Архангелский ПСпице и Десигн Центер Ч1 1996

2.2. Подготовка схемы к расчету

31

Рис. 2.1. Недопустимые в PSpice фрагменты схем: а) “висящие” узлы; б) - д) “плавающие” узлы

В подобных случаях возможны два выхода: или соединить узел с землей большим фиктивным резистором (см. рис. 2.1б и 2.1в), либо просто один из узлов изолированного фрагмента заземлить (см. рис. 2.1г и 2.1д).

Третье ограничение: PSpice не допускает контуров с нулевым сопротивлением по постоянному току. В этих случаях появляется сообщение об ошибке:

ERROR: Voltage source and/or inductor loop involving ...

You may break the loop by adding a series resistance

32	2. Описание схемы на входном языке программы PSpice
	которое указывает на один из элементов такого контура. Подобные
контура образуются зависимыми и независимыми источниками E, H, V и
		индуктивностями L (рис. 2.2). Чтобы
		обойти	это	ограничение,	надо
		разорвать контур, включив в него
		последовательно фиктивный резистор r
		настолько малого номинала, чтобы он
		не повлиял на работу цепи. Правда,
	Рис.2.2. Контура из индуктивностей	очень	малые	резисторы (<1мкОм)
	и источников напряжения	вставлять не		рекомендуется,	так как

это может приводить к ошибкам вычислений. Лучше задаваться величиной r, соответствующей реальным сопротивлениям катушек индуктивностей и источников напряжения.

2.2.2. ОБОЗНАЧЕНИЯ УЗЛОВ

Все цепи (в терминологии SPICE и всех других программ схемотехнического моделирования они называются узлами) на принципиальной схеме должны быть поименованы.

Узлу земля присваивается имя "0". Всем остальным узлам присваиваются произвольные номера или имена (для версий младше 4. - только номера). Имена могут содержать до 131 символа: латинских букв, цифр и символов "$", "-", "/", "%". Однако, чтобы не создавать проблем при печати результатов расчета и при работе с постпроцессором Probe, желательно, чтобы длина имен не превышала восьми символов. Вообще, чем короче имена, тем проще с ними работать. Можно также рекомендовать, как правило, пользоваться номерами, а не буквенными символами, и нумеровать узлы на эскизе принципиальной схемы в определенном порядке, например, сверху вниз и слева направо. Это очень облегчит поиск требуемого узла в процессе обработки и интерпретации результатов расчета, особенно для большой схемы. А буквенные обозначения стоит использовать только для некоторых функционально значимых и легко находимых на схеме узлов (например, IN1, IN2, OUT).

При обозначении узлов надо быть очень внимательным, чтобы не допустить типичную ошибку: присвоение одной и той же цепи нескольких разных имен. Такая ошибка разрывает цепь и схема, конечно, оказывается неработоспособной. В больших устройствах, где какая-нибудь разветвленная цепь тянется по многим компонентам в разных концах схемы, вероятность подобной ошибки велика. В этом отношении преимущества имеет

2.2. Подготовка схемы к расчету

33

подготовка схемы в графическом редакторе, который не позволяет сделать такую ошибку.

2.2.3. ОБОЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

Всем элементам схемы (резисторам, транзисторам и т.д.) должны быть присвоены имена. Имена элементов должны начинаться с буквы, обозначающей вид элемента (см. п. 1.1), за которой могут следовать цифры, латинские буквы и символы "$", "-", "/", "%". Например, R1, Q10, CLOAD. Длина имени не должна превышать 131 символа, но практически, как уже говорилось в п. 2.2.2, чем короче имена, тем удобнее с ними работать, и так же, как в случае узлов, лучше, как правило, использовать номера (R1, R2,...), а не символические имена, и нумеровать элементы схемы в определенном порядке: сверху вниз и слева направо, чтобы их легко было найти.

2.2.4. ВЫБОР МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ И ЗАДАНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ

В независимых источниках сигналов V и I для расчета переходных процессов необходимо выбрать модель и задать ее параметры. Модель определяет форму сигнала и имеет одно из следующих имен:

EXP	- импульс с экспоненциальными фронтами;
PUL	- трапецеидальный импульс или периодические импульсы;
SE
PWL	- произвольный кусочно-линейный сигнал;
SFF	- частотно-модулированный гармонический сигнал;
M
SIN	- гармонический сигнал с затуханием.

Подробное описание моделей и их параметров приведено в работе [3].

В зависимости от формы сигнала выбирается та или иная модель, причем в некоторых случаях этот выбор неоднозначен: например, прямоугольный импульс можно описать моделями EXP, PULSE, PWL, синусоидальный сигнал - моделями SFFM и SIN. Сигналы сложной нестандартной формы можно описать моделью PWL. Можно также использовать сложение и перемножение сигналов с помощью зависимых источников (см. подробнее в п. 2.3.6).

Некоторые элементы, например, R, C и L, могут задаваться без моделей. В этих случаях достаточно знать их номиналы. Если же требуется задать их

34 2. Описание схемы на входном языке программы PSpice

температурные зависимости или нелинейности C и L, то необходимо использовать соответствующие модели. Для большинства остальных элементов использование моделей обязательно.

Параметры моделей (кроме моделей источников напряжения, тока и некоторых других элементов) могут иметься в библиотеках системы. Это наилучший для использования вариант: достаточно по каталогу библиотеки найти библиотечный шифр, который обычно совпадает с наименованием типа элемента.

Если в библиотеках требуемых параметров нет, то следует ввести какое-то имя (любой идентификатор) и описать под этим именем оператором

.MODEL (см. работу [3]) совокупность параметров (наборы параметров различных моделей приведены в пособии [3]). Для некоторых моделей системы параметров просты и соответствующие значения можно взять из справочников. Однако в ряде случаев, особенно для транзисторов, это сделать невозможно. В этих случаях требуется использовать специальные программы идентификации, например Parts (см. работу [2], п. 4). Рассчитанные параметры заносятся в библиотеку или непосредственно в описание схемы.

Существует еще один путь - для первоначальных прикидочных расчетов можно использовать значения некоторых или даже всех параметров по умолчанию. Во всех моделях PSpice не заданные пользователем параметры задаются по умолчанию самой программой. Поэтому в прикидочных расчетах можно задать только несколько самых важных параметров модели. Можно вообще не задавать ни одного параметра - тогда моделирование будет проводиться для некоторого абстрактного элемента (диода, транзистора и т.п.). Конечно, в этих случаях точность моделирования абсолютно неизвестна. Более разумный путь при неизвестных параметрах модели - найти в библиотеке параметры какого-то близкого по типу элемента и взять их за основу, может быть немного подкорректировав. Желательно только подобные недостоверные наборы параметров не включать в библиотеки общего пользования, а использовать непосредственно в описании схемы или в своих личных библиотеках.

2.2.5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОДСХЕМ

При описании больших схем регулярной структуры удобно пользоваться подсхемами. Назовем подсхемой повторяющийся фрагрмент схемы. Тогда

2.2. Подготовка схемы к расчету

35

достаточно описать такую подсхему один раз, а затем только указывать, куда включены эти подсхемы. Это намного сокращает описание схемы и снижает вероятность ошибок.

	Подсхемы могут быть вложенными друг в
	друга. Например, на высоких частотах может
	потребоваться внести в модель транзистора
	паразитные индуктивности и емкости (см. п.
	4.2.2). Тогда можно один раз описать схему
	вида, представленного на рис. 2.3, как подсхему,
	и затем при описании схемы вместо
	транзисторов включать в нее эту подсхему.
	Далее, например, в схеме может быть ряд
	одинаковых	транзисторных	ключей,
	содержащих такие транзисторы. Их можно
	описать как	подсхемы второго	уровня.	Рис. 2.3.	Модел
	Подсхемой третьего уровня может		быть,
				тран-зистора	с
	например, триггер, состоящий из		ключей,	паразит-ными
	подсхемой четвертого уровня - разряд регистра			элементами

и т.д.

Подготовка к расчету схемы, использующей подсхемы, сводится к следующему. Каждая подсхема готовится к расчету так же, как схема в целом - вводятся обозначения узлов и элементов, причем все имена имеют локальный характер и действуют только внутри подсхемы. Исключение составляет узел 0, являющийся землей, в какой бы подсхеме он ни встретился. Кроме того, иногда желательно ввести и другие глобальные узлы для всех подсхем - шины питания, шина тактовых импульсов и т.д. Имена таких глобальных узлов должны начинаться с символов "$G_", например

"$G_4".

Каждому типу подсхемы присваивается некоторое произвольное имя. Определяются узлы, являющиеся внешними. И далее при описании схемы или подсхемы верхнего уровня каждая подсхема нижнего уровня обозначается многополюсным элементом с числом узлов, равным числу внешних выводов. Каждому такому элементу присваивается имя, начинающееся с символа "Х". Рассмотрим в качестве примера простейший транзисторный ключ (рис. 2.4а) и собранный на этих ключах кольцевой генератор (рис. 2.4б). При оформлении схемы ключа в виде подсхемы надо решить, какие узлы считать внешними. Очевидно, что внешними являются узлы входа и выхода (1 и 2). А в отношении узла питания возможны три разных подхода.

36 2. Описание схемы на входном языке программы PSpice

а)

б)

в)

г)

Рис. 2.4. Использование подсхем: а) подсхема ключа; б) кольцевой счетчик, питание внутри подсхем; в) питание как внешний узел; г) питание как глобальный узел

2.2. Подготовка схемы к расчету

37

1.Узел питания можно считать внутренним и при описании подсхемы включить в нее источник питания V1 (пунктир на рис. 2.4а). Тогда схема генератора примет вид, представленный на рис. 2.4б. Это наименее удачный вариант, т.к. в схеме будет столько источников питания, сколько ключей, что увеличит затраты памяти, время расчета и не позволит, например, исследовать зависимость характеристик схемы от напряжения питания.

2.Узел питания можно считать внешним. Тогда схема примет вид, представленный на рис. 2.4в.

3.Узел питания можно обозначить как глобальный (например, $G_3). Тогда схема будет иметь вид, представленный на рис. 2.4г. Это, повидимому, наиболее компактный вариант описания.

2.3.ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ

2.3.1.ОПЕРАТОРЫ ОПИСАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И МОДЕЛЕЙ

Вданном пункте изложены начальные сведения о форме операторов, описывающих схему. Более подробные сведения о каждом операторе содержатся в работе [3].

Общая форма оператора, описывающего элемент:

<имя элемента> <список узлов> [<имя модели>] [<параметры>].

Не для всех элементов указывается имя модели и не все элементы имеют индивидуальные параметры, указанные в этом операторе.

Если указано имя модели, причем подразумевается, что параметры модели берутся не из библиотеки, то где-то во входном файле должен быть оператор, описывающий модель с эти именем. Его вид:

.MODEL <имя модели> <тип модели>

+[(<имя параметра>=<значение>...)].

Вэтом операторе <тип модели> определяется типом элемента (например, RES для резистора, NPN или PNP для биполярного транзистора и т.д.). Если какие-то или все параметры модели не определены в этом операторе, то они берутся по умолчанию.

Если в каком-то из операторов, описывающих элементы, было указано имя модели, а соответствующего этому имени оператора .MODEL во входном

38 2. Описание схемы на входном языке программы PSpice

файле нет, то считается, что параметры содержатся в библиотеке и программа будет их там искать под указанным именем.

2.3.2. ПАССИВНЫЕ ДВУХПОЛЮСНИКИ R, C, L

Эти компоненты в простейшем случае описываются операторами вида:

<имя элемента> <узел+> <узел-> <номинал> .

Например:

R1 4 7 10К

C3 7 0 1р

Порядок перечисления полюсов безразличен. Надо только иметь ввиду, что если в дальнейшем предполагается печатать или выводить на графики напряжение на элементе или ток через него, то в качестве напряжения возьмется разность потенциалов между узлами "+" и "-", а в качестве тока - ток, текущий через элемент от узла "+" к узлу "-". Номинал элемента может быть задан положительным или отрицательным, но не нулевым. Имеется возможность описать эти элементы моделями, которые определяют их температурные зависимости, а для C и L позволяют также отразить нелинейные эффекты (см. п. 4.4). В этом случае оператор имеет вид:

<имя элемента> <узел+> <узел-> <имя модели> <коэффициент>,

где <коэффициент> - коэффициент пропорциональности, на который умножается рассчитанная моделью величина, а <имя модели> - ссылка на библиотечные параметры или ссылка на соответствующий оператор .MODEL с типом модели RES для R, CAP для C, IND для L. Например, операторы

R1 4 7 MR1 10K

.MODEL MR1 RES (TC1=.02)

описывают резистор с коэффициентом линейной температурной зависимости равным 2% на градус.

Вконце операторов, описывающих C и L может быть записано: IC = <начальное значение>.

2.3. Описание элементов схемы

39

Это позволяет задавать начальные значения напряжений на С и токов через L (см. п. 3.1.3). Например, операторы

C1 5 3 10рF IC=1V

L1 3 4 1u IC=.1m

описывают емкость С1 с начальным напряжением 1В и индуктивность L1 с начальным током 0.1мА.

2.3.3.ПАССИВНЫЕ МНОГОПОЛЮСНИКИ K И T

Кчислу пассивных многополюсников относятся индуктивности, связанные взаимной индукцией, дроссели, трансформаторы, линии задержки. Первые три элемента описываются оператором К (см. работу [3]), имеющим две различные формы. Для системы взаимосвязанных индуктивностей в операторе перечисляются имена индуктивностей, описанных обычными операторами L, и указывается коэффициент взаимной связи, равный Mij/(Li Lj)1/2, где Li, Lj, Mij - соответственно значения индуктивностей и

взаимной индукции. Например,

L1 5 7 1u

L2 6 8 2u

K12 L1 L2 0.9

Для дросселей и трансформаторов с учетом нелинейных эффектов в сердечнике используется другая форма оператора К, в которой дается ссылка на модель сердечника (см. пособие [3]).

Линия задержки представляется четырехполюсником, описанным оператором Т (см. пособие [3]), в котором указывается волновое сопротивление и длительность задержки.

2.3.4.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

ВPSpice включены модели следующих полупроводниковых приборов: диодов (D), биполярных транзисторов (Q), полевых транзисторов с управляющим p-n переходом (J), МДП-транзисторов (M), арсенид-галиевых полевых транзисторов (B). Все эти элементы описываются операторами вида:

40 2. Описание схемы на входном языке программы PSpice

<имя> <узлы подключения> <имя модели> + [<масштабные параметры>].

Узлы подключения перечисляются в строго определенном порядке:

для D - анод, катод;

для Q - коллектор, база, эмиттер, подложка (узел подложки может не указываться);

для J и В - сток, затвор, исток;

для M - сток, затвор, исток, подложка (узел подложки может не указываться).

Имя модели (бибилиотечное или описанное соответствующим оператором

.MODEL) указывается обязательно.

Для приборов могут указываться масштабные параметры. Для D, Q, J, B - это относительная площадь прибора. Параметры модели для прибора, в котором указана относительная площадь, пересчитываются в предположении, что его площадь в заданное число раз отличается от площади того прибора, для которого указаны параметры модели. Например, если указан масштабный параметр 2, то это означает, что площадь данного элемента в 2 раза превышает площадь элемента, описанного в модели. Таким образом, один раз описав параметры модели можно их использовать, например, для разных приборов интегральной схемы, выполненных по одинаковой технологии, но различающихся своими геометрическими размерами. Для МДП-транзисторов в этом отношении возможности еще богаче: в них в качестве масштабных параметров можно указывать длину и ширину канала, периметры различных областей и др.

Подробное описание моделей полупроводниковых приборов см. в п. 4 и в работе [3].

2.3.5. НЕЗАВИСИМЫЕ ИСТОЧНИКИ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Любой независимый источник напряжения (V) или тока (I) может содержать постоянную составляющую (т.е. играть роль источника питания), переменную составляющую - гармонический сигнал, используемый при частотном анализе линеаризированной схемы, и зависящую от времени составляющую, используемую как сигнал при расчете переходного процесса. Общий вид оператора