Spice2.pdf
(
289 KB
)
Pobierz
37675696 UNPDF
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.
1
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
21
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.
2
;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.
3
Program PSpice posiada mechanizmy pozwalaj˛ce na modyfikacj˛ parametrów, które
zmieniaj˛ si˛ wraz z wymiarami geometrycznymi przyrz˛du.
4
5
Wi˛cej informacji na temat programu Probe czytelnik znajdzie w dodatkachCiD.
Analiza stałopr˛dowa
23
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:
walbo48
Inne pliki z tego folderu:
User's Guide.pdf
(10481 KB)
symulacja ukladow.pdf
(170 KB)
PSPICEtutorial.pdf
(804 KB)
pspice.pdf
(1 KB)
Spis%20tre%9cci.pdf
(43 KB)
Inne foldery tego chomika:
ksiazki
Schematy spawarek
Amaterske Radio_2009.rar
))) Przyśpiewki weselne
@Excel
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin