П5 Общие сведения о моделях компонентов

Все компоненты, из которых составляется электрическая принципиальная схема, имеют математические модели двух типов:

• встроенные математические модели стандартных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, независимые и зависимые источники сигналов и др., которые не могут быть изменены пользователями (можно только изменять значения их параметров);

• макромодели произвольных компонентов, составляемые пользователями по своему усмотрению из стандартных компонентов.

В свою очередь встроенные модели подразделяются на две категории:

• простые модели, характеризуемые малым количеством параметров, которые можно указать непосредственно на схеме в виде атрибутов (например, модель резистора описывается одним-тремя параметрами, причем часть их можно сделать на схеме невидимыми, чтобы не загромождать чертеж);

• сложные модели, характеризуемые большим количеством параметров, которые заносятся в библиотеки моделей (например, модель биполярного транзистора характеризуется 52 параметрами).

В программе МicroСap используется двоякое описание моделируемого устройства: в виде чертежа его принципиальной электрической или функциональной схемы или в виде текстового описания в формате SPICE.

Кроме того, при составлении принципиальной схемы часть моделей компонентов задается в виде их атрибутов и указывается непосредственно на схеме — такие модели будем называть моделями в формате схем. Остальные модели задаются в текстовом окне с помощью директив.MODEL и.SUBCKT по правилам SPICE — их так и будем называть моделями в формате SPICE. В программе МicroСap модели полупроводниковых приборов, операционных усилителей, магнитных сердечников, линий передачи и компонентов цифровых устройств имеют формат SPICE.

Взаимная индуктивность и магнитный сердечник (К)

Формат SPICE:

Кххх Lyyy L-zzz... коэффициент связи>

Кххх Lyyy Lzzz... коэффициент связи> <имя модели> [<масштабный коэффициент»]

Например:

К1 L1 L2 L3 0.8

К2L1 L2 0.99Ti125V

.MODEL Ti125V CORE (LEVEL=2 MS=334E3 ALPHA=2.5E-2 +A=4.05E3 K=166 C=0.05 AREA=0.064 PATH=2.25)

Здесь первый пример описывает связанные индуктивности без сердечника К1, второй — ферромагнитный сердечник К2, на котором находятся две катушки индуктивностей L1, L2.

Формат ввода в графическом варианте:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут INDUCTORS: <имя индуктивности> <имя индуктивности>

Атрибут COUPLING: коэффициент связи>

Атрибут MODEL: [имя модели]

Порядок перечисления имен индуктивностей Lyyy, Lzzz... безразличен, знак взаимной индуктивности определяется порядком перечисления узлов в описании каждой индуктивности. Параметром взаимной индуктивности является <коэффициент связи>. Если в трансформаторе имеется несколько обмоток, то можно либо определить взаимные индуктивности для каждой по парной комбинации обмоток в отдельных предложениях, либо в одном предложении указать список всех индуктивностей, имеющих одинаковый коэффициент связи.

Источники сигналов (Waveform sources)

Источник постоянного напряжения (Battery)

Формат ввода в графическом варианте:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: <значение>

 

Источник импульсного напряжения Pulse source)

Формат ввода в графическом варианте:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут MODEL: < имямодели>

Параметры модели этого источника задаются по директиве .MODEL <имя модели> PULSE ([ список параметров ])и могут изменятся в текстовом окне МicroСap.

Параметры модели источника импульсного напряжения приведены в таблице, а его форма — на рисунке:

 

Параметр	Размерность	Значение
VZERO	Уровень «0», В
VONE	Уровень «1», В
P1	Время до начала с.	1×10-7
P2	Время до «1» с.	1.1×10-7
РЗ	Время до окончания плоской части импульса, с	5×10-7
P4	Время до «1» с.	5.1×10-7
P5	Период повторения	1×10-6
VZERO	- начальное значение;
VONE	- максимальное значение

Источник синусоидального напряжения (Sine source)

Формат ввода в графическом варианте:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут MODEL: <имя модели>

Параметры модели этого источника задаются по директиве

.MODEL <имя модели> SIN ([ список параметров ])

Параметры модели источника синусоидального напряжения и его форма приведены ниже

Параметр	Размерность	Значение
F	Частота, Гц	1 106
А	Амплитуда, В
DC	Постоянная составляющая, В
РН	Начальная фаза, Рад
RS	Внутреннее сопротивление, Ом	.001
RP	Период повторения затухающего сигнала
TAU	Постоянная времени изменения амплитуды

Источник напряжения, задаваемый пользователем (User source)

Формат ввода в графическом варианте:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут FILE: <имя файла>

Атрибут EXPRESSION: [< текстовое выражение >]

Пользователь имеет возможность задать источник напряжения произвольной формы. Отсчет сигнала записываются в текстовый файл, который имеет стандартное расширение.USR. В этом файле записывается общее количество отсчетов N и пары значений, определяющие выражения для отсчетов моментов времени и значения напряжений. Этот файл может быть создан с помощью любого текстового редактора или образован путем сохранения одного или нескольких сигналов, полученных в результате расчета переходных процессов.

Функциональные источники сигналов (Function sources)

Управляемые источники, имена которых начинаются с N, задаются Функциональными зависимостями во временной области.

Формат ввода в графическом варианте:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE для источников NFV и NFV: <формула>

Атрибут TABLE для источников NTIofl, NTIofV, NTVofV, NTVofl

(<x1>,<y1>) (<х2>,<у2>) ... { <xk>,<yk> }

Нелинейные зависимые источники напряжения NFVи тока NFVописываются произвольной функциональной зависимостью от напряжений и токов схемы, например: 10*Sin(2*PI*1E6*T)*V(3)*I(L1)*EXP(-V(IN)/100ns)

K*POW((V(Plate)-V(Cathode)+Mu*(V(Grid)-V(Cathode))),1.5)

Зависимые источники NTVofl, NTIofl, NTIofV и NTVofVзадаются таблицей зависимостей значений выходного сигнала y_k от значений входного сигнала x_k. Значения отсчетов выходного сигнала у указываются в порядке возрастания аргумента х. Для расчета выходного сигнала между опорными точками применяется линейная интерполяция. Значения сигнала у вне заданного диапазона изменения аргумента полагаются равными их значениям в крайних точках.

Для источника NTVoflвыходной сигнал — ЭДС источника, аргумент — ток входной ветви. Для источника NTIoflвыходной сигнал — ток источника, аргумент — ток входной ветви. Для источника NTIofVвыходной сигнал — ток источника, аргумент — напряжения на входных зажимах. Для источника NTVofVвыходной сигнал — ЭДС источника, аргумент — напряжение на входных зажимах.

Зависимый источник - полиномиальный FIofI

Формат ввода в текстовом описании (SPICE):

F<name> <plusout> <minusout> [POLY(<k>)] v1 [v2 vk] [p0 p1...pk] [IC=c1,[c2,[c3...[,ck]]]]

< Plusout> - положительный номер узла выхода источника.

< Minusout> - отрицательный номер узла выхода источника.

V1- генератор напряжения, чей ток - первая переменная управления. Vk - генератор напряжения, чей ток – k-ое управление переменной. P0 - первый полиномиальный коэффициент. Pk – k-ый полиномиальный коэффициент. C1 - первые начальные условия. Ck – k-ый начальные условия.

Примеры: F1 1 2 3 4 1.0

F2 4 0 POLY(2) V1 V2 1.0 2.0 10.0 20.0

Формат ввода в графическом варианте:

PART атрибут: <name>

Этот атрибут определяет название генератора.

Например: F1

VALUE атрибут: [POLY(<k>)] v1...[vk] [p0...pk] [IC=c1...[,ck]]

Этот атрибут определяет функцию источника.

V1 - генератор напряжения, чей ток - первая переменная управления. Vk- генератор напряжения, чей ток – k-ое управление переменной. P0 - первый полиномиальный коэффициент. Pk – k-ый полиномиальный коэффициент. C1 - первые начальные условия. Ck – k-ые начальные условия.

Примеры: POLY(2) Vln Vpn 0 0 0 01 POLY(3) V1 V2 V3 0 1 1 1

Зависимый источник - SPICE полиномиальный GIofV

Формат ввода в текстовом описании (SPICE):

Синтаксис:

G<name> <plusout> <minusout> [POLY(<k>)] n1p n1m [n2p n2m]...[nkp nkm] [p0 p1...pk] [IC=c1,[c2,[c3...[,ck]]]]

< Plusout> - положительный номер узла выхода источника. < minusout > - отрицательный номер узла выхода источника. N1p-первый положительный узел управления. N1m- первый отрицательный узел управления. Nkp– k-ый положительный узел управления. Nkm– k-ый отрицательный узел управления. P0 -первый полиномиальный коэффициент. Pk – k-ый полиномиальный коэффициент. C1 -первые начальные условия. Ck – k-ые начальные условия.

Коэффициенты полинома перечисляются в операторе в том порядке, в котором они входят в это выражение, вплоть до последнего ненулевого. POLY(<k>) определяет число пар узлов управления, которых может быть несколько.

Примеры

G1 10 20 30 401.0

G2 7 0 POLY(3) 10 15 20 25 30 35 1.0 2.1 3.5 10.0 20.0 30.0

Формат ввода в графическом варианте:

PART атрибут:<name>

Этот атрибут определяет название генератора.

Примеры: G1 Gmult

VALUE атрибут: [POLY(<k>)] n1p n1m...[nkp nkm] [p0...pk] [IC=c1...[,ck]]

Этот атрибут определяет функцию источника.

Примеры: POLY(2) 1005 000 00 1

POLY(3) 6 015 5 0111 POLY(1) (3,0)1 1 1

- одна пара управления, приложено напряжение между узлами 3, 0. Значения коэффициентов полинома P0 = 1 P1=1 P2=1.

< Plusout > - положительный номер узла выхода источника. <minusout > - отрицательный номер узла выхода источника. N1p- первый положительный узел управления. N1m- первый отрицательный узел управления. Nkp- k-ый положительный узел управления. Nkm– k-ый отрицательный узел управления. P0 - первый полиномиальный коэффициент. Pk – k-ый полиномиальный коэффициент. C1 - первые начальные условия. Ck –k-ые начальные условия.

Если не указывается ключевое слово POLY, то общее уравнение для зависимой функции имеет вид:

F=p0+p1*v1+p2*(v2^{^}2)+p3*(v3^{^}3)+...pk*(vk^{^}k)

F - выходное значение зависимого напряжения; v1, v2, v3,... vk - k значения независимой переменной; p0, p1, p2,... pk - k + 1 полиномиальные коэффициенты

Функциональный источник

В программе SPICE такой источник отсутствует.

Формат ввода в текстовом описании:

PART attribute: <name>Этот атрибут определяет название генератора.

VALUE атрибут: <formula>Этот атрибут определяет нелинейное функциональное выражение.

Выражения - текстовые строки, введенные пользователем, которые содержат числа, константы, переменные, математические операторы. Поведение резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, лапласовых источников, источники конъюнкции определено с помощью выражений. Регистр игнорируется в выражениях, так что Rload - та же самая переменная как Rload. Значение выражения модифицируется всякий раз, когда любая из переменных изменяется. Пример:

Uo*Cox*Wid/Len*((Vgs1 -VT1)-(Vds1 /2))*Vds1*(1 +Lam*Vds1)

1.5+2*sin(2*PI*1 E6*t)+25*IB(Q1)

Функциональные источники используются во временном анализе Аналогового Моделирования. Тип выражений определяется алгебраическими выражениями, выражениями, или вычисляемыми значениями для выходной переменной как функция любого набора допустимых переменных временной области. Любые узлы, упомянутые в выражении должны быть в форме V(номер узла).

Выражения Обработки сигналов (Signalprocessing)

Среди нелинейных функциональных выражений важное место занимают выражения для обработки сигналов в моделируемых схемах.

HARM(u)	Расчет гармоник сигнала u
THD(S)	Коэффициент нелинейных искажений спектра S в процентах относительно уровня первой гармоники.
FFT(u)	Прямое преобразование Фурье дискретных отсчетов сигнала u. Отличается от функции HARM(u) множителем N/2 для гармоник с первой до N-ой гармоники и множителем N для нулевой гармоники, где N - число дискретных отсчетов входного сигнала.
IFT(S)	Обратное преобразование спектра S
CONJ(S)	Сопряженный комплексный спектр S
CS(S,S2)	Взаимный спектр S S2, равный CONJ(FFT(S)*FFT(S2))
AS(S)	Собственный спектр сигнала S, CS(S,S)
CC(u,v)	Взаимная корреляционная функция u и v, вычисляемая как IFT(CS(u,v))
AC(u)	Автокорреляционная функция u, равная IFT(AS(u))
COH(u,v)	Нормированная корреляционная функция u и v, CC(u,v)/sqrt(AC(u(0))*AC(v(0)))
REAL(S)	Действительная часть спектра S полученная через FFT
IMAG(S)	Мнимая часть спектра S полученная через FFT
MAG(S)	Модуль (амплитуда) S полученная через FFT
PHASE(S)	Фаза спектра S Полученная через FFT

Тренсцендентные операторы.

SIN(x)	синус x, радиан
COS(x)	косинус x, радиан
TAN(x)	тангенс x, радиан
ATN(x)	арктангенс
SINH(x)	гиперболический синус х
COSH(x)	гиперболический косинус х
TANH(x)	гиперболический тангенс х
COTH(x)	гиперболический котангенс х
LN(x)	натуральный логарифм x
LOG(x)	десятичный логарифм x
EXP(x)	экспонента, ex

Некоторые выражения

ABS(y)	Абсолютное значение, |y|
dB(y)	Величина в децибелах20*(log |y|)
SQRT(y)	Квадратный корень из y
SGN(y)	Знаковый оператор, (+1 if y>0),(-1 if y<0), (0 if y=0)
POW(y,x)	Степенной оператор, yx
RMS(y)	Критерий среднеквадратичной ошибки y во времени
AVG(y)	Среднее число y через во время
SUM(y,x)	Интеграл y по x
DEL(y)	Это - изменение y от предшествующей точки до текущей точки. Числовая производная сформирована отношением двух операторов. Например, DEL(y) / DEL(t) аппроксимирует числовую производную по времени y.
IMPORT(f,y)	Импортирует сигнал y из файла f. Файл должен быть выполнен по формату PSPICE или MicroCap с таблицей значений, который включает значение f (частота), (T время), (V генератор напряжения), (I источник тока), и значение y. Выражение y должно быть таким же, как в файле и должно содержать четное число круглых скобок.

 

Правила для выражений

Имеются некоторые важные правила при использовании выражений.

Относительный и операторы Booleanвозвращают 1 если истину и 0 если ложь.

RMS, AVR,Суммируют, и операторы DELмогут использоваться только для печати и составления графика. Они не должны использоваться для определения входного параметра.

ONOISE и INOISEдолжны использоваться в анализе AC и никогда не использоваться с другими переменными такими как V(НомерУзла).

В анализе AC все промежуточные вычисления выполнены комплексными. После того, как выражение полностью определено, результат может быть напечатан или выведен на график. Например, пусть V(1)×V(2) комплексные величины. Чтобы печатать мнимую часть, используйте IM(V(1)×V(2)). Действительная часть может быть напечатана при использовании RE (V(1)×V(2)).

Значение переменной времени T установлено в нуль в AC и DC. Значение частоты F установлено в нуль в анализе DC и временном анализе.

Выражения Функции преобразования типа для источника Лапласа используют только одну переменную, S. Никакие другие переменные не должны использоваться. Нельзя использовать лапласовы источники для задания коэффициентов усиления. Для этого можно использовать независимые источники PSPICE POLYисточники, или функциональные источники.

Комплексная математика обеспечивается только следующими операторами:

+, -, *, /, sqrt, pow, ln, log, exp, cosh, sinh, tanh, coth

Прежде запустить соответствующий анализ или составить списка соединений, Micro-Cap раскрывает все операторы 'DEFINE'.Использование оператора DEFINEв пределах модельных описаний может вызывать проблемы.

Можно использовать DEFINEв описании моделей, если переменная используется только для значения параметра, а не для названия параметра. Например, это будет работать: .define VALUE 111.model Q1 NPN (BF=VALUE...)

После преобразования, модельная инструкция станет такой .model Q1 NPN (BF=111...)

DIFINEчитаются «буквально». Например:

.define a 4+c

.define b a*x

Можно было бы ожидать, что b преобразуется в (4 + c)*x, но фактически преобразование будет как 4 + c*x.

Это происходит потому, что по оператору DEFINEопределяется только текстовая замена. DEFINEзаменяет текст «a» текстом «4 + C».

Избежать таких проблем можно, используя круглые скобки.

Список литературы

 

 

1 Бобровников, Л.З. Электроника / Л.З. Бобровников. – СПб. «Питер», 2004. – 560 с.

2 Кучумов, А.И. Электроника и схемотехника / А.И. Кучумов. – М.: «Гелиос АРВ», 2002. -304 с.

3 Лачин, В.И. Электроника / В.И. Лачин, Н.С. Савёлов. – Ростов-на-Дону.: «Феникс», 2004. - 576 с.

4 Кардашев, Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств / Г.А. Кардашев. – М.: Горячая линия-Телеком, 2002. – 260 с.

5 Амелина, М.А. Программа схемотехнического моделирования MicroCap 8 / М.А. Амелина, С.А. Амелин. – М.: Горячая линия-Телеком, 2007. – 464 с.

6 Разевиг, В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью MicroCap 7 / В.Д. Разевиг. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 368 с.

Учебное издание

Методические указания

к лабораторным работам

студентов специальности 210406

«Сети связи и системы коммутации»

очной и заочной форм обучения

по дисциплине «Электроника»

Составитель:

Краснов Роман Петрович

 

В авторской редакции

 

Подписано в печать 00.00.2008 г. Формат 60×84/16.

Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 00. Тираж 50 экз. Заказ № 00

 

Международный институт компьютерных технологий

394026, Воронеж, ул. Солнечная, 29 б