Содержание
Введение
1. Резистор(Resistor)
2. Конденсатор(Capacitor)
3. Индуктивность(Inductor)
4. Взаимнаяиндуктивность и магнитный сердечник (К)
5. Трансформатор(Transformer)
6. Линияпередачи(Transmission line)
7. Диод(Diode) и стабилитрон (Zener)
Заключение
Список литературы
Введение
Всекомпоненты (аналоговые и цифровые), из которых составляется электрическаяпринципиальная схема, имеют математические модели двух типов:
1. Встроенные математические модели стандартныхкомпонентов, таких как резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, независимыеи зависимые источники сигналов, вентили и др., которые не могут быть измененыпользователями; можно только изменять значения их параметров;
2. Макромодели произвольных компонентов,составляемые пользователями по своему усмотрению из стандартных компонентов.
Всвою очередь встроенные модели подразделяются на две категории:
· простыемодели, характеризуемые малым количеством параметров, которые можно указатьнепосредственно на схеме в виде атрибутов (например, модель резистораописывается одним – тремя параметрами, причем часть из них можно сделать насхеме невидимыми, чтобы не загромождать чертеж);
· сложныемодели, характеризуемые большим количеством параметров, которые заносятся вбиблиотеки моделей (например, модель биполярного транзистора характеризуется 52параметрами).
Впрограмме МС7 используется двоякое описание моделируемого устройства: в видечертежа его принципиальной электрической или функциональной схемы или в видетекстового описания в формате SPICE. Кроме того, при составлении принципиальнойсхемы часть параметров моделей компонентов задаются в виде их атрибутов иуказываются непосредственно на схеме — такие модели будем называть моделями вформате схем. Остальные модели задаются в текстовом окне с помощью директив.MODEL и .SUBCKT по правилам SPICE — их так и будем называть моделями в форматеSPICE. В программе МС7 модели всех полупроводниковых приборов, операционныхусилителей, магнитных сердечников, линий передачи и компонентов цифровыхустройств имеют формат SPICE.
Вменю компонентов в раздел пассивные компоненты (Passive components) включенырезисторы, конденсаторы, индуктивности, линии передачи, высокочастотныетрансформаторы, взаимные индуктивности, диоды и стабилитроны.
Обратимвнимание, что значения сопротивлений, емкостей и индуктивностей могут бытьчислом или выражением, зависящим от времени, узловых потенциалов, разностиузловых потенциалов или токов ветвей, температуры и других параметров (причемнепосредственная зависимость параметров от времени в программе PSpice непредусмотрена, здесь Micro-Cap явно лидирует).
/>1. Резистор(Resistor)
/>
Форматсхем МIСROCAP-7:
АтрибутPART: ; позиционное обозначение
АтрибутVALUE: [ТС=[,]] ; величинасопротивления
АтрибутMODEL: [имя модели]
АтрибутFREQ: [] — например 10*f*v(10), при этом значениеатрибута FREQ заменяет значение атрибута VALUE при расчете режима попостоянному току и проведении АС-анализа (здесь f — частота), при расчетепереходных процессов сопротивление резистора равно значению атрибута VALUE;
SLIDER_MIN— минимальное относительное значение сопротивления, изменяемого в режимеDynamic DC с помощью движкового регулятора;
SLIDER_MAX— максимальное относительное значение сопротивления, изменяемого в режимеDynamic DC с помощью движкового регулятора;
Сопротивлениерезистора, определяемое параметром , может быть числом иливыражением, включающим в себя изменяющиеся во времени переменные, например100+V(10)*2. Эти выражения можно использовать только при анализе переходныхпроцессов. В режиме АС эти выражения вычисляются для значений переменных врежиме по постоянному току.
/>
Рис. 1. Окно задания параметроврезистора
Параметры,описывающие модель резистора в MICROCAP-7,приведены в табл. 1.
Таблица 1. Параметры модели резистораОбозначение Параметр Размерность Значение по умолчанию
R Масштабный множитель сопротивления — 1
ТС1 Линейный температурный коэффициент сопротивления
°C-1
ТС2 Квадратичный температурный коэффициент сопротивления
°C-2
ТСЕ Экспоненциальный температурный коэффициент сопротивления %/°C
NM Масштабный коэффициент спектральной плотности шума — 1
T_MEASURED Температура измерения °C —
T_ABS Абсолютная температура °C —
T_REL_GLOBAL Относительная температура °C —
T_REL_LOCAL Разность между температурой устройства и модели-прототипа °C —
Еслив описании резистора опущено, то его сопротивление равнопараметру в Омах. Если указано и вдирективе .MODEL отсутствует параметр ТСЕ, то температурный фактор равен
TF = 1 + ТС1×(Т – TNOM)+TC2×(T – TNOM)2;
еслипараметр ТСЕ указан, то температурный фактор равен
TF =1,01TCE(T-TNOM) .
ЗдесьТ — текущее значение температуры (указывается по директиве .TEMP); TNOM = 27 °С— номинальная температура (указывается в окне Global Settings).
Параметр может быть как положительным, так и отрицательным, но неравным нулю. Сопротивление резистора определяется выражением:
*R*ТF*МF,
гдеМF=1±/100.
Спектральнаяплотность теплового тока резистора рассчитывается по формуле Найквиста:
Si(f)=4kT/*NM.
Длярезисторов с отрицательным сопротивлением в этой формуле берется абсолютноезначение сопротивления.
/>2. Конденсатор(Capacitor)
/>
Форматсхем МIСROCAP:
АтрибутPART:
АтрибутVALUE: [IC=]
АтрибутMODEL: [имя модели]
АтрибутFREQ: [] — например 10*SQRT(f), при этом значение атрибутаFREQ заменяет значение атрибута VALUE при проведении АС-анализа (здесь f —частота), при расчете переходных процессов емкость конденсатора равна значениюатрибута VALUE.
Емкостьконденсатора, определяемая параметром , может быть числом иливыражением, включающее в себя изменяющиеся во времени переменные, например100+V(10)*0.002*TIME. Эти выражения можно использовать только при анализепереходных процессов. В режиме АС это выражение вычисляется для значенийпеременных в режиме по постоянному току.
/>
Рис. 2. Окно задания параметровконденсатора
Параметрымодели конденсатора приведены в табл. 2.
Таблица 2. Параметры модели конденсатораОбозначение Параметр Размерность Значение по умолчанию
С Масштабный множитель емкости — 1
VC1 Линейный коэффициент напряжения
В–1
VC2 Квадратичный коэффициент напряжения
В–2
ТС1 Линейный температурный коэффициент емкости
°С–1
ТС2 Квадратичный температурный коэффициент емкости
°С–2
T_MEASURED Температура измерения °С —
T_ABS Абсолютная температура °С —
T_REL_GLOBAL Относительная температура °С —
T_REL_LOCAL Разность между температурой устройства и модели-прототипа °С —
Еслив описании конденсатора опущено, то его емкость равнапараметру в фарадах, в противном случае она определяетсявыражением
×С×(1 +VC×V+VC2×V2)[1 +TC1×(T-TNOM)+TC2×(T-TNOM)2].
ЗдесьV — напряжение на конденсаторе при расчете переходных процессов. При расчетечастотных характеристик (режим АС) емкость считается постоянной величиной,определяемой в рабочей точке по постоянному току.
/>3. Индуктивность(Inductor)
/>ФорматсхемМIСROCAP-7:
АтрибутPART:
АтрибутVALUE: [IС=]
АтрибутMODEL: [имя модели]
АтрибутFREQ: [] — например 10u*(F/100), при этом значение атрибутаFREQ заменяет значение атрибута VALUE при проведении АС-анализа (здесь F —частота), при расчете переходных процессов индуктивность равна значениюатрибута VALUE.
Индуктивность,определяемая параметром , может быть числом или выражением,включающее в себя изменяющиеся во времени переменные, например 100+I(L2)*2. Этивыражения можно использовать только при анализе переходных процессов. В режимеАС эти выражения вычисляется для значений переменных в режиме по постоянномутоку.
Параметрымодели индуктивности приведены в табл. 3.
Таблица 3Параметры модели индуктивностиОбозначение Параметр Размерность Значение по умолчанию
L Масштабный множитель индуктивности — 1
IL1 Линейный коэффициент тока
А–1
IL2 Квадратичный коэффициент тока
А–2
ТС1 Линейный температурный коэффициент индуктивности
°С–1
ТС2 Квадратичный температурный коэффициент индуктивности
°С–2
T_MEASURED Температура измерений °С —
Т_АВС Абсолютная температура °С —
T_REL_GLOBAL Относительная темпера тура °С —
T_REL_LOCAL Разность между температурой устройства и модели-прототипа °С —
/> /> /> /> /> /> />
/>
Рис. 3. Окно задания параметровкатушки индуктивности
Еслив описании опущено , то индуктивность равна параметру в Генри, в противном случае она определяется выражением
L(1 +IL1*I+IL2*I2)[1+TC1(T–TNOM)+TC2(T-TNOM)2].
ЗдесьI — ток через катушку индуктивности при расчете переходных процессов. Прирасчете частотных характеристик (режим АС) индуктивность считается постояннойвеличиной, определяемой в рабочей точке по постоянному току.
/>4. Взаимнаяиндуктивность и магнитный сердечник (К)
/>
Форматсхем МС:
АтрибутPART:
АтрибутINDUCTORS:
АтрибутCOUPLING: коэффициент связи>
АтрибутMODEL: [имя модели]
Порядокперечисления имен индуктивностей Lyyy, Lzzz… безразличен, знак взаимнойиндуктивности определяется положительными направлениями токов индуктивностейотносительно начал обмоток. Параметром взаимной индуктивности являетсякоэффициент связи.
Наодном сердечнике помещается одна или несколько обмоток с именами Lyyy, Lzzz…Все обмотки имеют одинаковый . Здесь возможны 2варианта: а) магнитосвязанными могут быть линейные индуктивности (безсердечника); нелинейные индуктивности с нелинейным магнитным сердечником,определяемым параметрами модели CORE.
a)Магнитосвязанные линейные индуктивности.
Коэффициентсвязи Kijдвух обмоток (i,j) определяется выражением:
/>
гдеLi,Lj — индуктивности обмоток; Mij— их взаимная индуктивность. Напряжение на катушке Li,с учетом взаимной индукции определяется выражением:
/>,
ГдеIi — ток втекающий ввывод (+) обмотки (помечен на схеме точкой). В этом случае при вводе в схемусвязанных индуктивностей посредством вставки элемента K,в открывающемся окне параметров задается лишь позиционное обозначениесердечника KN, позиционныеобозначения всех катушек индуктивности (INDUCTORS)с которыми он связан и коэффициент связи (COUPLING)(см. рис. 4., а). Имя модели сердечника при этом не вводится.
б)Магнитосвязанные катушки с нелинейным магнитным сердечником. Приописании каждой обмотки Lyyy..., упомянутой в составе сердечника в позиции INDUCTORS,изменяется смысл параметра . Т.е. численное значение,задаваемое в позиции VALUEокнапараметров катушки индуктивности теперь определяет не индуктивность, а числовитков соответствующей обмотки сердечника. В этом случае в позиции MODELокна параметров сердечника Kвводится имя модели нелинейного магнитного сердечника (возможно из открывающегосяв этом же окне списка, см. рис. 4., б). Модель магнитного сердечникапредставляет собой вариант модели Джилса-Атертона, в котором безгистерезиснаякривая намагниченности ферромагнетика является гиперболической функциейнапряженности магнитного поля H(coth).
/> />
а) б)
Рис. 4. Окна задания параметровсердечника: а) — линейного; б— нелинейного
Следовательно,в случае использования нелинейного магнитного сердечника величина, задаваемая впозиции VALUE не может бытьвыражением, а должна быть целым положительным числом.
Параметрымодели магнитного сердечника приведены в табл. 4. В SPICE используетсяподобная модель для LEVEL=2, с тем лишь отличием, что безгистерезисная криваяимеет другую более простую аналитическую зависимость от напряженностимагнитного поля H (см. лекцииММЭ).
Таблица 4. Параметры модели магнитного сердечникаОбозначение Параметр Размерность Значение по умолчанию
AREA Площадь поперечного сечения магнитопровода
см2 1
PATH Средняя длина магнитной силовой линии см 1
GAP Ширина воздушного зазора см
MS Намагниченность насыщения А/м
400×103
A Параметр формы безгистерезисной кривой намагничивания А/м 25
С Постоянная упругого смещения доменных границ 0,001
К Постоянная необратимой деформации доменных стенок А/м 25
ALPHA Параметр эффективности поля — 2E-5
Основныеуравнения для используемого варианта модели Джилса-Аттертона:
N— количество витков выбранной обмотки сердечника
Ma(H)— зависимость безгистерезисной намагниченности от напряженности магнитного поляH (безгистерезисная криваянамагничивания)
H— напряженность магнитного поля
HE— эффективная напряженность магнитного поля
B— магнитная индукция в сердечнике
M— намагниченность ферромагнетика сердечника
I— ток, протекающий через выбранную обмотку сердечника
V— напряжение на клеммах катушки сердечника
Следуетотметить что расчеты нелинейных магнитных элементов программе MICROCAP-7осуществляются не в системе СИ. В программе принята следующая системаединиц: намагниченность М — [A/м],магнитная индукция B — [Гаусс], напряженностьмагнитного поля H — [Эрстед].Расчеты в программе осуществляются по формулам:
/>
/>
/>
/>
Основноедифференциальное уравнение Джилса-Атертона, связывающее изменениенамагниченности с величиной напряженности Н и предысторией системы:
/>
/>; /> />
/>; />
См.пример схему CORE3из каталога COMPONENTS\PASSIVECOMP и ее анализ.
/>5. Трансформатор(Transformer)
/>
Форматсхем МС:
АтрибутPART:
АтрибутVALUE: ,, коэффициент связи>
Впрограмме МС7 имеется модель идеального двухобмоточного трансформатора безпотерь (TRANSFORMER),в качестве параметров которого в позиции VALUEокна задаются значения индуктивностей обмоток и коэффициент связи, например:0.01uH,0.5uH,.98.
Трансформатортакже может быть задан как совокупность магнитосвязанных катушек индуктивности,расположенных на линейном сердечнике (K).
Ещеодин способ задания трансформатора — в виде схемы–макромодели, содержащеймагнитосвязанные индуктивности. Так в программном пакете имеется встроеннаямодель двухобмоточного трансформатора со средней точкой Component/AnalogPrimitives/Macros/Centap.
Все3 способa задания трансформаторав схеме для моделирования иллюстрирует пример TRANSFORMERиз каталога COMPONENTS\PASSIVECOMP.
/>6. Линияпередачи(Transmission line)
/>
Форматсхем МС:
АтрибутPART:
АтрибутVALUE: Z0= [ТD=][F= [NL=]]— для идеальной линии передач без потерь;
АтрибутVALUE: LEN= R=L= G=C= — для линиипередач с потерями;
АтрибутMODEL: [имя модели]
Модельлинии передачи характеризуется параметрами, указанными в табл. 5., а схемазамещения участка длинной линии представлена на рис. 5.
Линияпередач без потерь при расчете переходных процессоввыполняет роль линии задержки, при расчете частотных характеристик онапредставляет собой безынерционное звено.
Длялинии передач с потерями аналитически рассчитывается комплексныйкоэффициент передачи линии. Анализ переходных процессов производится с помощьюинтеграла свертки с импульсной характеристикой линии, которая вычисляется какпреобразование Фурье коэффициента передачи (что требует очень больших затратвремени). Примеры моделирования линий передачи без потерь — TLINE_01,TLINE_02,TLINE_03; линии передачи с потерями — TLINE_L_3.Схемы находятся в каталоге COMPONENTS\PASSIVECOMP.
/>
Рис. 5. Схема замещения линиипередачи
Таблица 5. Параметры модели линии передачиОбозначение Параметр Размерность Значение по умолчанию
Идеальная линия без потерь
Z0 Волновое сопротивление Ом —
TD Время задержки сигнала с —
F Частота для расчета NL Гц —
NL Электрическая длина на частоте F (относительно длины волны) 0,25
Линия с потерями
R Погонное сопротивление Ом/м —
L Погонная индуктивность Гн/м —
G Погонная проводимость См/м —
С Погонная емкость Ф/м —
LEN Длина линии м —
/>
Рис. 6. Окно задания параметровлинии передачи
/>7. Диод(Diode) и стабилитрон (Zener)
/>Форматсхем МС:
АтрибутPART:
АтрибутVALUE: [Area] [OFF] [IC=]
АтрибутMODEL: [имя модели]
ПараметрArea задает коэффициент кратности для учета подключения несколькихпараллельных диодов (параметры модели диода умножаются или делятся на этувеличину). Параметр IC задает начальноенапряжение на диоде Vd при расчете переходных процессов, если на панелиTransient Analysis Limits выключена опция Operating Point. Включение ключевогослова OFF исключает диод из схемы при проведении первой итерации расчета режимапо постоянному току.
Модельдиода задается директивой
.MODEL 0[(параметры модели)]
Приведемпример модели диода Д104А:
.modelD104A D (IS=5.81Е-12RS=8.1 N=1.15 TT=8.28NS CJO=41.2PF VJ=0.71 M=0.33 FC=0.5 EG=1.11 XTI=3)
Математическаямодель диода задается параметрами, перечисленными в табл. 6.
Таблица 6. Параметры модели диодаОбозначение Параметр Значение по умолчанию Единица измерения
Level Тип модели: 1 — SPICE2G, 2 — PSpice 1 —
IS Ток насыщения при температуре 27°С
10–14 А
RS Объемное сопротивление Ом
N Коэффициент эмиссии (неидеальности) 1 —
ISR Параметр тока рекомбинации А
NR Коэффициент эмиссии (неидеальности)для тока ISR 2
IKF Предельный ток при высоком уровне инжекции ¥ А
TT Время переноса заряда с
CJO Барьерная емкость при нулевом смещении Ф
VJ Контактная разность потенциалов 1 В
M Коэффициент плавности p-n перехода (1/2 —для резкого, 1/3 — плавного) 0,5 —
EG Ширина запрещенной зоны 1,11 эВ
FC Коэффициент нелинейности барьерной емкости прямосмещенного перехода 0,5 —
BV Обратное напряжение пробоя (положительная величина) ¥ В
IBV Начальный ток пробоя, соответствующий напряжению BV (положительная величина)
10-10 А
NBV Коэффициент неидеальности на участке пробоя 1 —
IBVL Начальный ток пробоя низкого уровня А
NBVL Коэффициент неидеальности на участке пробоя низкого уровня 1 — /> /> /> /> /> />
Таблица 6. Параметры модели диода (окончание)
XTI Температурный коэффициент тока насыщения IS 3 —
TIKF Линейный температурный коэффициент IKF
°C-1
TBV1 Линейный температурный коэффициент BV
°C-1
TBV2 Квадратичный температурный коэффициент BV
°C-1
TRS1 Линейный температурный коэффициент RS
°C-1
TRS2 Квадратичный температурный коэффициент RS
°C-2
KF Коэффициент фликкер-шума —
AF Показатель степени в формуле фликкер-шума 1 —
RL Сопротивление утечки перехода ¥ Ом
T_MEASURED Температура измерений — °C
T_ABS Абсолютная температура — °C
T_REL_GLOBAL Относительная температура — °C
T_REL_LOCL Разность между температурой диода и модели-прототипа — °C
/> /> /> /> /> />
Суравнениями, по которым производится расчет при моделировании диодов и прочихполупроводниковых приборов при необходимости можно ознакомиться в [4, 6].
/> />
Рис. 7. Окно задания параметров диода Рис. 8.Модель диода
Стабилитроныимеют ту же модель, что и диоды. При выборе стабилитрона необходимо обращатьвнимание на параметр модели BV— напряжение обратного пробоя, фактически оно же и является напряжениемстабилизации при обратном включении диода. См. примеры моделирования схемныефайлы DIODE& ZENER из каталога COMPONENTS\PASSIVECOMP.
Диодывыбираются с помощью следующих путей в меню COMPONENTS/AnalogPrimitives/Passive Components/Diode, COMPONENTS/Analog Library/DIODE (далеевподменюнужныйтипдиода).Стабилитроны— COMPONENTS/Analog Primitives/Passive Components/ZENER, COMPONENTS/AnalogLibrary/Diode/ZENER.
Заключение
MicroCAP-7— это универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенныйдля решения широкого круга задач. Характерной особенностью этого пакета,впрочем, как и всех программ семейства MicroCAP (MicroCAP-3… MicroCAP-8) [1,2], является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, чтоделает его особенно привлекательным для непрофессиональной студенческойаудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратнымсредствам ПК (процессор не ниже PentiumII, ОС Windows95/98/ME или WindowsNT 4/2000/XP,память не менее 64 Мб, монитор не хуже SVGA),его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не толькоаналоговые, но и цифровые устройства. Возможно также и смешанное моделированияаналого-цифровых электронных устройств, реализуемое в полной мере опытнымпользователем пакета, способным в нестандартной ситуации создавать собственныемакромодели, облегчающие имитационное моделирование без потери существеннойинформации о поведении системы.
Перечисленные достоинстваделают пакет программ MicroCAP-7 весьма привлекательным для моделирования электронныхустройств средней степени сложности. Удобство в работе, нетребовательность кресурсам компьютера и способность анализировать электронные устройства сдостаточно большим количеством компонентов позволяют успешно использовать этотпакет в учебном процессе. Настоящее пособие не претендует на полное руководствопо работе с MicroCAP-7.
Список литературы
1. РазевигВ.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. – Москва, «Солон»,1997. – 273 с. 621.3 Р17 /1997 – 1 аб, 3 чз
2. РазевигВ.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0. –Москва, «Солон», 1999. 004 Р-17 /2003 – 1 аб/ 2000 – 11 аб, 5 чз
3. КарлащукВ.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ееприменение.— Москва: Солон-Р, 2001. – 726 с. 004 K23/ 10 аб, 5 чз.
4. Micro-Cap 7.0 Electronic CircuitAnalysis Program Reference Manual Copyright 1982-2001 by Spectrum Software 1021South Wolfe Road Sunnyvale, CA 94086