace.

Dans cet exemple, nous avons utilisé pour la première fois le macromodèle de composant, décrivant sa connexion dans le circuit avec la ligne X1 (0 1 2 0 4 3) K521CAZ. Notez que les noms d'éléments dans le modèle de macro sont locaux et peuvent être ignorés lors de la dénomination des composants dans la chaîne externe.

Il est temps de simuler un montage électronique réalisé sur le comparateur K521SAZ. par exemple, un détecteur d'amplitude de précision (Fig. 14, Tableau 17).

Les résultats de la simulation sont présentés dans la fig. 15 et 16.

Nous appellerons le macromodèle de comparateur à partir du fichier de bibliothèque C:\USERLlB\kompar.lib.

Pour spécifier les bibliothèques dans lesquelles les modèles sont stockés, la directive .LIB est utilisée, qui doit être décrite dans la tâche de modélisation. Il n'est alors plus nécessaire d'inclure une description du macromodèle dans le texte. Formulaire opérateur : .LIB [<nom du fichier bibliothèque^].

Gardez à l'esprit qu'en général, d'autres macromodèles peuvent être inclus dans un macromodèle. Par conséquent, en supprimant les directives de contrôle et en plaçant la description du détecteur de crête entre SUBCKT et .ENDS, nous obtenons un nouveau macromodèle qui contient un macromodèle imbriqué. De cette façon, vous pouvez composer de manière très compacte les modèles les plus complexes, si vous préparez d'abord les nœuds typiques nécessaires et les stockez dans un fichier de bibliothèque séparé.

CRÉATION DE MODÈLES TENANT COMPTE DE LA DISTRIBUTION TECHNOLOGIQUE ET DE L'EFFET DE LA TEMPÉRATURE SUR LES CARACTÉRISTIQUES DES COMPOSANTS

Les paramètres de tous les éléments ont une propagation et. de plus, ils dépendent aussi de la température. La vie des radioamateurs deviendrait ennuyeuse sans ces problèmes, car il serait impossible de créer une conception inutilisable à partir de pièces utilisables, guidée par le schéma correct. La nature nous a donné une telle opportunité. Les programmes de simulation permettent d'identifier les appareils dont les performances dépendent de la température et de la répartition des paramètres des composants. Pour ce faire, l'analyse statistique est réalisée par la méthode de Monte Carlo et l'analyse multivariée. Cependant, vous devez disposer des modèles de composants appropriés.

Dans les modèles PSpice intégrés pour prendre en compte la propagation et l'effet de la température, il y a : "Spécification d'une propagation aléatoire de la valeur du paramètre", "Coefficient de température linéaire", "Coefficient de température quadratique". "Coefficient de température exponentiel". De plus, vous pouvez contrôler la température de composants individuels à l'aide des paramètres T_MEASURED. T ABS. T_REL_GLOBAL. T_REL_LOCL, qui est parfois utile.

Dans l'analyse multivariée, non seulement la température peut devenir une variable, mais aussi presque tous les paramètres du modèle qui peuvent changer en raison de tout impact physique de l'environnement externe ou de la dégradation des paramètres des composants au fil du temps.

Évidemment, si des macromodèles sont construits sur la base de tels modèles, ils auront également une propagation aléatoire et une dépendance à la température.

En fait, dans le cas de la construction de macromodèles, une approche aussi simple est totalement inadaptée. Comme mentionné ci-dessus, lors de la construction de macromodèles, des simplifications et des hypothèses sont fondamentalement utilisées. En conséquence, le schéma du macromodèle correspond rarement à celui d'origine. De plus, il est tout simplement impossible pour un radioamateur de tracer les véritables liaisons thermiques entre les éléments intégrés dans le microcircuit. Par conséquent, le macromodèle est construit à partir de composants stables, puis des éléments avec une propagation et une dépendance à la température sont introduits de manière ciblée. Mais ils le font de cette façon. pour afficher les propriétés statistiques et thermiques les plus significatives du dispositif simulé. Cette approche est adaptée pour prendre en compte l'influence d'autres influences physiques, bien qu'elle ne soit pas la seule. Donc. avec les rayonnements ionisants, qui affectent presque tous les paramètres des composants, il est plus pratique d'avoir plusieurs copies de bibliothèques pour différentes doses. Ensuite, à l'aide de la directive .LIB, l'ensemble des bibliothèques de composants sont remplacés conformément à la dose reçue. Les résultats peuvent ensuite être combinés sur un seul graphique.

Comme exemple de création et d'utilisation de modèles avec une répartition des paramètres et une dépendance à la température, nous simulerons un filtre (Fig. 17, Tableau 18) utilisé en radiotéléphonie, qui fonctionne dans des conditions climatiques difficiles. La plage de température est de -40 à +80 "C. Dans les modèles de tous les composants, les paramètres de propagation technologique et d'instabilité de température des principaux paramètres sont définis.

A l'aide des directives .AC, .TEMP et .MS, on calcule la réponse en fréquence du filtre et ses variations lorsque la température change et la dispersion des paramètres des éléments.

Il est immédiatement clair (Fig. 18) que les caractéristiques du filtre dépendent fortement de la température, et un tel téléphone fonctionnera mal. La conclusion est évidente - il est nécessaire de choisir des éléments plus stables et précis pour ce filtre afin d'obtenir un appareil fonctionnel.

EXEMPLE DE MODÈLE PROFESSIONNEL

Voici les macromodèles d'amplificateurs opérationnels standard pour PSpice avec des transistors bipolaires (K140UD7, Fig. 19, Tableau 19) et à effet de champ (K140UD8, Fig. 20, Tableau 20) en entrée.

Notez que tous les transistors y sont exclus, à l'exception de ceux d'entrée. Cela affecte favorablement les performances des macromodèles. Cependant, ils prennent très précisément en compte de nombreux effets qui se produisent dans un appareil réel.

Attention à l'utilisation massive de sources dépendantes et indépendantes. C'est l'outil principal pour la construction compétente de bons macromodèles de microcircuits complexes.

L'étage différentiel d'entrée modélise la présence d'un courant de mélange et la dépendance de la vitesse de balayage de la tension de sortie sur la tension différentielle d'entrée. Le condensateur Cee (Css) vous permet d'afficher l'asymétrie de l'impulsion de sortie de l'ampli-op dans une connexion non inverseuse. Le condensateur C1 et la capacité des jonctions du transistor imitent la nature bipolaire de la réponse en fréquence de l'ampli-op. Les sources de courant contrôlées ga, gcm et les résistances r2, rо2 simulent l'amplification de tension différentielle et en mode commun. A l'aide du condensateur C2, connecté au choix de l'utilisateur, il est possible de simuler la correction interne ou externe de l'ampli-op. La non-linéarité de l'étage de sortie de l'ampli-op est modélisée par les éléments din. plonger. ro1 (ils limitent le courant de sortie maximal) et dc, de, vc, ve (ils limitent l'oscillation de la tension de sortie). La résistance rp simule la consommation de courant continu par le microcircuit. Diode de protection dp.

Cependant, l'expérience montre que des modèles languissants ne sont pas toujours nécessaires, car le prix à payer est une performance réduite. Il est logique de développer vous-même une bibliothèque de macromodèles simplifiés, afin de ne pas perdre de temps à attendre des résultats alors que vous avez juste besoin de « roder » l'idée.

De plus, il ne faut pas oublier qu'il est toujours possible de créer un modèle plus parfait que le modèle standard ou professionnel. Dans notre cas particulier, les macromodèles donnés de l'ampli-op ne modélisent pas toutes les propriétés des appareils réels et peuvent être améliorés. Ceci s'applique aux caractéristiques de température, statistiques, de bruit et, surtout, à la résistance d'entrée. La capacité d'entrée de l'amplificateur est nulle car aucune capacité n'est spécifiée dans le modèle de transistor. Un autre inconvénient est l'absence de description du claquage (ouverture des diodes de protection ou claquage réversible des jonctions d'émetteur) lors de fortes fermetures de signaux d'entrée, et la liste est longue.

Sur la base de tout ce qui a été dit, nous formulons une approche formelle générale de la construction de macromodèles de composants analogiques.

La structure la plus simple du macromodèle peut être représentée comme étant constituée de trois blocs connectés en série : le premier décrit les caractéristiques d'entrée, le second décrit les caractéristiques de transfert (distorsions linéaires et non linéaires), le troisième décrit les caractéristiques de sortie. Le transfert d'informations de bloc à bloc s'effectue à l'aide de sources de courant ou de tension dépendantes. Le nombre de blocs, leur type. répartition des fonctions, le nombre de chemins parallèles peut être différent si la tâche l'exige.

Après avoir créé un ensemble typique de modèles de tels blocs, il est permis de lancer littéralement la création de macromodèles.

Ainsi, la création d'un bon modèle nécessite un matériel de référence étendu, de l'intuition, une connaissance de la physique des semi-conducteurs et des appareils électroniques, de l'électrotechnique, de l'ingénierie radio, de l'ingénierie des microcircuits, des circuits, des mathématiques et de la programmation. La tâche est réservée aux radioamateurs avec leur infatigable énergie créatrice.

littérature

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3. Arkhangelsky A. Ya.PSpice and Design Center. Partie 1 Modélisation de circuits. Modèles d'éléments. Macro-modélisation. - M. : MEPhI. 1996.
4. Semi-conducteurs : transistors. Manuel Éd. N. N. Goryunova. - M. Energoatomizdat. 1985.

Auteur : O. Petrakov, Moscou

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