Izydorczyk J - Komputerowa symulacja układów elektronicznych.pdf - Elektronika - tomek9298

SPIS TRE ´ CI

1. PIERWSZE KROKI .............................................. 1

1.1. Komputerowa analiza układów elektronicznych. ................... 1

1.2. Prosty obwód. ........................................... 2

1.3. Organizacja danych wej´ciowych. ............................. 5

1.4. Podstawowe typy elementów ................................ 6

11.4.1. Opornik. ......................................... 6

1.4.2. Kondensator ....................................... 6

1.4.3. Indukcyjno´´ ...................................... 7

1.4.4. Indukcyjno´ci sprz˛˙one .............................. 7

1.4.5. Bezstratna linia długa ................................ 7

1.4.6. Niezale˙ne ´ródła napi˛ciaipr˛du ....................... 9

1.4.7. ´ ródła sterowane napi˛ciem ............................ 9

1.4.8. Z ´ ródła sterowane pra˛dem .............................. 9

1.5. Warto´ci elementów ...................................... 10

1.6. Uwagi o metodzie analizy obwodu ............................ 11

1.6.1. Metoda potencjałóww˛złowych ......................... 11

1.6.2. Zmodyfikowana metoda potencjałóww˛złowych ............. 15

2. ANALIZA STAŁOPR ˛ DOWA ...................................... 19

2.1. Statyczny punkt pracy układu. ............................... 19

2.2. Charakterystyki statyczne. .................................. 20

2.3. Zbie˙no´´ oblicze´ ....................................... 22

2.3.1. Algorytm Newton–a Raphson–a. ......................... 25

2.3.3. Parametryzacja ´ródeł ................................ 30

2.4. Transmitancje stałopr˛dowe. ................................. 32

2.4.1. Instrukcja .TF — obliczanie transmitancji .................. 33

2.4.2. Inny sposób obliczania transmitancji stałopr˛dowej ............ 34

2.5.

Wra˙liwo´ci ............................................ 36

2.5.1. Format instrukcji .................................... 36

2.5.2. Projektowanie przetwornika C/A ......................... 36

2.5.3. Analiza Monte Carlo ................................. 40

3. ANALIZA ZMIENNOPR ˛ DOWA ................................... 45

3.1. Analiza w dziedzinie cz˛stotliwo´ci ............................ 45

3.1.1. Wymuszenia. ...................................... 46

3.1.2. Modele elementów nieliniowych ......................... 46

3.1.3. Wzmacniacz oporowy ................................ 48

3.1.4. Instrukcje wyprowadzania danych ........................ 52

3.2.

Analiza szumów. ......................................... 62

3.2.1. Modele szumowe elementów ........................... 63

3.2.2. Instrukcja analizy szumów ............................. 65

3.2.3. Szumy wtórnika napi˛cia — instrukcje .INC, .SUBCKT, .ENDS. . . 66

4. ANALIZA STANÓW NIEUSTALONYCH ............................. 71

4.1. Instrukcja analizy stanów nieustalonych ......................... 72

4.1.1. Wymuszenia ....................................... 73

4.1.2. Klucze ........................................... 77

4.1.3. Linia długa........................................ 79

4.1.4. Sterowanie procesem całkowania ........................ 83

4.2. Układy niestacjonarne ..................................... 86

4.2.1. Idea realizacji elementów o zmiennych w czasie parametrach ..... 86

4.2.2. Nieliniowe ´ródła sterowane ............................ 88

4.2.3. Biblioteka elementów o wartos´ciach zalez˙nych od czasu. ........ 91

4.3. Analiza zniekształcen´ nieliniowych. ............................ 94

4.4. Zastosowanie programu PSpice do problemów nieelektrycznych. ....... 99

4.4.1. Atraktor Lorentza ...................................99

4.4.2. Cza˛stka amoniaku ...................................102

5.ELEMENTY PASYWNE — MODELE ................................111

5.1. Jeszcze raz deklaracja modelu. ...............................111

5.2. Model opornika. .........................................112

5.3. Model kondensatora. ......................................114

5.4. Model cewki magnetycznej. .................................115

5.5. Model kluczy sterowanych. .................................116

5.6. Model nieliniowego rdzenia magnetycznego. .....................116

5.6.1. Model materiału rdzenia. ..............................118

5.6.2. Wyznaczanie parametrów materiału magnetycznego. ...........119

5.6.3. Uwagi na temat obliczania parametrów materiałów magnetycznie

mi˛kkich. .........................................125

6.ELEMENTY PÓŁPRZEWODNIKOWE ................................127

6.1. Dioda półprzewodnikowa. ..................................127

6.1.1. Deklaracja diody półprzewodnikowej. .....................127

6.1.2. Model diody półprzewodnikowej. ........................129

6.1.3. Wływ temperatury na charakterystyki diody. ................134

6.1.4. Model małosygnałowy i model szumowy diody. ..............137

6.2. Tranzystor bipolarny. ......................................138

6.2.1. Deklaracja tranzystora bipolarnego. .......................138

6.2.2. Charakterystyka statyczna tranzystora bipolarnego.............139

6.2.3. Pojemno´ci. .......................................143

6.2.5. Model małosygnałowy i model szumowy. ..................150

6.3. Tranzystor polowy, zł˛czowy (JFET). ..........................155

6.3.1. Deklaracja w strukturze obwodu tranzystora polowego, zł˛-

czowego. .........................................156

6.3.2. Model standardowego (Si) tranzystora polowego, zł˛czowego. ....156

6.3.3. Model tranzystora polowego, zł˛czowego GaAs ..............159

6.3.4. Model małosygnałowy i model szumowy. ..................163

6.4.

Tranzystor polowy z izolowan˛ bramk˛ (MOS). ...................164

6.4.1. Deklaracja tranzystora MOS w strukturze obwodu. ............165

6.4.2. Model Shichman–a Hodges–a (LEVEL=1). .................166

6.4.3. Model Meyer–a (LEVEL=2). ...........................174

6.4.4. Model Dang–a (LEVEL=3). ............................184

6.4.5. Oporno´ci omowe. ..................................190

6.4.6. Komentarz. ........................................190

6.4.7. Model małosygnałowy i szumowy. .......................191

Dodatek A — Instrukcje i deklaracje. ...................................194

Dodatek B — Deklaracje elementów. ...................................207

Dodatek C — Konfiguracja programu Probe. .............................215

Dodatek D — Probe — wyra˙enia .....................................217

LITERATURA ....................................................219

INDEKS ........................................................222

Podró˙e kształc˛ . Ale bajki kształc˛ w stopniu znacznie wi˛kszym.

Wszystko to, co mówił Nadmakaron, Wielki Bajarz wymy´lił o wiele

wcze´niej, a doktor Paj-Chi-Wo opowiadał mi pi˛´dziesi˛ t lat temu.

Jan Brzechwa, „Podró˙e Pana Kleksa”

1. PIERWSZE KROKI

Prace nad komputerow˛ analiz˛ układów elektronicznych prowadzone w połowie lat

siedemdziesi˛tych w zespole dr Nagel–a [24] w University of California zaowocowały w

postaci programu SPICE2 słu˙˛cego do symulacji układów elektronicznych. Sponsorem prac

był rz˛d Stanów Zjednoczonych, st˛d wynik — program SPICE2 — jest programem public

domain tzn. z jego kodu ´ródłowego mo˙e korzysta´ swobodnie ka˙dy obywatel Stanów

Zjednoczonych. Program ten w bardzo krótkim czasie stał si˛ nieformalnym standardem

w´ród programów do analizy obwodów elektronicznych. Pojawiło si˛ tak˙e wiele wersji

komercjalnych opracowanych na podstawie programu SPICE2. Jedn˛ z nich jest program

PSpice firmy MicroSim.

1.1. Komputerowa analiza układów elektronicznych

Wczesne lata siedemdziesi˛te były pocz˛tkiem burzliwego rozwoju technologii

wytwarzania scalonych układów elektronicznych. Ze wzgl˛du na wysoki koszt opracowania

masek, układ scalony musi by´ jak najdokładniej sprawdzony nim przyst˛pi si˛ do produkcji

masowej. Badania wykonywane na prototypie w tym wypadku nie mog˛ by´ zastosowane z

nast˛puj˛cych powodów:

Koszt wykonania jednego kompletu masek prototypu, w przypadku badan´na

prototypowym układzie scalonym, jest porównywalny z kosztem produkcji całego

układu 1 .

Model układu wykonany w oparciu o elementy dyskretne z reguły nie oddaje

zachowania układu scalonego. Powodem tego s˛ efekty fizyczne charakterystyczne

tylko dla układów scalonych.

1 Na koszt wytworzenia pojedynczego układu scalonego składa si˛ głównie koszt projektu

układu, koszt projektu masek i koszt testowania układu. Koszty u˙ytych materiałów s˛

znacznie mniejsze.

Pierwsze kroki

W rezultacie pozostaje symulacja komputerowa. Pozwala ona na sprawdzenie układu

stosunkowo niskim kosztem, zanim jeszcze zostanie zrealizowany. Dlatego te˙ pocz˛tek lat

siedemdziesi˛tych to okres intensywnych prac nad komputerow˛ analiz˛ układów elektronicz-

nych. Powstał wtedy program CANCER [23], a nast˛pnie program SPICE2 (ang. Simulation

Program with Integrated Circuits Emphasis — symulator układów scalonych) przeznaczony

do analizy układów elektronicznych zrealizowanych w postaci scalonej. Wygoda u˙ytkowania

oraz wyj˛tkowa wiarygodno´´ i dokładno´´ oblicze´ spowodowały, ˙e SPICE2 stał si˛

wzorcem programu przeznaczonego do analizy obwodów i obecnie jest u˙ytkowany tak˙e

przy projektowaniu układówzło˙onych z elementów dyskretnych.

1.2. Prosty obwód

U˙ytkowanie programu PSpice na komputerze IBM PC 2

wymaga nast˛puj˛cych

umiej˛tno´ci:

Umiej˛tno´ci posługiwania si˛ edytorem tekstu w celu utworzenia i edycji zbioru z

danymi wej´ciowymi. Zbiór taki zawiera opis obwodu w specyficznym j˛zyku

symulacyjnym oraz zestaw instrukcji steruj˛cych procesem analizy obwodu.

Umiej˛tno´ci uruchomienia programu PSpice i przekazania mu informacji gdzie

znajduj˛ si˛ dane wej´ciowe i gdzie powinien umie´ci´ wyniki analizy (dane

wyj´ciowe).

Umiej˛tno´ci wy´wietlenia wyników analizy (danych wyj´ciowych). Najwygodniej

posłu˙y´ si˛ w tym celu tym samym edytorem tekstu, którego u˙ywano do utworzenia

zbioru z danymi wej´ciowymi.

Autor s˛dzi, ˙e Czytelnik jest w stanie opanowa´ te czynno´ci samodzielnie. W razie

trudno´ci mo˙na si˛ odwoła´ do dowolnego podr˛cznika opisuj˛cego system operacyjny

MS–DOS np. [13].

Przykład:

Rozwa˙my prosty obwód elektroniczny przedstawiony na Rys. 1. Dane wej´ciowe dla

programu PSpice, opisuj˛ce ten obwód maj˛ posta´:

PROSTY OBWOD

V1 1 0 10V

;´ródło napi˛cia

R1 1 2 5KOHM

;opornik R1=5k

R2 2 0 10KOHM

;opornik R2=10k

.END

;koniec danych

Tekst, który znajduje si˛ w pierwszej linii opisu obwodu to tytuł analizy. Zostanie on

umieszczony jako nagłówek w wynikach analizy. Wła´ciwy opis struktury obwodu zaczyna

2 Program PSpice dost˛pny jest tak˙e na komputerach firmy Sun.

Izydorczyk J - Komputerowa symulacja układów elektronicznych.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: