Модели аналоговых компонентов. Общие сведения о моделях компонентов.

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

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

- макромодели произвольных компонентов, составляемые пользователями по своему усмотрению из стандартных компонентов.

В свою очередь встроенные модели подразделяются на две категории:

- простые модели, характеризующиеся 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 MC7 используется двоякое описание моделируемого устройства: в виде чертежа его принципиальной или функциональной схемы или в виде текстового описания в формате PSice. 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 МС6 модели всех п/п приборов, ОУ, магнитных сердечников, линий передачи и компонентов цифровых устройств имеют формат SPICE. Их подробное описание приведено в монографии [13] и не давно вышедшей книге [9].

 

Пассивные компоненты (Passive components)

В меню компонентов в разделе пассивные компоненты (Passive components) включены резисторы, конденсаторы, индуктивности, линии передачи, высокочастотные трансформаторы, взаимные индуктивности, диоды с p-n переходом и стабилитроны.

Обратите 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 от времени в программе PSice не предусмотрена, здесь МС6 явно лидирует).

Резистор(Resistor)

Формат Spice:

Rxxx <+узел><-узел>[имя модели]<значение>[ TC =< TC 1>[,< TC 2>]]

Здесь xxx – произвольная алфавитно-цифровая последовательность общей длиной не более 7 символов, которая пишется слитно с символом R и вместе с ним образует имя компонента. Например:

 

R1 15 0 2K

R2 1 2 2.4E4TC=,001,1e-5

R3 3 0 2.1k*(1+0.05*TIME)

R4 4 0 RTEMP 5K

.MODEL RTEMP RES (R=3 DEV=5%TC1=0.01)

формат схем:

Атрибут PART:<имя>

Атрибут VALUE:<значение>[TC<TC!>[,<TC2>]]

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 AC-анализа (здесь f-частота), при расчете переходных процессов сопротивление резистора равно значению атрибута VALUE.

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 AC эти выражения вычисляются для значений переменных в режиме по постоянному току. В формате SPICE  применение таких выражений недопустимо.

Параметры, описывающие модель резистора, приведены в табл.4.1.

 

                                                            Таблица 4.1.Параметры модели резистора

Обозначение	Параметр	Размерность	Значение по умолчанию
R	Масштабный множитель сопротивления	-	1
TC1	Линейный температурный коэффициент сопротивления	^0С^-1	0
TC2	Квадратичный температурный коэффициент сопротивления	^0С^-^2	0
TCE	Экспоненциальный температурный коэффициент сопротивления	%/^0С	0
NM	Масштабный коэффициент спектральной плотности шума		1
T _ MEASURED	Температура измерений	^0С	-
T _ ABS	Абсолютная температура	^0С	-
T_REL_GLOBAL	Относительная температура	^0С	-
T_REL_LOCAL	Разность между температурой устройства и модели прототипа	^0С	-

 

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 TCE, то температурный фактор равен

 

TF=1+TC1(T-TNOM)+TC2(T-TNOM)²;

 

Если параметр ТСЕ указан, то температурный фактор равен

 

TF=1.01^TCE(T_TNOM)

 

Здесь T-текущее значение температуры (указывается по директиве.TEMP); TNOM = 27 ⁰C – номинальная температура (указывается в окне Global Settings).

Параметр <значение> может быть как положительным, так и отрицательным, но не равным нулю. Сопротивление резистора определяется выражением <значение>*R*TF*MF=1 <разброс в процентах, DEV или LOT>/100.

Спектральная плотность теплового тока резистора рассчитывается по формуле Найквиста

<сопротивление>*NM.

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

 

Конденсатор (Capacitor)

Формат Spice:

Cxxx<+узел><-узел>[имя модели]<значение>[IC=<начальное напряжение>]

Например:

C1 15 0 56PF

C2 3 9 0.5PF IC=1.5V

C3 4 6 CMOD 10U

.MODEL CMOD CAP(C=2.5 TC1=0.01 VC1=0.2)

 

Формат схем:

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 AC – 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 AC эти выражения вычисляются для значений переменных в режиме по постоянному току. В формате SPICE применение таких выражений недопустимо.

Параметры модели конденсатора приведены в табл.4.2.

 

                                                      Таблица 4.2. 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
TC1	Линейный температурный коэффициент емкости	^0С^-1	0
TC2	Квадратичный температурный коэффициент емкости	^0С^-2	0
T_MEASURED	Температура измерений	^0С	-
T_ABS	Абсолютная температура	^0С	-
T_REL_GLOBAL	Относительная температура	^0С	-
T_REL_LOCAL	Разность между температурой устройства и модели прототипа	^0С	-

 

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

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

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

После ключевого слова IC указывается значение напряжения на конденсаторе при расчете режима по постоянному току, которое при расчете переходных процессов служит начальным значением этого напряжения.