В программе МС7 используются в большинстве случаев (за исключением модели нелинейного магнитного сердечника) те же математические модели полупроводниковых приборов, что и программа PSpice. При необходимости полную информацию по моделям активных приборов (включая и формулы по которым производится расчет при моделировании), можно взять из (на русском языке) и из (на английском языке, есть файл в формате pdf). Появился также фрагмент перевода на русский, касающийся моделей активных приборов.
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. 1.
Таблица 1. 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
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. 2. Модель биполярного транзистора
2. 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.
Таблица 3. 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
Напряжение, входящее в выражения для емкостей переходов (для Level=2 и 3)
0,2
В
VMAX
Максимальное напряжение, входящее в выражения для емкостей переходов (для Level=2 и 3)
0,5
В
VTOTC
Температурный коэффициент VTO
0
В/°С
ВЕТАТСЕ
Температурный экспоненциальный коэффициент BETA
0
%/C
TRG1
Линейный температурный коэффициент RG
0
1/°С
TRD1
Линейный температурный коэффициент RD
0
1/°С
TRS1
Линейный температурный коэффициент RS
0
1/°С
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 измерения
--
°С
T_ABS
Абсолютная температура
--
°С
T_REL_GLOBAL
Относительная температура
--
°С
T_REL_LOCAL
Разность между температурой транзистора и модели-прототипа
°С
Рис. 4. Модель арсенидгаллиевого полевого транзистора
3. Полевой транзистор (JFET)
Формат схем МС:
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 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 полевого транзистора задается в виде:
.MODEL <имя модели> NJF [(параметры модели)]
.MODEL <имя модели> PJF [(параметры модели)]
Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом описываются моделью Шихмана-Ходжеса.
Параметр IC задает начальное напряжение сток-исток Vds, затвор-сток Vgs и затвор-подложка Vbs 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. Параметры L и W могут быть заданы при описании модели МОП-транзистора по директиве .MODEL; кроме того, параметры L, W, AD и AS по умолчанию принимают значения, присваиваемые в диалоговом окне Global Settings
В программе МС7 МОП-транзисторы описываются тремя разными системами уравнений, выбор которых определяется параметром LEVEL, принимающим значения 1, 2 и 3. Модель первого уровня (LEVEL=1) используется в тех случаях, когда не предъявляются высокие требования к точности моделирования вольт-амперных характеристик транзистора, в частности, при моделировании МОП-транзисторов с коротким или узким каналом. Модели второго (LEVEL=2) и третьего (LEVEL=3) уровней учитывают более тонкие физические эффекты. Параметры трех математических моделей приведены в табл. 8.
Таблица 8. Параметры модели МОП-транзистора
Обозначение
Уровень модели LEVEL
Параметр
Значение по умолчанию
Единица измерения
LEVEL
Индекс уровня модели
1
--
L
1-3
Длина канала
DEFL
м
W
1-3
Ширина канала
DEFW
м
LD
1-3
Глубина области боковой диффузии
0
м
WD
1-3
Ширина области боковой диффузии
0
м
VTO
1-3
Пороговое напряжение при нулевом смещении
1
В
КР
1-3
Параметр удельной крутизны
2E-5
А/В2
GAMMA
1-3
Коэффициент влияния потенциала подложки на пороговое напряжение
0
В1/2
PHI
1-3
Поверхностный потенциал сильной инверсии
0,6
В
LAMBDA
1,2
Параметр модуляции длины канала
0
1/В
RD
1-3
Объемное сопротивление стока
0
Ом
RS
1-3
Объемное сопротивление истока
0
Ом
RG
1-3
Объемное сопротивление затвора
0
Ом
RB
1-3
Объемное сопротивление подложки
0
Ом
RDS
1-3
Сопротивление утечки сток-исток
?
Ом
RSH
1-3
Удельное сопротивление диффузионных областей истока и стока
0
Ом/кв.
IS
1-3
Ток насыщения р-n-перехода сток-подложка (исток-подложка)
1E-14
А
JS
1-3
Плотность тока насыщения перехода сток (исток)-подложка
0
А/м2
JSSW
1-3
Удельная плотность тока насыщения (на длину периметра)
Эмпирический коэффициент коррекции концентрации примесей в канале
1
XQC
2, 3
Доля заряда канала, ассоциированного со стоком
0
DELTA
2, 3
Коэффициент влияния ширины канала на пороговое напряжение
0
THETA
3
Коэффициент модуляции подвижности носителей под влиянием вертикального поля
0
1/В
ETA
3
Параметр влияния напряжения сток-исток на пороговое напряжение (статическая обратная связь)
0
KAPPA
3
Фактор поля насыщения (Параметр модуляции длины канала напряжением сток-исток)
0,2
KF
1-3
Коэффициент, определяющий спектральную плотность фликкер-шума
0
AF
1-3
Показатель степени, определяющий зависимость спектральной плотности фликкер-шума от тока через переход
1
T_MEASURED
1-3
Температура измерения
--
°С
T_ABS
1-3
Абсолютная температура
--
°С
T_REL_GLOBAL
1-3
Относительная температура
--
°С
T_REL_LOCAL
1-3
Разность между температурой транзистора и модели-прототипа
--
°С
Рис. 9. Модель полевого транзистора с изолированным затвором (МОП-транзистора).
5. Операционный усилитель (ОРАМР)
Формат схем МС:
Атрибут PART: <имя> Атрибут MODEL: [имя модели]
В программе МС7 имеются модели операционных усилителей трех типов:
LEVEL 1 -- простейшая линейная модель, представляющая собой источник тока, управляемый напряжением. ОУ имеет конечное выходное и бесконечное входное сопротивление (тем не менее выводы питания ОУ нужно подключить к схеме, так как в модели они подсоединены к «земле» через сопротивления 1 Ом), рис. 10, а;
LEVEL 2 -- более сложная линейная модель, состоящая из трех каскадов и имитирующая два полюса передаточной функции ОУ, ограничение скорости нарастания выходного напряжения, конечный коэффициент усиления и конечное выходное сопротивление, рис. 10, б;
LEVEL 3 -- нелинейная модель, аналогичная той, что применяется в программе PSpice. В ней учитываются ограничения на скорость нарастания выходного напряжения, значения выходного сопротивления на постоянном и переменном токе, ток и напряжение смещения, запас по фазе на частоте единичного усиления, площадь усиления, коэффициент подавления синфазного сигнала, реальные значения диапазона выходного напряжения и тока, рис. 10, в, г. Возможен выбор типа входного дифференциального каскада (на биполярных или полевых транзисторах). Все они имеют одинаковую графику символов. В отличие от программы PSpice, в которой модель ОУ описывается только как макромодель, в программе МС7 также используются и встроенные модели ОУ (LEVEL =1, 2, 3), что упрощает работу с ними и повышает скорость моделирования. Модель ОУ задается по директиве: .MODEL <имя модели> ОРА ([список параметров])
Перечень параметров модели ОУ приведен в табл. 11.
а)
б)
в)
Рис. 10. Модели операционного усилителя первого (а), второго (б) и третьего (в) уровней LEVEL
Таблица 11. Параметры моделей операционных усилителей
Максимальная скорость нарастания выходного напряжения
В/с
5E5
SRN
2,3
Максимальная скорость спада выходного напряжения
В/с
5E5
IBIAS
3
Входной ток смещения
А
1E-7
VCC
3
Положительное напряжение питания
В
15
VEE
3
Отрицательное напряжение питания
В
-15
VPS
3
Максимальное выходное положительное напряжение
В
13
VNS
3
Максимальное выходное отрицательное напряжение
В
-13
CMRR
3
Коэффициент подавления синфазного сигнала
10E5
GBW
2, 3
Площадь усиления (равна произведению коэффициента усиления А на частоту первого полюса)
1E6
PM
2, 3
Запас по фазе на частоте единичного усиления
град.
60
PD
3
Рассеиваемая мощность
Вт
0,025
IOSC
3
Выходной ток короткого замыкания
А
0,02
T_MEASURED
3
Температура измерений
°С
--
T_ABC
3
Абсолютная температура
°С
--
T_REL_GLOBAL
3
Относительная температура
°С
--
T_REL_LOCAL
3
Разность между температурой устройства и модели-прототипа
°С
Заключение
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.
Список литературы:
1. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. - Москва, «Солон», 1997. - 273 с. 621.3 Р17 /1997 - 1 аб, 3 чз
3. 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.
4. Micro-Cap 7.0 Electronic Circuit Analysis Program Reference Manual Copyright 1982-2001 by Spectrum Software 1021 South Wolfe Road Sunnyvale, CA 94086
Главная