Spice2.pdf

2. ANALIZA STAŁOPR ˛ DOWA

W poprzednim rozdziale opisany został format danych wej´ciowych dla programu PSpice.

Struktura obwodu okre´lona jest przez deklaracj˛ podstawowych elementów elektronicznych.

Wymienione zostały ograniczenia, jakie program PSpice narzuca na struktur˛ analizowanego

obwodu. Wyja´niono tak˙e ich przyczyny. Teraz nale˙y przedstawic´mo˙liwo´ci analizy

obwodu jakie oferuje program PSpice.

2.1. Statyczny punkt pracy układu

Wi˛kszo´´ kursów elektrotechniki zaczyna si˛ od metod analizy obwodu pr˛du stałego.

Jest to problem obliczenia statycznego punktu pracy układu. W przypadku, gdy wszystkie

elementy obwodu s˛ liniowe problem ten ma zawsze rozwi˛zanie analityczne 1 .Je´li jednak

w obwodzie pojawia˛si˛ elementy o nieliniowej charakterystyce problem ten staje si˛ z reguły

bardzo skomplikowany. Zdarza si˛, ˙e stosowane do oblicze ´ metody numeryczne zawodz˛.

Dotyczy to tak˙e programu PSpice mimo, ˙e algorytmy zastosowane przez autorów programu

uwa˙ane s˛ za bardzo dobre [31].

W poprzednim rozdziale stwierdzono, ˙e je˙eli zbiór danych wej´ciowych dla programu

PSpice zawiera tylko opis struktury obwodu to automatycznie znaleziony zostanie statyczny

punkt pracy układu. Wyniki analizy umieszczone zostan˛ w zbiorze danych wyj´ciowych.

Czasami zdarza si˛ jednak, ˙e konieczne jest bezpo´rednie polecenie wykonania tej analizy.

Słu˙y do tego instrukcja .OP (ang. o p erating p o int — punkt pracy):

.OP

Statyczny punkt pracy obliczany jest przy zało˙eniu, ˙e ka˙da cewka stanowi zwarcie

natomiast ka˙dy kondensator stanowi rozwarcie. Instrukcja .OP nie musi by´ stosowana

(statyczny punkt pracy obliczany jest automatycznie) w nast˛puj˛cych przypadkach:

Przed instrukcj˛ słu˙˛c˛ do obliczania stanu nieustalonego.

Przed instrukcj˛ słu˙˛c˛ do obliczania małosygnałowych transmitancji stałopr˛dowych.

Z wyj˛tkiem obwodów patologicznych takich jak np. równolegle poł˛czone dwie idealne

siły pr˛domotoryczne, ka˙da o innej warto´ci.

2 0

Analiza stałopr˛dowa

Przed instrukcj˛ słu˙˛c˛ do uruchomienia małosygnałowej analizy zmiennopr˛dowej.

2.2. Charakterystyki statyczne

Program PSpice pozwala na wykonanie ci˛gu analiz polegaj˛cych na znajdowaniu

statycznego punktu pracy układu przy zmieniaj˛cych si˛ parametrach obwodu. Słu˙y do tego

instrukcja .DC (ang. d irect c urrent — pr˛d stały). Jej format jest nast˛puj˛cy:

.DC [LIN] _par _start _stop _krok [_par2 _start2 _stop2 _krok2]

.DC [OCT][DEC] _par _start _stop _li [_par _start2 _stop2 _li2]

.DC _par <_lista> [_par2 <_lista2>]

Przykłady:

.DC VIN -0.25 0.25 0.05

.DC LIN 12 I2 5mA -2mA 0.1mA

.DC VCE 0V 10V .5V IB 0mA 1mA 50UA

.DC RES RMOD(R) 0.9K 1.1K 1

.DC DEC NPN QFAST(IS) 1E-18 1E-14 5

.DC TEMP LIST 0 20 27 50 80 100 -20

Podczas analizy zmieniana jest warto´´ parametru o nazwie _par . Pole _par mo˙e

zawiera´:

Nazw˛ niezale˙nego ´ródła napi˛cia lub pr˛du. Zmieniana jest wówczas wydajno´´

´ródła.

Nazw˛ modelu poprzedzon˛ typem modelu. Zmieniana jest warto´´ parametru modelu

podanego w nawiasie, tu˙ za nazw˛ modelu (bez spacji) — patrz przykład czwarty i

pi˛ty powy˙ej.

Słowo kluczowe TEMP . Zmieniana jest wówczas temperatura analizowanego układu.

Zmiany wymienionych wielko´ci mog˛ zachodzi´ liniowo, logarytmicznie lub wg listy

warto´ci. Dozwolone s˛ nast˛puj˛ce typy zmian:

LIN Warto´´ parametru zmienia si˛ od warto´ci _start do warto´ci _stop liniowo z

krokiem _krok .Słowo kluczowe LIN mo˙e zosta´ pomini˛te.

OCT Warto´´ parametru zmienia si˛ logarytmicznie co oktaw˛ od warto´ci _start do

warto´ci _stop , przy czym liczba punktówwka˙dej oktawie wynosi _li .

DEC Warto´´ parametru zmienia si˛ logarytmicznie co dekad˛ od warto´ci _start do

warto´ci _stop , przy czym liczba punktówwka˙dej dekadzie wynosi _li .

LIST Warto´´ parametru zmienia si˛ wg listy. Brak jest warto´ci pocz˛tkowej i

ko´cowej natomiast liczby, które nast˛puj˛ po słowie kluczowym LIST (pole

<_lista> ), stanowi˛ kolejne warto´ci parametru.

W polu _par2 mo˙na poda´ drugi parametr, który b˛dzie zmieniany podczas analizy. W

tym wypadku dla ka˙dej warto´ci drugiego parametru _par2 wykonany zostanie ci˛g analiz,

wktórym warto´´ pierwszego parametru _par zmienia si˛ wpełnym zakresie.

Analiza stałopr ˛dowa

Przykład:

Instrukcja .DC posłu˙y´ mo˙e dla obliczenia charakterystyki statycznej tranzystora

MOS.Dla tego typu elementu istnieje w programie PSpice wbudowany model matematyczny.

W celu wykonania oblicze ´ tworzymy zbiór wej´ciowy pokazany poni˙ej.

CHARAKTERYSTYKA TRANZYSTORA MOS

VDS 3 0

;´ródło napi˛cia zasilaj˛ce dren

VGS 2 0

;´ródło napi˛cia zasilaj˛ce bramk˛

11200MODEL_MOS

;deklaracja tranzystora MOS w strukturze obwodu

*|||||

*||||nazwa modelu tranzystora

*|||podło˙e

*||´ródło

* | bramka

* dren

*deklaracja modelu matematycznego tranzystora MOS

.MODEL MODEL_MOS NMOS VTO=-2V NSUB=1.0E15 UO=550 L=4U W=6U

* | | | | |

* napi˛cie progowe | | | |

* domieszkowanie podło˙a | | |

* ruchliwo´´ no´ników | |

* długo´´ i szeroko´´ kanału

VIDS 3 1 ;´ródło słu˙˛ce do pomiaru pr˛du drenu

.DCVDS0100.1VGS051 ;instrukcja analizy stałopr˛dowej

.PROBE I(VIDS)

.END

;na wy. graficzne przekazane zostan˛ warto´ci pr˛du ´ródła VIDS

Powy˙sze dane stanowi˛ opis obwodu przed-

stawionego na Rys. 8. W czwartej linii znajduje

si˛ deklaracja tranzystora MOS. Nazwa tranzys-

tora MOS zaczyna si˛ zawsze od litery „M”.

Dalej podane s˛ numery w˛złów,wktóre wpi˛te

s˛ dren, bramka, ´ródło i podło˙e tranzystora. Na

ko ´cu linii deklaracji znajduje si˛ nazwa modelu

tranzystora. W naszym przypadku jest to MO-

DEL_MOS. Model ten zadeklarowany jest ni˙ej

za pomoc˛ deklaracji .MODEL słu˙˛cej do dekla-

rowania modeli przyrz˛dów. W deklaracji tej

wymieniona jest nazwa modelu i jego typ. W naszym przypadku typ modelu to NMOS, co

oznacza model tranzystora MOS z kanałem typu N. W linii deklaracji modelu podaje si˛

warto´ci parametrów modelu 2 . W danych do przykładu podane zostały tylko niektóre z nich:

VTO napi˛cie progowe; wymiar [V].

NSUB koncentracja atomów domieszek w podło˙u; wymiar [cm -3 ].

UO ruchliwo´´ no´nikówtu˙ przy powierzchni półprzewodnika; wymiar [cm 2 /(V s)].

Ldługo´´ kanału tranzystora; wymiar [m].

Rys.8. Obwódsłu˙˛cy do obliczenia

charakterystyki statycznej tranzystora

MOS.

Model matematyczny tranzystora MOS wbudowany w program PSpice, znale´´ mo˙na

w rozdziale 6.

;koniec danych wej´ciowych

2 2

Analiza stałopr ˛dowa

W szeroko´´ kanału tranzystora; wymiar [m].

Wj˛zyku symulacyjnym programu PSpice celowo rozdzielono deklaracj˛ elementu

półprzewodnikowego w strukturze obwodu i deklaracj˛ modelu elementu półprzewodnikowe-

go. Podczas wytwarzania układów scalonych 3 elementy tego samego typu np. tranzystory

MOS powstaj˛ w jednym procesie technologicznym. Posiadaj˛ zatem te same parametry

elektryczne 4 .Cowi˛cej, zmiany parametrów wraz z temperatur˛ czy te˙ w wyniku bł˛dów

powstałych w procesie technologicznym s˛ silnie skorelowane. Celowe jest zatem opisywanie

wszystkich przyrz˛dów tego samego typu tym samym modelem matematycznym. Po

deklaracji tranzystora MOS nast˛puje deklaracja SEM o nazwie VIDS i warto´ci równej zero.

Słu˙y ona do pomiaru pr˛du płyn˛cego przez dren tranzystora. Mo˙na w tym celu u˙y´ siły

elektromotorycznej VDS pami˛taj˛c, ˙epłyn˛cy przez ni˛ pr˛d ma warto´´ ujemn˛. Nast˛pna

linia zawiera instrukcj˛ obliczania charakterystyk statycznych (.DC). Dla ka˙dej warto´ci

napi˛cia mi˛dzy bramk˛ a´ródłem VGS, zmieniaj˛cej si˛ od warto´ci 0[V] do warto´ci 5[V]

co 1[V], obliczany jest pr˛d drenu w funkcji zmian napi˛cia dren–´ródło VDS. Napi˛cie VDS

zmienia si˛ przy tym od 0[V] do 10[V] z krokiem 100[mV]. Za pomoc˛ instrukcji .PROBE

wyniki oblicze ´ przekazywane s˛ do specjalnego programu graficznego o nazwie Probe 5 .

Program ten jest rozprowadzany przez firm˛ MicroSim wraz z programem PSpice. Probe

słu˙y do graficznej ilustracji wyników oblicze ´ przeprowadzonych za pomoc˛ programu

PSpice. Parametrami instrukcji .PROBE s˛ wielko´ci, które u˙ytkownik chce otrzyma´ w

postaci wykresu. W naszym przypadku jest to pr˛d drenu tranzystora czyli pr˛dpłyn˛cy przez

´ródło napi˛cia o nazwie VIDS. Pr˛d ten oznaczany jest jako I(VIDS). Dane ko ´cz˛ si˛

instrukcj˛ .END (ang. end — koniec) — koniec danych wej´ciowych.

Wyniki oblicze´ wykonanych przez program PSpice przedstawione s˛ na Rys. 9. Jest to

rodzina krzywych przedstawiaj˛ca zale˙no´´ pr˛du drenu od napi˛cia dren–´ródło VDS dla

tranzystora MOS. Parametrem rodziny jest napi˛cie bramka–´ródło VGS. Przedstawiony

wykres uzyskany został za pomoc˛ programu Probe. Rys. 9 jest bardzo zbli˙ony do tego co

wy´wietlane jest na ekranie monitora komputerowego.

2.3. Zbie˙no´´ oblicze ´

Tak jak ju˙ stwierdzono problem znalezienia statycznego punktu pracy nieliniowego

SPICE2 - pierwowzór programu PSpice przeznaczony był głównie do analizy układów

scalonych.

Program PSpice posiada mechanizmy pozwalaj˛ce na modyfikacj˛ parametrów, które

zmieniaj˛ si˛ wraz z wymiarami geometrycznymi przyrz˛du.

Wi˛cej informacji na temat programu Probe czytelnik znajdzie w dodatkachCiD.

Analiza stałopr˛dowa

Rys.9. Zale˙no´´ pr˛du drenu od napi˛cia dren-´ródło w tranzystorze MOS. Parametrem

rodziny krzywych jest napi˛cie bramka-´ródło.

układu elektronicznego jest zwykle trudnym problemem numerycznym. Zda˙asi˛,˙e

obliczenia wykonywane przez program PSpice według algorytmu Newton–a Raphson–a

[5],[28],[30] s˛ niezbie˙ne. Dzieje si˛ tak, wtedy gdy pocz˛tkowe warto´ci uogólnionych

potencjałóww˛złowych opisuj˛cych układ s˛ zbyt dalekie od wła´ciwego rozwi˛zania [5].

Przykład:

Dany jest układ bramki TTL (negator) przedstawiony na Rys. 10. Wej´cie bramki stero-

wane jest przez ´ródło V2 o warto´ci 1.58[V]. Nale˙y obliczy´ wszystkie potencjaływ˛złowe

w tym układzie.

Dane dla programu PSpice przedstawione s˛ poni˙ej. Zwró´my uwag˛,˙e:

Linia deklaracji tranzystora bipolarnego zaczyna si˛ od jego nazwy. Nazwa tranzystora

zaczyna si˛ na litere˛„Q”. Dalej podane s˛ numery w˛złów, do których doł˛czone s˛

odpowiednio: kolektor, baza i emiter tranzystora. Na ko´cu linii znajduje si˛ nazwa

modelu tranzystora.

Model tranzystora bipolarnego zdefiniowany jest za pomoc˛ poznanej ju˙ wcze´niej

deklaracji .MODEL. Nazwa modelu to TR natomiast typ NPN. Oznacza to tranzystor

bipolarny typu n–p–n. W linii deklaracji tranzystora wyszczególnione s˛ parametry

modelu. W naszym wypadku jedynym parametrem, którego warto´´ zadeklarowano

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: