laboratorium – iii semestr eitatol.am.gdynia.pl/~gorecki/dla_taty_pliki/symulacje...

Symulacje komputerowe

Laboratorium – III semestr EiT

SPIS TRECI

1. Wprowadzenie

2. Edytor schematów – formułowanie prostych układów

elektronicznych i wyznaczanie ich charakterystyk statycznych,

czstotliwociowych oraz czasowych

3. Niezalene i sterowane ródła napiciowe i prdowe

4. Modelowanie elementów indukcyjnych w programie PSPICE

5. Modelowanie diod półprzewodnikowych w programie PSPICE

6. Wyznaczanie wartoci 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

11. Tworzenie symbolu graficznego modelu elementu w edytorze

schematów

12. Formułowanie makromodeli elementów elektronicznych przy

wykorzystaniu ródeł sterowanych

Literatura

Dodatek

3

6

23

29

35

41

47

55

58

62

67

77

81

83

1. Wprowadzenie

3

1. WPROWADZENIE Pakiet MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8 firmy

MicroSim jest kolejn wersj, pracujc w rodowisku Windows 98/2000/XP, popularnego pakietu do symulacji układów elektronicznych PSpice. Pojawiajce si na rynku coraz nowsze wersje tego programu zawieraj nowe funkcje ułatwiajce modelowanie elementów i układów. Na rys. 1.1 [10, 20] przedstawiono schemat blokowy ilustrujcy 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 narzdzia umoliwiajce 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 wartoci elementów, zdefiniowa parametry do optymalizacji oraz wybra rodzaje analiz, które maj by wykonane i ustali wartoci parametrów tych analiz. Opcje edycyjne umoliwiaj zapisywanie przygotowanego projektu, umieszczenie wybranych elementów w układzie, ich usuwanie, przenoszenie, zmian orientacji, wywietlanie właciwoci danego elementu, parametrów jego modelu i znajdowanie elementów na schemacie. Za pomoc znaczników mona na schemacie wybra wzły, w których maj by, po wykonaniu oblicze, wywietlone przebiegi napi oraz gałzie, dla których maj by wywietlone przebiegi prdów. Specjalne opcje umoliwiaj przejcie do edycji symboli, w których mona stworzy graficzny symbol elementu, opisa jego kocówki, okreli nazw elementu, nazw modelu, zdefiniowa symbol i jego obudow. W konfiguracji edytora mona równie doda now bibliotek elementów elektronicznych.

Krzysztof Górecki, Zastosowanie programu SPICE do modelowania …

4

PSpice A/D umoliwia wykonanie analiz analogowych i cyfrowych układów elektronicznych. Wykonuje on analiz stałoprdow, zmiennoprdow, czasow, wraliwociow, Fouriera, tolerancji i temperaturow. Przed przystpieniem do wykonywania oblicze program sprawdza poprawno formaln przygotowanego obwodu i informuje uytkownika o ewentualnych błdach formalnych, wynikajcych np. z nieprawidłowego połczenia elementów układu, z braku zdefiniowanych modeli elementów lub błdnych ustawie analiz.

Probe jest post-procesorem graficznym i umoliwia analiz wyników symulacji w postaci wykresów. Program ten umoliwia interaktywny podgld charakterystyk w wybranych przez uytkownika wzłach i gałziach. Program wizualizuje przebiegi napi i prdów w układzie, jak równie pozwala przygotowa wykresy funkcji wyraonych przy uyciu funkcji arytmetycznych i funkcji specjalnych wprowadzonych przez uytkownika. W oknach dialogowych mona zamieni zmienne na poszczególnych osiach, zmieni zakresy ich wartoci i skale, doda dodatkowe osie, doda w oknie nowe wykresy. Opcje analizy przebiegu pozwalaj powiksza i zmniejsza wykres lub jego fragmenty. Wykorzystanie kursora umoliwia dokładne odczytanie współrzdnych 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 umoliwia optymalizacj analogowych układów elektronicznych. Realizuje on algorytm minimalizacji i algorytm najmniejszych kwadratów według ustawie zadanych w programie Schematics lub umoliwia deklaracj zmiennych bezporednio w platformie PSpice Optimizer. Procesowi optymalizacji mog podlega układy z zadeklarowanymi analizami zmiennoprdowymi, stałoprdowymi i czasowymi. Funkcje optymalizowane mog by zapisane w formie analitycznej w PSpice Optimizer lub mog by zapisane w formie tabelarycznej w pliku zewntrznym. 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 słucym do wyznaczenia wartoci parametrów modeli elementów półprzewodnikowych i układów scalonych na podstawie ich charakterystyk. Definiowanie elementu nastpuje po podaniu jego podstawowych danych na bazie, których wygenerowany zostaje jego model. Model ten moe by wykorzystywany przez program Schematics przy formułowaniu obwodu.

PCBoards umoliwia projektowanie płytki drukowanej wybranego układu. Podczas jej projektowania uwzgldniane s zadeklarowane przez uytkownika komponenty, które maj by uwzgldnione w procesie projektowania. cieki na płytce prowadzone s przez projektanta zgodnie ze schematem połcze układu. Po uzyskaniu mozaiki mona j wydrukowa na folii.

PLSyn pozwala na projektowanie i analiz programowalnych matryc logicznych. Jest to szeroko pojta synteza logiczna układów swobodnie

1. Wprowadzenie

5

programowalnych. Program ten bazuje równie na programie Schematics, w którym deklarowany jest cały układ połcze, nastpnie jest on analizowany, a jego sygnały przetwarzane s na map przełcze, odpowiadajc strukturze wybranego elementu programowalnego. Ten sam układ moe by przetwarzany na struktur rónych układów programowalnych.

W procesie modelowania i analizy układów elektronicznych niezbdne s modele elementów elektronicznych w postaci równa matematycznych opisujcych charakterystyki statyczne i dynamiczne poszczególnych elementów wraz z wartociami 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 udostpniaj na swoich stronach internetowych biblioteki modeli produkowanych przez siebie elementów. Biblioteki takie moe równie tworzy uytkownik.

Celem niniejszego podrcznika jest praktyczne zapoznanie czytelnika z pakietem oprogramowania MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8, a w szczególnoci z programem PSPICE A/D stanowicym 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 niezalenych i sterowanych ródeł napiciowych i prdowych. Omówiony został sposób modelowania układów analogowych i cyfrowych oraz program PARTS do wyznaczania wartoci parametrów modeli elementów półprzewodnikowych w oparciu o ich dane katalogowe.

Podsumowanie podrcznika stanowi wiczenia ilustrujce 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 wstp teoretyczny opisujcy sposób realizacji rozwaanego zagadnienia oraz przykładowe zadania do samodzielnego rozwizania przez uczestnika zaj, pozwalajce oceni stopie opanowania rozwaanych w rozdziale zagadnie.

Przedstawione w niniejszym podrczniku informacje zostały opracowane na podstawie literatury, której wykaz podano na kocu podrcznika [1 – 20] oraz dowiadczenia autora w zakresie modelowania i analizy elementów i układów elektronicznych.

Podrcznik ten moe by przydatny dla studentów kierunku elektronika i telekomunikacja oraz elektrotechnika, a take dla innych osób pragncych rozszerzy sw wiedz z zakresu metod modelowania i analizy układów elektronicznych za pomoc programu Pspice.


6

2. EDYTOR SCHEMATÓW – FORMUŁOWANIE

PROSTYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH I

WYZNACZANIE ICH CHARAKTERYSTYK

STATYCZNYCH, CZSTOTLIWOCIOWYCH

ORAZ CZASOWYCH W niniejszym rozdziale opisano sposób formułowania schematu układu

elektronicznego, który ma by poddany analizie oraz opisano sposób zadawania parametrów podstawowych analiz dostpnych w programie SPICE, tzn. wyznaczania punktu pracy, analizy stałoprdowej, małosygnałowej analizy czstotliwociowej oraz analizy stanów przejciowych.

W celu uruchomienia programu Schematics naley 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 czci znajduje si pasek menu, a pozostał cz okna zajmuje obszar roboczy.

Poniej 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 naley wybra Draw, a po rozwiniciu menu - Get New Part (Ctrl+G). W wyniku tych czynnoci na ekranie pokae si okno zawierajce list dostpnych elementów (rys.2.2). Okno

to mona równie otworzy klikajc mysz na ikon . Symbol potrzebnego elementu mona wybra z listy (z lewej strony okna)

lub wpisa nazw w oknie Part Name. Po wybraniu elementu naley klikn przycisk Place i umieci wybrany element w wybranym fragmencie obszaru roboczego przez dwukrotne kliknicie lewym przyciskiem myszy. Po rozmieszczeniu wszystkich elementów danego typu naley klikn prawym przyciskiem myszy i wybra kolejny element. Dla rozwaanego układu z rys.2.1

2. Edytor schematów – formułowanie prostych układów elektronicznych i …

7

naley kolejno wybiera elementy o nastpujcych nazwach: - „VDC” - ródło napicia stałego, - „R” – rezystor, - „Q2N2222” – tranzystor bipolarny typu 2N2222, - „GND_ANALOG” – masa.

Rys.2.2. Widok okna z list dostpnych elementów

Po umieszczeniu wszystkich elementów w obszarze roboczym naley wcisn przycisk „Close”. Wówczas pole robocze powinno wyglda tak, jak na rys.2.3.

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

Kolejnym etapem rysowania schematu jest połczenie poszczególnych kocówek elementów. W tym celu naley z menu wybra Draw, a po rozwiniciu menu - Draw Wire, wybra na klawiaturze (Ctrl+W) lub klikn

mysz na ikon . Wówczas kursor przyjmie kształt ołówka. Naley najecha kursorem na wybran kocówk jednego z elementów, klikn lewy przycisk myszy i narysowa ciek do odpowiedniej kocówki innego elementu, klikajc na koniec lewym przyciskiem myszy. W ten sposób naley narysowa wszystkie potrzebne połczenia midzy elementami w rozwaanym układzie. Na koniec naley klikn prawy przycisk myszy.


8

Wystpujce na rysunku elementy maj tzw. domylne nazwy oraz wartoci. W celu edycji tych nazw lub wartoci naley dwukrotnie klikn nazw lub warto elementu. Wówczas pojawi si okno dialogowe, pokazane na rys.2.4. W oknie tym naley wpisa podan warto lub nazw elementu.

a) b)

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

Po wykonaniu powyszych czynnoci uzyskuje si schemat układu z rys.2.1. Plik ze schematem mona zapisa wybierajc w menu polecenie File a po rozwiniciu menu - Save lub wciskajc na klawiaturze (Ctrl+S), albo klikajc

mysz na ikon . W typowym oknie dialogowym systemu Windows uytkownik zostanie poproszony o podanie nazwy pliku oraz jego lokalizacji na dysku.

Po narysowaniu schematu mona sprawdzi, czy nie zawiera on błdów formalnych przez wybranie w menu Analysis a po rozwiniciu menu - Create Netlist. Jeeli przygotowany schemat zawiera błdy formalne, to uytkownik otrzyma opis błdów w nowym oknie MicroSim Message Viewer. Wówczas naley poprawi błdy wystpujce na schemacie.

Po narysowaniu poprawnego schematu mona przeprowadzi jego analizy komputerowe. Najprostsz analiz jest wyznaczenie punktu pracy analizowanego układu. Aby przeprowadzi taka analiz naley wybra w menu Analysis, a po rozwiniciu menu – Simulate lub wcisn przycisk F11, albo

klikn mysz ikon . Po wykonaniu oblicze mona odczyta wartoci

napi w wzłach klikajc mysz przycisk , a prdy w poszczególnych

gałziach - klikajc mysz przycisk . Jeeli po wciniciu tych przycisków na ekranie nie pojawi si współrzdne punktu pracy, naley wybra w menu Analysis a po rozwiniciu menu - Display Results on Schematic i zaznaczy warto Enable.

Aby wyznaczy charakterystyki statyczne badanego układu naley przeprowadzi analiz stałoprdow. W charakterze przykładu pokazany zostanie sposób wyznaczenia zalenoci prdu kolektora tranzystora iC od napicia na ródłe napiciowym EC. W celu przeprowadzenia tej analizy naley wybra w menu Analysis a po rozwiniciu menu – Setup lub klikn mysz na

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


9

Rys.2.5. Okno dialogowe do wyboru rodzaju analizy

Na rysunku tym wystpuj białe kwadraty, w których zaznacza si, przy wykorzystaniu symbolu , rodzaj analizy, który ma by wykonany. Poszczególne przyciski oznaczaj:

- AC Sweep – małosygnałow analiz czstotliwociow, - Load Bias Point – wprowadzenie współrzdnych punktu pracy z

zewntrznego pliku, - Save Bias Point – zapis współrzdnych punktu pracy do zewntrznego

pliku, - DC Sweep – analiz stałoprdow, - Monte Carlo/Worst Case – analiz Monte Carlo lub analiz najgorszego

przypadku przy załoonej tolerancji wartoci 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 czułociowa, - Temperature – zadawanie wartoci temperatury (wyraonej w stopniach

Celsjusza), dla których maj by przeprowadzone analizy, - Transfer Function – wyznaczanie wzmocnienia układu, - Transient – analiza stanów przejciowych. Wybrane rodzaje analiz zostan omówione szczegółowo w dalszej czci

podrcznika. Aby przeprowadzi wybran analiz stłoprdow naley w oknie z rys.2.5

wybra DC Sweep i klikajc 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. Moe nim by ródło napiciowe, temperatura, ródło prdowe, parametr modelu lub parametr globalny. W rozwaanym przypadku wybrano ródło napiciowe. Z prawej strony naley wpisa nazw tego ródła – w rozwaanym przypadku EC. Nastpnie w lewej, dolnej czci okna okrela si sposób zmian wartoci napicia na wybranym ródle. Wybrano przemiatanie liniowe. W prawej dolnej czci okna podaje si 3 liczby: pocztek zakresu przemiatania, koniec tego zakresu, oraz krok zmian wartoci przemiatanej. W rozwaanym przykładzie liczby te wynosz odpowiednio 0, 20 V oraz 0,1 V. Przy wprowadzaniu liczb w rónych oknach dialogowych naley pamita, e separatorem dziesitnym jest kropka, a nie przecinek.


10

Rys.2.6. Okno dialogowe do ustalania parametrów analizy stałoprdowej

Po wprowadzeniu wymienionych danych naley klikn na przycisk OK i zamkn okno dialogowe. Nastpnie naley uruchomi analiz w sposób opisany przy wyznaczaniu punktu pracy, np. wcisn przycisk F11. Na ekranie pojawi si okno programu Pspice A/D, a nastpnie, jeeli uytkownik nie popełnił błdów, pojawi si okno programu Probe. W górnej czci tego okna znajduje si pasek menu, poniej pasek z przyciskami skrótu, a reszt okna zajmuje obszar wykresu. W celu uzyskania na ekranie wykresu )( CC Ei , ilustrujcego wyniki przeprowadzonych analiz naley:

a) na pasku narzdziowym klikn Trace i wybra Add (Insert), b) Po pojawieniu si okna dialogowego, pokazanego na rys.2.7, naley

zaznaczy mysz „IC(Q1)”, c) Wybór naley potwierdzi klikajc na przycisk OK

Rys.2.7. Okno dialogowe umoliwiajce wybór zmiennych wykrelanych na wykresie

W oknie dialogowym z rys.2.7 z lewej strony wystpuj prdy wszystkich elementów zawartych w analizowanym układzie oraz napicia we wszystkich wzłach układu. Prdy oznaczone s liter I, po której nastpuje ewentualnie


11

litera oznaczajca kocówk elementu, a dalej w nawiasie podana jest nazwa elementu. Przykładowo, prd kolektora tranzystora Q1 jest oznaczony symbolem IC(Q1), a prd rezystora R3 – symbolem I(R3). Z kolei, napicia oznaczane s liter V, po której w nawiasie podana jest nazwa wzła lub nazwa kocówki elementu. Przykładowo napicie na bazie tranzystora Q1 jest oznaczone symbolem V(Q1:b), napicie w wle 1 – symbolem V(1). Z prawej strony okna dialogowego wystpuj funkcje, które mog by wykorzystane w zalenociach algebraicznych opisujcych zmienn wykrelan na osi pionowej. W oknie Trace Expression wpisuje si z klawiatury lub odpowiednio wybiera mysz funkcje i zmienne, opisujce wykrelan zaleno.

W wyniki uzyskuje si wykres przedstawiony na rys.2.8. Osie wykresu s skalowane automatycznie w taki sposób, aby uzyska na ekranie obraz rozwaanej zalenoci w całym zakresie zmian zmiennej przemiatanej. Automatycznie zmienna przemiatana jest wybierana jako zmienna wykrelana na osi poziomej, a skale na obu osiach s liniowe.

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

Oczywicie uytkownik moe zmieni zmienn wykrelan na osi poziomej. Przykładowo, w celu uzyskania, w oparciu o wyniki poprzednio przeprowadzonej analizy, wykresu charakterystyki )( CEC ui tranzystora Q1 naley: a) W menu programu PROBE wybra Plot, a po rozwiniciu menu wybra X

Axis Settings, b) Wówczas pojawi si okno dialogowe, pokazane na rys.2.9. W oknie tym

naley klikn mysz na przycisk Axis Variable, a nastpnie z listy, która si pojawi wybra napicie na kolektorze tranzystora V(Q1:c) i zaakceptowa wybór wciskajc Ok. W wyniku uzyska si wykres pokazany na rys.2.10. Zmiennymi przemiatanymi w analizie DC mog by nie tylko wydajnoci

ródeł napiciowych lub prdowych, ale take tzw. parametry globalne. Poniej przedstawiono sposób przeprowadzenia analizy stałoprdowej prowadzcej do


12

uzyskania zalenoci prdu kolektora od rezystancji rezystora RC.

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

W celu przeprowadzenia takiej analizy naley przej do programu Schematics i zmodyfikowa schemat pokazany na rys.2.1, dodajc na nim pseudo-element PARAM oraz parametryzujc warto rezystancji rezystora RC. Wykonanie wymienionych modyfikacji wymaga przeprowadzenia nastpujcych czynnoci: a) Na schemacie naley podda edycji rezystancj rezystora RC, wpisujc

RC zamiast 1k, b) Wybra z listy elementów i umieci 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 klikniciu mysz elementu „PARAMETERS” otworzy si

okno dialogowe, pokazane na rys.2.12. W oknie tym naley wprowadzi nazw parametru globalnego (NAME1) – w rozwaanym przypadku RC oraz domyln warto tego parametru (VALUE1) – w rozwaanym przypadku 1K.

Nastpnym krokiem jest ustawienie odpowiednich parametrów analizy. W celu przeprowadzenia parametrycznej analizy stałoprdowej naley wybra w Setupie DC Sweep, a w oknie dialogowym pokazanym na rys.2.6 wybra nastpujce ustawienia:

- Swept Var. Type - Global Parameter,


13

- 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 powysze oznaczaj, e przeprowadzona zostanie analiza stałoprdowa, w której przemiatana bdzie warto parametru globalnego RC w zakresie od 1 Ω do 1 MΩ, przy czym przemiatanie bdzie realizowane logarytmicznie, a obliczenia bd wykonywane w kadej dekadzie dla 20 wartoci tego parametru.

Po wykonaniu oblicze pojawi si okno programu PROBE. W celu uzyskania wykresu zalenoci )(RCiC naley: a) Wybra jako zmienn wykrelan na osi pionowej „IC(Q1)”, b) W oknie dialogowym, pokazanym na rys.2.9 zaznaczy Scale – Log, dziki

czemu uzyska si skal logaryczniczn na osi X. Parametryzacja wartoci elementów układu moe by równie

wykorzystana do wyznaczania rodzin charakterystyk układów elektronicznych. Przykładowo, dla rozwaanego układu z rys.2.11 mona wyznaczy charakterystyki )( CC Ei dla wybranych wartoci rezystancji RC. W celu przeprowadzenia takiej analizy naley w Setupie zaznaczy 2 rodzaje analiz – DC Sweep oraz Parametric. Potem naley ustawi nastpujce parametry analizy stałoprdowej (DC Sweep) w oknie dialogowym pokazanym na rys. 2.6:

- Swept Var. Type – Voltage Source,


14

- Name – EC - Sweep Type – Linear - Start Value – 0 - End Value – 30 - Increment – 0.01

Ustawienia te oznaczaj, e analiza stałoprdowa bdzie przeprowadzona wzgldem wydajnoci ródła napiciowego EC. Wydajno ta bdzie zmieniana liniowo od 0 do 30 V z krokiem 0,01 V.

Nastpnie naley w oknie dialogowym analizy parametrycznej, pokazanym na rys.2.13, wprowadzi nastpujce 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 stałoprdowe, zdefiniowane w oknie DC Sweep bd przeprowadzone przy rónych wartociach parametru globalnego RC. Parametr ten bdzie kolejno przyjmował wartoci równe 100 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ oraz 100 kΩ.

Po zamkniciu okna Setup oraz uruchomieniu oblicze, np. przyciskiem F11 zostan przeprowadzone 4 analizy stałoprdowe. Po zakoczeniu oblicze zostanie uruchomiony program PROBE, który wywietli okno dialogowe pokazane na rys.2.14. W oknie tym podana jest lista wykonanych analiz. Uytkownik moe obejrze wyniki wszystkich analiz, wówczas wybiera tylko przycisk OK, lub pozostawia (klikajc mysz) zaznaczone na licie tylko te analizy, których wyniki chce wywietli i klikn przycisk OK.

Dalej pojawi si standardowe okno programu PROBE, na którym naley wybra wykres prdu IC(Q1). Na ekranie pojawi si 4 krzywe oznaczone rónymi kolorami, a pod wykresem znajd si markery o takich samych kolorach. Klikajc dwukrotnie na marker uzyskuje si okno z informacj na temat ustawie analizy, której dotyczy dana krzywa na wykresie. Zilustrowano to na rys.2.15.


15

Rys.2.14. Okno dialogowe wyboru analizy w programie PROBE

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

Domylnie analizy w programie SPICE wykonywane s dla temperatury równej 27oC. Wartoci tej temperatury uytkownik moe zmienia. Przykładowo, w celu wyznaczenia charakterystyk )( CC Ei dla trzech

temperatur, równych 27°C, 100°C, 150°C naley w Setupie zaznaczy 2 rodzaje analiz – DC Sweep oraz Temperature. Nastpnie naley ustawi parametry analizy stałoprdowej (DC Sweep) identyczne jak w poprzednim przykładzie. Nastpnie w oknie dialogowym, pokazanym na rys.2.16, naley wprowadzi list wartoci temperatury (w stopniach Celsjusza), dla których maj by wykonane analizy.

Po uruchomieniu symulacji SPICE wykona obliczenia zdefiniowane w oknie DC Sweep kolejno dla kadej wartoci temperatury zdefiniowanej w oknie Temperature Analysis. Po wykonaniu oblicze pojawi si okno dialogowe


16

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

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

Oprócz charakterystyk statycznych, uzyskiwanych za pomoc analizy DC Sweep, program SPICE umoliwia równie wyznaczenie małosygnałowych charakterystyk czstotliwociowych przy wykorzystaniu analizy AC Sweep. Przy realizacja takiej analizy w obwodzie powinno znajdowa si co najmniej jedno ródło VAC lub IAC. Aby przeprowadzi analiz czstotliwociow naley 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

czstotliwociowej

W oknie tym wybiera si sposób przemiatania czstotliwoci (Linear, Octave lub Decade), ilo punktów w kadej dekadzie czstotliwoci oraz pocztek i koniec przedziału zmian czstotliwoci. W oknie tym mona równie zada parametry analizy szumowej (Noise Analysis).

Przykładowo, w celu wyznaczenia rodziny charakterystyk czstotliwociowych rozwaanego układu tranzystorowego przy rónych wartociach rezystancji RC naley najpierw zmodyfikowa schemat analizowanego układu do postaci pokazanej na rys.2.18.

Dla wprowadzonego na schemacie ródła napiciowego VAC o nazwie EB naley poda niezerow warto amplitudy składowej zmiennej (ACMAG) oraz warto składowej stałej (DC) zapewniajc prac tranzystora Q1 w zakresie aktywnym normalnym. W rozwaanym przykładzie przyjto DC=0,6V oraz ACMAG=1V. Na schemacie wprowadzono równie etykiety wzłów wejciowego (we) i wyjciowego (wy). Etykiety te wprowadza si klikajc dwukrotnie na wybrany wzeł i wpisujc z klawiatury, po pojawieniu si okna dialogowego, wybran nazw wzła.


17

Rys.2.18. Schemat rozwaanego układu do analizy czstotliwociowej

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 wartoci rezystancji RC. Po zakoczeniu analiz pojawi si na ekranie okno dialogowe programu PROBE umoliwiajce wybór wyników analiz, które bd stanowiły dane dla tworzonych wykresów.

Wynikiem analizy AC Sweep s zalenoci amplitud oraz faz napi i prdów od czstotliwoci. W celu wykrelenia charakterystyki amplitudowej naley w programie PROBE wybra z menu Trace i po jego rozwiniciu klikn mysz Add. Wówczas pojawi si okno dialogowe o postaci pokazanej na rys.2.7. Naley wówczas przy wykorzystaniu myszy lub klawiatury wpisa w oknie Trace Expression wyraenie „V(wy)/V(we)” i klikn na przycisk OK. Aby jednoczenie móc oglda charakterystyk fazow układu naley w menu wybra Plot i po jego rozwiniciu klikn mysz Add Plot. Wówczas pojawi si dodatkowo puste pole wykresu. Znów naley wybra z menu Trace i po jego rozwiniciu klikn mysz Add. Po pojawieniu si okna dialogowego o postaci pokazanej na rys.2.7 naley wpisa w oknie Trace Expression wyraenie „P(V(wy)/V(we))” i klikn na przycisk OK. W wyniku tych operacji uzyskuje si wykresy pokazane na rys.2.19. Na górze wykrelona jest charakterystyka fazowa a na dole - charakterystyka amplitudowa.

Jak mona zauway na charakterystyce fazowej, transmitancja rozwaanego układu posiada 3 bieguny, powodujce zmian przesunicia fazowego wnoszonego przez badany układ od 180o do -90o.

Czsto istotne jest wyznaczenie czasowych przebiegów wystpujcych w analizowanym układzie elektronicznym. W tym celu wykorzystuje si analiz stanów przejciowych (Transient). Przy realizacji tej analizy w układzie powinno by co najmniej jedno ródło napiciowe lub prdowe, którego wydajno zmienia si w funkcji czasu.

Sposób realizacji analizy stanów przejciowych zostanie zilustrowany poniej na przykładzie wzmacniacza jednotranzystorowego pobudzanego sygnałem trapezoidalnym. Celem analizy jest wyznaczenie czasowego przebiegu oraz widma prdu kolektora. Aby zrealizowa t analiz naley zmodyfikowa schemat rozwaanego układu do postaci pokazanej na rys.2.20.


18

Rys.2.19. Wynik analizy czstotliwociowej układu z rys.2.18

Rys.2.20. Schemat rozwaanego układu do analizy stanów przejciowych

Rozwaany układ pobudzany jest sygnałem trapezoidalnym ze ródła napiciowego EB typu VPULSE. Po klikniciu na symbol ródła VPULSE pojawi si okno dialogowe, w którym naley wprowadzi nastpujce wartoci parametrów tego ródła:

- poziom niski napicia V1 = -2 V, - poziom wysoki napicia V2 = 5 V, - czas opónienia 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.


19

W Setupie naley 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

przejciowych

W górnej czci tego okna zadawane s parametry analizy stanów przejciowych. Parametr Print Step oznacza krok wydruku wyników oblicze w wyjciowym pliku tekstowym (*.out). Warto tego parametru musi by dodatnia i mniejsza od wartoci parametru Final Time oznaczajcego czas zakoczenia oblicze. Obliczenia realizowane s ze zmiennym krokiem czasowym, zalenym od szybkoci zmian napi i prdów w analizowanym układzie. Jeeli uytkownik chce zmniejszy wielko pliku wynikowego i nie s dla niego istotne wyniki oblicze z przedziału czasowego od zera do pewnej wartoci 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 wystpuj problemy ze zbienoci oblicze lub wtedy, gdy uzyskiwane przebiegi czasowe nie s gładkie. Zwykle podaje si tylko wartoci Print Step oraz Final Time.

Z kolei, w dolnej czci okna dialogowego podawane s parametry analizy widmowej. Jeeli analiza ta ma by realizowana, to naley zaznaczy kwadrat Enable Fourier, poda warto czstotliwoci podstawowej (Center Frequency), liczb harmonicznych (Number of harmonics) oraz list zmiennych, dla której maj by wyznaczone wartoci poszczególnych harmonicznych (Output Vars). Czstotliwo podstawowa musi by wysza od odwrotnoci czasowego zakresu analizy, a liczba harmonicznych nie moe przekroczy 100. Wyniki analizy widmowej podawane s w formie tekstowej w pliku *.out.

Przy ustawieniach analizy stanów przejciowych podanych na rys.2.21 czasowy zakres analizy wynosi 50 µs. Po wykonaniu oblicze naley w programie PROBE wybra z menu Trace i klikn mysz Add. W oknie dialogowym naley wybra „IC(Q1)” i potwierdzi wybór przyciskiem Ok. W wyniku uzyska si czasowy przebieg prdu kolektora tranzystora Q1 pokazany na rys.2.22.


20

Rys.2.22. Czasowy przebieg prdu kolektora tranzystora Q1 uzyskany z analizy stanów

przejciowych

W celu wyznaczenia widma prdu kolektora tranzystora Q1 naley klikn

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

Rys.2.23. Widmo prdu kolektora tranzystora Q1 uzyskane z analizy stanów przejciowych

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Narysowa schemat układu przedstawionego na rysunku 2.24 i przeprowadzi nastpujce analizy: a) wyznaczenie punktu pracy układu, b) wyznaczenie stałoprdowej zalenoci prdu kolektora tranzystora

Q1 od napicia midzy jego zaciskami wyjciowymi przy 4


21

wartociach napicia na ródle V1 równych kolejno 0,6 V, 1 V, 1,5 V, 2 V. Przyj zakres zmian napicia na ródle EC od zera do 50 V.

Rys.2.24. Schemat układu rozwaanego w zadaniu 1

c) wyznaczenie zalenoci prdu rezystora RC od rezystancji rezystora RE (zmienianej w zakresie od 0,1 Ω do 10 kΩ) przy 3 wartociach temperatury równych kolejno 0, 30 oraz 100 oC.

d) wyznaczenie charakterystyki amplitudowej i fazowej rozwaanego układu w zakresie czstotliwoci od 1 Hz do 1 GHz przy 2 wartociach składowej stałej napicia na ródle V1 równych kolejno 1 V oraz 2 V. Przyj, e napiciem wejciowym jest napicie na ródle V1, a napiciem wyjciowym – napicie na kolektorze tranzystora Q1.

e) wyznaczenie czasowego przebiegu i widma napicia midzy 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 nastpujce analizy:

Rys.2.25. Schemat układu rozwaanego w zadaniu 2

a) wyznaczy punkt pracy układu, b) wyznaczy przejciow charakterystyk amplitudow i fazow

układu uwy/uwe dla wartoci R1 równych 1 kΩ, 100 Ω, 10 Ω,


22

c) wykona analiz stanów przejciowych układu dla pobudzenia sygnałem trapezoidalnym o poziomach - 2 V oraz 5 V, czasie opónienia 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 napicia wyjciowego uwy.

d) powtórzy obliczenia z punktu c) dla pobudzenia sygnałem trójktnym o identycznym okresie oraz wartoci maksymalnej i minimalnej jak dla sygnału trapezoidalnego, zdefiniowanego w punkcie c).

Uwaga: 1. Jeeli w czasie rysowania schematu trzeba odwróci element, to po

zaznaczeniu go mysz (ma wówczas kolor czerwony) naley nacisn przyciski Ctrl+R (obrót o 90o) lub Ctrl+F (lustrzne odbicie w poziomie).

2. W kadym analizowanym układzie musi wystpi wzeł masy, traktowany jako punkt odniesienia w układzie.

3. Midzy kadym wzłem obwodu a mas musi istnie połczenie o skoczonej rezystancji.

4. Do kadego wzła musz by podłczone kocówki co najmniej dwóch elementów.

5. Niespełnienie warunków 2-4 uniemoliwi wykonanie jakichkolwiek analiz.


23

3. NIEZALENE I STEROWANE RÓDŁA

NAPICIOWE I PRDOWE W programie PSPICE mona wykorzystywa ródła napiciowe i prdowe.

Nazwy niezalenych ródeł napiciowych rozpoczynaj si od litery V, a nazwy niezalenych ródeł prdowych od litery I. Poniewa sygnały generowane przez ródła napiciowe i prdowe mog mie identyczny kształt, w dalszych rozwaaniach opisano szczegółowo tylko niezalene ródła napiciowe. W przypadku potrzeby zastosowania ródła prdowego generujcego przebieg o okrelonym kształcie naley wykorzysta ródło, w którego nazwie bdzie zastpiona tylko pierwsza litera V liter I. Oczywicie wszystkie parametry majce sens napi maj w takich ródłach sens prdów.

W poprzednim rozdziale stosowane było ródło napicia stałego Vdc, którego jedynym parametrem jest warto napicia stałego wytwarzanego na jego zaciskach. W rozdziale 2 wykorzystywane było równie ródło Vac dedykowane do zastosowania w analizie czstotliwociowej. ródło Vac ma 3 parametry:

- składow stał DC, - amplitud składowej zmiennej ACMAG, - faz pocztkow składowej zmiennej ACPHASE.

Jeeli uytkownik nie poda wartoci którego z wymienionych parametrów, to program przyjmie domyln warto tego parametru równ zero.

W programie PSPICE jest kilka rodzajów ródeł niezalenych wytwarzajcych napicia o przebiegach zmiennych w czasie. Poniej scharakteryzowano najwaniejsze z nich.

• ródło sygnału sinusoidalnego (VSIN) wytwarza na swoich zaciskach przebieg charakteryzowany przez nastpujce parametry: - VOFF – warto rednia, - VAMPL – amplituda, - FREQ – czstotliwo, - TD – czas opónienia (do tego czasu, liczc od pocztku analizy

TRAN, napicie wyjciowe ródła ma warto równ VOFF), - DF – współczynnik tłumienia napicia wyjciowego, - PHASE – faza pocztkowa napicia wyjciowego.

• ródło sygnału trapezoidalnego (VPULSE) wytwarza na swoich zaciskach przebieg charakteryzowany przez nastpujce parametry: - V1 – poziom pocztkowy napicia wyjciowego, - V2 – poziom napicia wyjciowego po przełczeniu, - TD – czas opónienia (do tego czasu, liczc od pocztku analizy

TRAN, napicia wyjciowe ródła ma warto równ V1), - TR – czas narastania, - TF – czas opadania, - PW – czas trwania impulsu, - PER – okres powtarzania impulsów.


24

• ródło sygnału opisanego łaman (VPWL) wytwarza na swoich zaciskach przebieg charakteryzowany przez pary liczb Ti, Vi (i = 1, 2, 3, …, n) okrelajcych odpowiednio współrzdn czasow i napiciow punktu, bdcego wzłem łamanej opisujcej czasowy przebieg napicia wyjciowego ródła. Jeeli czas T1 > 0, to dla czasów mniejszych od T1 napicie wyjciowe ródła równe jest V1. Dla czasów wikszych od najwikszego czasu Tn przebieg napicia wyjciowego jest funkcj stał równ Vn.

Oprócz ródeł niezalenych dostpne s równie w programie PSPICE 4 rodzaje ródeł sterowanych:

a) ródło napiciowe sterowane napiciem, którego nazwa rozpoczyna si od litery E,

b) ródło napiciowe sterowane prdem, którego nazwa rozpoczyna si od litery H,

c) ródło prdowe sterowane napiciem, którego nazwa rozpoczyna si od litery G,

d) ródło prdowe sterowane prdem, którego nazwa rozpoczyna si od litery F.

O ile ródła niezalene s dwójnikami, to ródła sterowane s czwórnikami. Symbole, stosowane w programie Schematics, wybranych ródeł niezalenych pokazano na rys.3.1, a symbole wybranych ródeł sterowanych na rys.3.2. W ródłach sterowanych wystpuj zaciski wyjciowe (z prawej strony symbolu) oraz zaciski sterujce (z lewej strony symbolu).

Rys.3.1. Symbole wybranych ródeł niezalenych w programie Schematics

Rys.3.2. Symbole wybranych ródeł sterowanych w programie Schematics

ródła sterowane mog by ródłami liniowymi, w których relacja midzy wielkoci wejciow i wyjciow jest liniowa, lub ródłami nieliniowymi, w których zaleno ta jest nieliniowa. W ródłach liniowych wystpuje tylko jeden parametr GAIN opisujcy iloraz wielkoci wyjciowej przez wejciow. W ródłach E ma on sens wzmocnienia napiciowego, w ródłach F – wzmocnienia prdowego, w ródłach G – transkonduktancji, a w ródłach H – transrezystancji.

Relacja midzy wielkoci wyjciow a wejciow moe by równie


25

opisana za pomoc wielomianu. W nazwie takich ródeł po pierwszej literze wystpuje POLY. Przykładowo w ródle napiciowym sterowanym napiciem (EPOLY) napicie wyjciowe Uwy ródła opisane jest wielomianem napicia sterujcego Uwe. W opisie ródła naley poda liczby, stanowice współczynniki przy kolejnych potgach wielomianu, poczwszy od najniszej do najwyszej. Poszczególne współczynniki naley oddzieli od siebie spacjami. Jeeli który współczynnik wielomianu jest równy zero, to naley wpisa na licie wartoci parametrów w odpowiednim miejscu zero, np. w przypadku wielomianu o postaci x4 + x2 naley wpisa COEFF = 0 0 1 0 1.

ródła sterowane napiciem (E oraz G) mog by opisane take za pomoc funkcji odcinkami liniowej (ródła ETABLE oraz GTABLE) lub za pomoc złoenia funkcji elementarnych (EVALUE oraz GVALUE).

Tabela 3.1. Funkcje elementarne, które mog by uyte w opisie wydajnoci ródła EVALUE FUNKCJA ZNACZENIE OPIS

ABS(X),M(X) | x | warto bezwzgldna z x ACOS(X) cos-1(x) arcus cosinus z x [rad] ARCTAN(X), ATAN(X) tan-1(x) arcus tangens z x [rad]

ASIN(X) sin-1(x) arcus sinus z x [rad] ATAN2(Y,X) tan-1(y/x) arcus tangens z y/x [rad] COS(X) cos(x) cosinus z x [rad] COSH(X) cosh(x) cosinus hiperboliczny z x [rad] DDT(X) dx/dt pochodna dx/dt EXP(X) ex eksponenta z x

IF(T,X,Y) zwraca x jeli spełniony warunek t; zwraca y jeli nie jest spełniony

warunek t funkcja warunkowa if

LIMIT (X,MIN,MAX)

zwraca min jeli x<min; zwraca max jeli x>max; zwraca x w

pozostałych

LOG(X) ln(x) logarytm naturalny z x

MAX(X,Y) zwraca wiksz sporód wartoci x oraz y maksimum x i y

MIN(X,Y) zwraca mniejsz sporód wartoci x oraz y minimum x i y

PWR(X,Y) |x|y funkcja potgowa PWRS(X,Y) + |x|y gdy x>0; – |x|y gdy x<0 funkcja potgowa ze znakiem SDT(X) x dt całka z x

SGN(X) zwraca + 1 gdy x>0; zwraca – 1 gdy x<0 Znak wyraenia x

SIN(X) sin(x) sinus z x [rad] SINH(X) sinh(x) sinus hiperboliczny z x [rad]

STP(X) zwraca + 1 gdy x>0.0; zwraca – 1 gdy x<0.0

SQRT(X) x1/2 pierwiastek kwadratowy z x TAN(X) tan(x) tangens z x [rad] TANH(X) tanh(x) tangens hiperboliczny z x [rad]


26

Przykładowo, w opisie ródła ETABLE naley poda nazw wielkoci sterujcej (domylnie jest to napicie wejciowe Uwe) oraz współrzdne punktów (Uwei, Uwyi), gdzie i = 1, 2, …n, stanowicych wzły łamanej, bdcej wykresem rozwaanej funkcji odcinkami liniowej. Dla napi wejciowych mniejszych od Uwe1 wartoci napicia wyjciowego wynosz Uwy1, za dla napi wejciowych wikszych od Uwen, napicie wyjciowe wynosi Uwyn.

Z kolei, w ródle sterowanym EVALUE zaleno napicia wyjciowego od wielkoci sterujcej dane jest złoeniem funkcji elementarnych (dozwolone funkcje wymienione s w tabeli 3.1). W opisie wydajnoci ródła wpisuje si posta funkcji opisujcej wydajno ródła. Przykładowo, jeeli ródło sterowane jest napiciem w wle 1, a funkcja opisujca stanowi sum funkcji wykładniczej (ekspotencjalnej) i liniowej, to naley w opisie ródła wpisa EXPR=exp(v(1))+v(1). Zadania do samodzielnego wykonania

1. Wybra odpowiedni typ ródła napiciowego i rodzaj analizy, zapewniajcy uzyskanie czasowego przebiegu sinusoidalnego o czstotliwoci 1 kHz, amplitudzie 2 V oraz wartoci redniej 3 V.

2. Wybra odpowiedni typ ródła napiciowego i rodzaj analizy, zapewniajcy uzyskanie czasowego tłumionego przebiegu cosinusoidalnego o czstotliwoci 1 kHz, amplitudzie 2 V, wartoci redniej 3 V oraz współczynniku tłumienia 100.

3. Wybra odpowiedni typ ródła napiciowego i rodzaj analizy, zapewniajcy 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 czstotliwoci 50 kHz. Generacja przebiegu powinna rozpocz si po upływie 15 µs od chwili rozpoczcia analizy.

4. Wybra odpowiedni typ ródła napiciowego i rodzaj analizy, zapewniajcy uzyskanie czasowego przebiegu trójktnego o wartoci minimalnej i maksymalnej równych odpowiednio 1 V i 5 V oraz czstotliwoci 20 kHz. Generacja przebiegu powinna rozpocz si po upływie 18 µs od chwili rozpoczcia analizy.

5. Wybra odpowiedni typ ródła napiciowego i rodzaj analizy, zapewniajcy uzyskanie czasowego przebiegu napicia 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 napicie opisane zalenoci

( ) 22 ++= uweuweUwy (3.1) Wykreli charakterystyk przejciow ródła E1 przy zmianach wartoci 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 napicia wyjciowego w zakresie od -2 V do 3 V. Wystpujce na tym rysunku ródło V1 wytwarza napicie


27

sinusoidalne o wartoci redniej równej zero, amplitudzie 5 V i czstotliwoci 10 kHz. Przedstawi przebiegi na zaciskach obu ródeł dla czasu od 0 do 200 µs.

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10

t[ms]

U[V

]

Rys.3.3. Przebieg napicia do wygenerowania w punkcie 5

Rys.3.4. Układ rozwaany w punkcie 6


8. W układzie z rys.3.6 opisa wydajno ródła E1 w taki sposób, aby na jego zaciskach uzyska napicie opisane zalenoci

( ) 23

exp2 +

+= uweuweUwy (3.2)

Wykreli charakterystyk ródła E1 przy zmianach wartoci uwe w zakresie od 0 do 10 V.


28


4. Modelowanie elementów indukcyjnych w programie SPICE

29

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, opisujcy zaleno indukcyjnoci od prdu i oraz temperatury T dany wzorem

( ) ( )[ ]2200 21211),( iILiILTTTCTTTCLTiL ⋅+⋅+−⋅+−⋅+⋅= (4.1)

We wzorze tym L oznacza indukcyjnoc cewki przy prdzie i = 0 oraz temperaturze T równej temperaturze odniesienia T0 (domylnie T0 = 27oC), TC1 i TC2 oznaczaj liniowy oraz kwadratowy współczynnik temperaturowych zmian indukcyjnoci, za IL1 i IL2 - liniowy oraz kwadratowy współczynnik prdowych zmian indukcyjnoci.

Opis indukcyjnoci 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 uytkownik wprowadza dla tego elementu parametr Value. Indukcyjno cewki stanowi iloczyn parametru Value oraz wartoci uzyskanej ze wzoru (4.1).

W praktyce czsto wykorzystuje si cewki z rdzeniem ferromagnetycznym. Ze wzgldu 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 właciwoci rdzenia ferromagnetycznego. Model ten opisuj nastpujce równania [9, 20]

( ) dH

dMC

CKC

MMdHdM aa ⋅

++

⋅⋅+−

=11 δ

(4.2)

+⋅=

AHH

MM Sa (4.3)

W powyszych równaniach H oznacza natnie pola magnetycznego w rdzeniu, M – magnetyzacj rdzenia, Ma – magnetyzacj na krzywej pierwotnego magnesowania, pozostałe wielkoci to parametry modelu. Maj one nastpujcy 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 natenie pola magnetycznego ronie oraz -1, gdy natenie to maleje.

Model Jilesa-Athertona charakteryzuje właciwoci materiału ferromagnetycznego, ale na właciwoci 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].


30

Sprzenie 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 nawinitych na rdzeniu. Oczywicie indukcyjno tej cewki jest zalena od wartoci prdu. Niestety, stosujc nieliniowy model rdzenia nie mona uwzgldni zalenoci indukcyjnoci od temperatury.

Aby wyznaczy zaleno indukcyjnoci cewki od prdu naley wykorzysta układ pokazany na rys.4.1. W układzie tym badana cewka L1 zasilana jest ze ródła prdowego Iwe generujcego przebieg trapezoidalny. Rezystor R1 wystpuje w układzie ze wzgldów formalnych, poniewa w PSPICE niedopuszczalne jest tworzenie oczek zawierajcych tylko cewk i ródło prdowe. W parametrach ródła prdowego przyjmuje si zerow warto poziomu niskiego I1, a warto poziomu wysokiego I2 równa jest wartoci maksymalnej prdu, dla której ma by wyznaczona zaleno L(i). Naley przyj zerow warto czasu opónienia TD, a czas narastania impulsu TR powinien wynosi około 1 ms. Dla rozwaanego układu naley przeprowadzi analiz stanów przejciowych, przyjmujc warto Final Time równ wartoci czasu TR. Wówczas, w całym rozwaanym zakresie analizy, prd jest liniowo narastajc funkcj czasu.

Rys.4.1. Układ do wyznaczania zalenoci L(i)

Jak wiadomo, podstawowe równanie cewki ma posta

dtdi

Lu LL ⋅= (4.4)

gdzie uL oznacza napicie na cewce, za iL – prd płyncy przez t cewk. A zatem po wykonaniu analizy stanów przejciowych naley w programie

PROBE wykreli na osi pionowej wyraenie o postaci 12 II

TRuL

−⋅

, a na osi

poziomej wybra prd cewki i(L1). Aby mona było zbada wpływ parametrów modelu cewki na uzyskiwan

zaleno L(i) naley wprowadzi do modelu cewki Lbreak wybrane wartoci parametrów L, TC1, TC2, IL1 oraz IL2.

Po narysowaniu schematu pokazanego na rys.4.1 naley dwukrotnie klikn


31

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

Rys.4.2. Okno dialogowe do wprowadzania wartoci parametrów cewki

W oknie tym trzeba wprowadzi warto parametru VALUE, który jest mnonikiem indukcyjnoci obliczonej ze wzoru (4.1). Mona równie poda warto parametru IC, majcego sens warunku pocztkowego prdu cewki.

W celu wprowadzenia lub modyfikacji wartoci parametrów nieliniowego modelu cewki naley zaznaczy cewk na schemacie (jej symbol stanie si wówczas czerwony), a nastpnie z menu programu Schematics wybra Edit, a po rozwiniciu tego menu – Model. Wówczas pojawi si okno dialogowe pokazane na rys.4.3.

Rys.4.3. Okno dialogowe Edit Model

Przyciski znajdujce si z prawej strony okna umoliwiaj kolejno: - zmian nazwy modelu, - edycj tekstow wartoci parametrów modelu, - edycj lub estymacj parametrów modelu w programie PARTS.

Po wybraniu rodkowego przycisku pojawia si okno dialogowe, pokazane na rys.4.4, umoliwiajce edycj wartoci parametrów modelu Lbreak.

Rys.4.4. Okno dialogowe umoliwiajce edycj wartoci 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 cieka dostpu i nazwa pliku, w którym zostanie zapisany zmodyfikowany model. W głównej czci okna znajduje si deklaracja modelu Lbreak, która składa si ze słowa kluczowego model (poprzedzonego kropk), nazwy modelu (Lbreak), rodzaju opisywanego elementu (IND) oraz


32

listy parametrów modelu wraz z ich wartociami. Opis modelu koczy znak *$. Jak wida, w pokazanej deklaracji wystpuje tylko jeden parametr – L. Pozostałe parametry modelu maj wartoci domylne (w tym przypadku zerowe). W celu wprowadzenia wartoci innych parametrów modelu naley wpisa ich nazwy i wartoci w obszarze midzy rodzajem modelu a znakiem koca opisu modelu.

W przypadku cewki z rdzeniem ferromagnetycznym układ do wyznaczania zalenoci L(i) ma posta pokazan na rys.4.5.

Rys.4.5. Układ do wyznaczania zalenoci 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 klikniciu mysz na symbolu K otwiera si okno dialogowe, pokazane na rys.4.6, umoliwiajce deklaracj cewek sprzonych przez ten rdze.

Rys.4.6. Okno dialogowe umoliwiajce deklaracj elementów sprzonych magnetycznie

przez rdze

W oknie tym podaje si kolejno nazwy cewek sprzonych przez rozwaany rdze (w rozwaanym przypadku jest to tylko jedna cewka L1) oraz warto współczynnika sprzenia (COUPLING), która musi by zawarta w przedziale od 0 do 1.

Wartoci parametrów modelu rdzenia (AREA, GAP, PATH, MS, A, C, K) wprowadza si analogicznie jak dla modelu cewki Lbreak, przy czym przed wejciem do menu naley zaznaczy element K.

Analizujc układy zawierajce rdze ferromagnetyczny uzyskuje si w wyniku, oprócz przebiegów napi i prdów, take przebiegi natenia pola magnetycznego H oraz indukcji pola magnetycznego B. Naley pamita, e w programie PROBE jednostkami tych wielkoci nie s jednostki układu SI, ale jednostki układu cgs, odpowiednio Oe oraz Ga. Relacje midzy tymi jednostkami, a jednostkami układu SI s nastpujce: 1 A/m = 79,6 Oe, za 1


33

T = 10000 Ga. Oprócz cewek do elementów indukcyjnych nale równie transformatory.

Najprostszym modelem transformatora s sprzone 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 sprzenie magnetyczne midzy tymi cewkami. Przedstawiony model opisuje transformator idealny, którego charakterystyki nie zale ani od temperatury, ani od prdów płyncych w uzwojeniach.

Nieliniowoci transformatora mona uwzgldni wykorzystujc zamiast liniowych cewek L1 i L2 cewki o modelach nieliniowych Lbreak lub wykorzystujc nieliniowy model rdzenia ferromagnetycznego Kbreak. Zadania do samodzielnego wykonania 1. Wykorzystujc model Lbreak cewki wyznaczy zaleno napicia na

cewce od czasu przy pobudzeniu prdem liniowo narastajcym 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 nastpujce zestawy wartoci 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 A-

2. 2. Wykorzystujc układ z rys.4.5 wyznaczy przebieg ptli histerezy B(H)

rdzenia ferromagnetycznego o domylnych wartociach parametrów. W charakterze ródła zasilajcego Iwe wykorzysta ródło typu ISIN o nastpujcych wartociach parametrów: IOFF = 0, IAMPL=15 A, FREQ=10 kHz. Uwaga: W celu uzyskania gładkiej krzywej naley przeprowadzi obliczenia z wysok dokładnoci. Wymaga to ustawienia w Setupie wartoci opcji RELTOL (okrelajcej wzgldn dokładno oblicze napi i prdów) równej 0,00001 zamiast standardowej wartoci równej 0,001.


34

3. Wykorzystujc układ z rys.4.5 wyznaczy zaleno L(i) cewki z rdzeniem dla prdów z zakresu od 0 do 10 A. Cewka zawiera 10 zwojów nawinitych na rdzeniu opisanym nastpujcym 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 zaleno L(i).

5. W układzie z rys.4.7 wyznaczy czasowe przebiegi napicia na rezystorze R2 przy pobudzeniu sygnałem ze ródła VSIN o nastpujcych wartociach parametrów: VOFF = 0, VAMPL = 10 V, FREQ = 100 Hz. Obliczenia wykona dla 4 wartoci atrybutu VALUE cewki L2 równych odpowiednio: 1, 0,5; 0,25; 0,1. W oparciu o uzyskane wyniki oblicze okreli charakter zalenoci midzy przekładni napiciow transformatora a ilorazem indukcyjnoci jego uzwoje.

5. Modelowanie diod półprzewodnikowych w programie SPICE

35

5. MODELOWANIE DIOD

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH W PROGRAMIE

PSPICE W programie PSPICE wbudowane s modele wielu elementów

półprzewodnikowych takich jak diody, tranzystory bipolarne, tranzystory polowe złczowe, tranzystory MOSFET, tranzystory IGBT. Wszystkie te elementy opisane s modelami nieliniowymi wielkosygnałowymi, których posta jest bardzo złoona.

W niniejszym rozdziale przedstawiono opis najprostszego z rozwaanych 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].

K

Id Cd

RA

A iA

icd

Rys.5.1. Reprezentacja obwodowa modelu diody w programie PSPICE

W modelu tym, ródło prdowe Id modeluje charakterystyki statyczne rozwaanego elementu, RA – jego rezystancj szeregow, za Cd – pojemno złcza. Prd ródła Id stanowi sum składowej dyfuzyjnej i generacyjno-rekombinacyjnej oraz prdu przebicia złcza, zgodnie ze wzorem [1, 9, 12, 14, 19, 20] revlrevhgenrecinjnrmd IIKIKII −−⋅+⋅= (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 wysokoprdow i niskopradow składow prdu przebicia wyraonych wzorami (5.6) i (5.7).

−

⋅⋅= 1exp

tnrm VN

VISI (5.2)


36

nrm

inj IIKFIKF

K+

= (5.3)

−

⋅⋅= 1exp

trec VNR

VISRI (5.4)

22

005,01

M

gen VJV

K

+

−= (5.5)

⋅−−⋅=

trevh VNBV

VBVIBVI exp (5.6)

⋅−−⋅=

trevl VNBVL

VBVIBVLI exp (5.7)

We wzorach prezentowanych w niniejszym rozdziale V oznacza napicie na ródle prdowym Id, Vt – potencjał termiczny, a pozostałe symbole oznaczaj parametry modelu diody, których sens wyjaniono w tabeli 5.1.

Inercja elektryczna diody jest modelowana za pomoc kondensatora Cd, którego pojemno dana wzorem

jd CdVdI

TTC +⋅= (5.8)

stanowi sum składowej dyfuzyjnej i składowej złczowej Cj wyraonej wzorem

( ) ( ) ( )

⋅++⋅−−⋅

−⋅=

+−

−

VJV

MMFCFCCJ

VJV

CJC

M

M

j

1110

10

1dla

V FC VJ

V FC VJ

≤ ⋅

> ⋅ (5.9)

Jak wiadomo, właciwoci elementów półprzewodnikowych silnie zale od temperatury. Modele tych elementów wbudowane w programie PSPICE uwzgldniaj t zaleno poprzez uzalenienie takich parametrów modelu jak prd nasycenia IS, prd nasycenia składowej rekombinacyjnej ISR, prd kolana IKF, napicie przebicia BV, rezystancja szeregowa RS, potencjał złczowy VJ, pojemno złczowa przy zerowej polaryzacji CJO oraz szeroko przerwy energetycznej Eg od temperatury. Zalenoci te dane s wzorami

( )N

XTI

t TT

TT

VNEg

ISTIS

⋅

−⋅

⋅⋅=

001exp (5.10)

( )NR

XTI

t TT

TT

VNREg

ISRTISR

⋅

−⋅

⋅⋅=

001exp (5.11)

( ) ( )[ ]01 TTTIKFIKFTIKF −⋅+⋅= (5.12)

( ) ( ) ( )[ ]200 211 TTTBVTTTBVBVTBV −⋅+−⋅+⋅= (5.13)

( ) ( ) ( )[ ]200 211 TTTRSTTTRSRSTRS −⋅+−⋅+⋅= (5.14)


37

( ) ( ) ( )TETT

TETT

VTT

VJTVJ ggt +⋅−

⋅⋅−

⋅=

00

00ln3 (5.15)

( ) ( ) ( )

−+−⋅⋅+⋅=VJ

TVJTTMCJTCJ 10004.0100 0 (5.16)

1108

000702.016,1

2

+⋅−=

TT

Eg (5.17)

Tabela 5.1. Lista parametrów modelu diody wraz z ich wartociami domylnymi

Symbol Nazwa parametru Jednostka Warto domylna

AF wykładnik szumów migotania 0 BV napicie przebicia V ∞

CJO pojemno złczowa przy zerowej polaryzacji F 0 EG Szeroko przerwy energetycznej eV 1.11

FC Współczynnik w linearyzowanej zalenoci Cj(V) 0.5

IBVL Prd kolana składowej niskoprdowej prdu przebicia A 0

IBV prd przebicia przy V = - BV A 0,1 n IKF Prd kolana A ∞ IS prd nasycenia A 10 f

ISR Prd nasycenia składowej rekombinacyjnej A 0

M wykładnik opisujcy profil domieszkowania złcza 0.5

N współczynnik emisji 1 NBV Współczynnik nieidealnoci prdu przebicia 1

NBVL Współczynnik nieidealnoci składowej niskoprdowej prdu przebicia 1

NR Współczynnik emisji dla składowej rekombinacyjnej 2

RS Rezystancja szeregowa Ω 0

TBV1 Liniowy współczynnik temperaturowych zmian napicia przebicia

oC-1 0

TBV2 Kwadratowy współczynnik temperaturowych zmian napicia przebicia

oC-2 0

TRS1 Liniowy współczynnik temperaturowych zmian rezystancji szeregowej

oC-1 0

TRS2 Kwadratowy współczynnik temperaturowych zmian rezystancji szeregowej

oC-2 0

TT czas przelotu s 0 T_ABS Temperatura elementu w czasie analizy oC 27

VJ potencjał złczowy V 1

XTI wykładnik w potgowej zalenoci prdu nasycenia od temperatury

3

W celu wyznaczenia charakterystyki statycznej diody trzeba narysowa schemat układu, stanowicy równoległe połczenie badanej diody oraz


38

niezalenego ródła napiciowego lub prdowego i przeprowadzi analiz DC Sweep wzgldem wydajnoci tego ródła w zadanym zakresie zmian napicia lub prdu.

W celu oceny wpływu wybranego parametru na charakterystyki statyczne diody naley wybra w Setupie 2 analizy: DC Sweep oraz Parametric. W oknie dialogowym analizy DC Sweep naley ustawi analiz wzgldem wydajnoci ródła zasilajcego w wybranym zakresie jego zmian. Z kolei, w oknie dialogowym analizy parametrycznej (Parametric) naley wybra w charakterze rodzaju zmiennej przemiatanej Model Parameter, jako Model Type naley 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 wartoci wybranego parametru modelu, dla których maj by przeprowadzone analizy. Przykładowy wygld 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 wartociach rozwaanego parametru równych 1 pA oraz 1 fA.

Rys.5.2. Okno dialogowe analizy parametrycznej

W celu wyznaczenia zalenoci pojemnoci złczowej diody od napicia na jej zaciskach mona wykorzysta układ przedstawiony na rys.5.3. Układ ten składa si z badanej diody oraz ródła napiciowego generujcego przebieg trapezoidalny. W parametrach ródła napiciowego przyjmuje si zerow warto poziomu niskiego V1, a warto poziomu wysokiego V2 równa jest wartoci napicia wstecznego na diodzie, dla której ma by wyznaczona zaleno Cj(V). Naley przyj zerow warto czasu opónienia TD, a czas narastania impulsu TR powinien wynosi około 1 ms. Dla rozwaanego układu naley przeprowadzi analiz stanów przejciowych, przyjmujc warto Final Time równ wartoci czasu TR. Wówczas, w całym rozwaanym zakresie analizy, napicie wsteczne na diodzie jest liniowo narastajc funkcj czasu.

Jak wiadomo, podstawowe równanie kondensatora ma posta

dt

duCi C

C ⋅= (5.18)

gdzie iC oznacza prd kondensatora C, za uC – napicie na jego zaciskach.


39

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

A zatem po wykonaniu analizy stanów przejciowych naley w programie

PROBE wykreli na osi pionowej wyraenie o postaci ( )12

1VV

TRDi−

⋅− , a na osi

poziomej wybra napicie na diodzie. Do oceny właciwoci impulsowych diody wykorzystuje si układ

przełcznika diodowego pokazany na rys.5.4.

Rys.5.4. Schemat układu przełcznika diodowego

W układzie tym obok diody i ródła napiciowego znajduje si rezystor. ródło napiciowe wytwarza przebieg trapezoidalny. Dla poprawnego działania układu niezbdne jest, aby poziomy napi w generowanym przebiegu miały przeciwne znaki, a moduły ich wartoci były znacznie wiksze od spadku napicia na diodzie spolaryzowanej w kierunku przewodzenia. Współczynnik wypełnienia tego sygnału powinien wynosi 0,5, a czas trwania impulsu powinien by około dwukrotnie dłuszy od oczekiwanej wartoci czasu odzyskiwania zdolnoci 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 wartoci temperatury, równych odpowiednio 270C oraz 1500C.

2. Zbada wpływ nastpujcych parametrów modelu diody: IS, N, ISR, NR, IKF, RS, BV na przebieg jej charakterystyk statycznych.


40

3. Wyznaczy charakterystyk Cj(u) rozwaanej diody oraz zbada wpływ parametrów CJO, M oraz VJ na jej przebieg.

4. Wyznaczy czasowe przebiegi prdu diody D1N4002 w czasie jej przełczania. Na podstawie uzyskanych wyników oblicze wyznaczy zaleno czasu odzyskiwania zdolnoci zaworowej trr diody od parametru TT. Obliczenia przeprowadzi dla maksymalnej wartoci prdu wstecznego IR diody w czasie wyłczania, równego –1 A.

6. Wyznaczanie wartoci parametrów modelu diody w programie PARTS

41

6. WYZNACZANIE WARTOCI PARAMETRÓW

MODELU DIODY W PROGRAMIE PARTS W bibliotekach dołczonych do programu PSPICE mona znale

parametry modeli wielu elementów elektronicznych. W przypadku, gdy wartoci parametrów modelu elementu, który ma by zastosowany w analizowanym układzie nie s podane w dostpnych bibliotekach mona je w prosty sposób wyznaczy uywajc programu PARTS [11]. Program ten umoliwia estymacj (wyznaczanie wartoci) 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 napicia, l) ródło napicia odniesienia.

Do estymacji niezbdne s dane katalogowe modelowanego elementu podawane typowo w jego karcie katalogowej. W dalszej czci rozdziału przedstawiono sposób realizacji procedury estymacji parametrów modelu diody.

Aby rozpocz proces estymacji naley uruchomi program PARTS wybierajc z paska START - Programy/DesignLab Eval 8/Accesories/Parts.

Po uruchomieniu tego programu pojawi si na ekranie okno programu PARTS. Wówczas z menu głównego naley wybra File, a po rozwiniciu menu tego polecenia - Open/Create library. Wówczas pojawi si standardowe okno dialogowe systemu Windows, w którym naley wskaza lokalizacj i nazw pliku, który bdzie stanowił bibliotek modeli elementów dla programu PSPICE. Standardowe rozszerzenie tego pliku to LIB. Program utworzy oprócz pliku LIB take plik o tej samej nawie i rozszerzeniu SLB zawierajcy symbol modelowanego elementu dla programu Schematics.

Program PARTS umoliwia tworzenie nowego modelu elementu (estymacj parametrów modelu) trzema metodami. Wszystkie te metody wymagaj wybrania z menu programu PARTS polecenia Part, a po rozwiniciu tego menu jednego z trzech polece: • Get... - umoliwia edycj ju istniejcego modelu, • Copy... - skopiowanie z wybranej biblioteki istniejcego ju modelu i jego

edycj, • New... - utworzenie modelu nowego typu elementu poprzez wprowadzenie

danych uzyskanych z kart katalogowych lub z pomiarów, albo przez edycj domylnych wartoci parametrów modelu. Po wybraniu dowolnego z wymienionych polece trzeba poda nazw

elementu, którego model ma by sformułowany oraz rodzaj elementu (dioda,


42

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). Poniej 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 okrelenia charakterystyk, z których współrzdne powinien wprowadzi uytkownik, a w drugim oknie podane s nazwy parametrów modelu, estymowane lub edytowane w programie PARTS wraz z wartociami tych parametrów. Gwiazdkami oznaczone s te parametry, których wartoci s estymowane na podstawie współrzdnych punktów wprowadzonych na charakterystyce wybranej w pierwszym oknie.

Rys.6.1. Okno programu PARTS do estymacji wartoci parametrów modelu diody

Wartoci parametrów IKF, IS, N, RS s wyznaczane na podstawie charakterystyki diody w zakresie przewodzenia (Forward Current). Z kolei, wartoci parametrów CJO, M, VJ – na podstawie charakterystyki Junction Capacitance opisujcej zaleno pojemnoci złczowej diody od napicia 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 prdu diody podczas jej wyłczania (charakterystyki Reverse Recovery). Parametry EG, FC oraz XTI nie s estymowane, ale mog by edytowane przez uytkownika. Pozostałe parametry modelu, opisane w rozdziale 5, maj wartoci domylne podane w tabeli 5.1.

Po klikniciu mysz na nazw charakterystyki w oknie MODEL Spec pojawi si okno dialogowe umoliwiajce wprowadzanie współrzdnych punktów z poszczególnych charakterystyk.

W przypadku charakterystyk Forward Current, Junction Capacitance, Reverse Recovery uytkownik moe wprowadzi współrzdne wielu punktów


43

lecych na wymienionych charakterystykach, natomiast dla pozostałych charakterystyk podawane s współrzdne jedynie jednego punku. Wprowadzanie współrzdnych 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 współrzdnych punktów na charakterystyce

Forward Current

W oknie tym kolejno wprowadza si współrzdne punktów lecych na charakterystyce statycznej diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia, przy czym w polu Vfwd naley wprowadzi współrzdn napiciow, a w polu Ifwd – współrzdn prdow wybranego punktu, a nastpnie klikn mysz przycisk Add. Mona wprowadzi współrzdne wielu punktów. Z dowiadczenia 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 duych prdów diody.

Uytkownik moe zmieni współrzdne wprowadzonych punktów zaznaczajc je oraz klikajc mysz na przycisk Modify. Podobnie mona usun wybrany punkt wciskajc przycisk Delete. Po zakoczeniu wpisywania współrzdnych wszystkich punktów naley klikn przycisk OK.

Do wprowadzania współrzdnych punktów na charakterystykach Junction Capacitance oraz Reverse Recovery wykorzystuje si okna o postaci identycznej, jak na rys.6.2, przy czym wprowadzane bd współrzdne punktów lecych na charakterystykach Cj(U) oraz Irev(Urev) modelowanej diody.

Z kolei, w odniesieniu do charakterystyki Reverse Breakdown wprowadza si tylko wartoci napicia przebicia Vz, prdu przebicia Iz oraz rezystancji Zenera Zz. Dla ostatniej charakterystyki - Reverse Recovery podaje si wartoci czasu odzyskiwania zdolnoci zaworowej Trr uzyskanej w układzie przełcznika diodowego, w którym dioda zasilana jest ze ródła napiciowego przez rezystor o rezystancji RI, które zapewniaj maksymaln warto prdu przewodzenia diody równ Ifwd oraz maksymaln warto prdu wstecznego w czasie wyłczania równy Irev.

Aby wyznaczy wartoci parametrów modelu w oparciu o wprowadzone dane naley z menu programu PARTS wybra Extract, a po rozwinieciu menu – Parameters. Po wykonaniu tych czynnoci pojawi si nowe wartoci w oknie Parameters.


44

Aby sprawdzi, jak dobrze uzyskany zestaw wartoci parametrów aproksymuje wprowadzone charakterystyki elementu naley klikn mysz na ikon . Wówczas pojawi si okno wykresu, na którym kwadraty oznaczaj dane wyjciowe, których współrzdne wprowadził uytkownik, a linia – charakterystyk obliczon przy wykorzystaniu estymowanych wartoci parametrów. Przykładowy wykres charakterystyki statycznej w kierunku przewodzenia Forward Current pokazano na rys.6.3.

Rys.6.3. Okno programu PARTS ilustrujce dopasowanie aproksymowanej charakterystyki Forward

Current do wyników pomiarów

W oknie tym, podobnie jak w programie PROBE mona zmienia zakresy wartoci zmiennych na osi poziomej i pionowej oraz skla liniow na logarytmiczn i odwrotnie. Wybierajc w menu polecenie Trace, a po jego rozwiniciu Add, mona dodatkowo wykreli obliczon charakterystyk odpowiadajc innej wartoci temperatury ni 27oC. Wykres dla innej temperatury mona uzyska dla wszystkich wykresów wymaganych w programie PARTS z wyjtkiem charakterystyki Reverse Recovery, gdy program SPICE nie uwzgldnia wpływu temperatury na czas TT.

Powrót do okna pokazanego na rys.6.1. uzyskuje si po klikniciu ikony . Po zakoczeniu procedury estymacji naley z menu File wybra polecenie

Save Library i zakoczy działanie programu PARTS. Sformułowana biblioteka powinna zosta automatycznie dodana do listy bibliotek w programie Schematics.

Jeeli po uruchomieniu programu Schematics okae si, e utworzona biblioteka nie jest dostpna, to wówczas naley bibliotek t doda do listy


45

bibliotek wykonujc nastpujce operacje: a) W menu programu Schematics wybra polecenie Options, a po jego

rozwiniciu polecenie Editor Configuration. Wówczas pojawi si okno dialogowe, w którym naley klikn mysz na przycisk Library settings. Po otwarciu kolejnego okna dialogowego naley klikn przycisk Browse i wyszuka na dysku utworzon bibliotek symboli o rozszerzeniu slb. Nastpnie naley klikn mysz na przycisk Add*, a nastpnie kolejno na dwa przyciski OK.

b) W menu programu Schematics wybra polecenie Analysis, a po rozwiniciu menu Library and Include Files... Wówczas pojawi si na ekranie okno dialogowe, w którym naley klikn mysz na przycisk Browse, a nastpnie wyszuka na dysku utworzon bibliotek z wartociami parametrów modelu o rozszerzeniu lib. Nastpnie naley klikn mysz przyciski Add Library* oraz OK. Utworzony model elementu moe by wykorzystywany tak jak modele

biblioteczne elementów do tworzenia schematów układów elektronicznych i wykonywania analiz tych układów.

W pakiecie DesignLab moliwa jest równie edycja modelu przy uyciu programu PARTS bezporednio z poziomu programu Schematics. Aby tego dokona naley zaznaczy wybrany element a nastpnie wybra z menu głównego programu Edit, a po rozwiniciu tego menu - Model. W rozwinitym oknie dialogowym naley wówczas wybra Edit Instance Model (Parts)... W oknie edycyjnym programu mona wówczas zmienia parametry modelu wprowadzajc współrzdne punktów pomiarowych na jego charakterystykach i wykonujc estymacj parametrów lub wybierajc parametry, których wartoci maj by zmienione, przez dwukrotne kliknicie mysz na polu wybranego parametru w oknie Parameters i wpisanie z klawiatury nowych wartoci tych parametrów.

Uruchamiajc program PARTS z poziomu edytora schematów moliwe jest równie obejrzenie charakterystyk elementu, na podstawie których zostały wyznaczone parametry modelu. W ten sposób mona te dokona dokładnego „dostrajania” modelu dla potrzeb dalszych symulacji poprzez edycj jego parametrów.

Problem wpływu liczby i połoenia punktów stanowicych dane wejciowe 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 nastpujce współrzdne 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)


46

- 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 rozwaanych charakterystyk do wyników wprowadzonych jako dane ródłowe.

3. Przeanalizowa wpływ temperatury na rozwaane charakterystyki, wykrelajc ich przebiegi w temperaturze 27oC oraz 120oC.

4. W programie Schematics narysowa układ do wyznaczania charakterystyk statycznych rozwaanej diody. Nastpnie przeprowadzi odpowiednie analizy, których wynikiem bd charakterystyki statyczne tej diody pracujcej w zakresie przewodzenia, blokowania i przebicia. Obliczenia wykona dla dwóch temperatur równych 25oC oraz 100oC.

7. Modelowanie układów cyfrowych w programie SPICE

47

7. MODELOWANIE UKŁADÓW CYFROWYCH W

PROGRAMIE PSPICE W programie PSPICE istnieje moliwo analizy złoonych układów

cyfrowych składajcych si z samych elementów cyfrowych jak i układów zawierajcych jednoczenie elementy analogowe i cyfrowe. W analizie układów cyfrowych rozrónia si pi stanów, tzn. standardowe stany logiczne „0” i „1”, stany przejciowe R (zbocze narastajce) i F (zbocze opadajce) oraz stan nieokrelony X [19]. Sposoby przedstawiania wymienionych stanów logicznych w programie PROBE, s zilustrowane na rys. 7.1.

Rys.7.1. Poziomy logiczne wystpujce w programie PSPICE

Tak dokładne wyznaczanie stanów logicznych i opónie, umoliwia przeprowadzenie bardzo efektywnych analiz układów złoonych z wikszej liczby elementów cyfrowych.

Wbudowany w programie PSPICE model układu cyfrowego składa si z opisu funkcji logicznej realizowanej przez rozwaany układ cyfrowy oraz dwóch submodeli [19, 20]: czasowego (Timing model) oraz wejcia/wyjcia (I/O model). Pierwszy z nich zawiera informacje o czasach propagacji i jest specyficzny dla kadego 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 wyróniamy kilka rodzajów elementów cyfrowych: - Bramki standardowe i trójstanowe, np. AND(2) - dwuwejciowa bramka

AND, AND3(2)- dwuwejciowa trójstanowa bramka AND. Bramki trójstanowe posiadaj dodatkowe wejcie zezwalajce;

- Przerzutniki, np. JKFF(1)- pojedynczy przerzutnik J-K wyzwalany zboczem opadajcym, DFF(2)- podwójny przerzutnik D wyzwalany zboczem narastajcym;

- Linie opóniajce, np. DLYLINE- linia opóniajca posiadajca jedno wejcie i jedno wyjcie. Sygnał wyjciowy z linii opóniajcej, zostaje opóniony w stosunku do sygnału wejciowego o czas, który jest specyfikowany w modelu czasowym elementu;

- Programowalne tablice logiczne (Programmable Logic Array), np. UDECODE PLANDC(3,8)- Programowalna tablica logiczna posiadajaca

0 1 R F X


48

3 wejcia i 8 wyj. Układy te umoliwiaj zdefiniowanie elementów o dowolnej liczbie wej oraz wyj i przypisanie kademu z nich jednej bramki logicznej (sterujcej);

- Pamici ROM (Read Only Memory) oraz RAM (Random Access Memory), np. UMULTIPLY ROM(8,8)- pami ROM zawierajca 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) - omiobitowy przetwornik cyfrowo-analogowy. Kady element cyfrowy wymaga ródła zasilania. Jednak uytkownik nie

musi go deklarowa, gdy poszczególne układy cyfrowe podłczone s domylnie do standardowych ródeł zasilania elementów cyfrowych.

W bibliotekach układów cyfrowych dołczonych 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. dwuwejciowa bramka AND, trójstanowa dwuwejciowa bramka NAND, przerzutnik D wyzwalany zboczem itd.

W celu zastosowania okrelonego elementu cyfrowego w analizie naley, podobnie jak dla elementu biernego lub czynnego, wstawi go na schemat i zadeklarowa odpowiedni rodzaj analizy. Jeeli analizowany układ zawiera tylko elementy cyfrowe, to w wyniku otrzyma si tylko poziomy logiczne w poszczególnych punktach układu, natomiast dla wzłów, w których elementy cyfrowe łcz si z analogowymi uzyska mona przebiegi napi i prdów.

Biblioteka elementów cyfrowych programu PSPICE, udostpnia ponad tysic modeli elementów cyfrowych TTL i CMOS, które podczas przeprowadzanej analizy s wywoływane jako podobwody badanego układu.

Przykładowo po wstawieniu na schemat elementu 7400 (dwuwejciowa bramka NAND) i wybraniu z menu polecenia Edit, a nastpnie Model i wybierajc 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


49

W oknie tym podane s informacje o modelowanym układzie 7400. W deklaracji modelu, która zaczyna si od słowa kluczowego SUBCKT okrelono rodzaj elementu – NAND(2) – dwuwejciowa bramka NAND, zasilana napiciem podłczonym do standardowego wzła zasilania cyfrowego DPWR oraz uziemiona do standardowego wzła masy cyfrowej DGND. Wejcia bramki nosz nazwy A oraz B, a jej wyjcie – Y. Model czasowy nosi nazw D_00, za model wejcia-wyjcia – IO_STD. Z modelu czasowego bd wybierane wartoci czasów propagacji zgodnie z wartoci opcji MNTYMXDLY, a interfejs analogowo-cyfrowy bdzie 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 wejcia-wyjcia układu z biblioteki przyrzdów cyfrowych. W modelu wejcia-wyjcia, w zalenoci 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 wyjciow układu, natomiast CAPACITANCE charakteryzujce pojemno wyjciow układu.

Jak zaznaczono powyej, kady przyrzd cyfrowy, posiada swój unikalny model czasowy, który opisuje parametry czasowe danego układu cyfrowego, takie jak czas propagacji, czas ustawienia czy czas zatrzymania. Istnieje moliwo ustawienia kadego parametru czasowego przez zmian wartoci parametru MNTYMXDLY na jedn z dostpnych wartoci: 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 nastpujc 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 wyjciu, tplhty - typow warto czasu propagacji do stanu wysokiego na wyjciu, tplhmn – minimaln warto czasu propagacji do stanu wysokiego na wyjciu, tphlmx – maksymaln warto czasu propagacji do stanu niskiego na wyjciu, tphlty – typow warto czasu propagacji do stanu niskiego na wyjciu, tphlmn - minimaln warto czasu propagacji do stanu niskiego na wyjciu.

Model wejcia-wyjcia (I/O MODEL) opisuje charakterystyki statyczne przyrzdu cyfrowego. Jest on wspólny dla całej rodziny przyrzdów 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 wyjciem Schmitta) oraz IO_LS_OC_ST (dla bramek z wyjciem


50

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 połczenia przyrzdu analogowego z cyfrowym. Dokładno opisu charakterystyk prdowo-napiciowych poszczególnych układów zaley od wyboru poziomu (IO_LEVEL) modelu obwodu interfejsowego. Oprócz poziomu modelu deklaruje si jeszcze wartoci 4 parametrów podanych w tabeli 7.1. Tabela 7.1. Parametry obwodu interfejsowego DtoA oraz AtoD

Symbol parametru

Parametru modelu Jednostka

Warto domylna

INLD Pojemno wejciowa F 0 OUTLD Pojemno wyjciowa F 0 DRVH Rezystancja wyjciowa w stanie

wysokim Ω 50

DRVL Rezystancja wyjciowa w stanie niskim Ω 50 Pojemno wejciowa (INLD) oraz pojemno wyjciowa (OUTLD) s

wykorzystywane podczas oblicze czasów propagacji elementu cyfrowego. Rezystancja w stanie niskim i wysokim okrela „istotno” wyjcia elementu cyfrowego, w przypadku połczenia jego wyjcia z wejciem innego elementu.

I/O MODEL zawiera opcjonalny parametr IO_LEVEL, dziki któremu mona wybra 1 z 4 dostpnych obwodów interfejsowych. Domylnie warto ustawiana jest na 0, a moliwymi s: 1= AtoD1/DtoA1- prosty model zawierajcy stany R, F oraz X 2= AtoD2/DtoA2- Prosty model bez stanów porednich 3= AtoD3/DtoA3- Dokładny model, zawierajcy stany R, F oraz X 4= AtoD4/DtoA4- Dokładny model bez stanów porednich

Wybierajc model dokładny powoduje si, e obliczenia staj si dokładniejsze, lecz równoczenie czas trwania oblicze moe znacznie si wydłuy.

W celu wyznaczenia charakterystyk prdowo-napiciowych obwodów interfejsowych mona sformułowa schemat obwodu pokazanego na rys.7.3. Obwód ten zawiera badan bramk NOT z układu 7404, ródło napicia wejciowego oraz rezystor obciajcy.

Rys.7.3. Schemat układu do wyznaczania charakterystyk przejciowych i wejciowych inwertera TTL


51

Aby wyznaczy charakterystyk wejciow i przejciow badanej bramki naley przeprowadzi analiz stałoprdow (DC Sweep) układu z rys.7.3 wzgldem wydajnoci ródła napiciowego 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 klikajc 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 czci tego okna wybiera si, jakie (minimalne, typowe, maksymalne lub najbardziej niekorzystne) wartoci czasów propagacji poszczególnych cyfrowych układów scalonych maj by wykorzystane w analizach. Z kolei, w prawej górnej czci okna wybiera si poziom modelu interfejsu AtoD oraz DtoA. W lewej dolnej czci okna wybiera si stany pocztkowe przerzutników stosowanych w układzie.

Po wybraniu odpowiedniego poziomu obwodu interfejsowego naley zamkn Setup i uruchomi obliczenia, np. klikajc w programie Schematic na

ikon . Po zakoczeniu oblicze pojawi si okno programu PROBE.

Charakterystyk przejciow uzyskuje si klikajc mysz na ikon , a po pojawieniu si na ekranie okna dialogowego pokazanego na rys.2.7 wybierajc V(wy). Z kolei, dla uzyskania charakterystyki wejciowej naley w oknie dialogowym pokazanym na rys.2.7 wybra -I(V1).

W celu wyznaczenia charakterystyk wyjciowych badanej bramki w stanie wysokim na wyjciu naley zmodyfikowa analizowany obwód do postaci pokazanej na rys.7.5.

Rys.7.5. Schemat układu do wyznaczania charakterystyk wyjciowych bramki NOT w stanie

wysokim na wyjciu


52

W Setupie naley wybra analiz DC Sweep wzgldem ródła prdowego I1, którego wydajno bdzie zmienia si logarytmicznie w zakresie od 1 nA do 1 A z wykorzystaniem 30 punktów w kadej dekadzie wartoci tego prdu.

Po wykonaniu oblicze naley w programie PROBE klikn na ikon i wybra w oknie dialogowym V(wy).

Do wyznaczenia charakterystyk wyjciowych bramki w stanie niskim na wyjciu naley dokona nastpujcych zmian w układzie z rys.7.5:

a) ustawi warto napicia na ródle napiciowym V1 równ 5 V, b) odwróci kierunek przepływu prdu przez ródło prdowe I1.

Po wykonaniu powyszych czynnoci i przeprowadzeniu oblicze naley w programie PROBE wybra wykres napicia V(wy).

W celu zbadania właciwoci dynamicznych modelowanej bramki naley sformułowa układ pokazany na rys.7.6, w którym badana bramka pobudzana jest sygnałem prostoktnym ze ródła DigStim, a obcienie badanej bramki stanowi wejcie bramki tego samego typu.

Rys.7.6. Schemat układu do badania właciwoci dynamicznych bramki NOT

W układzie tym nie jest widoczny wzeł masy, gdy zarówno ródło sygnału pobudzajcego, jak i obie bramki s domylnie podłczone ujemnym biegunem zasilania do wzła masy cyfrowej DGND.

Aby wprowadzi podane wartoci parametrów ródła sygnału pobudzajcego DSTM1 naley dwukrotnie klikn na symbolu elementu DigStim, potwierdzi nazw ródła w oknie dialogowym i wprowadzi podane wartoci parametrów tego ródła wykorzystujc okno dialogowe pokazane na rys.7.7.

Przebieg pobudzajcy mona opisa podajc jego czstotliwo i współczynnik wypełnienia lub okres i czas trwania impulsu. W przypadku wybrania drugiego z wymienionych zestawów parametrów zostanie wywietlone okno dialogowe widoczne na rys.7.7. Po wprowadzeniu widocznych w tym oknie wartoci, 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 pocztkowym oraz zerowym czasie opónienia, którego wykres widoczny jest w rozwaanym oknie dialogowym.

Parametry analizy stanów przejciowych, która ma by wykonana w celu zbadania inercji rozwaanej bramki s zadawane w oknie dialogowym pokazanym na rys. 2.21. Naley przyj warto parametru Final Time co najmniej dwukrotnie wiksz od okresu sygnału pobudzajcego.

Po wykonaniu analizy stanów przejciowych uruchomiony zostanie

program PROBE. Po klikniciu na ikon otworzy si okno dialogowe, w


53

którym naley 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 wartoci czasów propagacji badanej bramki dogodnie jest wykorzysta funkcj kursorów dostpnych w programie PROBE po

klikniciu ikony . Na rys.7.8 pokazano okno programu PROBE w


54

rozwaanymi przebiegami oraz oknem kursora (Probe Cursor). W oknie kursora wywietlane s współrzdne czasowe oraz stany logiczne w punktach przebiegu wybranych przez kliknicie prawym przyciskiem myszy (punkt A1), przez kliknicie lewym przyciskiem myszy (punkt A2) oraz rónica midzy tymi współrzdnymi (dif). W sytuacji pokazanej na rys.7.8 warto dif jest równa czasowi propagacji rozwaanej bramki do stanu niskiego na wyjciu.

Przy wyznaczaniu czasów propagacji bramek wielowejciowych naley okreli długo odcinka czasu, który upływa pomidzy spełnieniem przez sygnały wejciowe warunku do zmiany stanu na wyjciu a wystpieniem tej zmiany.

Pomimo tego, e biblioteki układów cyfrowych dołczonych do programu PSPICE zawieraj modele bardzo wielu układów cyfrowych, moe si zday, e nie ma w bibliotece modelu, który odpowiadałby wybranemu układowi cyfrowemu. Wówczas naley wybra układ, które realizuje tak sam funkcj logiczn i podda edycji jego model czasowy lub model wejcia-wyjcia.

Przykładowo, dla dwuwejciowej bramki NAND mona wykorzysta model bramki 7400 i wybierajc 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 mona zmieni nazw i wyedytowa parametry modelu wejcia-wyjcia, np. zmieni nazw modelu IO_STD na IO_STD1 oraz dopisa nowy model wejcia-wyjcia 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 wejciowe, wyjciowe i przejciowe

bramki 7404, wykorzystujc kolejno wszystkie poziomy modeli interfejsów DtoA oraz AtoD. Wskaza zaobserwowane rónice midzy przebiegami charakterystyk dla rónych modeli interfejsów DtoA oraz AtoD. W jakim zakresie rozwaane charakterystyki maj przebieg niefizyczny?

2. Wyznaczy czasy propagacji do stanu niskiego na wyjciu i do stanu wysokiego na wyjciu dla bramki 7400 obcionej bramk 7404 dla czterech ustawie Timing Mode w Digital Setup. Uzasadni uzyskane rónice w wartociach czasów propagacji.

8. Analiza wybranych układów analogowych za pomoc programu SPICE

55

8. ANALIZA WYBRANYCH UKŁADÓW

ANALOGOWYCH ZA POMOC PROGRAMU

PSPICE Jak zaznaczono w poprzednich rozdziałach, program PSPICE umoliwia

przeprowadzenie szeregu analiz, których wyniki mog by uyteczne przy weryfikacji poprawnoci zaprojektowanego układu elektronicznego [12, 15, 16].

W przypadku układów analogowych typowo wyznacza si punkt pracy badanego układu, analizuje si zmiany wybranych napi i prdów w układzie przy zmianach warunków zasilania, temperatury lub wartoci elementów obwodu w warunkach statycznych przy wykorzystaniu analizy DC Sweep. W przypadku układów liniowych, np. wzmacniaczy lub filtrów wykonuje si analizy czstotliwociowe (AC Sweep), które umoliwiaj m.in. wyznaczenie pasma przenoszenia układu i jego wzmocnienia oraz pozwala na zbadanie jego stabilnoci. W analizie tej przyjmuje si liniowe modele elementów elektronicznych, linearyzowanych wokół punktów ich pracy. Właciwoci impulsowe układów elektronicznych mona przeanalizowa wykorzystujc analiz stanów przejciowych (Transient). W trakcie tej analizy mona równie wyznaczy wartoci poszczególnych harmonicznych sygnału pobudzajcego i w ten sposób wyznaczy współczynnik zawartoci harmonicznych w wybranym przebiegu.

Sposób realizacji poszczególnych analiz opisano w rozdziale 2. Przy realizacji poszczególnych zada naley uwzgldni konieczne zmiany struktury analizowanego obwodu.

Zadania do samodzielnego wykonania 1. Wyznaczy punkt pracy wzmacniacza rónicowego, którego schemat

pokazano na rys.8.1.

Rys.8.1. Schemat badanego wzmacniacza rónicowego


56

2. Wyznaczy, w jakim zakresie zmian napicia wejciowego ze ródła V3 zaleno napicia wyjciowego (midzy kolektorami tranzystorów) od napicia wejciowego jest liniowa dla temperatur równych 25oC oraz 100oC.

3. Wyznaczy charakterystyki amplitudowe i fazowe rozwaanego wzmacniacza rónicowego przy wartociach rezystancji rezystora R1 równych kolejno 8 kΩ, 10 kΩ, 12 kΩ.

4. Wyznaczy czasowe przebiegi napicia wyjciowego wzmacniacza, widmo tego przebiegu oraz współczynnik zawartoci harmonicznych przy pobudzeniu napiciem wejciowym w postaci sygnałów: a) sinusoidalnego o amplitudzie 25 mV i czstotliwoci 10 kHz, b) trapezoidalnego o poziomach równych -20 mV oraz 20 mV,

czstotliwoci 10 kHz, współczynniku wypełnienia równym 0,5, c) sinusoidalnego o czstotliwoci 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 prdu cewki w układzie dławikowej przetwornicy buck, której schemat pokazano na rys.8.3. W obliczeniach przyj dla okresu sygnału pobudzajcego ze ródła napiciowego V2 równego 10 µs, czas trwania impulsu tw = 5 µs, czasy trwania zboczy narastajcego i opadajcego równe 50 ns, a poziomy napi dobra tak, aby napicie bramka-ródło tranzystora M1 zmieniało si w zakresie od 0 do 10 V. Okreli minimalny czas trwania analizy niezbdny do uzyskania stanu ustalonego na wyjciu przetwornicy.

8. Analiza wybranych układów analogowych za pomoc programu SPICE

57

Rys.8.3. Schemat analizowanej przetwornicy buck

7. Powtórzy obliczenia z punktu 6 przy rezystancji obcienia przetwornicy równej R1 = 1 kΩ. Jak zmieniło si napicie na wyjciu przetwornicy w stosunku do wyników z punktu 6?


58

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 rozwaane 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 naley przeprowadzi analiz stanów przejciowych przy pobudzeniu ze ródeł DSTM1, DSTM2, DSTM3 sygnałem o wypełnieniu 0,5, okresach znacznie dłuszych od czasów propagacji bramek dobranych w taki sposób, aby okresy sygnałów generowanych przez ssiednie ródła róniły si dwukrotnie.

Rys.9.1. Schemat analizowanego układu kombinacyjnego

2. W układzie dzielnika czstotliwoci, pokazanego na rys.9.2, wyznaczy krotno podziału czstotliwoci sygnału zegarowego clk na wyjciu wy. Dobra parametry sygnału generowanego przez ródło DSTM3 w taki sposób, aby po rozpoczciu symulacji na wyjciu Q obu przerzutników był stan niski.

9. Analiza wybranych układów cyfrowych za pomoc programu SPICE

59

Rys.9.2. Schemat analizowanego dzielnika czestotliwoci

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 naley 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 przejciowych i wyznaczy czasowy przebieg napicia na wyjciu układu (wzeł wy). Uzasadni kształt uzyskanego przebiegu.

6. Na rys.9.5 przedstawiono schemat przetwornika C/A sterowanego z licznika 8 bitowego. Zaobserwowa przebiegi sygnałów na wejciach monolitycznego przetwornika C/A (DAC8break) i przebieg napicia wyjciowego. Ustali jaki jest okres generowanego sygnału na wyjciu i od czego on zaley. Przy rysowaniu schematu naley najpierw narysowa cał magistral bit[7-0], a dopiero potem połczy poszczególne jej linie z reszt układu.

7. W układzie z rys.9.6, stanowicym połczenie przetworników A/C oraz C/A przeprowadzi analiz stanów przejciowych i porówna czasowy przebieg oraz widmo sygnału wejciowego, generowanego przez ródło napiciowe V1 z napiciem na wyjciu układu. Przyj amplitud sygnału wejciowego


60

równ 1 V i składow stał tego napicia równ 2V oraz czstotliwo generowanego przebiegu równ 10 kHz. Sygnał taktujcy powinien mie okres równy 1 µs oraz wypełnienie równe 50%. Przeprowadzi analiz wpływu czstotliwoci zegara taktujcego przetwornik C/A na odchyłki midzy rozwaanymi 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 rozwaanych układów cyfrowych posiadajcych wejcie zerujce naley zapewni takie sterowanie tego wejcia, aby po uruchomieniu analiz wejcie to było aktywne tylko przez około 100 ns.

9. Analiza wybranych układów cyfrowych za pomoc programu SPICE

61

Rys.9.6. Schemat układu stanowicego połczenie przetwornika A/C z przetwornikiem C/A


62

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 wane elektryczne właciwoci układu oryginalnego, obserwowalne na jego zaciskach zewntrznych z zadawalajc dokładnoci, a stopie złoonoci tej sieci jest mniejszy od stopnia złoonoci modelowanego układu [13].

Pierwsze makromodele układów scalonych (wzmacniaczy operacyjnych i komparatorów) zostały opublikowane w latach siedemdziesitych 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. Czsto producenci udostpniaj biblioteki dla programu PSPICE, zawierajce w jednym pliku makromodele wielu elementów elektronicznych lub układów scalonych.

Deklaracja makromodelu zawarta jest midzy 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 kadego elementu umieszczona jest w osobnej linii i zawiera jego nazw, nazwy wzłów, do których podłczone s wyprowadzenia tego elementu oraz warto tego elementu lub nazw jego modelu. Pierwsza litera w linii deklaracji elementu okrela jego rodzaj. Pierwsze litery nazw elementów wraz z odpowiadajcymi im rodzajami elementów zebrano w tabeli 10.1.

Po okreleniu typu elementu znajduje si cig znaków oryginalny dla danego elementu (kady element musi mie inn nazw), a nastpnie po spacji wymienione s nazwy wzłów, do których podłczony jest rozwaany element. W przypadku dwójników najpierw wystpuje wzeł „+”, a potem wzeł „-” oraz warto lub nazwa modelu.

Dla elementów półprzewodnikowych wzły podane s w nastpujcej kolejnoci:

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 –

podłoe), 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).


63

Tabela 10.1. Znaczenie pierwszych liter nazw elementów w makromodelu

Symbol Rodzaj elementu B tranzystor GaAsFET C kondensator D dioda E ródło napiciowe sterowane napiciem F ródło prdowe sterowane prdem G ródło prdowe sterowane napiciem H ródło napiciowe sterowane prdem I niezalene ródło prdowe J tranzystor JFET K rdze ferromagnetyczny lub sprzenie cewek L cewka M tranzystor MOSFET Q tranzystor bipolarny R rezystor S klucz sterowany napiciem U układ cyfrowy V niezalene ródło napiciowe W klucz sterowany prdem X makromodel Z tranzystor IGBT

Po nazwach wzłów tych elementów wystpuje nazwa modelu elementu, z któr skojarzona jest lista wartoci 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 wystpuje nazwa modelu, a nastpnie słowo kluczowe, okrelajce rodzaj i polaryzacj elementu (tabela 10.2) oraz lista wartoci parametrów tego modelu. Tabela 10.2. Okrelenia polaryzacji i rodzaju elementu w deklaracji MODEL

Oznaczenie rodzaju elementu i jego polaryzacji

Rodzaj elementu i jego polaryzacja

D dioda NPN Tranzystor bipolarny npn PNP Tranzystor bipolarny pnp LPNP Boczny tranzystor bipolarny pnp NJF Tranzystor JFET z kanałem typu n PJF Tranzystor JFET z kanałem typu p NMOS Tranzystor MOS z kanałem typu n PMOS Tranzystor MOS z kanałem typu p GASFET Tranzystor GaAsFET NIGBT Tranzystor IGBT

W przypadku ródeł napiciowych lub prdowych sterowanych napiciem wystepuj 4 wyprowadzenia – najpierw 2 wyprowadzenia wyjciowe ródła, a potem 2 wyprowadzenia sterujce ródła. Po licie wzłów wyjciowych i sterujcych podana jest warto wzmocnienia lub transkonduktacji lub nastpuje opis wydajnoci ródła w postaci przedstawionej w rozdziale 3.


64

W przypadku ródeł napiciowych lub prdowych sterowanych prdem wystpuj 2 wzły wyjciowe, nazwa ródła napiciowego, przez które przepływa prd sterujcy oraz liczba okrelajca wzmocnienie prdowe lub transrezystancj.

Przy tworzeniu schematu zastpczego analizowanego makromodelu naley zwróci uwag na zwroty napi i prdów generowanych przez ródła napiciowe lub prdowe. Zilustrowano to na rys.10.1, na którym przedstawiono symbole sterowanych i niezalenych ródeł napiciowych i prdowych. W celu uzyskania prostej postaci schematu rozwaanego makromodelu pominito w symbolach ródeł sterowanych zaciski sterujce.

Rys.10.1. Symbole niezalenych i sterowanych ródeł napiciowych i prdowych wykorzystywane

przy tworzeniu schematów zastpczych makromodeli

W charakterze przykładu przedstawiono w tabeli 10.3 opis tekstowy makromodelu wzmacniacza operacyjnego LM324. Opis ten mona uzyska wybierajc w programie Schematics element LM324, umieszczajc go w obszarze roboczym, wybierajc z menu programu Edit, a po jego rozwiniciu Model oraz klikajc w oknie dialogowym na przycisk Edit Instance Model (Text). Tabela 10.3. Opis tekstowy makromodelu wzmacniacza operacyjnego LM324

Opis makromodelu Komentarz do opisu *----------------------------------------------------------------------------- * 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

Komentarze – okrelenie wyprowadze Nagłówek makromodelu z list wyprowadze Kondensator C1 o pojemnoci 2,887pF Kondensator C2 o pojemnoci 30 pF Diody DC, DE, DLP, DLN oraz DP o parametrach danych w modelu dx Sterowane ródło napiciowe Egnd Sterowane ródło prdowe Fb Sterowane ródło prdowe Ga Sterowane ródło prdowe Gcm


65

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

Niezalene ródło prdowe Iee o prdzie 15,09 µA Sterowane ródło napiciowe 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 napiciowe Vb o zerowej wydajnoci ródło napiciowe Vc o napiciu 1,5V ródło napiciowe Ve o napiciu 0,65V ródło napiciowe Vlim o zerowej wydajnoci ródła napiciowe Vlp oraz Vln o napiciu 40 V Lista parametrów modelu dx diody Lista parametrów modelu qx tranzystora pnp

W przedstawionym opisie makromodelu linie rozpoczynajce si od

symbolu * stanowi komentarz. Przykładowo, pierwszych siedem linii rozwaanego makromodelu stanowi opis jego wyprowadze. W nagłówku makromodelu znajduje si lista jego wyprowadze oznaczonych cyframi od 1 do 5. Dalej wystpuj kolejno elementy składowe makromodelu, które opisano w poszczególnych wierszach tabeli 10.3.

Na rys.10.2 przedstawiono reprezentacj obwodow rozwaanego makromodelu. W celu uzyskania tej reprezentacji naley kolejno: 1. Narysowa na kartce symbole poszczególnych elementów wraz z ich

nazwami oraz nazwami wzłów, do których maj by one podłczone, 2. Połczy ze sob wyprowadzenia elementów o identycznych nazwach, 3. Analizujc uzyskany schemat obwodu zaplanowa takie rozmieszczenie

elementów, przy którym wystpi najmniejsza liczba przeci lini na schemacie.

4. Narysowa poprawiony schemat obwodu. 5. Jeeli uzyskany schemat zawiera zbyt du liczb przeci lini, to naley

ponownie wykonywa punkty 3 i 4, a rezultat bdzie zadawalajcy.


66

Rys.10.2. Reprezentacja obwodowa makromodelu wzmacniacza operacyjnego LM324

Jak wida na rys.10.2 w rozwaanym makromodelu, stopie wejciowy wzmacniacza jest reprezentowany przez wzmacniacz rónicowy z dwoma tranzystorami pnp. Polaryzacj wzmacniacza zapewnia ródło pradowe IEE, a jego obcieniem s rezystory RC1 oraz RC2. Zakres pracy liniowej wzmacniacza rozszerzaj rezystory RE1 oraz RE2. Dioda DP wraz z rezystorem RP reprezentuj właciwoci wzmacniacza przy odwrotnym podłczeniu biegunów zasilania. ródła napiciowe VE i VC wraz z diodami DC i DE ograniczaja zakres zmian napicia wyjciowego wzmacniacza podczas jego nasycenia.

Pozostałe elementy modeluj właciwoci 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

prowadzcego zajcia przygotowa reprezentacj obwodow tego makromodelu.

11. Tworzenie symbolu graficznego modelu elementu w edytorze schematów

67

11. TWORZENIE SYMBOLU GRAFICZNEGO

MODELU ELEMENTU W EDYTORZE

SCHEMATÓW W celu przygotowania schematu analizowanego układu w programie

Schematics niezbdne s biblioteki z symbolami dla tego programu wszystkich elementów, które s składnikami tego układu. Jeeli uytkownik chce przeprowadzi analiz, wykorzystujc np. makromodele elementów elektronicznych oferowane w formie tekstowej przez ich producentów, to musi wczeniej 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 naley, po uruchomieniu

programu Schematics, klikn mysz na ikon . Spowoduje to otwarcie okna Symbol Editor. Wybierajc z menu głównego programu Symbol Editor polecenie Part, a po rozwiniciu menu – Symbol Wizard uruchamia si cig okien dialogowych, umoliwiajcych wybór i edycj symbolu modelowanego elementu.

Pierwsze z tych okien, pokazane na rys.11.1 umoliwia wybór, czy tworzony symbol bdzie zwizany z istniejcym makromodelem (From a model library), czy te bdzie to symbol nie zwizany z adnym istniejcym modelem (From scratch).

Rys.11.1. Okno dialogowe do wyboru sposobu tworzenia symbolu

Poniewa rozwaany jest przypadek tworzenia symbolu do istniejcego makromodelu, w oknie z rys.11.1 naley wybra opcj From a model library i klikn mysz na przycisk Next>. Wówczas pojawi si kolejne okno dialogowe, w którym naley poda sciek dostpu do pliku z makromodelem rozwaanego elementu lub układu scalonego i ponownie klikn przycisk Next>. Nastpnie naley poda nazw, wraz ze ciek dostpu, tworzonej biblioteki symboli. Wówczas pojawi si okno dialogowe pokazane na rys.11.2, w którym naley wybra, w zalenoci od potrzeb, zmian symboli wszystkich elementów zawartych w bibliotece lub utworzenie symboli tylko tych elementów, które nie maj jeszcze zdefiniowanych symboli.

Po klikniciu 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.


68

Rys.11.2. Okno dialogowe do wyboru sposobu zastpowania istniejcych symboli elementów

Jak wida, dla kadego elementu biblioteki mona wybra symbol ju zdefiniowanego elementu (przycisk Existing Symbol) lub wybra nowy symbol o kształcie prostokta (przycisk Generic Rectangle).

Przykładowo, dla elementu IRF840 wybrano przycisk Existing Symbol. Wówczas pojawia si okno wyboru symbolu (rys.11.4), w którym naley wybra symbol graficzny nowego elementu korzystajc z symboli dostpnych w bibliotekach dołczonych 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 istniejcego symbolu elementu


69

Po wybraniu odpowiedniego symbolu oraz naciniciu przycisku Next> pojawi si okno dialogowe (rys.11.5), w którym naley przypisa poszczególnym nazwom wyprowadze makromodelu nazwy wyprowadze wybranego symbolu.

Rys.11.5. Okno dialogowe do przyporzdkowania nazw wyprowadze makromodelu

wyprowadzeniom symbolu elementu

Po wykonaniu tego przyporzdkowania pojawi si kolejne okno dialogowe (rys.11.6), w którym jest pokazany nowy symbol elementu oraz wystpuje miejsce na opis elementu.

Rys.11.6. Okno dialogowe do wyprowadzenia opisu symbolu elementu

Po wybraniu przycisku Finish zakoczy 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


70

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

Rys.11.7. Okno dialogowe Create New Symbol

Po wprowadzeniu wymaganych informacji oraz klikniciu przycisku Next> pojawi si kolejne okno dialogowe Select Symbol Shape (rys.11.8), w którym naley wybra podany kształt tworzonego symbolu elementu.

Rys.11.8. Okno dialogowe Select Symbol Shape

Jak wida na rys.11.8, uytkownik moe wybra symbol elementu w postaci prostokta, 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 klikniciu przycisku Next> przechodzi si do okna dialogowego Add Pins (rys.11.9).

W oknie tym naley podawa kolejno nazwy wyprowadze elementu, które maj by widoczne na symbolu elementu w okienku Pin Name oraz odpowiadajce im numery wyprowadze, zgodnie z nazewnictwem stosowanym w nagłówku makromodelu, dla którego tworzony jest symbol. Dane te naley wprowadza kolejno dla kadego wyprowadzenia, zaznaczajc, z której strony symbolu ma si znale dane wyprowadzenie oraz klikajc przycisk Add. Po wprowadzeniu informacji o wszystkich wyprowadzeniach elementu mona 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 klikniciu przycisku Next>


71

przechodzi si do okna dialogowego Review Pins (rys.11.10), w którym wywietlane s informacje o wszystkich wyprowadzeniach modelowanego elementu. Jeeli jakie dane s niezgodne z podanymi przez uytkownika, to moe 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 naley tylko sprawdzi, czy wprowadzane dane na temat wyprowadze obudowy elementu s poprawne. W kolejnym oknie dialogowym Specify Footprint naley wybra odpowiedni typ obudowy modelowanego elementu, np. TO-220AB, DIP14.

Kolejne okno dialogowe Assign Pins (rys.11.11) umoliwia przyporzdkowanie poszczególnych wyprowadze elementu poszczególnym wyprowadzeniom wybranej obudowy.

W oknie Setup Library naley poda nazw, wraz ze ciek dostpu, biblioteki symboli, w której bdzie zapisany utworzony symbol. Dogodnie jest, aby biblioteka ta miała identyczn nazw z bibliotek, w której zawarte s opisy makromodeli.

Po klikniciu na przycisku Finish, w oknie głównym Symbol Editor pojawi si symbol modelowanego elementu. Uzyskanie podanego wygldu tego symbolu wymaga wykonania pewnych zabiegów edycyjnych. Przykładowo, dla pokazanego na rys.11.12, symbolu tranzystora MOS naley klikajc mysz


72

przesun wyprowadzenia elementu tak, aby połczyły si z odpowiednimi kocówkami 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

Nastpnie, z menu programu Symbol Editor wybra polecenie Part, a po jego rozwiniciu Attributes. Wówczas pojawi si okno dialogowe, pokazane na rys.11.13. W oknie tym naley wprowadzi wartoci nastpujcych atrybutów modelu: 1. REFDES – nazwa elementu, która bdzie pojawiała si automatycznie po

wprowadzeniu elementu na schemat; jeeli w nazwie znajdzie sie znak “?”, to w jego miejsce bd podstawiane kolejne liczby naturalne, np.


73

wprowadzajc 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 wystpujac w bibliotece makromodelu, np. IRF840

4. TEMPLATE – szablon zawierajcy list wyprowadze, ma on posta: X^@REFDES [lista wyprowadze elementu ] @MODEL przykładowo X^@REFDES %D %G %S @MODEL naley pamita, aby nazwy wyprowadze były poprzedzone znakiem „%” i oddzielone od siebie spacjami. Dla kadego atrybutu mona niezalenie okreli, czy na schemacie ma by

wywietlana jego nazwa oraz warto przez odpowiednie zaznaczenie opcji What to Display (w lewej górnej czci okna dialogowego). Po wypełnieniu pola Value naley kadorazowo klikn mysz na przycisk Save Attr. Po wprowadzeniu wartoci wszystkich atrybutów naley klikn mysz na przycisk OK.

Wygld symbolu elementu mona dopracowa wybierajc z menu programu Symbol Editor polecenie Part, a po rozwiniciu menu – Pin List. Wówczas pojawi si okno dialogowe pokazane na rys.11.14.

Rys.11.14. Okno dialogowe Pin List

W oknie tym, mona w szczególnoci zablokowa wywietlanie nazwy wyprowadze przez odznaczenie Display Name dla kadego wyprowadzenia. Mona równie zablokowa wywietlanie numeru wyprowadzenia klikajc


74

mysz na przycisk Edit Attributes i, po pojawieniu si kolejnego okna dialogowego, zaznaczajc 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 naley z menu programu Symbol Editor wybra polecenie File, a po rozwiniciu 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. Jeeli tworzona biblioteka nie moe zosta dołczona automatycznie do programu Schematics, to naley dołczy j „rcznie” wykonujc nastpujce czynnoci:

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

1. W menu programu Schematics wybra Options, a po rozwiniciu menu – Editor Configuration. Wówczas pojawi si okno dialogowe Editor Configuration, w którym naley 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 kliknicie mysz przycisku Delete. Nastpnie naley klikn na przycisk Browse i wskaza lokalizacj biblioteki symboli, która ma by dołczona i potwierdzi dołczenie biblioteki klikajc na przycisk Add* lub Add Local.


75

Rys.11.16. Okno dialogowe Library Settings

3. Naciskajc na przyciski OK w kolejnych oknach dialogowych koczy si proces konfiguracji bibliotek. Oprócz dołczenia biblioteki symboli niezbdne jest take dołczenie do

programu Schematics biblioteki z modelami elementów. W celu dołczenia takiej biblioteki naley z menu programu Schematics wybra polecenie Analysis, a po rozwiniciu 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 klikniciu mysz przycisku Browse naley okreli lokalizacj pliku zawierajcego odpowiedni bibliotek, a nastpnie klikn przycisk Add Library lub Add Library*. Okno to umoliwia równie dodanie pliku, który bdzie dołczany do pliku wejciowego dla programu PSPICE A/D, np. z definicj funkcji uytkownika, lub pliku z opisem ródła sygnału pobudzajcego. Po wprowadzeniu wszystkich potrzebnych bibliotek naley klikn na przycisk OK.

Zadania do samodzielnego wykonania

1. Sformułowa symbol tranzystora MOS mocy typu IRF840, wykorzystujcy makromodel tego elementu zawarty w bibliotece LAB.lib dostarczonej przez prowadzcego zajcia.

2. Wykorzystujc sformułowany model wyznaczy rodzin charakterystyk wyjciowych tranzystora IRF840 w zakresie zmian napicia uDS od 0 do 20V, przy 3 wartociach napicia uGS równych kolejno 4,5 V, 5 V oraz 5,5 V. Analizy przeprowadzi dla dwóch temperatur równych 0°C oraz


76

150°C. Uwaga. Przy zadawaniu analiz naley w Setupie w oknie DC Sweep klikn przycisk Neested Sweep i w otwartym oknie dialogowym zada parametry analizy zagniedonej.

3. Sformułowa symbol w postaci kwadratu monolitycznego stabilizatora napicia LM723, wykorzystujcy makromodel tego elementu zawarty w bibliotece LAB.lib dostarczonej przez prowadzacego zajcia. List nazw wyprowadze i ich numery podano poniej:

Nazwa wyprowadzenia Numer wyprowadzenia CL 2 CS 3 - 4 + 5 Vref 6 Vcc- 7 Vz 9 Vout 10 Vc 11 Vcc+ 12 FC 13

4. Wykorzystujc zdefiniowany symbol, wyznaczy zaleno napicia wyjciowego (w wle wy) od napicia wejciowego (w wle we) dla układu stabilizatora napicia pokazanego na rys.11.18 przy 3 wartociach temperatury równych kolejno 25°C, 75°C, 150°C. Przyj zmiany napicia wejciowego w zakresie od 0 do 15 V.

Rys.11.18. Schemat analizowanego stabilizatora napicia

12. Formułowanie makromodeli elementów elektronicznych przy wykorzystaniu

77

12. FORMUŁOWANIE MAKROMODELI

ELEMENTÓW ELEKTRONICZNYCH PRZY

WYKORZYSTANIU RÓDEŁ STEROWANYCH Program PSPICE jest bardzo wygodnym narzdziem do modelowania

elementów i układów elektronicznych. Wykorzystujc właciwoci sterowanych ródeł napiciowych i prdowych mona sformułowa makromodel elementów, których charakterystyki opisane s przy wykorzystaniu złoenia funkcji elementarnych [5, 17].

W celu pokazania metody formułowania makromodeli elementów elektronicznych pokazano poniej metod formułowania makromodelu diody o zrónicowanej dokładnoci.

Najpierw rozwaany jest stałoprdowy model diody idealnej, opisany wzorem

−

⋅= 1exp

TVu

Isi (12.1)

gdzie i oznacza prd diody, u – napicie na diodzie, a Is oraz VT s parametrami modelu.

Makromodel tej diody ma posta ródła prdowego sterowanego napiciem na tym ródle. Posta obwodow tego makromodelu pokazano na rys.12.1.

Rys.12.1. Reprezentacja obwodowa makromodelu diody idealnej

Przedstawiony model mona łatwo rozbudowa, np. o rezystancj szeregow, dołczajc szeregowo do ródła prdowego G1 rezystor RS, modelujcy t rezystancj.

Parametry modelu diody zale od temperatury jej wntrza Tj, która stanowi sum temperatury otoczenia Ta oraz nadwyki temperatury spowodowanej przez


78

zjawisko samonagrzewania. Równania opisujce charakterystyki diody przy uwzgldnieniu samonagrzewania (charakterystyki nieizotermiczne) maj posta:

( ) ( )

−

⋅−⋅= 1expTV

iTRSuTIsi (12.2)

( )

−

⋅=

T

j

VEg

T

TIoTIs exp

2

0

(12.3)

( ) ( )( )01 TTRSTRS jR −+⋅= α (12.4)

0

0 T

TVV j

TT ⋅= (12.5)

iuRTT thaj ⋅⋅+= (12.6) W zalenociach (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 powyszymi równaniami przedstawiono na rys.12.2.

Rys.12.2. Reprezentacja obwodowa elektrotermicznego makromodelu diody

12. Formułowanie makromodeli elementów elektronicznych przy wykorzystaniu

79

W rozwaanym makromodelu mona wyróni obwód główny oraz obwody pomocnicze. Obwód główny zawiera sterowane ródło prdowe G1, które opisuje charakterystyki diody idealnej, dane wzorem (12.1), rezystor R1 reprezentujcy rezystancj szeregow diody w temperaturze odniesienia T0 oraz sterowane ródło napiciowe E1, którego napicie wyjciowe charakteryzuje zmiany rezystancji szeregowej spowodowane przez zjawisko samonagrzewania.

Obwody pomocnicze zawieraj sterowane ródła napiciowe i rezystory. Obwody te słu do wyliczania wartoci temperatury wntrza Tj, której odpowiada napicie w wle tj, prdu nasycenia Is, któremu odpowiada napicie w wle IS oraz potencjału termicznego, któremu odpowiada napicie w wle vt.

Wykorzystujc przedstawiony makromodel mona wyznaczy nieizotermiczne charakterystyki diody wykonujc klasyczn analiz stałoprdow (DC Sweep) wzgldem wydajnoci ródła napiciowego 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 napicie przewodzenia diody. Na wykresie v(tj)=f(V(A)) wida, e temperatura wntrza diody w rozwaanym zakresie zmian wydajnoci ródła zasilajcego wzrasta na skutek samonagrzewania przekraczajc a 400 K.

Rys.12.3. Schemat układu do wyznaczania nieizotermicznych charakterystyk diody


80

Rys.12.4. Obliczone nieizotermiczne charakterystyki diody

Zadania do samodzielnego wykonania 1. Sformułowa makromodel rezystora nieliniowego, którego

charakterystyka i(u) opisana jest nastpujc zalenoci uBuAi ⋅+⋅= 2 (12.7)

2. Wykorzystujc sformułowany makromodel wyznaczy jego charakterystyk i(u) dla napi z zakresu od 0 do 20 V, przyjmujc wartoci parametrów modelu A = 1 S/V, B = 3 S.

3. Sformułowa elektrotermiczny makromodel termistora NTC, którego rezystancja opisana jest wzorem

−⋅=

KB

TB

RRj 298

exp25 (12.8)

gdzie R25 oraz B s parametrami makromodelu, natomiast Tj oznacza temperatur wntrza termistora wyraon wzorem (12.6), w którym u oraz i oznaczaj odpowiednio napicie i prd na termistorze. Uwaga. Przy formułowaniu makromodelu wygodnie jest przekształci zaleno (12.8) na zaleno i(u).

4. Wykorzystujc sformułowany makromodel termistora NTC wyznaczy jego nieizotermiczne charakterystyki statyczne i(u) oraz Tj(u) przyjmujc nastpujce wartoci parametrów modelu: R25 = 100 Ω, B = 4000 K, Ta = 300 K, Rth = 100 K/W.

Literatura

81

LITERATURA 1. Antognetti P., Massobrio G.: Semiconductor Device Modeling with SPICE.

McGraw-Hill Company, New York, 1988. 2. 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.

3. Dobrowolski A.: Pod mask SPICE’a. Metody i algorytmy analizy układów elektronicznych. Wydawnictwo BTC, Warszawa, 2004.

4. 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.

5. Górecki K.: Modelowanie i analiza obcowzbudnych stabilizatorów impulsowych zawierajcych dławikowe przetwornice dc-dc z uwzgldnieniem samonagrzewania. Prace Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia, 2007.

6. Górecki K., Stepowicz W.J., Zarbski J.: Estymacja parametrów modelu tranzystora JFET za pomoc programu PARTS. XXVIII Midzynarodowa Konferencja z Podstaw Elektrotechniki i Teorii Obwodów IC-SPETO’2005, Ustro, 2005, Vol. 2, ss. 301-304.

7. Górecki K., Stepowicz W.J., Zarbski J.: Zastosowanie programu PARTS do estymacji parametrów modelu komparatora. XXVII Midzynarodowa Konferencja z Podstaw Elektrotechniki i Teorii Obwodów IC-SPETO’2004, Niedzica,2004, Vol. 2, ss. 269-272.

8. Górecki K., Stepowicz W.J., Zarbski 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.

9. Izydorczyk J.: PSPICE komputerowa symulacja układów elektronicznych. Helion, Gliwice, 1993.

10. Król A., Moczko J.: Pspice. Symulacja i optymalizacja układów elektronicznych. Wydawnictwo Nakom, Pozna, 1998.

11. 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.

12. Porbski J., Korohoda P.: SPICE program analizy nieliniowej układów elektronicznych. Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1996

13. Stanclik J.: Modyfikacja makromodeli wzmacniaczy operacyjnych. Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, Vol. 44, z. 1, 1998, ss. 19-34.

14. Wilamowski B.M., Jaeger R.C.: Computerized circuit Analysis Using SPICE Programs. McGraw-Hill, New York, 1997.

15. Zachara Z., Wojtuszkiewicz K.: PSpice Przykłady praktyczne. Mikom, Warszawa, 2000.

16. Zachara Z., Wojtuszkiewicz K.: PSpice Symulacje wzmacniaczy dyskretnych. Mikom, Warszawa, 2000.

17. Zarbski J.: Modelowanie, symulacja i pomiary przebiegów elektrotermicznych w elementach półprzewodnikowych i układach elektronicznych. Prace Naukowe Wyszej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdynia, 1996.

18. Zarbski J., Górecki K.: SPICE Aided Estimation of the Power BJT Model Parameters. IEEE Int. Power Electronics Congress CIEP’2000, Acapulco, 2000, pp. 258-262.


82

19. Zimny P., Karwowski K.: SPICE klucz do elektrotechniki. Instrukcja, program, przykłady. Wydawnictwo Politechniki Gdaskiej, Gdask, 1996.

20. MicroSim PSPICE A/D. Reference Manual. Version 8.0. MicroSim Corporation, 1997.

Dodatek

83

DODATEK

OPIS FUNKCJI MATEMATYCZNYCH

DOSTPNYCH W PROGRAMIE PSPICE 8.0 Poniej przedstawiono operatory matematyczne oraz funkcje dostpne 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 * mnoenie / dzielenie

** potgowanie LOGICZNE

~ NOT | OR ^ XOR & AND

RELACJI (UYWANE W SKŁADNI FUNKCJI IF()) == test równoci != test nierównoci > wiksze ni ...

>= równe lub wiksze ni ... < mniejsze ni

<= równe lub mniejsze ni ...

Tabela. D.2. Funkcje FUNKCJE ZNACZENIE OPIS

ABS(X),M(X) | x | warto bezwzgldna z x ACOS(X) cos-1(x) arcus cosinus z x [rad] ARCTAN(X), ATAN(X) tan-1(x) arcus tangens z x [rad] ASIN(X) sin-1(x) arcus sinus z x [rad] ATAN2(Y,X) tan-1(y/x) arcus tangens z y/x [rad] COS(X) cos(x) cosinus z x [rad] COSH(X) cosh(x) cosinus hiperboliczny z x [rad] DDT(X) dx/dt pochodna dx/dt EXP(X) ex eksponenta z x

IF(T,X,Y)

zwraca x jeli spełniony warunek t, zwraca y jeli, niespełniony

warunek t

funkcja warunkowa

IMG(X) cz urojona liczby zespolonej x LIMIT (X,MIN,MAX) zwraca min jeli x<min


84

FUNKCJE ZNACZENIE OPIS

zwraca max jeli x>max

zwraca x w pozostałych LOG(X) ln(x) logarytm naturalny z x LOG10(X) log10(x) logarytm dziesitny z x MAX(X,Y) maksimum x i y MIN(X,Y) minimum x i y P(X) faza liczby zespolonej PWR(X,Y) |x|y funkcja potgowa PWRS(X,Y) + |x|y jeli x>0 funkcja potgowa ze znakiem – |x|y jeli x<0

R(X) cz rzeczywista liczby zespolonej x

SDT(X) x dt całka z x SGN(X) zwraca + 1 gdy x>0 znak liczby zwraca – 1 gdy x<0 SIN(X) sin(x) sinus z x [rad] SINH(X) sinh(x) sinus hiperboliczny z x [rad] STP(X) zwraca + 1 jeli x>0.0 zwraca – 1 jeli x<0.0 SQRT(X) x1/2 pierwiastek kwadratowy z x TAN(X) tan(x) tangens z x [rad] TANH(X) tanh(x) tangens hiperboliczny z x [rad]

laboratorium – iii semestr eitatol.am.gdynia.pl/~gorecki/dla_taty_pliki/symulacje...

Documents