48288

Компьютерный анализ и синтез электронных устройств

Конспект

Информатика, кибернетика и программирование

Рассмотрена методика моделирования электронных устройств при помощи программ схемотехнического анализа и особенности использования для этой цели пакетов MicroCPVII VIII. В нем приведены также примеры моделирования электронных устройств различного класса включая и цифровые схемы. Схемотехническое моделирование с помощью MicroCP 7. Система моделирования MicroCp 6.

Русский

2013-12-08

2.33 MB

33 чел.

     Sunday November 24, 20132005-03-19T18:41:00Z       стр. 52 из 52

Федеральное агентство по образованию

ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

в г. Смоленске

Кафедра

Промышленная электроника

М.А. Амелина

e-mail: aml13@yandex.ru

Конспект лекций

по курсу

Компьютерный анализ и синтез                                    электронных устройств (часть 1)

Смоленск          2005


Содержание

Методическое пособие содержит краткое описание пакета программ схемотехнического анализа MicroCAP-VII (VIII). Рассмотрена методика моделирования электронных устройств при помощи программ схемотехнического анализа и особенности использования для этой цели пакетов MicroCAP-VII (VIII). Пособие сопровождается большим количеством примеров, иллюстрирующих способы задания различных компонентов электронных схем. В нем приведены также примеры моделирования электронных устройств различного класса (включая и цифровые схемы). Дается описание параметров встроенных моделей компонентов.

Пособие предназначено для студентов специальности «Промышленная электроника», изучающих дисциплину «Компьютерный анализ и синтез электронных устройств». Кроме того, оно может быть полезно студентам этой и других специальностей в ходе выполнения выпускных и дипломных работ, а также инженерам и научным работникам, занимающимся разработкой и эксплуатацией электронных устройств.

©   Смоленский  филиал   МЭИ,    2005  г.


Пакет программ схемотехнического анализа MicroCAP-7

Литература

  1.  Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-CAP 7. — Горячая линия-Телеком, 368 с. 621.38 Р-17 /2003 – 9 аб, 2 чз
  2.  Разевиг В.Д. Система моделирования Micro-Cap 6. – М.: Горячая линия-Телеком, 2001. — 344 с., ил.
  3.  Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. – Москва, «Солон», 1997. – 273 с. 621.3 Р17 /1997 – 1 аб, 3 чз
  4.  Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0. – Москва, «Солон», 1999. 004 Р-17 /2003 – 1 аб/ 2000 – 11 аб, 5 чз
  5.  Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение.— Москва: Солон-Р, 2001. –  726 с. 004 K23/ 10 аб, 5 чз.
  6.  Micro-Cap 7.0 Electronic Circuit Analysis Program Reference Manual Copyright 1982-2001 by Spectrum Software 1021 South Wolfe Road Sunnyvale, CA 94086
  7.  Основные сведения о программе
    1.  Введение

MicroCAP-7 — это универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенный для 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, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной студенческой аудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК (процессор не ниже Pentium II, ОС Windows 95/98/ME или Windows NT 4/2000/XP, память не менее 64 Мб, монитор не хуже SVGA), его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые устройства. Возможно также и смешанное моделирования аналого-цифровых электронных устройств, реализуемое в полной мере опытным пользователем пакета, способным в нестандартной ситуации создавать собственные макромодели, облегчающие имитационное моделирование без потери существенной информации о поведении системы.

От младших представителей своего семейства MicroCAP-7 отличается более совершенными моделями электронных компонентов разных уровней (LEVEL) сложности, а также наличием модели магнитного сердечника. Это приближает его по возможностям схемотехнического моделирования к интегрированным пакетам DESIGNLAB, ORCAD, PCAD2002 — профессиональным средствам анализа и проектирования электронных устройств, требующим больших компьютерных ресурсов и достаточно сложных в использовании.

Перечисленные достоинства делают пакет программ MicroCAP-7 весьма привлекательным для моделирования электронных устройств средней степени сложности. Удобство в работе, нетребовательность к ресурсам компьютера и способность анализировать электронные устройства с достаточно большим количеством компонентов позволяют успешно использовать этот пакет в учебном процессе. Настоящее пособие не претендует на полное руководство по работе с MicroCAP-7. Здесь рассмотрены лишь основные сведения, необходимые для начала работы с пакетом и анализа большинства электронных схем, изучаемых в специальных дисциплинах и используемых при курсовом и дипломном проектировании. В случае необходимости дополнительные (и более подробные) сведения могут быть получены из встроенной подсказки системы (вызывается клавишей <F1> или через меню HELP/Contens) и  из [1–3].

  1.  Установка системы

Автором изменены изображения часто используемых компонентов электронных схем (например, резисторов, индуктивностей…) в соответствии с российскими стандартами. Поэтому для того, чтобы создаваемая электронная схема имела привычный и близкий к отечественному стандарту вид, необходимо придерживаться следующего порядка установки.

Запустить Setup.exe из каталога SPECTRUM MICROCAP V7.08\Spectrum Micro-Cap V7.08\;

В процессе установки указать необходимый путь для размещения пакета;

В тот же каталог скопировать содержимое каталога «Сверху в MC7\» с заменой существующих файлов;

Снять атрибут «только для чтения» со всего каталога (включая вложенные папки), в котором установился исполняемый модуль MC7.exe;

После установки запустить MC7crack.exe из каталога SPECTRUM MICROCAP V7.08\CRACK и после запуска указать путь для распаковки — каталог, в котором установился исполняемый модуль MC7.exe;

Запустить MC7.exe (MC72.exe — русифицированную версию), зайти в подменю File/Path (Файлы/Пути) и установить пути:

а) для цепей (Data) — пусто (В этом случае анализируемые схемы будут загружаться из последнего открытого командой FILE/Open каталога). Целесообразно каждому пользователю создать свой подкаталог внутри подкаталога поставляемых схем …MC7\DATA во избежания долгого перелистывания большого списка файлов.

б) для библиотек (Model Library) — ...\LIBRARY  в) для данных (Picture) — ...\DATA

  1.  Каталог Примеры содержит примеры, рассмотренные далее в конспекте лекций.

После такой установки изображения основных электронных компонентов будут соответствовать российским стандартам.

  1.  Состав программного пакета MC7

Система Micro-Cap 7 состоит из двух программ:

MC7.exe  — основная программа;

MODEL.exe  — программа расчета параметров математических моделей компонентов по паспортным данным.

После установки дистрибутива Micro-Cap 7 (в дальнейшем МС7) программа располагаются в трех каталогах, в которых размещаются следующие файлы.

  1.  Корневой каталог МС7:

DEMO.MC7 — файл, в котором записаны демонстрационные примеры, помогающие начинающему пользователю освоить работу в среде программы. Они вызываются через меню HELP (3-я нижняя группа подменю с именами демонстрационных файлов). Для правильной работы Demo-примеров в подменю FILE/Path для файлов схем DATA должен быть установлен путь …\MC7\DATA. Остановить работу demo-примера (для чтения поясняющих сообщений на английском языке можно с помощью нажатия клавиши <PAUSE>), возобновить воспроизведение — с помощью нажатия любой клавиши (удобно использовать повторное нажатие <PAUSE>). Рассмотрев подробно работу demo-примеров в замедленном режиме (используя клавишу <PAUSE>), начинающий пользователь (предполагается лишь наличие у него знаний по основам электроники) может освоить все особенности работы с системой.

FILTER.BIN — бинарный файл, необходимый для синтеза фильтров.

IMPORT.CMP — расширенная библиотека компонентов, здесь хранится и информация о компонентах, созданных пользователем в процессе работы с пакетом.

IMPORT.SHP — расширенная библиотека условных графических обозначений (УГО) символов компонентов, здесь хранится и информация об УГО компонентов, созданных пользователем в процессе работы с пакетом;

МС7.ЕХЕ — программа МС7, исполняемый модуль;

MC7.HLP — встроенная помощь для программы МС7;

MCAP.DAT —- файл конфигурации программы МС7. Создается автоматически после первого запуска программы, в частности, в нем указываются полные имена подкаталогов, аналогичных подкаталогам \DATA и \LIBRARY, установленных с помощью подменю FILE/Path);

MODEL.DAT — файл конфигурации программы MODEL;

MODEL.EXE — программа MODEL, исполняемый модуль;

MODEL.HLP — встроенная помощь для программы MODEL;

STANDARD.CMP — простейшая библиотека компонентов;

STANDARD.PKG — простейшая библиотека упаковки компонентов (необходима для создания списков соединений схем, передаваемых в программы разработки печатных плат);

STANDARD.SHP — простейшая библиотека условных графических обозначений (УГО) символов компонентов.

  1.  Подкаталоги DATA  и LIBRARY

В подкаталог МС7\DАТА заносятся файлы схем и результатов моделирования. По умолчанию принято следующее соглашение о расширениях имен файлов:

.АМС —- текстовые файлы статистической обработки расчетов частотных характеристик при разбросе параметров по методу Монте-Карло;

.ANO — текстовый файл результатов расчета частотных характеристик, в который занесена информация о параметрах компонентов, режиме по постоянному току и таблице выходных переменных, отмеченных в меню AC Analysis Limits;

.ASA — бинарный файл результатов расчетов частотных характеристик;

.CIR — файлы описания схем в формате Micro-Cap 7. Именно такие файлы создаются пользователем при помощи графического редактора, и загружаются из каталога MC7\DATA для различных видов анализа;

.СКТ — файлы описания схем и заданий на моделирование на языке SPICE;

.DMC — текстовые файлы статистической обработки расчетов передаточных функций по постоянному току при разбросе параметров по методу Монте-Карло;

.DNO — текстовый файл результатов расчета передаточных характеристик, в который занесена информация о параметрах компонентов, режиме по постоянному току и таблице выходных переменных, отмеченных в меню DC Analysis Limits;

.DSA —  бинарный файл результатов расчетов передаточных характеристик;

.ERR — перечень ошибок упаковки компонентов;

.JED — файл программирования логических матриц в формате JEDEC;

.NET — текстовые файлы списков соединений для переноса схем на печатные платы;

.RES — значения сопротивлений резисторов, назначенных при проведении расчетов по методу Монте-Карло с учетом заданной величины разброса tolerance (формируется программой).

.S2P — текстовые файлы S-параметров линейных четырехполюсников;

.SEN — текстовый файл результатов расчета чувствительностей по постоянному току;

.STM — текстовые файлы цифровых сигналов;

.SVV — текстовые файлы значений переменных состояния, создаваемые редактором State Variables Editor;

.ТМС — текстовые файлы статистической обработки расчетов переходных процессов при разбросе параметров по методу Монте-Карло;

.TNO — текстовые файлы результатов расчета переходных процессов, в который занесена информация о параметрах компонентов, режиме по постоянному току и таблице выходных переменных, отмеченных в меню Transient Analysis Limits;

.TSA — бинарные файлы результатов расчетов переходных процессов;

.USR — текстовые файлы дискретных отсчетов выборок сигналов.

В подкаталог MC7\LIBRARY заносятся файлы библиотек математических моделей компонентов. По умолчанию принято следующее соглашение о расширениях имен файлов:

.САР— значения емкостей конденсаторов, назначенных при проведении расчетов по методу Монте-Карло с учетом заданной величины разброса tolerance (формируется программой);

.CIR — макромодели электронных компонентов, оформленные в виде подсхем;

.INC —содержание этого текстового файла включается в задание на моделирование;

.INX — индексный файл библиотек математических моделей компонентов;

.LBR — сокращенные бинарные файлы библиотек математических моделей компонентов, созданных программой MODEL, без сохранения экспериментальных данных; просматриваются и редактируются с помощью программы МС7;

.LIB — текстовые файлы библиотек математических моделей компонентов в формате SPICE; просматриваются и редактируются программой МС7 и любым текстовым редактором;

.MAC — макромодели электронных компонентов, оформленные в виде подсхем (Аналогично .CIR);

.MDL — полные бинарные файлы библиотек математических моделей компонентов, созданных программой MODEL, с сохранением экспериментальных данных;

.MOD — текстовые файлы математических моделей отдельных компонентов в формате SPICE;

.USR — текстовые файлы дискретных отсчетов выборок сигналов.

NOM.LIB — перечень загружаемых библиотек математических моделей компонентов (текстовый файл, по умолчанию создается при инсталляции программы и редактируется пользователем);

NOM_LIB.INX — индексный файл библиотек математических моделей компонентов (создается программой);

Запуск программы MC7.exe производится двойным щелчком мыши по пиктограмме (ярлыку) , программы Model.exe — по ярлыку .

  1.  Работа с меню системы
    1.  Основные способы общения с программой

MicroCAP-7 является программой с многооконным графическим интерфейсом, позволяющим строить и редактировать схемы, модели и изображения компонентов, а также представлять результаты расчетов в удобном графическом виде. Для работы с этой программой необходимо использовать манипулятор «мышь». При помощи мыши можно менять расположение и размер окон, а также выбирать команды меню. Одновременно можно редактировать несколько схемных файлов, размещенных в разных окнах.

В интегрированном пакете MC7 используется  стандартный многооконный интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню.

После запуска программы MC7 экран монитора имеет вид, представленный на рис.1.

Рис. 1.1. Окно программы MC7

Верхняя строка окна (подсвеченная синим) — строка системного меню программы MC7. На ней слева находится кнопка системного меню, дублирующая по начертанию ярлык программы. С ее помощью изменяется и восстанавливается размер окон, они перемещаются, сворачиваются и закрываются. Аналогичные операции можно делать с помощью стандартных в OC WINDOWS кнопок, расположенных справа на строке системного меню. На этой же строке находится заголовок. Если открыто окно схем, то указывается имя файла схемы и каталога, в котором он расположен. Если же открыто окно анализа характеристик Analysis — указывается вид анализа.

Следующая строка (2-ая сверху) — строка меню команд программы. Слева на ней расположена кнопка меню схемы, управляющая размером окна схемы, а справа 3 стандартные в WINDOWS кнопки, выполняющие аналогичное управление. Между этими кнопками располагается ниспадающее меню команд программы MC7. 

Строка инструментов. На этой строке размещены пиктограммы наиболее употребительных команд, все они будут описаны ниже при описании соответствующих пунктов меню.  Пиктограммы команд немедленного действия остаются нажатыми непродолжительное время и затем восстанавливают свое первоначальное положение. Пиктограммы команд, переключающие режимы, остаются в положение "включено" до выполнения следующей команды.

Линейки прокрутки. Две линейки прокрутки позволяют панорамировать окно схем или текста по горизонтали или вертикали.

Закладки переключения окна схем, окна текста. Нажатие на закладки Text, Page 1, Page 2,... выводит в рабочее окно содержание текстового окна, в котором можно размещать описание математических моделей компонентов текущей схемы, директивы и другую текстовую информацию, или содержание окна схем. Переключение между текущим окном схемы и текстовым окном производится также нажатием горячих клавиш Ctrl G.

Новая страница схемы создается по команде всплывающей панели Add+Page, открываемой щелчком правой кнопки мыши, когда курсор находится на строке названий страниц, когда имеется не менее двух страниц схем.

При нажатии правой кнопки мыши в окне схем курсор приобретает форму руки, и его перемещение при нажатой кнопке позволяет перемещать (панорамировать) схему.

При работе с МС7 используется понятие выбора объекта (компонента схемы, его позиционного обозначения, значения параметра, электрической цепи, блока схемы или строки текста). Выбор отдельного объекта выполняется щелчком мыши, выбор блока — заключением его в прямоугольную рамку (для этого нужно щелкнуть кнопкой мыши, поместив курсор в один из углов прямоугольной области и, не отпуская ее, растянуть рамку до необходимых размеров, после чего отпустить кнопку). Выбранный объект изменяет цвет; его можно перетаскивать с помощью мыши и редактировать.

Для ускорения работы с программой используется не только мышь, но и клавиатура. Если команда меню имеет подчеркнутый символ, то эта команда вызывается одновременным нажатием клавиш Alt+подчеркнутый символ. Например, меню Edit открывается нажатием клавиш Alt+E.

Команды ниспадающего подменю, например Select All, вызываются нажатием подчеркнутого символа, в данном примере символа А. Другой способ — нажатием клавиш  выбрать нужную строку и затем нажать Enter.

Многие команды помимо пиктограмм вызываются нажатием горячих клавиш и комбинаций клавиш. Например, команда удаления с копированием в буфер обмена Edit>Cut вызывается нажатием пиктограммы или комбинации клавиш Ctrl+X.

Горячие клавиши будут перечисляться ниже при описании команд меню.

  1.  Основные команды меню

Остановимся подробнее на ниспадающем меню команд программы MC7. Здесь и далее при описании пунктов ниспадающего меню в скобках указывается сочетание «горячих клавиш» и пиктограмма кнопки панели инструментов (3 и 4 строка экрана см. рис.1.1), нажатие которых производит аналогичные действия. Причем ниже дано описание не всех команд, а наиболее употребляемых. Если этого недостаточно см. встроенную подсказку и [1].

   F I L E  :   

New (ctrl  N, ) — создать новый схемный файл (либо в формате MC7 — в виде схемы, либо в виде текстового файла формата SPICE, либо библиотечный).

Open (ctrl  O, ) — открыть для редактирования или анализа схемный файл.

Save (ctrl  S, ) cохранение схемы из активного с именем и путем, указанным в строке заголовка

Save as — сохранение схемы из активного окна в новом файле, имя которого указывается в последующем открывающемся окне

Paths — указание путей расположения данных (DATA), библиотек (Model Library) рисунков (picture)

Translate — преобразование форматов схемных файлов (текстового SPICE в графический Microcap и наоборот, схемного MC7 в схемный более ранних версий MICROCAP и др.)

Load MC File — загрузка файлов результатов расчета по методу Монте-Карло (*.ANO, *.DNO, *.TNO)

Revert ( ) — восстановление содержимого файла текущего окна с диска

Close (ctrl  F4) — завершение работы со схемой, находящейся в активном окне

Print Preview (   )— предварительный просмотр изображения перед печатью

Print (ctrl  P,   ) — вывод на печать изображения в активном окне в соответствии с параметрами, заданными в окне Print Setup

Print Setup — выбор принтера и параметров бумаги

1…8 — полные имена (включая путь) 8 последних открытых схемных файлов

Exit (alt  F4)— завершение работы с программой MC7

    E D I T :

Undo (ctrl   Z,   ) — отмена последней команды редактирования (откат назад)

Redo (ctrl   Y,   ) — повтор последней отмененной команды (откат вперед)

Cut (ctrl  X,   ) — удаление выбранного ( ) объекта и размещение его в буфере обмена

Copy (ctrl  С,   ) — копирование выбранного  объекта в буфер обмена

Paste (ctrl  V,   ) — копирование содержимого буфера обмена в текущее окно в место на которое показывает курсор

Clear (Del,   ) — удаление выбранного объекта без копирования в буфер

Select all (ctrl  A,   ) — выделение всех объектов в текущем окне

Copy to Clipboard — копирование текущего окна в виде различных графических файлов (открываются подменю) в буфер обмена

Add Page (  ) — добавление к схеме новой страницы (большие схемы могут размещаться на нескольких страницах)

Delete Page  (  ) — удаление одной (нескольких) страниц схемы

Refresh Models (    ) — размещение в текстовом окне (Text или Ctrl+G) описаний моделей компонентов, которые еще небыли помещены в него

Box — редактирование объектов, заключенных в прямоугольную рамку (устанавливается мышью в режиме ). Открывающееся подменю или кнопки пиктограмм на панели инструментов — копирование указанного число раз, создание зеркально отраженного фрагмента, вращение против часовой стрелки на 90, зеркальное отражение относительно осей, расположенных посередине блока соответственно

Change — изменение ряда параметров отображения схемы (становится понятным из открывающихся подменю)

Bring to Front  (  ) — перемещает нижний перекрывающийся объект наверх

Send to Back  (  ) — перемещает верхний перекрывающийся объект вниз

Find  (  ) — поиск в текущем окне схем или текста разнообразных объектов, перечисленных в открывающемся диалоге.

   C O M P O N E N T :

Меню COMPONENT содержит каталог библиотек аналоговых и цифровых компонентов. Он имеет систему разворачивающихся иерархических меню, открывающихся при наведении на них курсора мышью. В основном названия компонентов понятны из наименования на английском языке, однако ниже приведен список основных компонентов на русском для лучшей ориентации в программном пакете:

Analog Primitives (рис. 1.2)

Passive Components  — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, длинные линии, диод повернутый на 45, трансформатор, магнитный сердечник, стабилитрон.

Рис. 1.2. Основные компоненты Analog Primitives

Active Devices — npn и pnp биполярные транзисторы, МДП-транзисторы с каналом n - и p типов (NMOS, PMOS), МДП-транзисторы с индуцированным каналом n- и p типов (DNMOS, DPMOS), полевые транзисторы с управляющим p-n переходом с каналом n- и p типов (NJFET, PJFET), операционные усилители (OPAMP), арсенид-галлиевые полевые транзисторы.

Следует отметить, что основные пассивные и активные примитивы (земля, резистор, конденсатор, катушка индуктивности, диод, npn-транзистор, NMOS-транзистор, операционный усилитель, источник напряжения, источник импульсного сигнала, источник синусоидального сигнала) могут быть выбраны с помощью группы кнопок на верхней панели инструментов:

Waveform Sources (Источники сигналов) — источник постоянного напряжения (battery), источник импульсного сигнала (pulse), источник постоянного тока (isource), источник напряжения зависящий от времени формы программируемой пользователем в виде таблицы (user source), источник синусоидального напряжения (sin source), независимые источники напряжения и тока сложной формы, зависящие от времени (V, I), точка фиксированного потенциала в аналоговой схеме (fixed analog). См. схемный файлы WAVEFORM_SOURCES.CIR, WAVEFORM_V и их анализ.

Function Sources (Функциональные источники) — функциональный источник напряжения (NFV), функциональный источник тока (NFI); таблично задаваемые зависимые источники напряжения от тока (NTVofI), тока от тока (NTIofI), тока от напряжения (NTIofV),  напряжения от напряжения (NTVofV).

Источники NFV и NFI описываются произвольной функциональной зависимостью от напряжений и токов схемы.

Таблично задаваемые зависимые источники напряжения от тока (NTVofI), тока от тока (NTIofI), тока от напряжения (NTIofV),  напряжения от напряжения (NTVofV) задаются таблицей значений выходного сигнала (напряжения или тока) от входного сигнала (напряжения или тока). Для расчета выходного сигнала в промежутке между табличными точками используется линейная интерполяция. Значения выходного сигнала за пределом заданного диапазона принимаются равным значениям в крайних точках.

См. схемныe файлы FUNCTION_SOURCES.CIR, FUNCTION (TABLE).CIR и их анализ.

Laplace Sources — задаваемые в операторном виде по Лапласу в виде передаточных функций в s-области зависимые источники: напряжения от тока (LFVofI), тока от тока (LFIofI), тока от напряжения (LFIofV),  напряжения от напряжения (LFVofV); задаваемые в виде табличных комплексных передаточных функций от частоты зависимые источники: напряжения от тока (LТVofI), тока от тока (LТIofI), тока от напряжения (LТIofV),  напряжения от напряжения (LТVofV).

При расчете частотных характеристик для функциональных зависимых операторных источников переменная S заменяется на 2fj. При расчете режима по постоянному току для них полагается S=0.

Для таблично задаваемых операторных зависимых источников задается таблица передаточной функции. Частота задается в Герцах, модуль передаточной функции в децибелах или абсолютных единицах, фаза — в градусах или радианах. Для расчета передаточной функции между опорными точками применяется линейная интерполяция в логарифмическом масштабе. Значения передаточной функции вне заданного диапазона полагаются равными значениям в крайних точках. См. схемный файл LAPLACE_SOURCES.CIR и его анализ.

Z transform sources — задаваемые в виде передаточных функций в z-области зависимые источники: напряжения от тока (ZVofI), тока от тока (ZIofI), тока от напряжения (ZIofV),  напряжения от напряжения (ZVofV).

Установка подобного источника в схему соответствует установке цифрового фильтра с соответствующей характеристикой в Z-области. О том, что представляют собой цифровые фильтры, дискретные системы и математический аппарат для их описания, анализа и синтеза на основе дискретного преобразования Лапласа (z-преобразования) рассказывается в курсе «Математические основы цифровой обработки сигналов» (Пеньков А.А.). Частота дискретизации для таких источников задается в открывающемся диалоге как Clock Frequency, выражение для передаточной функции — zexp. См. схемные файлы Z-TRANSFORM_SOURCES.CIR, Z-TRANSFORM_SOURCES-ФВЧ.CIR, Z-TRANSFORM_SOURCES-ФНЧ.CIR и их анализ.

Dependent sources — задаваемые коэффициентом передачи линейные зависимые источники: напряжения от тока (VofI), тока от тока (IofI), тока от напряжения (IofV),  напряжения от напряжения (VofV); задаваемые математическим выражением в виде полинома нелинейные зависимые источники напряжения от нескольких напряжений (EVofV), тока от нескольких токов (FIofI), тока от нескольких напряжений (GIofV),  напряжения от нескольких токов (HVofI). См. схемные файлы DEPENDENT SOURCES.CIR, DEPENDENT SOURCES_Poly.CIR и их анализ.

Macros — макроопределения (макромодели) в виде схем в формате MC7, поставляемые вместе с программным пакетом, а также некоторые макромодели, определенные автором. Смысл и назначение их легко определяются при вызове в схему и снятию характеристик (есть примеры в каталоге DATA), упоминаются в дальнейшем изложении при приведении примеров моделирования.

Subckts — подсхемы (макромодели) в виде текстового описания в формате SPICE, поставляемые вместе с программным пакетом. Смысл и назначение их легко определяются при вызове в схему и снятию характеристик (есть примеры в каталоге DATA).

Connectors — аналоговая земля (Ground); точка, заданная на схеме буквенной меткой (Tie), проводники без электрического соединения в точке пересечения (Jumper).

Следует отметить, что использование Tie позволяет не загромождать принципиальную схему цепями питания микросхем.

SMPS — макромодели в виде схем и подсхемы в виде текстового описания для сложных устройств (например ШИМ-модуляторов для управления ключевым источником электропитания и пр.), используемые в примерах моделирования, поставляемых в каталоге DATA. Следует отметить, что в этой же группе находятся макромодели диода Шоттки и оптопары.

Miscellaneous — устройство выборки-хранения (Sample and Hold); ключ, управляемый напряжением (S); универсальный ключ, могущий управляться напряжением, током, временем (SWITCH); ключ управляемый током (W); стрелка для обозначения информации о сигнале (Arrow), точки для обозначения контактов (bubble 1, 2).

Analog Library (рис. 1.3)

BJTмодели биполярных транзисторов и транзисторных сборок различного типа проводимости, реализованные в виде модели MC7 или подсхемы на языке SPICE.

Рис. 1.3. Основные компоненты Analog Library

BJT PWRмодели мощных биполярных транзисторов (в том числе и составных) различного типа проводимости, реализованные в виде модели MC7 или подсхемы на языке SPICE.

Comparator — модели компараторов, реализованных в виде подсхем на языке SPICE.

Crystal — модели кварцевых резонаторов, реализованные в виде макромодели (схемы) MC7.

Diode — модели диодов и диодных мостов и сборок, реализованные в виде модели МС7 или подсхемы SPICE.

Ferrite — модели магнитных сердечников.

IGBT — модели транзисторов IGBT, реализованные в виде подсхем SPICE

JFET — модели полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

MISC — модели буферных усилителей, преобразователей постоянного напряжения, оптоэлектронных микросхем.

MOSFET —  модели МОП-транзисторов с индуцированным каналом.

OPAMP — модели операционных усилителей

Passive — модели пассивных компонентов: резисторов с различной точностью, катушек индуктивности, трансформаторов, термисторов.

Reference — модели источников опорного напряжения различного вида.

Regulator — модели регуляторов

RF — модели биполярных и МОП-транзисторов, реализованные в виде подсхем SPICE/

Sensor — модели датчиков

Switch/Mux — модели аналоговых коммутаторов сигналов

Thyristor — модели тиристоров, реализованные в виде макромодели (схемы) МС7 и подсхемы на языке SPICE.

Trans Line — модели длинных линий.

Tube — модели электронных ламп (триодов и пентодов).

Varistor — модели варисторов

Vendor — модели изделий электронных компонентов, классифицированные по фирме-изготовителю.

Digital Primitives (рис. 1.4)

Standard Gatesмодели стандартных логических вентилей (2, 3, 4, 5, 9 – входовых) И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛ-ИЛИ, НЕ-ИСКЛ-ИЛИ, инвертора (НЕ), и буфера (повторителя).

Tri state Gates  — модели логических вентилей (2, 3, 4, 5, 9 – входовых) И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛ-ИЛИ, НЕ-ИСКЛ-ИЛИ, инвертора (НЕ), и буфера (повторителя) с 3-мя состояниями.3-е состояние — высокоимпедансное.

Edge-Triggered Flip-Flops — триггеры с динамическим управлением (срабатывающие по фронту (срезу)) импульса на синхровходе CLKB.

Gated Flip-Flops/ Latches — триггеры с потенциальным управлением (статический RS) и триггер защелка (D), устанавливается в соответствии с информационным сигналом на D-входе при наличии на разрешающем входе активного (высокого) уровня.

Pullups/Pulldowns — источники постоянных логических сигналов.

Рис. 1.4. Digital Primitives  и Animation

Delay lineцифровая линия задержки.

Programmable Logic Arrays — программируемые логические матрицы.

Logic Expressions — логические выражения от двух входных логических переменных с одной или двумя выходными функциями.

Pin Delay — назначение задержки распространения сигналов устройствам, рассмотренным в предыдущем пункте

Contstraints — контроль соблюдения временных соотношений.

AtoD converters — 1, 4, 8, 12, 16 – разрядные аналого-цифровые преобразователи.

DtoA converters — 1, 4, 8, 12, 16 – разрядные цифро-аналоговые преобразователи

Stimulus Generators — генераторы цифровых сигналов с 1, 2, 4, 8, 16 выходами.

Digital Library

Содержит библиотеки моделей цифровых компонентов разных фирм-изготовителей. Следует отметить, что здесь значительно больше типов цифровых микросхем, чем в группе Digital primitives (дешифраторы, мультиплексоры, счетчики, триггера различных типов). Просмотреть эти библиотеки и найти нужный компонент по его достаточно наглядному условному графическому отображению можно запустив редактор компонентов (Windows/Component Editor). После этого в правом открывшемся окне показывается иерархическая структура всей библиотеки. Можно, заходя в нужную группу просматривать УГО библиотечных компонентов, по которым нетрудно составить представление о типе и законах функционирования самого компонента.

Animation (рис. 1.4)

Здесь расположены элементы, осуществляющие индикацию логических состояний в точках цифровой схемы.

Find Component (Ctrl  Shift   F)

Поиск во всех библиотеках компонента по имени и размещение его на схему.

После выбора компонента с помощью команд меню Component MC7 переходит в режим Component Mode. Размещение выбранного компонента в заданном месте на схемной странице производится щелчком мыши. Перемещение мыши с нажатой левой кнопкой приводит к перемещению компонента по окну, одновременное нажатие правой кнопки ведет поворачивает компонент на 90 против часовой стрелки. Отпускание левой кнопки приводит к фиксации элемента на схеме и открытию окна задания параметров компонента (позиционного обозначения, численных значений или имени модели и др.). При выборе в окне компонента одного из параметров в строке подсказки (Help Bar) приводится формат его ввода.

   W I N D O W S  :

Содержит команды работы с окнами.

Cascade (Shift  F5,    ) — расположение открытых окон каскадом

The Vertical  (Shift  F4,    ) — последовательное расположение открытых окон по вертикали

The Horizontal (    ) — последовательное расположение открытых окон по горизонтали.

Overlap (     ) — наложение окна результатов анализа поверх окна схем (подсвечивается и может быть активизирован только после запуска одного из видов анализа из меню Analysis)/

Maximize — развернуть активное окно на весь экран.

Zoom in (Ctrl <+ДК>   ) — увеличить масштаб изображения.

Zoom out (Ctrl <–ДК>   ) — уменьшить масштаб изображения.

Toggle Drawing/Text ( Ctrl G) — переключения между окном схем и соответствующим ему окном текста

Splite Horizontal — разделение рабочего окна на окно схем и окно текста, расположенных по горизонтали

Splite Vertical — разделение рабочего окна на окно схем и окно текста, расположенных по вертикали

Remove Splits — распахивание окна схемы на весь экран с полным перекрытием окна текста.

Component Editor — запуск программы редактора компонентов (Навигация по всей библиотеке, создание новых компонентов на основе заранее подготовленной макромодели MC7 или подсхемы в формате SPICE).

Shape Editor — запуск редактора изображений (УГО) компонентов (редактирование существующих УГО и создание своих новых УГО).

Package Editor — вызов редактора упаковки выводов компонента (типа корпуса и расположения обозначенных сигнальных выводов компонента). Информация необходима для составления списка соединений, передаваемых во внешние программы подготовки печатных плат.

Model Program — запуск программы подготовки моделей компонентов Model.

Calculator (    )— вызов встроенного калькулятора

Check Model Library Parameters — вывод перечня библиотек, перечисленных в файле NOM.lib, с указанием синтаксических ошибок.

1...9 — активизация и размещение на переднем плане одного из открытых схемных файлов.

 O P T I O N S  :

Содержит команды работы с окнами.

Main tool Bar (Ctrl 0) — включение/выключение нижней строки панели инструментов (см. рис. 1.1)

Default Main Tool Bar — размещение кнопок на панели инструментов как принято по умолчанию

Status Bar — включение/выключение строки описания текущей команды (см. рис.1.1)

Mode — выбор режима работы графического редактора схем или результатов анализа

Select (Ctrl E,   ) – выбор объекта для последующего редактирования.

Component (Ctrl D,   ) – добавление компонента в схему

Text (Ctrl T,     ) – добавление текста в схему или на результаты анализа

Wire  ( Ctrl W,    ) – добавление ортогональных проводников в схему

WireD  (      ) — добавление проводников произвольной ориентации в схему

Line, Rectangle, Diamond, Ellipse, Arc, Pie, Polygon, Picture  (    ) – добавление линии, прямоугольника, ромба, эллипса, дуги, сектора, полилинии, изображения из файла.

Flag   (     ) – ввод флагов для быстрой навигации по схеме

Следующие 5 режимов доступны только при выводе окна результатов анализа:

Scale (   F7         ) – режим вывода на экран части графика, заключенного в рамку

Cursor   (  F8       ) –  режим двух электронных курсоров, активизируемых левой и правой клавишей мыши.

Point Tag  (    ) – нанесение на график значений координат выбранной курсором точки.

Horizontal Tag (     ) – нанесение расстояния вдоль оси абсцисс между двумя точками графика (как правило измерение частотного диапазона в AC, времени в TRAN).

Vertical Tag  (     ) – нанесение расстояния вдоль оси ординат между двумя точками графика.

Help (Ctrl H      ) – вызов текстовой информации (помощи) о модели выбранного щелчком курсора компонента.

Info (Ctrl  I      ) – вызов информации о параметрах модели выбранного щелчком курсора компонента.

Point to End Paths –расчет задержек сигналов во всех путях, подходящих к выбранному цифровому компоненту.

Point to Point Paths – расчет задержек сигнала пути, соединяющего два выбранных цифровых компонента.

View — выбор дополнительной информации выводимой на схему.

Attribute Text  (        ) – позиционные обозначения компонентов.

Grid Text   (       ) –  текстовые надписи в схемном окне.

Node numbers  (    ) – номера узлов схемы.

Следующие 4 команды подсвечиваются лишь после проведения одного из видов анализа:

Node voltage states  (    ) – узловые потенциалы аналоговых узлов и логические состояния цифровых узлов в режиме по постоянному току (подсвечивается после проведения одного из видов анализа).

Current (     ) – токи ветвей.

Power  (     ) – рассеиваемая на компонентах мощность.

Condition   (     ) –состояния транзисторов и p-n-переходов (Lin – линейный активный режим, Sat – режим насыщения, On – переход открыт, Off – переход закрыт (или транзистор в режиме отсечки)).

Pin connections (    ) — обозначить красной точкой концы выводов компонентов

Grid (    ) — изображение разметочной сетки

Crosshair Cursor (    ) – курсор в виде перекрестья во весь экран.

Border  (    ) – нанесение рамки на чертеж схемы.

Title  (    ) – нанесение углового штампа на чертеж.

Show All Paths — составление списка всех возможных путей распространения цифровых сигналов с указанием задержек. Выбранный в списке путь высвечивается на схеме.

Preferenсes (Ctrl  Shift  P      ) — открытие диалогового окна для изменения назначения цвета разным объектам, типа и атрибутов шрифтов и других параметров, значения которых сохраняются в файле текущей схемы. Отметим лишь, что закладка Main Tool Bar позволяет изменить кнопки, выводимые на панели инструментов для всех заголовков основного меню: File, Edit, Component, Windows, Options, Analysis. Также отметим, что установка режима резиновой линии Ruberbanding из закладки Common Options выведена на панель инструментов в виде кнопки . Параметры закладки Common Options, которые могут понадобиться при проведении моделирования приведены в ниже [1]  (Обычно их не требуется изменять).

Таблица 1.1. Параметры закладки Common Options

Параметр

Назначение

Значение по умолчанию

General 

Select Mode 

Автоматическое включение режима выбора объектов схемы при завершении любого другого режима 

No

Sound 

Включение звукового сигнала предупреждения 

Yes

Quit Warning 

Вывод запроса подтверждения выхода из программы 

Yes

Lock Tool Bar 

Запрет перемещения строк инструментов 

Yes

Print Background 

Печать цветного фона схем и графиков 

No

Time Stamp 

Размещение в верхнем левом углу графиков текущих результатов моделирования с указанием даты 

No

Параметр

Назначение

Значение по умолчанию

Date Stamp 

Размещение в верхнем левом углу графиков текущих результатов моделирования с указанием времени 

No

File Load Size 

Количество файлов, включаемых в перечни последних загруженных файлов (не более 1 6) 

8

Warning Time 

Длительность вывода предупреждений об ошибках 

3c

Analysis 

Floating Nodes Check 

Вывод информации о наличии в схеме "плавающих" узлов (т.е. узлов, к которым подсоединен только один компонент) 

No

DC Path to Ground Check 

Проверка наличия пути по постоянному току на "землю" для всех узлов схемы перед началом моделирования 

Yes

Convergence Assist 

Включение утилиты Convergence Assist для попытки оптимизации параметров, влияющих на сходимость алгоритмов анализа (RELTOL, ABSTOL, VNTOL, ITL2, ITL4, MNETHOD, GMIN) 

Yes

Add DC Path to Ground

Автоматическое добавление резисторов с сопротивлением, равным 1/GMIN, во все ветви, не имеющие путей по постоянному току на "землю"

No

Plot on Top

Размещение графиков результатов моделирования поверх схем

Yes

Select Curve Color

Окрашивание выбранных цепей

Yes

Inertial Cancellation

Сглаживание при выполнении логического моделирования коротких импульсов, длительность которых меньше задержек цифровых устройств

Yes

Analysis Progress Bar

Отображение индикатора процесса выполнения моделирования

No

Gmin Stepping

Включение метода вариации проводимости Gmin, если нормальный режим расчета режима по постоянному току и метод вариации источников питания не обеспечивают сходимости

Yes

Auto Scale Grids

Задание количества сеток, используемых при автоматическом масштабировании графиков

5

Circuit

Text Increment

Автоматическое добавление "1" к именам Grid text при выполнении операций вставки из буфера обмена, копирования путем "перетаскивания" курсором или зеркального отображения

Yes

Node Snap

Автоматическое обеспечение электрического соединения с выводом компонента или концом проводника, если начальная точка проводимой линии не совмещена с ними, но попала в соседний узел сетки

Yes

Auto Show Model

Помещение модели каждого размещенного на схеме компонента в окно текста

Yes

Component Cursor

Автоматическая замена формы курсора изображением компонента, выбранного для размещения на схеме

Yes

Rubber-banding

"Растягивание" проводников схемы, не отрывая их от узлов и выводов компонентов при выполнении операций перемещения

Yes

Snow Slider

Размещение движкового переключателя у изображений батарей и резисторов при выполнении анализа Dynamic DC для изменения их номиналов перемещением движков (минимальные и максимальные значения номиналов определяются с помощью атрибутов SLIDER MINI, SLIDER_MAX)

No

Nodes Recalculation Threshold

Максимальное количество узлов схемы, при превышении которого не будут переопределяться номера узлов схемы при добавлении или удалении компонентов или целей. При включении режима View Node Numbers этот параметр игнорируется

1 000 000

Block Select Display Mode

Включение режима блочного выбора объектов, при котором окрашиваются фоновые объекты

Yes

Automatically Add Opamp lower Supplies

Автоматическое добавление на схему и подключение источников питания ОУ VCC  и VEE

Yes

Default properties for New Circuits — задание перечня параметров новой схемы, принимаемого по умолчанию. Смысл параметров в основном ясен из открывающейся закладки на английском языке. Если возникает необходимость изменить цветовые параметры загруженной схемы, то используется команда Properties (F10     )

Global Settings — установка параметров моделирования, перевод которых приводится в табл. 1.2. Иногда, особенно при выполнении моделирования цифровых схем или смешанного моделирование может потребоваться изменение этих параметров.

Таблица 1.2. Глобальные параметры (Global Settings)

Имя опции

Наименование

Размерность 

Значение по умолчанию 

ABSTOL 

Допустимая ошибка расчета токов в режиме Transient 

A

10-12

CHGTOL 

Допустимая ошибка расчета заряда в режиме Transient 

Кл

10-14

DEFAD 

Диффузионная площадь стока МОП-транзистора 

м2

0

DEFAS

Диффузионная площадь истока МОП-nранзистора

м2

0

DEFL

Длина канала МОП-транзистора

м

10-4

DEFW

Ширина канала МОП-транзистора

м

10-4

DIGDRVF

Минимальное выходное сопротивление цифровых устройств (для моделей UIO)

Ом

2

DIGDRVZ

Максимальное выходное сопротивление цифровых устройств (для моделей UIO)

кОм

20

DIGERRDEFAULT

Максимальное количество контролируемых ошибок цифровых устройств

20

DIGERRLIMIT

Максимальное количество сообщений об ошибках в цифровых устройствах

10000

DIGFREQ

Максимальная частота дискретизации при анализе цифровых устройств (минимальный временной шаг равен 1/ DIGFREQ)

ГГц

10

DIGINITSTATE

Установка начального состояния триггеров: 0 - сброс; 1 - установка; 2-Х

2

DIGIOLVL

Уровень интерфейса А/Ц, Ц/А по умолчанию

1

DIGMNTYMX

Селектор выбора задержки цифрового устройства по умолчанию: 1 - минимум; 2 - типичное значение; 3 - максимум; 4 - мин/макс (наихудший случай для цифровых устройств)

2

DIGMNTYSCALE

Масштабный коэффициент для расчета минимальной задержки

0,4

DIGOVRDRV

Отношение выходных сопротивлений цифровых устройств, при котором изменяется состояние общего выходного узла

3

DIGTYMXSCALE

Масштабный коэффициент для расчета максимальной задержки

I

1,6

GMIN

Минимальная проводимость ветви цепи (проводимость ветви, меньшая GMIN, считается равной нулю)

См

10-12

ITL1

Максимальное количество итераций в режиме DC

100

ITL2

Максимальное количество итераций при расчете передаточных функций по постоянному току при переходе к последующей точке

50

Имя опции

Наименование

Размерность

Значение по умолчанию

JITL4

Максимальное количество итераций при переходе к следующему моменту времени в режиме Transient

10

PERFORM M

Количество значащих цифр до и после десятичной точки в таблицах выходных данных плюс единица

2

PIVREL

Относительная величина элемента строки матрицы, необходимая для его выделения в качестве ведущего элемента (режим АС)

10-3

PIVTOL

Абсолютная величина элемента строки матрицы, необходимая для его выделения в качестве ведущего элемента (режим АС)

10-13

RELTOL

Допустимая относительная ошибка расчета напряжений и токов в режиме Transient

10-3

RMIN

Минимальное значение сопротивления нагрузки полупроводниковых приборов

Ом

10-6

SD

Отношение диапазона разброса случайных параметров к cреднеквадратичному отклонению

2,58

TNOM

Номинальная температура

С

27

TRTOL

Коэффициент, определяющий допустимую ошибку усечения в режиме Transient

7

VNTOL

Допустимая ошибка расчета напряжений в режиме Transient

В

10-6

WIDTH

Длина строки выходного файла (80 или 132)

80

NOOUTMSG

Подавление передачи в выходной файл сообщений об ошибках моделирования

No

PRIVATEANALOG

Создание копий моделей всех аналоговых компонентов. При наличии таких копий вариация параметров модели относится только к одному выбранному компоненту, в противном случае ко всем компонентам, имеющим такую модель. При наличии в модели параметра DEV такие копии создаются автоматически независимо от значения параметра PRIVATEANALOG

Yes

PRIVATEDIGITAL

Создание копий моделей всех цифровых компонентов. При наличии таких копий вариация параметров модели относится только к одному выбранному компоненту, в противном случае ко всем компонентам, имеющим такую модель. При наличии в модели параметра DEV такие копии создаются автоматически независимо от значения параметра PRIVATEDIGITAL

No

TRYTOCOMPACT

Представление в компактной форме информации о распределении токов и напряжений в длинных линиях с потерями

No

METHOD: GEAR, TRAPEZOIDAL

Выбор метода численного интегрирования дифференциальных уравнений 

No/Yes

User Definitions — открытие и просмотр глобальных определений пользователя, сделанных с помощью директивы .Define/

Model Parameters Limits Editor — открытие окна редактирования ограничений на параметры моделей.

Components Palettes — включение различных наборов компонентов. Удобно для рисования схем различного назначения. Самые употребительные наборы — Analog и Digital.

   A N A L Y S I S  :

Содержит команды запуска различных режимов моделирования:

Transient... (Alt+1) — анализ переходных процессов.

AC... (Alt+2) — анализ частотных характеристик

DC ... (Alt+3) — Анализ передаточных функций по постоянному току

Dynamic DC (Alt+4) — Расчет режима по постоянному току и его динамическое отображение на схеме

Transfer Function... (Alt+5) — Расчет передаточных функций по постоянному току, а также входного и выходного сопротивления

Sensitivity... (Alt+6) — Расчет чувствительностей по постоянному току одного или нескольких выражений по отношению к одному или нескольким параметрам

Probe Transient... (Ctrl+Alt+1) — анализ переходных процессов и отображение их результатов в режиме Probe.

Probe AC... (Ctrl+Alt+2) — анализ частотных характеристик и отображение их результатов в режиме Probe.

Probe DC... (Ctrl+Alt+3) — анализ передаточных функций по постоянному току и отображение их результатов в режиме Probe.

Следует отметить, что при запуске любого режима Probe (Transient, AC, DC) в верхней части экрана появляются новые пункты меню: Probe, Vertical, Horizontal, которые содержат команды управления этим режимом (они  будут рассмотрены ниже).

  1.  Форматы задания компонентов
    1.  Общие сведения

Параметры всех электронных компонентов задаются при помещении компонента в принципиальную схему — щелчком левой клавиши мыши открывается окно задания параметров соответствующего пассивного (активного) компонента.

Все компоненты в MicroСAP-7 могут быть заданы двумя способами:

  •  непосредственным заданием в открывшемся окне параметров номинального значения компонента (позиция VALUE)  или (и)  имени используемой модели (позиция MODEL);
  •  заданием в окне параметров компонента в строке VALUE имени переменной, обозначающей номинал компонента (например Rload, Cout, Cin, Lpins и т.д.) и последующим текстовым вводом информации, ставящим в соответствие этой переменной его номинал или модель. Текстовый ввод информации выполняется директивой «.Define» и может быть осуществлен как в схемном окне (что более наглядно), так и в текстовом.

Задание вторым способом является более универсальным. Оно предоставляет пользователю ряд дополнительных возможностей при выполнении анализа, с которыми читатель познакомится в последующих примерах.

Ввод номинальных значений компонентов осуществляется в системе СИ, за исключением катушки с магнитным (нелинейным) сердечником. Значения компонентов задаются либо непосредственно (2600), либо в показательной форме (2.3E3), либо условными буквенными обозначениями (5K). Используются следующие буквенные обозначения для множителей (см. табл. 2.1):

Таблица 2.1. Буквенные обозначения множителей для численных значений

10-15

10-12

10-9

10-6

10-3

103

106

109

1012

фемто

пико

нано

микро

милли

кило

мега

гига

тера

F (f)

P (p)

N (n)

U (u)

M (m)

K (k)

MEG (meg)

G (g)

T (t)

На рис. 2.1. приведен пример задания одного из пассивных компонентов — резистора. В рассмотренном примере на экране отображается позиционное обозначение компонента (PART), величина (VALUE) и имя модели, что определяется установкой соответствующих флажков отображения в окне задания компонента (в данном случае Resistor). Отметим, что величина любого пассивного компонента (сопротивление резистора, емкость конденсатора, индуктивность катушки) может определяться как любая функция узловых напряжений схемы, токов ветвей, времени и температуры, что выгодно отличает программу MicroCap-7 от PSPICE.

Рис. 2.1 Способы задания компонента

При создании принципиальных схем используются числа, переменные и математические выражения следующего вида.

  1.  Числа

Числовые значения параметров компонентов представляются в виде:

  •  действительных чисел с фиксированным десятичным знаком (обратим внимание, что в качестве десятичного знака в программе МС7 используется точка). Например, сопротивление 2,5 кОм, записывается как 2500 или 2.5k, а емкость 1 мкФ как 0.000001;
  •  действительных чисел с плавающей точкой, например, емкость 1.5 мкФ может быть записана как 1.5Е-6;
  •  действительных чисел с плавающей точкой в инженерной интерпретации, согласно которой различные степени десяти обозначаются буквами (см. табл. 2.1).

Для экономии места на осях X, Y графиков результатов моделирования малая буква "m" обозначает 103, большая буква "М" — 106 (вместо MEGA). Во всех остальных случаях большие и малые буквы не различаются.

Например, сопротивление 1,5 МОм может быть записано как 1.5MEG, 1.5meg или 1500К, емкость 1 мкФ как 1U или 1uF. В последнем примере показано, что для большей наглядности после стандартных буквенных обозначений допускается помещать любые символы, которые при интерпретации чисел не будут приниматься во внимание. Пробелы между числом и буквенным суффиксом не допускаются!

  1.  Переменные

В программе МС7 ряд констант и переменных имеют стандартные значения:

Т — время в секундах;

F — частота в герцах;

Е — ЕХР(1)=2,718281828;

S — комплексная переменная, используемая при анализе аналоговых устройств (в курсе ОТЦ и Мат. Анализа она обозначалась p);

GMIN — минимальная проводимость ветви, задаваемая в диалоговом окне Options>Global settings;

PI —  число =3.14159265389795;

TEMP — температура компонентов в градусах Цельсия;

VT — температурный потенциал р-п—перехода, равный 1,380622610–23х (273,15+ТЕМР)/(1,60219181019); при ТЕМР=27°С VT=25,86419mB;

J — корень квадратный из –1;

Tmin — начальный момент времени расчета переходных процессов;

Тmах — конечный момент времени расчета переходных процессов;

Fmin — начальная частота расчета частотных характеристик;

Fmax — конечная частота расчета частотных характеристик;

PGT — общая мощность, генерируемая в схеме;

PST — общая мощность, запасаемая в схеме;

РОТ — общая рассеиваемая в схеме мощность;

Z — комплексная переменная, используемая при анализе дискретных устройств (цифровых фильтров).

Номера узлов, присваиваемые программой МС7 автоматически, представляют собой целые числа, например 0, 2, 25. Кроме того, пользователь по команде Options>Mode/Text может присвоить любому узлу имя в виде текстовой алфавитно-цифровой переменной, начинающейся с буквы или символа "_" и содержащей не более 50 символов, например А1, Out, Reset.

В математических выражениях могут использоваться следующие переменные (см. табл. 2.2):

Таблица 2.2. Переменные, используемые в программе Microcap-7

D(A)

Логическое состояние цифрового узла А

V(A)

Напряжения на узле А (напряжения измеряются относительно узла "земли", которой программа присваивает номер 0)

V(A,B)

Разность потенциалов между узлами А и В

V(D1)

Напряжение между выводами двухвыводного компонента D1

I(D1)

Ток через двухвыводной компонент D1

I(A,B)

Ток через ветвь между узлами А и В (между этими узлами должна быть включена единственная ветвь)

IR(Q1)

Ток, втекающий в вывод R компонента Q1 с количеством выводов больше 2

VRS(Q1)

Напряжение между выводами R и S компонента Q1 с количеством выводов больше 2

CRS(Q1)

Емкость между выводами R и S компонента Q1 с количеством выводов больше 2

QRS(Q1)

Заряд емкости между выводами R и S компонента Q1 с количеством выводов больше 2

R(R1)

Сопротивление резистора R1

C(X1)

Емкость конденсатора или диода Х1

Q(X1)

Заряд конденсатора или диода Х1

L(X1)

Индуктивность катушки индуктивности или сердечника Х1

X(L1)

Магнитный поток в катушке индуктивности или сердечнике L1

B(L1)

Магнитная индукция сердечника L1

H(L1)

Напряженность магнитного поля в сердечнике L1

RND

Случайное число с равномерным законом распределения на отрезке [0, 1]_

ONOISE

Корень квадратный из спектральной плотности напряжения шума, отнесенного к выходу

INOISE

Корень квадратный из спектральной плотности напряжения шума,  отнесенного ко входу, равный ОNOISЕ/коэффициент передачи по мощности

PG(V1)

Мощность, генерируемая источником V1

PS(X1)

Реактивная мощность, накапливаемая в устройстве Х1

PD(D1)

Мощность, рассеиваемая в устройстве D1

В этом перечне символы А и В обозначают номера узлов схемы, D1 — имя компонента с двумя выводами или управляемого источника, Q1 — имя любого активного устройства или линии передачи. Символы R и S заменяются аббревиатурами выводов устройств согласно таблице 2.3:

Таблица 2.3. Аббревиатуры выводов электронных компонентов

Устройство

Аббревиатуры выводов

Названия выводов

МОП-транзистор (MOSFET)

D,  G,  S,  В

Сток,  затвор,  исток,  подложка

Полевой транзистор (JFET)

D,  G,  S

Сток,  затвор,  исток

Арсенид-галлиевый полевой транзистор (GaAsFET)

D,  G,  S

Сток,  затвор,  исток

Биполярный транзистор (BJT)

В,  Е,  С,  S

База,  эмиттер,  коллектор,  подложка

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

С,  G,  E

Коллектор,  затвор,  эмиттер

Линия передачи (Tran. Line)

АР,  AM,  ВР,  ВМ

Вход+, вход–, выход+, выход–

Например, следующие выражения означают: I(R1) — ток через резистор R1; R(Rload) — сопротивление резистора Rload; IC(Q1) — ток коллектора биполярного транзистора Q1; VBE(Q1) — напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора Q1, VGS(M1) — напряжение затвор-исток МДП-транзистора M1.

  1.  Математические выражения и функции

В сложных текстовых переменных директивы .DEFINE и при указании переменных, выводимых на графиках при проведении моделирования, возможно использование следующих математических операций.

Арифметические операции

+   —   Сложение;

  —   Вычитание;

*    —  Умножение;

/   —    Деление;

DIV — Целочисленное деление;

MOD — Остаток целочисленного деления.

Тригонометрические, показательные, логарифмические  функции от действительных и комплексных величин (х — действительная, z — комплексная величина)

Ехр(х) — экспонента;

Ln(x) — натуральный логарифм |х|;

Log(x) или Log10(x) — десятичный логарифм |х|;

Sin(x) — синус, х в радианах;

Cos(x) — косинус, х в радианах;

Таn(х) — тангенс, х в радианах;

Asin(x) — арксинус;

Acos(x) — арккосинус;

Atn(x) или Arctan(x) — арктангенс;

Atan2(y,x) = Atn(y/x) ;

Sinh(z) — гиперболический синус;

Cosh(z) — гиперболический косинус;

Tanh(z) — гиперболический тангенс;

Coth(z) — гиперболический котангенс.

Функции от комплексных величин (z)

DB(z) — величина в децибелах, равная 20*LOG(|z|);

RE(z) — действительная часть z,

IM(z) — мнимая часть z;

MAG(z) — модуль z. При построении графиков допустимо просто указать z;

PH(z) — фаза z в град.;

GD(z) — групповое время запаздывания.

Прочие функции от действительных и комплексных величин (x,y — действительная, z — комплексная величина, n,m — целые положительные)

ABS(y) — абсолютное значение у,

SQRT(y) — корень квадратный из модуля у,

SGN(y) — знак числа у,

POW(y,x) — степенная функция комплексных величин , обозначаемая как y^x;

PWR(y,x) — действительная часть степенной функции y^x;

** — степенная функция, например 5**2=25;

PWRS(y,x) — действительная часть степенной функции y^x;

FACT(n) — факториал целого числа n;

RND — случайные числа на отрезке [0, 1] с равномерным законом распределения;

STP(x) — функция единичного скачка, равная 1 при T>x и равная 0 при T<=x. См. пример STP_SOURCE.CIR;

IMPULSE(y) — импульсная функция от аргумента у. Представляет собой импульс с нулевой длительностью фронтов, начинающий действовать в момент времени T=0, амплитудой y, и длительностью 1/y (т.е. площадь импульса всегда равна 1). См. пример IMPULSE_SOURCE.cir;

ТАВLЕ(х,х1,у1,х2,у2,...,хnn) — табличная зависимость функции у от х. Переменная х должна быть определена как параметр с помощью директивы .define Задаются координаты точек (хi, уi), в промежуточных точках используется линейная интерполяция. Если x<x1 то у=у1, если х>хn, то у=уn;

Waveform(<имя_файла>,у) — импорт функции у из файла <имя файла>, имеющего стандартный формат МС7; в этот файл пользователя (User source) могут быть записаны дискретизированные результаты моделирования, если на закладке Save Curves команды Properties (F10) выбрать из списка имя переменной и вести имя файла *.USR;

IМРОRТ(<имя_файла>,у) — импорт функции у из файла. Текстовый файл должен иметь формат выходного файла SPICE или МС7; в него помещается таблица значений переменных, в качестве которых может быть время (Т), частота (F), напряжение источника напряжений (V(имя источника)), ток источника тока (I(имя источника)), и выражение для у;

JN(n,z[,m]) — функция Бесселя л-го порядка первого рода комплексного аргумента z, полученная суммированием первых m членов ряда; по умолчанию m=10;

J0(Z) — функция Бесселя нулевого порядка первого рода комплексного аргумента z, аналогичная JN(0,z,10);

J1(z) — функция Бесселя первого порядка первого рода комплексного аргумента z, аналогичная JN(1,z,10);

YN(n,z[,m]) — функция Бесселя n-го порядка второго рода комплексного аргумента z, полученная суммированием первых m членов ряда; по умолчанию m=10;

Y0(z) — функция Бесселя нулевого порядка второго рода комплексного аргумента z, аналогичная YN(0,z,10);

Y1(z) — функция Бесселя нулевого порядка второго рода комплексного аргумента z, аналогичная YN(1,z,10);

Series(n,n1,n2,z) -- расчет текущей суммы ряда комплексной функции z=z(n) при изменении n от n1 до n2;

DIFA(u, v[,d]) — сравнение значений двух функций u и v во всех дискретных точках при расчете переходных процессов. DIFA присваивается значение 1, если во всех точках абсолютное значение разности функций меньше величины d, в противном случае присваивается 0. Параметр d необязательный, по умолчанию полагается d=0;

DIFD(u,v[,d]) — сравнение значений двух логических сигналов u и v во всех дискретных точках при расчете переходных процессов. DIFD присваивается значение 1, если во всех точках значения функций отличаются друг от друга, в противном случае присваивается 0. В течение первых d секунд после начала расчета переходных процессов сравнение не проводится. Параметр d необязательный, по умолчанию полагается d= 0.

Интегрально-дифференциальные операторы (x,y,u — действительные переменные)

DER(u,x) — производная переменной u по переменной x;

SUM(y,x[,sfart]) — текущий интеграл от переменной у по переменной х; начальное значение х равно start,

SD(y[,sfarf]) — текущий интеграл от переменной у по времени Т при анализе переходных процессов, по частоте F при АС-анализе или по переменной DCINPUT1 при DC-анализе; начальное значение независимой переменной равно start,

DD(y) — производная у по времени Т при анализе переходных процессов, по частоте F при АС-анализе частотных характеристик и по переменной DCINPUT1 при DC-анализе по постоянному току;

RMS(y[,sfarf]) — текущее среднеквадратичное значение величины y при интегрировании по времени Т при анализе переходных процессов (эквивалентно ), по частоте F при АС-анализе частотных характеристик и по переменной DCINPUT1 при DC-анализе по постоянному току; начальное значение независимой переменной равно значению start,

AVG(y[,start]) — текущее среднее значение переменной у при интегрировании по времени Т при анализе переходных  процессов (эквивалентно ), по частоте F при АС-анализе частотных характеристик; начальное значение независимой переменной равно значению start,

SDT(y) — текущий интеграл процесса y(t) относительно времени Т, начиная от T=Tmin;

DDT(y) — производная процесса y(t) относительно времени Т;

DEL(y) — приращение процесса y(t) относительно предыдущей точки при расчете переходных процессов. Производная рассчитывается как отношение двух таких операторов, например производная dy/dt равна DEL(y)/DEL(t);

Операции отношения и логические операции (x,y — действительные величины, b — логическое выражение)

= — равно;

> — больше;

< — меньше;

>= — больше или равно;

<= — меньше или равно;

<> или != — не равно;

== — равно;

MIN(x,y) — минимальное значение величин х, у,

МАХ(х,у) — максимальное значение величин х, у,

LIMIT (u,х,у) — равно u, если х<u<у, равно х, если u<х; равно у, если u>у,

IF(b,x,y) — функция равна х, если b истинно, в противном случае равна у.

AND — логическое И;

NAND — отрицание логического И (И-HE);

NOT — отрицание;

OR — логическое ИЛИ;

NOR — отрицание логического ИЛИ (ИЛИ-НЕ);

XOR — исключающее ИЛИ;

Примечание: логическим выражениям присваиваются значения 1, если они истинны, и 0, если они ложны.

Операции с логическими переменными (состояниями цифровых узлов схемы)

HEX(A,B,C,D) — значение состояний цифровых узлов А, В, С, D в шестнадцатеричной системе;

BIN(A,B,C,D) — значение состояний цифровых узлов А, В, С, D в двоичной системе;

DEC(A,B,C,D) — значение состояний цифровых узлов А, В, С, D в десятичной системе;

OCT(A,B,C,D) — значение состояний цифровых узлов А, В, С, D в восьмеричной системе;

+ — сумма двух двоичных, восьмеричных, шестнадцатеричных или десятичных чисел;

— разность двух двоичных, восьмеричных, шестнадцатеричных или десятичных чисел;

DIV — целочисленное деление двух двоичных, восьмеричных, шестнадцатеричных или десятичных чисел;

MOD — остаток после целочисленного деления двух двоичных, восьмеричных, шестнадцатеричных или десятичных чисел;

& — операция поразрядного логического И состояний двух цифровых узлов;

| — операция поразрядного логического ИЛИ состояний двух цифровых узлов;

^ — операция поразрядного логического исключающего ИЛИ состояний двух цифровых узлов.

~ — Операция поразрядного логического отрицания состояния цифрового узла

Операторы обработки сигналов  (u, v — действительные сигналы при анализе переходных процессов, S — спектры сигналов)

HARM(u) — расчет гармоник сигнала u;

THD(S[,F]) — коэффициент нелинейных искажений спектра S, в процентах относительно уровня составляющей на частоте F; если частота F не указана, то относительно составляющей на частоте первой гармоники, равной 1/Тmax;

IHD(S[,F]) — коэффициент нелинейных искажений отдельных составляющих спектра S, в процентах относительно уровня составляющей на частоте F; если частота F не указана, то относительно составляющей на частоте первой гармоники, равной 1/Тmax;

FFT(u) — прямое преобразование Фурье дискретных отсчетов сигнала u(t). Отличается от функции HARM множителем N/2 для гармоник с первой до N-й и множителем N для нулевой гармоники, где N — количество дискретных отсчетов входного сигнала u(t);

IFT(S) — обратное преобразование Фурье спектра S;

CONJ(S) — сопряженный комплексный спектр S;

CS(u, v) взаимный спектр сигналов u и v, равный CONJ(FFT(v))*FFT(u)*dt*dt;

AS(u) — собственный спектр сигнала u(t), равный CS(u, u);

CC(u,v) — взаимная корреляционная функция сигналов u и v, равная IFT(CONJ(FFT(v))*FFT(u))*dt;

АС(u) — автокорреляционная функция сигнала и, равная IFT(CONJ(FFT(u))*FFT(u))*dt;

COH(u,v) — нормированная корреляционная функция сигналов u и v, равная CC(u,v)/sqrt(AC(u(0))*AC(v(0)));

REAL(S) — действительная часть спектра S, рассчитанного с помощью FFT;

IMAG(S) — мнимая часть спектра S, рассчитанного с помощью FFT;

MAG(S) — модуль спектра S, рассчитанного с помощью FFT;

PHASE(S) — фаза спектра S, рассчитанного с помощью FFT.

Параметры моделей

Параметры моделей компонентов можно вывести в текстовой форме или на графики, используя ссылки на них в виде:    позиционное_обозначение_компонента.имя_параметра

Приведем несколько примеров:

Q1.bf — коэффициент усиления тока BF биполярного транзистора Q1;

М1.GAMMA — параметр GAMMA МОП-транзистора М1;

J1.VT0 — пороговое напряжение VT0 полевого транзистора J1.

В связи с тем, что в процессе моделирования параметры моделей компонентов не изменяются, их графики представляют собой прямые линии. Тем не менее, строить их имеет смысл при выполнении вариации параметров или статистических испытаниях по методу Монте-Карло, чтобы убедиться, что изменения параметров производятся в правильном диапазоне.

Правила использования выражений и переменных

1. Все параметры компонентов могут быть функцией времени Т (при анализе переходных процессов), произвольных напряжений и токов, температуры TEMP, комплексных переменной s и z (при анализе частотных характеристик).

Приведем примеры:

1.0/(1.0+.001*s) — передаточная функция фильтра низких частот, заданная с помощью преобразования Лапласа;

exp(-T/.5)*sin(2*PI*10*T) — функциональный источник затухающего гармонического сигнала с частотой 10 Гц;

5.0pF*(1+2e-6*T) — емкость  конденсатора,  зависящая от времени;

4.7K*(1+.3*V(P,M)) — сопротивление резистора, зависящее от напряжения;

2.6 uH*(1+2*(TEMP-273)^2) — индуктивность,  зависящая от температуры;

V(VCC)*I(VCC) — мгновенная мощность источника напряжения VCC;

SUM(V(VCC)*I(VCC),T) — энергия источника VCC на интервале времени от 0 до Т;

FFT(V(A)+V(B)) — преобразование Фурье от V(A)+V(B));

RMS(V(Out)) — текущее среднеквадратическое значение напряжения V(Out));

IM(V(7)) — мнимая часть комплексного напряжения в узле 7;

MAG(VCE(Q1)*IC(Q1)) — модуль комплексной мощности, выделяемой на биполярном транзисторе Q1 при анализе частотных характеристик;

5*(Т>10 ns AND T<20 ns) — одиночный импульс с амплитудой 5В на интервале времени 10...20 нс;

5*((Т mod 50)>10 AND (T mod 50)<20) — импульс с амплитудой 5 В на интервале времени от 10 с до 20 с, период 50 с.

2. Значения операторов отношения и булевых операторов равно1.0, если они истинны, и 0.0, если они ложны.

3. Интегро-дифференциальные операторы (AVG, DEL, RMS и SUM…) могут использоваться только при выводе данных и не могут использоваться в выражениях для параметров.

4. ONOISE и INOISE могут использоваться только при АС анализе и их нельзя использовать в выражениях в совокупности с другими величинами, например с напряжениями.

5. При вычислении преобразования Фурье FFT в режиме АС (при этом рассчитываются импульсные характеристики как функции времени Т) графики других переменных (напряжений, токов и т. п.) строятся неправильно.

Поэтому их следует выводить на экран по отдельности в разных сеансах моделирования.

6. В АС анализе все промежуточные вычисления выполняются с комплексными величинами. Однако при построении графиков указание имени переменной означает построение графика ее модуля.

Например, указание имени переменной V(1) эквивалентно использованию функции  вычисления модуля комплексной величины MAG(V(1)). И более того, спецификация выражения V(1)*V(2) приведет к построению модуля произведения двух комплексных напряжений. Для вывода мнимой части произведения используется запись IM(V(1)*V(2)), действительной части — RE(V(1)*V(2)).

7. При моделировании в режимах АС и DC значение переменной Т (время) полагается равной нулю. При расчете переходных процессов и в режиме DC равной нулю полагается переменная F(частота).

8. В выражениях для преобразования Лапласа передаточных функций может использоваться только символ S для обозначения комплексной переменной.

При отсутствии в выражении для такой передаточной функции символа S выдается сообщение об ошибке. Поэтому преобразования Лапласа нельзя использовать для задания линейных блоков с постоянным коэффициентом передачи — в этих целях используйте другие типы управляемых источников сигналов.

9. Комплексные величины можно использовать только в следующих функциях: +, –, *, /, sqrt, pow, In, log, exp, cosh, sinh, tanh, coth.

В функциях другого типа комплексные величины заменяются их действительными частями, например, функция действительного переменного SIN при наличии комплексного аргумента С1 равна sin(C1)=sin(RE(C1)).

10. Перед выполнением моделирования или составлением списка электрических соединений программа МС7 вычисляет значения всех операторов .DEFINE.

В связи с этим применение этих операторов внутри оператора .MODEL могут привести к ошибке. Пусть, например, имеются два оператора

.define BF 111

.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)

  1.  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

Имя типа модели

Тип компонента

Аналоговые компоненты

RES

Резистор

САР

Конденсатор

CORE

Магнитный сердечник трансформатора

IND

Индуктивность

D

Диод

GASFET

Арсенид-галлиевый полевой транзистор с каналом n-типа

IGBT

Биполярный транзистор с изолированным затвором

NPN

Биполярный n–р–n-транзистор

PNP

Биполярный р–np-транзистор

LPNP

Боковой биполярный р–np-транзистор

NJF

Полевой транзистор с каналом n-типа

PJF

Полевой транзистор с каналом р-типа

NMOS

МОП-транзистор с каналом n-типа

PMOS

МОП-транзистор с каналом р-типа

TRN

Линия передачи

VSWITCH

Ключ, управляемый напряжением

ISWITCH

Ключ, управляемый током

ОРА*

Операционный усилитель

PUL*

Источник импульсного сигнала

SIN*

Источник синусоидального сигнала

Устройства интерфейса

DINPUT

Аналого-цифровой интерфейс

DOUTPUT

Цифроаналоговый интерфейс

Цифровые устройства

UADC

Аналого-цифровой преобразователь

UDAC

Цифроаналоговый преобразователь

UIO

Модель входа/выхода цифрового устройства

UGATE

Стандартный вентиль

UTGATE

Вентиль с тремя состояниями

UBTG

Двунаправленный переключающий вентиль

UEFF

Триггер с динамическим управлением

UGFF

Триггер с потенциальным управлением

UDLY

Цифровая линия задержки

UPLD

Программируемые логические матрицы

* Используются только при графическом вводе схем

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)

  1.  Модели аналоговых компонентов
    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.

  1.  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).

  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

Обозначение

Параметр

Размерность

Значение по умолчанию

R

Масштабный множитель сопротивления

1

ТС1

Линейный температурный коэффициент сопротивления

C-1

0

ТС2

Квадратичный температурный коэффициент сопротивления

C-2

0

ТСЕ

Экспоненциальный температурный коэффициент сопротивления

%/C

0

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

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 =1,01TCE(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>*RFF,

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

Спектральная плотность теплового тока резистора рассчитывается по формуле Найквиста:

Si(f)=4kT/<сопротивление>*NM.

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

  1.  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

Обозначение

Параметр

Размерность

Значение по умолчанию

С

Масштабный множитель емкости

1

VC1

Линейный коэффициент напряжения

В–1

0

VC2

Квадратичный коэффициент напряжения

В–2

0

ТС1

Линейный температурный коэффициент емкости

С1

0

ТС2

Квадратичный температурный коэффициент емкости

С2

0

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

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

<значение>С(1 +VCV+VC2V2)[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.

  1.  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

Обозначение

Параметр

Размерность

Значение по умолчанию

L

Масштабный множитель индуктивности

1

IL1

Линейный коэффициент тока

А–1

0

IL2

Квадратичный коэффициент тока

А2

0

ТС1

Линейный температурный коэффициент индуктивности

С1

0

ТС2

Квадратичный температурный коэффициент индуктивности

С2

0

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. 3.3. 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.

  1.  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.

a) Магнитосвязанные линейные индуктивности. 

Коэффициент связи Kij двух обмоток (i, j) определяется выражением:

где Li, Lj — индуктивности обмоток; Mij — их взаимная индуктивность. Напряжение на катушке Li, с учетом взаимной индукции определяется выражением:

,

Где Ii — ток втекающий в вывод (+) обмотки (помечен на схеме точкой). В этом случае при вводе в схему связанных индуктивностей посредством вставки элемента K, в открывающемся окне параметров задается лишь позиционное обозначение сердечника KN, позиционные обозначения всех катушек индуктивности (INDUCTORS) с которыми он связан и коэффициент связи (COUPLING) (см. рис. 3.4., а). Имя модели сердечника при этом не вводится.

б) Магнитосвязанные катушки с нелинейным магнитным сердечником. При описании каждой обмотки Lyyy..., упомянутой в составе сердечника в позиции INDUCTORS, изменяется смысл параметра <значение>. Т.е. численное значение, задаваемое в позиции VALUE окна параметров катушки индуктивности  теперь определяет не индуктивность, а число витков соответствующей обмотки сердечника. В этом случае в позиции MODEL окна параметров сердечника K вводится имя модели нелинейного магнитного сердечника (возможно из открывающегося в этом же окне списка, см. рис. 3.4., б). Модель магнитного сердечника представляет собой вариант модели Джилса-Атертона, в котором безгистерезисная кривая намагниченности ферромагнетика является гиперболической функцией напряженности магнитного поля H (coth).

            

а)                                                                                         б)

Рис. 3.4. Окна задания параметров сердечника: а) — линейного; б— нелинейного

Следовательно, в случае использования нелинейного магнитного сердечника величина, задаваемая в позиции VALUE не может быть выражением, а должна быть целым положительным числом.

Параметры модели магнитного сердечника приведены в табл. 3.4. В SPICE используется подобная модель для LEVEL=2, с тем лишь отличием, что безгистерезисная кривая имеет другую более простую аналитическую зависимость от напряженности магнитного поля H (см. лекции ММЭ).

Таблица 3.4. Параметры модели магнитного сердечника

Обозначение

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

0

MS

Намагниченность насыщения

А/м

400103

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

Основные уравнения для используемого варианта модели Джилса-Аттертона:

N — количество витков выбранной обмотки сердечника

Ma(H) — зависимость безгистерезисной намагниченности от напряженности магнитного поля H (безгистерезисная кривая намагничивания)

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

Следует отметить что расчеты нелинейных магнитных элементов программе MICROCAP-7 осуществляются не в системе СИ. В программе принята следующая система единиц: намагниченность М — [A/м], магнитная индукция B — [Гаусс], напряженность магнитного поля H — [Эрстед]. Расчеты в программе осуществляются по формулам:

Основное дифференциальное уравнение Джилса-Атертона, связывающее изменение намагниченности с величиной напряженности Н и предысторией системы:

;           

;     

См. пример схему CORE3 из каталога COMPONENTS\PASSIVE COMP и ее анализ.

  1.  Трансформатор (Transformer) 

Формат схем МС:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: <индуктивность первичной обмотки>,<индуктивность вторичной обмотки>,коэффициент связи>

В программе МС7 имеется модель идеального двухобмоточного трансформатора без потерь (TRANSFORMER), в качестве параметров которого в позиции VALUE окна задаются значения индуктивностей обмоток и коэффициент связи, например: 0.01uH,0.5uH,.98.

Трансформатор также может быть задан как совокупность магнитосвязанных катушек индуктивности, расположенных на линейном сердечнике (K), см. пункт 3.2.4.

Еще один способ задания трансформатора — в виде схемы–макромодели, содержащей магнитосвязанные индуктивности. Так в программном пакете имеется встроенная модель двухобмоточного трансформатора со средней точкой Component/Analog Primitives/Macros/Centap.

Все 3 способa задания трансформатора в схеме для моделирования иллюстрирует пример TRANSFORMER из каталога COMPONENTS\PASSIVE COMP.

  1.  Линия передачи (Transmission line)

Формат схем МС:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: Z0=<значение> [ТD=<значение>] [F=<значение> [NL=<значение>]] — для идеальной линии передач без потерь;

Атрибут VALUE: LEN=<значение> R=<значение> L=<значение> G=<значение> C=<значение> — для линии передач с потерями;

Атрибут MODEL: [имя модели]

Модель линии передачи характеризуется параметрами, указанными в табл. 3.5., а схема замещения участка длинной линии представлена на рис. 3.5. 

Линия передач без потерь при расчете переходных процессов выполняет роль линии задержки, при расчете частотных характеристик она представляет собой безынерционное звено.

Для линии передач с потерями аналитически рассчитывается комплексный коэффициент передачи линии. Анализ переходных процессов производится с помощью интеграла свертки с импульсной характеристикой линии, которая вычисляется как преобразование Фурье коэффициента передачи (что требует очень больших затрат времени). Примеры моделирования линий передачи без потерь — TLINE_01, TLINE_02, TLINE_03;  линии передачи с потерями — TLINE_L_3. Схемы находятся в каталоге COMPONENTS\PASSIVE COMP.

Рис. 3.5. Схема замещения линии передачи

Таблица 3.5. Параметры модели линии передачи

Обозначение

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. 3.6. Окно задания параметров линии передачи

  1.  Диод (Diode) и стабилитрон (Zener) 

Формат схем МС:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: [Area] [OFF] [IC=<Vd>]

Атрибут MODEL: [имя модели]

Параметр Area задает коэффициент кратности для учета подключения нескольких параллельных диодов (параметры модели диода умножаются или делятся на эту величину). Параметр IC задает начальное напряжение на диоде Vd при расчете переходных процессов, если на панели Transient Analysis Limits выключена опция Operating Point. Включение ключевого слова OFF исключает диод из схемы при проведении первой итерации расчета режима по постоянному току.

Модель диода задается директивой

.MODEL <имя модели> 0[(параметры модели)]

Приведем пример модели диода Д104А:

.model D104A D (IS=5.81Е-12 RS=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)

Математическая модель диода задается параметрами, перечисленными в табл. 3.6.

Таблица 3.6. Параметры модели диода

Обозначение

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

0

Ом

N

Коэффициент эмиссии (неидеальности)

1

ISR

Параметр тока рекомбинации

0

А

NR

Коэффициент эмиссии (неидеальности)для тока ISR

2

IKF

Предельный ток при высоком уровне инжекции

А

TT

Время переноса заряда

0

с

CJO

Барьерная емкость при нулевом смещении

0

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

0

А

NBVL

Коэффициент неидеальности на участке пробоя низкого уровня

1

Таблица 3.6. Параметры модели диода (окончание)

XTI

Температурный коэффициент тока насыщения IS

3

TIKF

Линейный температурный коэффициент IKF

0

C-1 

TBV1

Линейный температурный коэффициент BV

0

C-1

TBV2

Квадратичный температурный коэффициент BV

0

C-1

TRS1

Линейный температурный коэффициент RS

0

C-1

TRS2

Квадратичный температурный коэффициент RS

0

C-2

KF

Коэффициент фликкер-шума

0

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

С уравнениями, по которым производится расчет при моделировании диодов и прочих полупроводниковых приборов при необходимости можно ознакомиться в [4, 6].

      

Рис. 3.7. Окно задания параметров диода                                       Рис. 3.8. Модель диода

Стабилитроны имеют ту же модель, что и диоды. При выборе стабилитрона необходимо обращать внимание на параметр модели BV — напряжение обратного пробоя, фактически оно же и является напряжением стабилизации при обратном включении диода. См. примеры моделирования схемные файлы DIODE & ZENER из каталога COMPONENTS\PASSIVE COMP.

Диоды выбираются с помощью следующих путей в меню COMPONENTS/Analog Primitives/Passive Components/Diode, COMPONENTS/Analog Library/DIODE (далее в подменю нужный тип диода). Стабилитроны — COMPONENTS/Analog Primitives/Passive Components/ZENER,   COMPONENTS/Analog Library/Diode/ZENER.

  1.  Источники сигналов (Waveform sources)
    1.  Независимые источники постоянного напряжения и тока

Источники постоянного напряжения (Battery) или фиксированного смещения для аналоговых цепей (Fixed Analog)

Формат схем МС:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: <значение>

Источники постоянного тока (Isource)

Формат схем МС:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: <значение>

  1.  Источники сигнала, зависящего от времени

Источник импульсного напряжения (Pulse source)

Формат схем МС:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут MODEL: <имя модели>

Параметры модели этого источника задаются по директиве:

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

Параметры модели источника импульсного напряжения приведены в табл. 3.7, а его форма — на рис. 3.9, окно задания параметров — на рис. 3.10. .

Таблица 3.7. Параметры модели источника импульсного сигнала в формате МС7

Обозначение

Параметр

Размерность

Значение по умолчанию

VZERO 

Начальное значение

В

0

VONE

Максимальное значение

В

5

Р1

Начало переднего фронта

с

0

Р2

Начало плоской вершины импульса

с

Р1 + 0,1 нc

РЗ

Конец плоской вершины импульса

с

0,5 мкс

Р4

Момент достижения с уровня VZERO

с

РЗ + 10нс

Р5

Период повторения

с

1 мкс

Примечание. Амплитуда сигнала в режиме АС принимается равной 1 В.

Рис. 3.9. Описание импульсного сигнала в формате МС7

Рис. 3.10. Окно задания параметров импульсного сигнала

Источник синусоидального напряжения (Sine source)

Формат схем МС:

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 приведены в табл. 3.8, а его форма на рис. 3.11, окно задания параметров — на рис 3.12.

Таблица 3.8. Параметры модели источника гармонического сигнала

Обозначение

Параметр

Размерность

Значение по умолчанию

F

Частота

Гц

106 

А

Амплитуда

В

1

DC

Постоянная составляющая

В

0

РН

Начальная фаза

радиан

0

RS

Внутреннее сопротивление

Ом

0,001

RP

Период повторения затухающего сигнала

с

0

TAU

Постоянная времени изменения амплитуды сигнала по экспоненциальному закону

с

0

Примечание. Амплитуда сигнала в режиме АС принимается равной 1 В.

   

Рис. 3.11. Синусоидальный сигнал

Рис. 3.12. Окно задания параметров источника синусоидального напряжения

Независимые источники напряжения и тока (V и I) сложной формы формата SPICE

Независимые источники напряжения (V) и тока (I) позволяют создавать входные воздействия разнообразной формы: импульсные, синусоидальные, экспоненциальные, кусочно-линейные, с частотной модуляцией. Для всех этих сигналов указывается значение постоянной составляющей (DC) — необязательный параметр. Кроме того, при расчете частотных характеристик (режим АС) можно задавать амплитуду и начальную фазу этих сигналов.

Формат схем МС:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: <список параметров>

В <список параметров> вносится та же информация, что по формату SPICE, за исключением имени компонента и номеров узлов его подключения.

Импульсный сигнал (PULSE) задается параметрами, приведенными в табл. 3.9. Обратим внимание, что здесь источник импульсного сигнала напряжения или тока задается другим способом по сравнению с ранее рассмотренным источником импульсного напряжения PULSE.

Ниже также приведен вид окна задания параметров импульсного источника V (I).

Таблица 3.9. Параметры импульсного сигнала независимого источника V или I

Обозначение

Параметр

Размерность

Значение по умолчанию

V1

Начальное значение

В или А

V2

Максимальное значение

В или А

TD

Начало переднего фронта

с

0

TR

Длительность переднего фронта

с

TSTEP*

TF

Длительность заднего фронта

с

TSTEP*

PW

Длительность плоской части импульса

с

TSTOP"

PER

Период повторения

с

TSTOP**

* TSTEP - шаг вывода на печать.

** TSTOP - конечное время анализа переходного процесса (параметры TSTEP и TSTOP задаются в директиве TRAN).

Рис. 3.13. Окно задания параметров независимого источника V (I) импульсного сигнала (PULSE)

Синусоидальный сигнал (SIN) описывается выражением:

Его параметры приведены в табл. 3.10., а окно параметров с выведенным в нем графиком – на рис. 3.14. Пример задания и график в режиме TRANSIENT — в схемном файле WAVEFORM_V_SIN из каталога COMPONENTS\SOURCES_ИСТОЧНИКИ.

Таблица 3.10. Параметры гармонического сигнала независимого источника V(или I)

Обозначение

Параметр

Размерность

Значение по умолчанию

V0 

Постоянная составляющая

В или А

VA 

Амплитуда

В или А

F

Частота

Гц

1/TSTOP

TD

Задержка

с

0

DF

Коэффициент затухания

1/с

0

PH

Фаза

град.

0

Рис. 3.14. Окно задания параметров независимого источника V (I) гармонического сигнала (SIN)

Экспоненциальная функция (ЕХР) описывается выражением (рис. 3.15):

Рис. 3.15. Экспоненциальная функция

Назначение ее параметров объясняется в табл. 3.11, окно ввода параметров представлено на рис. 3.16, пример задания и график в режиме TRANSIENT — в схемном файле WAVEFORM_V_EXP из каталога COMPONENTS\SOURCES_ИСТОЧНИКИ.

Таблица 3.11. Параметры независимого источника (V или I) экспоненциального сигнала

Обозначение

Параметр

Размерность

Значение по умолчанию

V1

Начальное значение

В или А

V2

Максимальное значение

В или А

TD1

Начало переднего фронта

с

0

TC1

Постоянная времени переднего фронта

с

TSTEP *

TD2

Начало заднего фронта

с

td+ TSTEP

TC2

Постоянная времени заднего фронта

с

TSTEP

* TSTEP — шаг по времени вывода на печать результатов расчетов переходных процессов (задается в директиве TRAN).

Рис. 3.16. Окно задания параметров независимого источника V (I) экспоненциального сигнала (EXP)

Синусоидальная функция с частотной модуляцией (SFFM) описывается выражением:

.

Ее параметры приведены в табл. 3.12.

Таблица 3.12. Параметры независимого источника (V или I) гармонического сигнала c частотной модуляцией

Обозначение

Параметр

Размерность

Значение по умолчанию

V0

Постоянная составляющая

В или А

VA 

Амплитуда

В или А

F0

Частота несущей

ГЦ

1/TSТОР

MI 

Индекс частотной модуляции

0

FM 

Частота модуляции

Гц

1/TSТОР

Ниже приведено окно задания параметров независимого синусоидального источника тока с возможной частотной модуляцией.

Рис. 3.17. Окно задания параметров независимого источника V (I) синусоидального сигнала с частотной модуляцией (SFFM)

Кусочно-линейный сигнал (PWL) задается координатами точек излома (Ti, Vi), см. окно задания его параметров с выведенным графиком на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Окно задания независимого источника сигнала в виде кусочно-линейной функции

Источник напряжения, задаваемый пользователем (User source)

Формат схем МС:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут FILE: <имя файла>

Атрибут EXPRESSION: [<текстовое выражение>]

Пользователь имеет возможность задать источник напряжения произвольной формы. Отсчеты 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 (на что потребуется значительное время) или образован путем сохранения одного или нескольких сигналов, полученных в результате расчета переходных процессов. На рисунке, приведенном ниже, показано окно задания параметров пользовательского источника. Текстовый файл с расширением *.usr должен быть создан заранее путем сохранения кривой переходного процесса расчета другой схемы. Для этого после получения графиков переходных процессов двойным щелчком левой клавиши вызывается диалоговое окно Properties, в нем выбирается закладка Save Curves и выбирается график, который мы хотим взять как пользовательский сигнал, затем нажимается кнопка SAVE.

В окне задания параметров пользовательского источника в позиции EXPRESSION необходимо в этом случае указать какая именно зависимость будет использована в качестве источника (в примере это зависимость напряжения V(2) от времени — V(2) vs T), а в позиции FILE имя и путь сохраненного *.USR файла (Можно воспользоваться кнопкой BROWSE).

Отметим, что если во время сохранения кривой переходного процесса название сохраняемой зависимости поменять на LABEL vs T, то позицию EXPRESSION в окне задания параметров можно не заполнять.

Рис. 3.19. Окно задания параметров пользовательского источника

Отметим что задание и работу всех рассмотренных в разделе 3.3 независимых источников иллюстрируют примеры WAVEFORM SOURCES.CIR, MEANDR_EXP_RC.CIR, WAVEFORM_V.CIR из каталога COMPONENTS\SOURCES_ИСТОЧНИКИ.

  1.  Линейные и нелинейные зависимые источники 
    1.  Зависимые источники линейные и полиномиальные (Dependent Sources)

Линейные зависимые источники

Формат схем:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: <коэффициент передачи>

В программе МС7 имеется четыре линейных зависимых источника напряжения и тока:

VofV — источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН);

Vofl — источник напряжения, управляемый током (ИНУТ);

lofV — источник тока, управляемый напряжением (ИТУН).

lofl — источник тока, управляемый током (ИТУТ);

Все они задаются единственным параметром — коэффициентом передачи.

Полиномиальные  зависимые источники

В программе МС7 имеется четыре полиномиальных зависимых источника напряжения и тока:

EVofV — источник напряжения, управляемый напряжениями;

HVofl — источник напряжения, управляемый токами;

GlofV — источник тока, управляемый напряжениями.

Flofl — источник тока, управляемый токами;

Формат схем МС7:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE:

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

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

При наличии ключевого слова POLY управляемый источник Y = Y(Х1, Х2,…, XN) описывается полиномиальной функцией (здесь показан случай для трех переменных):

Здесь , ,  — управляющие переменные. Они могут быть токами или разностью потенциалов; одновременное управление током и разностью потенциалов не допускается.

Если управляющие переменные — напряжения, то сразу после ключевого слова POLY, попарно указывается список узлов: <номер (или обозначение) положительного узла первого напряжения>  <номер (или обозначение) отрицательного узла первого напряжения> ….

Если управляющие переменные — токи, то после ключевого слова POLY указывается список источников ЭДС, через которые протекают управляющие токи. Если таковых в схеме нет, то необходимо ввести в соответствующие ветви нулевые источники ЭДС.

Все коэффициенты полинома вводить не обязательно, но вводить их необходимо подряд без пропусков.

Примеры задания и анализа зависимых линейных и полиномиальных источников приведены в схемных файлах DEPENDENT SOURCES, DEPENDENT SOURCES_POLY из каталога COMPONENTS\SOURCES_ИСТОЧНИКИ.

  1.  Линейные управляемые источники, задаваемые преобразованиями Лапласа (Laplace Sources) и Z-преобразованиями (Z Transform Sources)

Линейные четырехполюсники могут задаваться передаточными функциями с помощью управляемых источников. Имена таких источников начинаются с символа L (Laplace Sources) или Z (Z Transform Sources). Передаточные функции задаются с помощью формул — тогда после символа L указывается F — или табличной зависимостью — добавляется символ Т (для Laplace Sources). Например, LFVofV означает задаваемый формулой передаточной функции источник напряжения, управляемый напряжением. Эти источники используются не только при расчете частотных характеристик, но и проведении всех остальных видов анализа.

Laplace Sources

Формат схем МС7:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут LAPLACE для источников LFIofl,  LFIofV,  LFVofV, LFVofl: <выражение>

Атрибут FREQ для источников LTIofl, LTIofV, LTVofV, LTVofl:

<<частота>,<модуль>,<фаза>>*

Атрибут KEYWORD: [[DB | MAG] [DEG | RAD]] | [R_l]

Входящие в эти определения ключевые слова означают следующее:

DB — модуль передаточной функции задается в децибелах (по умолчанию);

MAG — модуль передаточной функции задается в абсолютных единицах;

DEG — фаза передаточной функции в градусах (по умолчанию);

RAD — фаза передаточной функции в радианах;

R_I — таблица содержит действительные и мнимые части передаточной функции.

Для источников типа LFIofV, LFIofl, LFVofV и LFVofl в качестве параметра задается формула передаточной функции комплексной переменной S. Например:

1/(1+.001*S+1E-8*S*S)

При расчете частотных характеристик (режим АС) переменная S заменяется на 2jF. При расчете режима по постоянному току (режим DC) полагается S=0. При расчете переходных процессов (режим Transient analysis) отыскивается импульсная переходная характеристика четырехполюсника путем обратного преобразования Фурье его передаточной функции, затем путем свертки импульсной характеристики с входным сигналом отыскивается выходное колебание.

Для источников типа LTIofV, LTIofl, LTVofV и LTVofl задается таблица передаточной функции. Частота задается в герцах, модуль передаточной функции в децибелах или абсолютных единицах, фаза в градусах или радианах. При указании ключевого слова R_I вместо модуля и фазы передаточной функции задаются значения ее действительной и мнимой части. Значения передаточной функции указываются в порядке возрастания частоты. Для расчета передаточной функции между опорными точками применяется линейная интерполяция в логарифмическом масштабе. Значения передаточной функции вне заданного диапазона частот полагаются равными их значениям в крайних точках.

Примеры использования лапласовых зависимых источников см. в схемных файлах: LAPLACE SOURCE_01,  LAPLACE SOURCE_05 из каталога COMPONENTS\SOURCES_ИСТОЧНИКИ.

Z Transform Sources

Формат схем МС7:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут ZEXP: <выражение для z-прео6разования>

Атрибут CLOCK FREQUENCY: <частота дискретизации для z-преобразования>

Рис. 3.20. Задание источника Z-TRANSFORM

Например, цифровой фильтр с передаточной функцией

задается с помощью управляемого источника Е1. При схемном вводе атрибуту ZEXP присваивается значение в виде переменной ZFILTER, которая в свою очередь определяется с помощью директивы .DEFINE:

.DEFINE ZFILTER .10285*(Z+1)*(Z* Z-.070621*Z+1)/((Z-.55889)*(Z* Z-1.1579*Z+.76494))

Частота дискретизации 24 кГц задается с помощью атрибута CLOCK FREQUENCY=24k.

Примеры моделирования цифровых фильтров приведены в схемных файлах                   Z-TRANSFORM SOURCE_01… Z-TRANSFORM SOURCE_04 из каталога COMPONENTS\SOURCES_ИСТОЧНИКИ.

  1.  Функциональные источники сигналов (Function Sources)

Управляемые источники Function sources, имена которых начинаются с N, задаются функциональными зависимостями во временной области.

Формат схем МС7:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE для источников NFV и NFI: <формула>

Атрибут TABLE для источников NTIofl, NTIofV, NTVofV, NTVofl: (<x2>,<y2>) ... (<xk>,<yk>)

Нелинейные зависимые источники напряжения NFV и тока NFI описываются произвольной функциональной зависимостью от напряжений и токов схемы, например:

10*Sin(2*PI*1E6*T)*V(3)*l(L1)*EXP(-V(IN)/100ns)

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

Зависимые источники NTVofl, NTIofl, NTIofV и NTVofV задаются таблицей зависимостей значений выходного сигнала Yk  от значений входного сигнала Xk. Значения отсчетов выходного сигнала Y указываются в порядке возрастания аргумента X. Для расчета выходного сигнала между опорными точками применяется линейная интерполяция. Значения сигнала Y вне заданного диапазона изменения аргумента полагаются равными их значениям в крайних точках.

Приведем пример: (-.01,-10) (.01,10)

Для источника NTVofl выходной сигнал — ЭДС источника, аргумент — ток входной ветви. Для источника NTIofl выходной сигнал — ток источника, аргумент — ток входной ветви. Для источника NTIofV выходной сигнал — ток источника, аргумент — напряжения на входных зажимах. Для источника NTVofV выходной сигнал — ЭДС источника, аргумент — напряжение на входных зажимах.

Примеры определения и использования функциональных источников приведены в схемных файлах FUNCTION SOURCE_01…FUNCTION SOURCE_03, FUNCTION (TABLE) SOURCE из каталога COMPONENTS\SOURCES_ИСТОЧНИКИ.

  1.  Смесь (Miscellaneous) 

В раздел Miscellaneous (Смесь) помещены ключи, стрелки и контакты.

  1.  Ключ (Switch) 

Формат схем МС7:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: <[V | Т | I] <n1, n2>[,Ron>[,<Roff>]]

При расчете переходных процессов используются ключи, управляемые разностью потенциалов, током (через индуктивность) и коммутируемые в определенные моменты времени. Это наиболее старый вид ключей, применяемых в ранних версиях программы МС. В последней версии используются также ключи типа S и W (см. ниже), имеющие более плавный переход между состояниями "включено" и "выключено". В ключах SWITCH приняты обозначения:

V — управление разностью потенциалов;

I — управление током;

Т — переключение в определенные моменты времени;

n1, n2— значения управляющей величины, при которых происходят переключения;

Ron, Roff — сопротивления ключа в замкнутом и разомкнутом состояниях.

Если n1<n2, то ключ замкнут (находится в состоянии ON) при управляющем сигнале n1<Х<n2 и разомкнут (находится в состоянии OFF), когда Х<n1 или Х>n2.

Если же n1>n2, то ключ разомкнут (OFF) при управляющем сигнале n1>Х>n2 и замкнут (OFF), когда Х>n1 или Х<n2.

Для ключей типа V управляющий сигнал X представляет собой разность потенциалов между управляющими выводами ключа.

Для ключей типа I управляющий сигнал X представляет собой ток через индуктивность, включенную между управляющими выводами ключа.

Для ключей типа Т управляющий сигнал X представляет время, при этом управляющие выводы ключа должны быть заземлены.

При выполнении расчетов частотных характеристик или режима по постоянному току ключ заменяется постоянным сопротивлением.

Приведем примеры спецификации ключей: V,2,3   l,2ma,3ma,0.01,1MEG    Т, 5us, 6us.

Примеры всех указанных видов ключей Switch и графики переходных процессов с их участием в схемном файле SWITCH_01 из каталога COMPONENTS\MISC.

  1.  Ключ, управляемый напряжением (S) 

Формат схем МС:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут MODEL: <имя модели>

Параметры ключа задаются по директиве

.MODEL <имя модели> VSWITCH (VON=<значение> VOFF=<значение> RON=<значение> ROFF=<значение>)

Параметры модели ключа, управляемого напряжением, приведены в табл. 3.13.

Если VON>VOFF, то ключ замкнут при управляющем напряжении Vynp>VON и разомкнут при Vyпp<VOFF. На интервале VOFF<Vynp <VON сопротивление ключа плавно изменяется от значения ROFF до RON.

Если VON<VOFF, то ключ замкнут при Vyпp <VON и разомкнут при Vупр>VOFF.

Таблица 3. 13. Параметры модели ключа

Обозначение

Параметр

Размерность

Значение по умолчанию

VON

Напряжение замыкания ключа

В

1

VOFF

Напряжение размыкания ключа

В

0

RON

Сопротивление замкнутого ключа

Ом

1

ROFF

Сопротивление разомкнутого ключа

Ом

106 

  1.  

Ключ, управляемый током (W) 

Формат схем МС:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут REF: <имя источника тока, управляющего ключом>

Атрибут MODEL: <имя модели>

Параметры ключа задаются по директиве

.MODEL <имя модели> ISWITCH (ON=<значение> IOFF=<значение> RON=<значение> ROFF=<значение>)

Смысл этих параметров такой же, как для ключа, управляемого напряжением, только параметр ION по умолчанию равен 1 мА.

Примеры моделирования ключей, управляемых напряжением (S) и током (W) приведены в схемном файле SWITCH_02 из каталога COMPONENTS\MISC.

  1.  Устройство выборки-хранения Sample and Hold

Атрибут PART: <имя>

Атрибут INPUT EXPRESSION: <функция>

Атрибут SAMPLE EXPRESSION: [<логическое выражение>]

Атрибут PERIOD: <значение>

Устройство выборки хранения представляет собой аналоговое запоминающее устройство, которое запоминает аналоговый сигнал в заданные моменты времени и хранит это значение в течение определенного времени, равного периоду дискретизации.

В поле атрибута INPUT EXPRESSION вносится функция напряжений, токов и (возможно) времени, которая будет обрабатываться устройством выборки-хранения.

В поле атрибута SAMPLE EXPRESSION вносится логическое выражение, при выполнении которого (истинности значения), устройство осуществляет отслеживание входной функции (повторяет во времени функцию, заданную в поле INPUT EXPRESSION). При невыполнении этого логического выражения, на выходе устройства — значение, запомненное в момент времени перехода логического выражения из истинного в ложное состояние. Таким образом, при задании поля SAMPLE EXPRESSION момент перехода логического выражения из ложного в истинное — это поступление команды на выборку (слежение) за входной функцией; а момент перехода из истинного в ложное — это поступление команды на хранение. В этом случае значение, указанное в поле PERIOD игнорируется.

В поле атрибута PERIOD указывается интервал времени, через который будут производиться выборки сигнала. На это же время происходит и запоминание выборки. Значение этого атрибута принимается во внимание при анализе, если поле атрибута SAMPLE EXPRESSION не заполнено. Примеры работы устройства выборки-хранения см. в схемных файлах SAMPLE AND HOLD_01… SAMPLE AND HOLD_04  из каталога COMPONENTS\MISC.

  1.  Стрелки (Arrow) и контакты (Bubble)

Если в графе Definition редактора компонентов Component Editor (разд. 2.3) выбран тип Blank (пустой), то компонент такого типа не имеет электрических свойств, не участвует в моделировании и предназначен лишь для нанесения на схему дополнительной информации. К таким компонентам относится Arrow — стрелка, указывающая, в частности, направление тока, и Bubble — контакт, помеченный текстовой меткой.

  1.  Активные компоненты (Active components)

В программе МС7 используются в большинстве случаев (за исключением модели нелинейного магнитного сердечника) те же математические модели полупроводниковых приборов, что и  программа PSpice [4]. При необходимости полную информацию по моделям активных приборов (включая и формулы по которым производится расчет при моделировании), можно взять из [4] (на русском языке) и из [6] (на английском языке, есть файл в формате pdf). Появился также фрагмент перевода на русский [6], касающийся моделей активных приборов.

  1.  Биполярный транзистор (Bipolar transistor — BJT)

Формат схем МС7:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: [Area] [OFF] [IC=<Vbe>[,Vce]]

Атрибут MODEL: [имя модели]

Модели биполярных транзисторов задаются в виде

.MODEL <имя модели> NPN [(параметры модели)]

.MODEL <имя модели> PNP [(параметры модели)]

Параметр Area задает коэффициент кратности для учета подключения нескольких параллельных транзисторов (параметры модели транзистора умножаются или делятся на эту величину). Параметр IC (Initial Conditions) задает начальное напряжение база-эмиттер Vbe и коллектор-эмиттер Vсе при расчете переходных процессов, если на панели Transient Analysis Limits выключена опция Operating Point. Включение ключевого слова OFF исключает транзистор из схемы при проведении первой итерации расчета режима по постоянному току.

В программе МС7 используется схема замещения биполярного транзистора в виде модели Гуммеля-Пуна, которая автоматически упрощается до более простой модели Эберса-Молла, если опустить некоторые параметры. Список параметров полной математической модели биполярного транзистора приведен в табл. 3.14.

Таблица 3.14. Параметры модели биполярного транзистора

Имя параметра

Параметр

Значение по умолчанию

Единица измерения

IS

Ток насыщения при температуре 27°С

1E-16

А

BF

Максимальный коэффициент усиления тока в нормальном режиме в схеме с ОЭ (без учета токов утечки)

100

BR

Максимальный коэффициент усиления тока в инверсном режиме в схеме с ОЭ

1

NF

Коэффициент эмиссии (неидеальности) для нормального режима

1

NR

Коэффициент эмиссии (неидеальности) для  инверсного режима

1

ISE*

Ток насыщения утечки перехода база-эмиттер

0

А

ISC*

Ток насыщения утечки перехода база-коллектор

0

А

ISS

Ток насыщения p-n перехода подложки

0

А

NS

Коэффициент эмиссии тока p-n-перехода подложки

IKF*

Ток начала спада зависимости BF oт тока коллектора в нормальном режиме

А

IKR*

Ток начала спада зависимости BR от тока эмиттера в инверсном режиме

А

NE*

Коэффициент эмиссии тока утечки эмиттерного  перехода

1,5

NC*

Коэффициент эмиссии тока утечки коллекторного перехода

2

NK

Коэффициент перегиба при больших токах

0.5

VAF

Напряжение Эрли в нормальном режиме

В

VAR*

Напряжение Эрли в инверсном режиме

В

RC

Объемное сопротивление коллектора

0

Ом

RE

Объемное сопротивление эмиттера

0

Ом

RB

Объемное сопротивление базы (максимальное) при нулевом смещении перехода база-эмиттер

0

Ом

RBM*

Минимальное сопротивление базы при больших токах

RB

Ом

IRB*

Ток базы, при котором сопротивление базы уменьшается на 50% полного перепада между RB и RBM

А

TF

Время переноса заряда через базу в нормальном режиме

0

с

TR

Время переноса заряда через базу в инверсном режиме

0

с

XTF

Коэффициент, определяющий зависимость TF от смещения база-коллектор

0

VTF

Напряжение, характеризующее зависимость TF от смещения база-коллектор

В

ITF

Ток, характеризующий зависимость ТF от тока коллектора при больших токах

0

А

PTF

Дополнительный фазовый сдвиг на граничной частоте транзистора

0

град.

CJE

Емкость эмитгерного перехода при нулевом смещении

0

пФ

VJE (РЕ)

Контактная разность потенциалов перехода база-эмиттер

0,75

В

MJE (ME)

Коэффициент, учитывающий плавность эмиттерного перехода

0,33

CJC

Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении

0

Ф

VJC (PC)

Контактная разность потенциалов перехода база-коллектор

0,75

В

MJC(MC)

Коэффициент, учитывающий плавность коллекторного перехода

0,33

CJS (CCS)

Емкость перехода коллектор-подложка при нулевом смещении

0

Ф

VJS (PS)

Контактная разность потенциалов перехода коллектор-подложка

0,75

В

MJS (MS)

Коэффициент, учитывающий плавность перехода коллектор-подложка

0

XCJC

Коэффициент расщепления барьерной емкости база-коллектор по отношению к внутренней базе

1

~

FC

Коэффициент нелинейности барьерных емкостей прямосмещенных переходов

0,5

EG

Ширина запрещенной зоны

1,11

эВ

XTB

Температурный коэффициент BF и ВR

0

XTI(PT)

Температурный экспоненциальный коэффициент для тока IS

3

TRE1

Линейный температурный коэффициент RE

0

C-1

TRE2

Квадратичный температурный коэффициент RЕ

0

C-2

TRB1

Линейный температурный коэффициент RВ

0

C-1

TRB2

Квадратичный температурный коэффициент RB

0

C-2

TRM1

Линейный температурный коэффициент RВМ

0

C-1

TRM2

Квадратичный температурный коэффициент RВМ

0

C-2

TRC1

Линейный температурный коэффициент RС

0

C-1

TRC2

Квадратичный температурный коэффициент RС

0

C-2

KF

Коэффициент, определяющий спектральную плотность фликкер-шума

0

AF

Показатель степени, определяющий зависимость спектральной плотности фликкер-шума от тока через переход

1

T_MEASURED

Температура измерений

°С

T_ABS

Абсолютная температура

°С

T_REL_GLOBAL

Относительная температура

°C

T_REL_LOCAL

Разность между температурой транзистора и модели-прототипа

°C

* Для модели Гуммеля-Пуна.

Рис. 3.21. Модель биполярного транзистора

  1.  Арсенид-галлиевый полевой транзистор (GaAsFET)

Формат схем МС7:

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: [Area] [OFF] [IC=<Vds>[,Vgs]]

Атрибут MODEL: [имя модели]

Параметр Area задает коэффициент кратности для учета подключения нескольких параллельных транзисторов (параметры модели транзистора умножаются или делятся на эту величину). Параметр IC (Initial Conditions) задает начальное напряжение сток-исток Vds и затвор-сток Vgs при расчете переходных процессов, если на панели Transient Analysis Limits выключена опция Operating Point. Включение ключевого слова OFF исключает транзистор из схемы при проведении первой итерации расчета режима по постоянному току.

Модель арсенид-галлиевого полевого транзистора задается в виде:

.MODEL <имя модели>GASFET [(параметры модели)]

Арсенид-галлиевые полевые транзисторы (GaAsFET) являются приборами с каналом n-типа и имеют три модели, предложенные Куртисом (Curtice), Рэйтеоном (Raytheon) и TriQuint модель. Модель Куртиса дает удовлетворительные результаты лишь при расчете статического режима. Остальные модели отражают и динамические характеристики арсенид-галлиевого транзистора. Параметры трех математических моделей приведены в табл. 3.15.

Таблица 3.15.  Параметры модели арсенид-галлиевого транзистора

Обозначение

Параметр

Значение по умолчанию

Единица измерения

LEVEL

Тип модели: 1 — модель Куртиса, 2 — модель Рэйтеона, 3 — модель TriQuint

1

VTO

Барьерный потенциал перехода Шоттки или пороговое напряжение

-2,5

В

ALPHA

Коэффициент для напряжения насыщения тока стока

2,0

1/В

В

Параметр легирования (Level=2)

0,3

1/В

BETA

Удельная крутизна (удельная передаточная проводимость)

0,1

А/В2 

LAMBDA

Параметр модуляции длины канала

0

1/В

GAMMA

Параметр статической обратной связи (для Level=3)

0

DELTA

Параметр выходной обратной связи (для Level=3)

0

В)-1 

Q

Показатель степени (для Level=3)

2

RG

Объемное сопротивление области затвора

0

Ом

RD

Объемное сопротивление области стока

0

Ом

RS

Объемное сопротивление области истока

0

Ом

CGD

Емкость затвор-сток при нулевом смещении

0

Ф

CGS

Емкость затвор-исток при нулевом смещении

0

Ф

CDS

Емкость сток-исток фиксированная

0

Ф

IS

Ток насыщения р-n-перехода затвор-канал

1E-14

А

M

Коэффициент плавности p-n-перехода затвора

0,5

N

Коэффициент эмиссии p-n-перехода затвор-канал

1

FC

Коэффициент нелинейности барьерной емкости прямосмещенн