Основные сведения о программе 4 страница

.model Q1 NPN (BF=50 ...) В результате подстановки в оператор .MODEL определения

define BF 111 он приобретет неожиданный совершенно ошибочный вид:

.model Q1 NPN (111=50 ...)

Поэтому применение определений .DEFINE в директиве .MODEL недопустимо! В этих целях можно использовать идентификатор промежуточной переменной. В рассматриваемом примере это может быть:

.define VALUE 111

.model Q1 NPN (BF= VALUE ...)

Тогда после подстановки оператор .MODEL приобретет правильный вид:

.model Q1 NPN(BF=111 ...)

11. Помните, что выражения в операторах определения переменных .DEFINE понимаются буквально. Пусть, например, имеются два определения

.define A 4+C

.define В А*Х

Следует иметь в виду, что выражение 4+С не подразумевается заключенным в скобки (4+С). Поэтому величина В равна 4+С*Х. Если же величина В должна быть равной (4+С)*Х, скобки нужно проставить в определении величины А:

.define А (4+С)

2.1.4. Текстовые директивы

Директивы программы МС7 представляют собой текстовые выражения, начинающиеся с точки ".". При графическом вводе схем они помещаются в окне текста или непосредственно в окне схем, при текстовом вводе в формате SPICE — в текстовом файле [1]. В связи с этим МС7 имеет два набора директив: один для графического ввода схем, второй для текстовых файлов в формате SPICE. Поскольку предлагаемый курс в основном предполагает графический ввод схем и их последующий анализ, то приведем ниже только перечень директив МС7 для схемного ввода.

Все директивы SPICE и большинство директив, помещаемых на схемах, совпадают с директивами известной программы PSpice [4], исключение составляют лишь директивы .DEFINE, .MACRO и .PARAMETERS. Приведем описания наиболее употребительных директив в алфавитном порядке с указанием областей их применения.

.DEFINE — присвоение значений идентификаторам переменных

Формат (только для ввода схем): .DEFINE <текст1> <текст2>

Выполняется замена простой текстовой переменной <текст1> сложной текстовой переменной <текст2>. Приведем примеры:

.DEFINE R1 TEMP*.1*EXP(-T/tau) — текстовая переменная R1 (обозначающая сопротивление резистора) заменяется выражением для ее вычисления TEMP*.1*EXP(-T/tau); обратим внимание, что таким образом можно задать зависимость любого параметра схемы от времени, частоты и т. п., что реализуется в программе PSpice гораздо сложнее;

.DEFINE Q1 КТ312А — позиционное обозначение транзистора Q1 при моделировании заменяется типом транзистора КТ312А.

.DEFINE SQUAREWAVE

+ Ons 0

+ LABEL=START

+ +10ns 1

+ +10ns 0

+ +10ns GOTO START 10 TIMES — если при описании атрибутов цифрового сигнала STIM использовать переменную SQUAREWAVE, в дальнейшем при моделировании она будет заменена текстовым описанием периодического сигнала.

.INCLUDE — включение текстового файла

Формат (для файлов SPICE или ввода схем): .INCLUDE] <"имя_файла">

Копирование директив, помещенных в текстовом файле, в текущую схему перед выполнением моделирования. Имя файла может включать имя диска и полный путь к нему. Заключать имя файла в кавычки не обязательно. В основном используется для подключения файлов библиотек математических моделей небольшого размера. В связи с тем, что текстовые файлы включаются в описание схемы целиком, для подключения больших библиотек целесообразнее использовать директиву .LIB, подключающую только описания тех моделей, на которые в схеме есть ссылки.

Пример: .INCLUDE D:\MC7\exdef.txt

.LIB — подключение файлов библиотек компонентов

Формат (для файлов SPICE или ввода схем): .LIB ["имя файла библиотеки"]

В текстовом файле библиотеки с указанным именем содержится описание встроенных моделей одного или нескольких компонентов (параметры каждого компонента вводятся по директивам .MACRO, .MODEL или .SUBCKT/.ENDS — для подсхемы на языке SPICE). В этом же файле могут быть помещены комментарии и обращения к другим директивам .LIB. Применение директивы .LIB служит альтернативой и одновременно дополнением размещению описаний моделей непосредственно в окне текста схемы или в файле SPICE. Имя файла может включать имя диска и полный путь к нему. Заключать имя файла в кавычки не обязательно. Расширение имени файлам библиотек по умолчанию не назначаются. Поэтому расширение имени, например .LIB, должно быть указано в явном виде. В этом файле могут быть использованы только директивы .MACRO, .MODEL, .SUBCKT, .ENDS или .LIB. Другие директивы не допускаются. Строки, начинающиеся с символа «*», игнорируются целиком. Игнорируются также фрагменты строк после символа «;».

При указании в задании на моделирование имени какого-либо конкретного компонента, модель которого содержится в библиотечном файле, в ОЗУ загружается не весь файл, а только его часть, относящаяся к данному компоненту.

Если имя файла не указано, то по умолчанию загружается файл NOM.LIB. Но в связи с тем, что этот файл просматривается всегда, то ввод директивы .LIB без указания имени файла имеет смысл применять для изменения порядка просмотра файлов библиотек (см. ниже). Наиболее часто ее применяют для указания имен файлов библиотек, отсутствующих в NOM.LIB или имеющих другой вариант модели какого-нибудь компонента.

Приведем примеры:

.LIB "KT315A.mod" - подключение файла описания модели транзистора КТ315А, находящегося в подкаталоге \MC7\DATA;

.LIB "D:\MC7\DATA\RUS\d.lib" — подключение библиотеки диодов, находящейся на диске D в подкаталоге \MC7\DATA\RUS.

В каталоге MC7\DATA\ должен находиться файл NOM.LIB, в котором перечислены директивы подключения всех используемых библиотек. Приведем пример этого файла, поставляемого вместе с МС7 и дополняемого пользователем:

.lib "utility.lbr" .lib "diode.lbr"

.lib "linear.lib"

.lib "nation.lib"

.lib "analog.lib"

.lib "digio.lib"

.lib "digOOO.lib"

.LIB "D:\MC7\DATA\RUS\qrus.lib"

.LIB "D:\MC7\DATA\ RUS\d.lib"

.LIB "D:\MC7\DATA\ RUS\digit.lib"

В случае, когда одна и та же модель имеет различные описания, находящихся в разных файлах, необходимо учитывать, в каком порядке программа МС7 выполняет поиск моделей:

· в окне текста;

· в файле, имя которого указано в атрибуте FILE (если таковой имеется);

· в файлах, перечисленных в директиве .LIB;

· в файлах, перечисленных в файле NOM.LIB, просматриваемом по умолчанию.

.MACRO — задание определений макросов

Формат (только для ввода схем):

.MACRO <имя макроса> <имя параметра схемы (список значений параметров) >

Подобно директиве .DEFINE определяет имя макроса и набор значений параметров, подставляемых в схему. Используется для более компактной записи параметров моделей на схеме, где вместо длинного определения набора параметров записывается имя макроса.

.MACRO MY_SCR SCR(50m,40m,1u,1,50,50Meg,30u,105,1)

Здесь дано определение макроса MY_SCR, который в описании модели тиристора будет заменен списком параметров SCR(50m,40m,1u,1,50,50l\/Ieg,30u,105,1).

.MODEL — описание модели компонента

Формат (для файлов SPICE или ввода схем):

.MODEL <имя модели> [АКО: имя модели прототипа>] <имя типа модели>

+ ([[<имя параметра>=<значение>] [LОТ=<разброс 1>[%]] [DEV=<разброс 2>[%]]]*

+ [Т_АВ5>=<значение>] или [T_REL__GLOBAL=<значение>] или + [T_REL_LOCAL=< значение>])

Здесь <имя модели> — имя модели компонента схемы, назначаемое пользователем произвольно, например RLOAD, KT315V, D104. После ключевого слова АКО (A Kind Of) помещается ссылка на имя модели прототипа, что позволяет указывать только значения различающихся параметров. Тип компонента определяется <именем типа модели>, как указано в табл. 2.4.

Таблица 2.4. Тип компонентов

В директиве .MODEL в круглых скобках указывается список значений параметров модели компонента (если этот список отсутствует или не полный, то недостающие значения параметров модели назначаются по умолчанию). Приведем примеры этой директивы:

.MODEL RLOAD RES (R=1.5 TC1=0.2 TC2=.005)

.MODEL D104D(IS=1E-10)

.MODEL KT315V NPN (IS=1E-11 BF=50 DEV=5% LOT=20%)

.MODEL CK CAP (C=1 DEV=0.1)

.MODEL KT315G AKO:KT315A NPN (BF=130)

.MODEL M1 NMOS (Level=3 VTO=2.5 LOT=30% DEV=1%)

Каждый параметр может принимать случайные значения относительно своего номинального значения, задаваемых с помощью ключевых слов:

DEV — ключевое слово параметров, принимающих независимые случайные значения;

LOT — ключевое слово параметров, принимающих коррелированные случайные значения.

После этих ключевых слов указывается значение разброса случайного параметра в абсолютных единицах или в процентах. Тип закона распределения случайных параметров — равномерный или нормальный — указывается при проведении моделирования.

Температура, при которой измерены параметры компонентов, указывается по директиве .OPTIONS TNOM. В ее отсутствие она принимается равной значению параметра TNOM, устанавливаемому в окне Global Settings (по умолчанию 27° С). Анализ выполняется при температуре, называемой глобальной и устанавливаемой по директиве TEMP (в ее отсутствие она равна значению параметра TNOM.

.NODESET — задание начального приближения режима по постоянному току

Формат (для файлов SPICE или ввода схем):

.NODESET <V(аналоговый узел)=значение_ЭДС>*

+ <D(цифровой узел)=логическое_значение>*

По директиве .NODESET установка приближенных начальных значений узловых потенциалов аналоговых узлов и логических состояний цифровых узлов для расчета режима схемы по постоянному току. В отличие от директивы .IC состояния этих узлов фиксируются только во время вычислений одной итерации расчета режима по постоянному току. Это необходимо при расчете устройств с несколькими устойчивыми состояниями (например, триггеров) и полезно для улучшения сходимости при анализе режима по постоянному току сложных схем. Если имеются обе директивы .NODESET и .IC, то директива .NODESET игнорируется.

Примеры:

.NODESET V(12)=3.1 V(34)=1.7V .NODESET V(7)=5 D(H1)=1

.PARAMETERS — задание параметров схем

Формат (для ввода схем):

.PARAMETERS(<имя параметра 1>[,<имя параметра>]*)

Задание параметров и констант, передаваемых в макромодель. Эта директива помещается на схеме макромодели в виде текста и определяет значения параметров, которые должны передаваться из основной схемы. В основной схеме все упоминаемые в этой директиве параметры должны быть определены с помощью директивы .DEFINE.

Примеры:

.parameters(GBW,Slew,ISC)

.PARAMETERS(Gain)

3. Модели аналоговых компонентов

3.1. Общие сведения о моделях компонентов

Все компоненты (аналоговые и цифровые), из которых составляется электрическая принципиальная схема, имеют математические модели двух типов:

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

2. 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 из них 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 МС7 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 параметров моделей компонентов задаются в виде их атрибутов и указываются 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 МС7 модели всех полупроводниковых приборов, операционных усилителей, магнитных сердечников, линий передачи и компонентов цифровых устройств имеют формат SPICE. Ниже приведем их краткое описание (при необходимости см. [4]), а модели компонентов в формате схем МС7 опишем более подробно.

3.2. Пассивные компоненты (Passive components)

В меню компонентов в раздел пассивные компоненты (Passive components) включены резисторы, конденсаторы, индуктивности, линии передачи, высокочастотные трансформаторы, взаимные индуктивности, диоды и стабилитроны.

Обратим внимание, что значения сопротивлений, емкостей и индуктивностей могут быть числом или выражением, зависящим от времени, узловых потенциалов, разности узловых потенциалов или токов ветвей, температуры и других параметров (причем непосредственная зависимость параметров от времени в программе PSpice не предусмотрена, здесь Micro-Cap явно лидирует).

3.2.1. Резистор (Resistor)

Формат схем МIСROCAP-7:

Атрибут PART: <имя> ;позиционное обозначение

Атрибут VALUE: <значение> [ТС=<ТС1>[,<ТС2>]] ;величина сопротивления

Атрибут MODEL: [имя модели]

Атрибут FREQ: [<выражение>] — например 10*f*v(10), при этом значение атрибута FREQ заменяет значение атрибута VALUE при расчете режима по постоянному току и проведении АС-анализа (здесь f — частота), при расчете переходных процессов сопротивление резистора равно значению атрибута VALUE;

SLIDER_MIN — минимальное относительное значение сопротивления, изменяемого в режиме Dynamic DC с помощью движкового регулятора;

SLIDER_MAX — максимальное относительное значение сопротивления, изменяемого в режиме Dynamic DC с помощью движкового регулятора;

Сопротивление резистора, определяемое параметром <значение>, может быть числом или выражением, включающим в себя изменяющиеся во времени переменные, например 100+V(10)*2. Эти выражения можно использовать только при анализе переходных процессов. В режиме АС эти выражения вычисляются для значений переменных в режиме по постоянному току.

Рис. 3.1. Окно задания параметров резистора

Параметры, описывающие модель резистора в MICROCAP-7, приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Параметры модели резистора

Если в описании резистора <имя модели> опущено, то его сопротивление равно параметру <сопротивление> в Омах. Если <имя модели> указано и в директиве .MODEL отсутствует параметр ТСЕ, то температурный фактор равен

TF = 1 + ТС1×(Т – TNOM)+TC2×(T – TNOM)²;

если параметр ТСЕ указан, то температурный фактор равен

TF =1,01^TCE(T-TNOM) .

Здесь Т — текущее значение температуры (указывается по директиве .TEMP); TNOM = 27 °С — номинальная температура (указывается в окне Global Settings).

Параметр <значение> может быть как положительным, так и отрицательным, но не равным нулю. Сопротивление резистора определяется выражением:

<значение>*R*ТF*МF,

где МF=1±<разброс в процентах, DEV или LOT>/100.

Спектральная плотность теплового тока резистора рассчитывается по формуле Найквиста:

S_i(f)=4kT/<сопротивление>*NM.

Для резисторов с отрицательным сопротивлением в этой формуле берется абсолютное значение сопротивления.

3.2.2. Конденсатор (Capacitor)

Формат схем МIСROCAP:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: <значение> [IC=< начальное значение напряжения>]

Атрибут MODEL: [имя модели]

Атрибут FREQ: [<выражение>] — например 10*SQRT(f), при этом значение атрибута FREQ заменяет значение атрибута VALUE при проведении АС-анализа (здесь f — частота), при расчете переходных процессов емкость конденсатора равна значению атрибута VALUE.

Емкость конденсатора, определяемая параметром <значение>, может быть числом или выражением, включающее в себя изменяющиеся во времени переменные, например 100+V(10)*0.002*TIME. Эти выражения можно использовать только при анализе переходных процессов. В режиме АС это выражение вычисляется для значений переменных в режиме по постоянному току.

Рис. 3.2. Окно задания параметров конденсатора

Параметры модели конденсатора приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Параметры модели конденсатора

Если в описании конденсатора <имя модели> опущено, то его емкость равна параметру <значение> в фарадах, в противном случае она определяется выражением

<значение>×С×(1 +VC×V+VC2×V²)[1 +TC1×(T-TNOM)+TC2×(T-TNOM)²].

Здесь V — напряжение на конденсаторе при расчете переходных процессов. При расчете частотных характеристик (режим АС) емкость считается постоянной величиной, определяемой в рабочей точке по постоянному току.

3.2.3. Индуктивность (Inductor)

Формат схем МIСROCAP-7:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: <значение> [IС=<начальный ток>]

Атрибут MODEL: [имя модели]

Атрибут FREQ: [<выражение>] — например 10u*(F/100), при этом значение атрибута FREQ заменяет значение атрибута VALUE при проведении АС-анализа (здесь F — частота), при расчете переходных процессов индуктивность равна значению атрибута VALUE.

Индуктивность, определяемая параметром <значение>, может быть числом или выражением, включающее в себя изменяющиеся во времени переменные, например 100+I(L2)*2. Эти выражения можно использовать только при анализе переходных процессов. В режиме АС эти выражения вычисляется для значений переменных в режиме по постоянному току.

Параметры модели индуктивности приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3 Параметры модели индуктивности

Рис. 3.3. Окно задания параметров катушки индуктивности

Если в описании опущено <имя модели>, то индуктивность равна параметру <значение> в Генри, в противном случае она определяется выражением

<значение>L(1 +IL1*I+IL2*I²)[1+TC1(T–TNOM)+TC2(T-TNOM)²].

Здесь I — ток через катушку индуктивности при расчете переходных процессов. При расчете частотных характеристик (режим АС) индуктивность считается постоянной величиной, определяемой в рабочей точке по постоянному току.

3.2.4. Взаимная индуктивность и магнитный сердечник (К)

Формат схем МС:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут INDUCTORS: <имя индуктивности>

Атрибут COUPLING: коэффициент связи>

Атрибут MODEL: [имя модели]

Порядок перечисления имен индуктивностей Lyyy, Lzzz ... безразличен, знак взаимной индуктивности определяется положительными направлениями токов индуктивностей относительно начал обмоток. Параметром взаимной индуктивности является коэффициент связи.

На одном сердечнике помещается одна или несколько обмоток с именами Lyyy, Lzzz... Все обмотки имеют одинаковый <коэффициент связи>. Здесь возможны 2 варианта: а) магнитосвязанными могут быть линейные индуктивности (без сердечника); нелинейные индуктивности с нелинейным магнитным сердечником, определяемым параметрами модели CORE.