L_17 (Конспекты лекций), страница 2

Рассматриваются все возможные комбинацииизменения параметров. Результатом анализа чувствительности методомнаихудшего случая является нахождение наибольшего или наименьшегоотклонения характеристики от номинального значения.4. Модели электронных компонентовЭлектронные компоненты в программах компьютерного моделированияпредставляются в виде схем замещения или моделей. Достоверностьрезультатов моделирования зависит от того, насколько точно модельучитывает характеристики реального электронного прибора.

Разумеется,нельзя с помощью программы компьютерного моделирования исследоватьрезультат действия какого-либо эффекта, присущего электронному прибору,если этот эффект не учитывается в его модели.Современные программы схемотехнического моделирования имеютмодели практически всех элементов, используемых в устройствахэнергетической электроники: диодов, биполярных транзисторов, тиристоров,МОП-транзисторов,связанныхиндуктивныхкатушек,магнитныхсердечников и т.д. Рассмотрим кратко эти модели. Подробно моделиэлектронных компонентов рассмотрены в [8].Диод.Нелинейная модель диода показана на рис. 17.1.Рис. 17.18Статическая характеристика диода моделируется источником I D , токкоторого изменяется по законуI D = I 0 (eUDnVt− 1) .Здесь V t – температурный потенциал p-n-перехода.

Дополнительныйпараметр n называется коэффициентом эмиссии. Для большинства диодовn=1.Динамическиехарактеристикидиодаучитываютнелинейныйемкостный элемент C D . Резистор RS учитывает объемное сопротивлениеобласти базы и эмиттера. Параметры модели диода приведены в таблице 17.1Приложения. Кроме обозначения параметра и его имени в модели SPICE втаблицах приводится его значение по умолчанию, используемоемоделирующей программой в том случае, если параметр не задается явно.При расчете частотных характеристик используется линеаризованнаясхема замещения диода, показанная на рис. 7.2.Рис. 7.2В линеаризованной схеме замещения G – дифференциальнаяпроводимость ВАХ диода в окрестности рабочей точки, C–дифференциальная емкость.Биполярный транзистор.Наиболее известной моделью биполярного транзистора является модельЭберса-Молла.Простейшийвариантэтоймодели,называемыйинжекционным, показан на рис.

17.3.α– коэффициент передачи тока9эмиттера в активном режиме,αк– коэффициент передачи коллекторноготока в инверсном режиме. Модель Эберса-Молла позволяет анализироватьбиполярный транзистор в любом из четырех режимов: активном, насыщения,инверсном и отсечки. Чтобы показать это, запишем уравнения для токовэмиттера, базы и коллектора. Для схемы на рис. 3 справедливы уравненияРис. 17.3Рис. 17.4Другая форма модели Эберса-Молла показана на рис.

17.4. Ее называютпередаточной. В схеме на рис. 17.4iб′к =iб′к =I0(eI0(eβRβU БК Vt− 1) ;U БЭ Vt− 1).Ток управляемого источникаiкэ = I 0 (eUБЭVt− eUББVt)10Модель Эберса-Молла не учитываетнекоторые эффекты,наблюдаемые в реальных приборах. Один из таких эффектов – зависимостькоэффициентов усиления тока β и β i от величины тока коллектора. Такиеэффекты учитывает более точная (хотя и более сложная) модель ГуммеляПуна.Выбор модели биполярного транзистора осуществляется в SPICEавтоматически.

Модель Гуммеля-Пуна упрощается до модели Эберса-Молла,если явно не задан ряд параметров.МОП-транзисторы.Программы схемотехнического моделирования содержат нескольковстроенных моделей МОП-транзисторов различного уровня сложности. Этимодели выбираются по параметру LEVEL (уровень). Простейшей являетсямодель Шихмана-Ходжеса, основанная на использовании квадратичныхуравнений (LEVEL = 1). Ее целесообразно использовать в тех случаях, когдак точности моделирования не предъявляются высокие требования.

Списокосновных параметров модели первого уровня приведен в таблице 17.3Приложения.Модель первого уровня используется по умолчанию, когда параметрмодели (LEVEL) не указан. Отметим основные особенности модели первогоуровня:• наименьшее время вычисления благодаря простоте уравнений;• не учитывается зависимость подвижности носителей от напряженности электрического поля;• все емкости рассчитываются по упрощенным формулам.Модель второго уровня (LEVEL = 2) основана на более точныханалитических выражениях.

Модель третьего уровня (LEVEL = 3) являетсяполуэмпирической и использует сочетание эмпирических и аналитическихвыражений. Для их определения используются результаты измеренияхарактеристик реальных приборов.Модели второго и третьего уровня учитывают эффекты второгопорядка, такие как модуляция длины канала. Модель третьего уровняцелесообразно использовать при анализе цепей с мощными МОПтранзисторами вертикальной структуры.Тиристор.11Модель тиристора в программе SPICE задана в виде подсхемы.Описание подсхемы начинается директивой .SUBCKT и заканчиваетсядирективой.ENDS.Описаниелимодетипа 2N1596 на входном языке SPICE показано на рис. 17.17.тиристораРис.

17.7Список основных параметров модели тиристора приведен в табл. 17.5Приложения.Отметим, что модель, показанная на рис. 7.7, является простейшей.Она не учитывает многие параметры, определяющие динамическоеповедение тиристора.

Более сложные модели тиристораи примермоделирования рассмотрены в [9].Магнитный сердечник.В программе Pspice используется модель магнитного сердечникаДжилса-Атертона. С ее помощью можно учесть начальную и остаточнуюнамагниченность сердечника, коэрцитивную силу, намагниченностьнасыщения.Параметры модели магнитного сердечника приведены в табл. 17.5.Приложения12Параметры AREA, PATH, GAP, PACK определяются геометрическимиразмерами сердечника. Остальные параметры зависят от свойствиспользуемого магнитного материала.Подробное описание математической модели магнитного сердечника иметодика определения параметров модели по экспериментальным даннымприведены в [8].Макромодели операционных усилителей.Модели, рассмотренные выше, относятся к одиночным компонентам.Модели аналоговых ИС, таких как операционные усилители иликомпараторы, в программе SPICE представлены в виде подсхем, называемыхмакромоделями. На входном языке SPICE макромодели описываютсядирективой .SUBCKT.Интегральные схемы могут быть проанализированы на уровнеотдельных компонентов (транзисторов, диодов и т.д.).

Однако на практикеэто очень неудобно. Типичный ОУ содержит 20-30 транзисторов. Есликаждый транзистор заменить моделью Эберса-Молла, содержащей 11элементов, анализируемая цепь будет содержать несколько сот компонентов.К тому же параметры транзисторов интегральной схемы в большинствеслучаев неизвестны. Поэтому гораздо удобнее использовать макромодели,характеризующие поведение устройства относительно его внешних зажимов.Простейшая модель ОУ представляет источник напряжения,управляемый напряжением (ИНУН).Более сложная модель, учитывающая нелинейность передаточнойхарактеристики ОУ и частотную зависимость коэффициента усиления ивходного сопротивления, показана на рис. 7.10.Рис.

7.10Диоды VD1 и VD2 имитируют нелинейность передаточнойхарактеристики. Источники E1 и E2 предназначены для подачи запирающих13напряжений на диоды. Сопротивления Rdи Rc учитывают входноесопротивление ОУ для дифференциального и синфазного сигналов.Емкостные элементы учитывают частотные зависимости параметровОУ. Элементы С d и Сc , включенные параллельно входным резисторам,моделируют зависимость входных сопротивлений от частоты.

С помощью С1учитывается частотная зависимость коэффициента передачи ОУ:K ( jω ) =K01 + jω ω1Здесь K 0 – коэффициент усиления ОУ на постоянном токе; частотаω1 = 1 RC называется частотой доминантного полюса.Рис. 7.11Библиотека EVAL программы Pspice содержит макромодели ОУ,учитывающиемногие эффекты, наблюдаемые в реальных приборах.Макромодель ОУ μA741 (отечественный аналог – К140УД7) показана на рис.7.11. В схеме исключены все транзисторы, кроме входных.Такойкомпромисс позволил создать компактную макромодель, обеспечивающуюмалое время моделирования.Приложение14Таблица 17.1. Параметры модели диодаИмяОбозначениепараметрав текстев моделиISI0ПараметрТокнасыщенияЗначение поумолчаниюпри10 −14 Атемпературе 27 0 СNnКоэффициент эмиссии1RSRSОбъемноесопротивление, Ом0VJφ0КонтактнаяпотенциаловCJ0C j0Барьерная емкость, Ф0TTτTВремя переноса заряда,сек.0разностьBVНапряжение пробоя, ВIBVНачальный ток пробоя,соответствующийнапряжению пробоя1В10 −10 А15Таблица 17.2.