Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №6

Программа схемотехнического моделирования SwitcherCAD 3. Часть V

Пушкарев Михаил


В данной части статьи дается описание моделей компонентов на языке LTspice в программе схемотехнического моделирования SwitcherCAD 3.

Все статьи цикла:

Модели компонентов

Компоненты со специальными функциями

Имена символов: AND (И с комплементарными выходами), BUF (буфер с комплементарными выходами), BUF1 (буфер), DFLOP (D-триггер), DIFFSCHMITT (триггер Шмитта с комплементарными выходами и дифференциальными входами), DIFFSCHMTBUF (триггер Шмитта с буфером и дифференциальными входами), DIFFSCHMTINV (инвертирующий триггер Шмитта с дифференциальными входами), INV (инвертор), OR (ИЛИ с комплементарными выходами), PHIDET (фазо-частотный детектор), SCHMITT (триггер Шмитта с комплементарными выходами), SCHMTBUF (триггер Шмитта с буфером), SCHMTINV (инвертирующий триггер Шмитта), SRFLOP (RS-триггер), XOR (исключающее ИЛИ), MODULATE и MODULATE2 (модуляторы), SAMPLE (устройство выборки-хранения) и VARISTOR (варистор).

Синтаксис: Annn n001 n002 n003 n004 n005 n006 n007 n008 <имя модели> [конкретные параметры].

Примечание. Здесь и далее в угловые скобки заключены обязательные параметры, а в квадратные скобки — необязательные параметры.

Это устройства со специальными функциями и смешанным режимом моделирования разработки Linear Technology Corporation's.

INV, BUF, AND, OR и XOR — распространенные логические элементы с идеализированным поведением. Все элементы имеют по восемь выводов. Им не нужны внешние источники питания. Ток вытекает или втекает через комплементарные выходы, выводы 6 и 7 и общий для устройства вывод 8. Выводы с 1 по 5 — входы. Неиспользуемые входы и выходы должны быть подключены к выводу 8, это условие выполняется автоматически, если оставить вывод неподключенным. Компилятор цифровых устройств таким образом определяет, что вывод не использован, и исключает его из моделирования. Это лучше потенциально возможной ситуации, когда вход элемента AND заземлен или подключен к точке с нулевым потенциалом. Если «земля» для элементов общая, заземление входа не будет логической ошибкой, но он не исключается из моделирования. Резонность подобного использования элементов в том, что они работают как 2-, 3-, 4- и 5-входовые устройства с прямым, инвертирующим или комплементарным выходом, и при этом не тратится время на моделирование неиспользуемых портов. Таким образом, устройство AND заменяет 12 различных типов элементов AND. Характеристики устанавливаются параметрами, перечисленными в таблице 14.

Таблица 14. Параметры моделей цифровых устройств

Имя
параметра
Параметр Значение по умолчанию
Vhigh Высокий логический уровень 1 В
Vlow Низкий логический уровень 0 В
Ref Входное напряжение переключения (Vhigh+Vlow)/2
Trise Время нарастания 0
Tfall Время спада Trise
Tau Выходная постоянная времени 0
Td Задержка распространения 0
Cout Выходная емкость 0
Rout Выходное сопротивление 1 Ом
Rhigh Импеданс высокого
логического уровня
Rout
Rlow Импеданс низкого
логического уровня
Rout

Не все параметры могут быть определены одновременно, например, выход может характеризоваться либо временем нарастания, либо постоянной времени, но не обоими параметрами сразу.

Исключающее ИЛИ (XOR) имеет нестандартное поведение при использовании более двух входов.

Пороговые точки триггеров Шмитта определены параметрами Vt и Vh. Нижняя пороговая точка — это VtVh, верхняя пороговая точка — это Vt+Vh.

По умолчанию цифровые компоненты не дают никакой информации о шаге моделирования для управления моделированием. То есть они не дают предупреждений о предстоящем изменении текущего состояния. Для изменения максимального шага моделирования, установленного уставками симулятора, можно задать значение встроенного параметра tripdt.

Примечание. Библиотека цифровых устройств не содержит ни одной модели конкретной цифровой микросхемы.

Устройство MODULATE является генератором, управляемым напряжением. Пример схемы — в файле .\examples\Educational\PLL.asc. Текущая частота генерации устанавливается напряжением на входе FM. Преобразование напряжения в частоту линейное и устанавливается двумя встроенными параметрами, mark и space. Mark — частота при напряжении на входе FM, равном 1 В, а space — частота, для которой напряжение на входе FM равно 0 В. Амплитуда устанавливается напряжением на входе AM и по умолчанию равна 1 В, если этот вход не использован (подключен к общему выводу MODULATE).

VARISTOR — это управляемый напряжением варистор. Напряжение ограничения устанавливается напряжением между выводами 1 и 2. Сопротивление в режиме ограничения определяется встроенным параметром rclamp. Пример схемы— в файле .\examples\ Educational\varistor.asc.

Пример схемы с устройством выборки-хранения SAMPLE содержится вфайле .\examples\ Educational\SampleAndHold.asc.

В LTspice список цепей с этими устройствами создается специальным образом. Все неподключенные выводы автоматически подключаются к выводу 8. Если вывод 8 не подключен, то и он подключается к узлу 0.

Источники сигнала с произвольным поведением

Имена символов: BV, BI.

Синтаксис модели источника напряжения с произвольным поведением: Bnnn <+узел> <–узел> V=<выражение> [ic=<значение>] [tripdv=<значение>] [tripdt=<значение>] [laplace=<выражение> [window=<время>] [nfft=<количество>] [mtol=<количество>].

Синтаксис модели источника тока с произвольным поведением: Bnnn <+узел> <–узел> I=<выражение> [ic=<значение>] [tripdv=<значение>] [tripdt=<значение>] [Rpar=<значение>] [laplace=<выражение> [window=<время>] [nfft=<количество>] [mtol=<количество>].

Выражения могут содержать следующее:

  • Узловой потенциал, например V(n001).
  • Разность узловых потенциалов, например V(n001, n002).
  • Токи через элементы схемы, например, I(S1) — ток через ключ S1, или Ib(Q1) — ток базы транзистора Q1. Считается, что ток через элемент схемы изменяется квазистатически, то есть нет немедленной обратной связи между током через управляющее устройство и выходным сигналом источника. Аналогично, любой компонент переменного тока, текущего через устройство, при .AC-анализе принимается равным нулю.
  • Ключевое слово time, означающее текущее время при моделировании.
  • Ключевое слово pi, означающее 3.14159265358979323846.
  • Функции, перечисленные в таблице 15.
  • Математические операции, перечисленные в таблице 16.

Таблица 15. Математические функции в источниках с произвольным поведением

Функция Определение
ABS(x) Абсолютное значение x
ABSDELAY(x,t[tmax]) Задержка сигнала x на время t. Как вариант,
уведомление о максимальной задержке tmax
ACOS(x) Действительная часть арккосинуса от x
ARCOS(x) Синоним для acos(x)
ACOSH(x) Действительная часть гиперболического
арккосинуса от x
ASIN(x) Действительная часть арксинуса от x
ARCSIN(x) Синоним для asin(x)
ASINH(x) Гиперболический синус x
ATAN(x) Арктангенс x
ARCTAN(x) Синоним для atan(x)
ATAN2(y, x) Арктангенс y/x
ATANH(x) Гиперболический тангенс x
BUF(x) buf(x) = 1, если x>0,5; buf(x) = 0, если x≤0,5
CEIL(x) Целое число, равное или большее x
COS(x) Косинус x
COSH(x) Гиперболический косинус x
DDT(x) Производная dx/dt
DELAY(x,t[tmax]) То же, что и ABSDELAY(x,t[tmax])
D(x) Производная dx/dt
EXP(x) Экспонента числа x
FLOOR(x) Целое число, равное или меньшее x
HUPOT(x,y) sqrt(x ** 2 + y ** 2)
IDT(x[,ic[,a]]) Интегрирование x, при необходимости
с начальными условием ic, со сбросом интегZ
ратора по достижении сигналом значения a.
IDTMOD(x[,ic[,m[,o]]]) Интегрирование x, при необходимости
с начальными условием ic, со сбросом интегZ
ратора по достижении сигналом по модулю
значения m, со сдвигом сигнала на значение o.
IF(x, y, z) y, если x истинно, иначе z
INT(x) Округление x до целого числа
INV(x) inv(x) = 0, если x>0,5; inv(x) = 1, если x≤0,5
LIMIT(x,y,z) x, если y<x<z; y, если x<y; z, если x>y
LN(x) Натуральный логарифм x
LOG(x) Альтернативный синтаксис для ln(x)
LOG10(x) Десятичный логарифм x
MAX(x,y) Максимальное из x или y
MIN(x,y) Минимальное из x или y
POW(x, y) Действительная часть от x ** y
PWR(x, y) abs(x) ** y
PWRS(x, y) sgn(x) *abs(x) ** y
RAND(x) Случайные числа между 0 и 1
в зависимости от значения x
RANDOM(x) Функция, подобная rand(x), но с плавными
переходами между значениями
ROUND(x) Ближайшее целое к x
SDT(x[,ic[,a]]) Альтернативная форма для IDT(x[,ic[,a]])
SIN(x) Синус x
SINH(x) Гиперболический синус x
SQRT(x) Квадратный корень из x
TABLE(x,a,b,c,d,...) Табличная зависимость функции от x.
Координаты точек (x, y) в виде таблицы,
в промежутках между точками линейная
аппроксимация
TAN(x) Тангенс x
TANH(x) Гиперболический тангенс x
U(x) Ступенчатая функция: u(x) = 1,
если x> 0; u(x) = 0, если x≤0
URAMP(x) Функция ограничения: uramp(x) = x,
если x> 0; uramp(x) = 0, если x≤0
WHITE(x) Случайные числа между –0,5 и 0,5
с плавными переходами между значениями,
даже более плавными, чем в random()
!(x) Альтернативная форма для INV(x)
~(x) Альтернативная форма для INV(x)

Таблица 16. Математические операции для источников с произвольным поведением

Символ операции Назначение
& Преобразование, эквивалентное логическому И (AND)
| Преобразование, эквивалентное логическому ИЛИ (OR)
^ Преобразование, эквивалентное логическому
исключающему ИЛИ (XOR)
> ИСТИНА (TRUE), если выражение слева больше
выражения справа, иначе ЛОЖЬ (FALSE)
< ИСТИНА (TRUE), если выражение слева меньше
выражения справа, иначе ЛОЖЬ (FALSE)
>= ИСТИНА (TRUE), если выражение слева больше
или равно выражению справа, иначе ЛОЖЬ (FALSE)
<= ИСТИНА (TRUE), если выражение слева меньше
или равно выражению справа, иначе ЛОЖЬ (FALSE)
+ Сложение с плавающей точкой
Вычитание с плавающей точкой
* Умножение с плавающей точкой
/ Деление с плавающей точкой
** Возведение первого числа в степень второго.
Возвращается только действительная часть,
например, –1**1.5 дает нуль, а не i
! Преобразование, эквивалентное логической инверсии

Параметр ic устанавливает начальные условия, напряжение или ток источника в момент начала моделирования.

Параметры tripdv и tripdt управляют шагом моделирования. Если скорость изменения напряжения источника больше, чем tripdv/tripdt [В/с], то шаг моделирования timestep отвергается.

Для источника тока параметром Rpar задается подключенное параллельно сопротивление.

Истина численно эквивалентна 1, а ложь— 0. В булевом преобразовании величина, бóльшая 0,5, преобразуется в 1, в противном случае величина преобразуется в 0.

В LTspice символ ^ используется в логической операции исключающее ИЛИ (XOR), а символ ** — для возведения в степень. Также в LTspice различаются возведение в степень, x**y и функция pwr(x,y). При возведении в степень отрицательного числа LTspice возвращает действительную часть результата возведения в степень. Например, –2**1.5 оценивается нулем, который является действительной частью правильного ответа 2.82842712474619i. При импорте модели третьей стороны, предназначенной для другого симулятора, возможно, придется изменить синтаксис, например, x^y на x**y или даже pwr(x,y).

Если определен дополнительный атрибут LAPLACE, источник с произвольным поведением будет описываться с использованием преобразования Лапласа. Преобразование Лапласа обязательно должно быть функцией от s. Логический оператор XOR, ^, когда он использован в выражении Лапласа, понимается как возведение в степень, **. При расчете частотных характеристик в .AC-анализе переменная s заменяется на sqrt(–1)*2*pi*f. Выходной ток (напряжение) сигнала отыскивается путем свертки импульсной характеристики с входным током (напряжением). В LTspice реакция на импульсное воздействие представляет собой набор результатов БПФ в дискретных точках частотной области. В процессе преобразования возможны такие специфические проявления БПФ, как прореживание спектра, и выбросы, присущие дискретному БПФ. В LTspice используется собственный алгоритм, дающий точное аналитическое выражение в частотной области, выбирающий точки и интервал таким образом, что артефакты практически отсутствуют. LTspice должен определить подходящие частотный диапазон и разрешение. Рекомендуется сначала позволить программе сделать приближенный расчет. Длина интервала и количество использованных в FFT точек данных будут приведены в .log-файле. В дальнейшем можно подстроить выбранный алгоритм, устанавливая параметр nfft и длину интервала. Величина, обратная длине временного интервала, является частотным разрешением. Значение времени nfft определяет максимальную рассматриваемую частоту.

Конденсатор

Имя компонента: CAP, POLCAP. Синтаксис: Cnnn <+узел> <–узел> <емкость> [ic=<начальное напряжение>] [Rser=<значение>] [Lser=<значение>] [Rpar=<значение>] [Cpar=<значение>] [m=<значение>] [RLshunt= <значение>] [tc=<температурный коэффи- циент емкости>] [temp=<температура>].

При необходимости можно задать эквивалентное последовательное сопротивление, последовательную индуктивность, параллельное сопротивление и параллельную шунтирующую емкость. Эквивалентная схема конденсатора показана на рис. 50.



Рис. 50.
Эквивалентная схема конденсатора

Параметры модели конденсатора приведены в таблице 17.

Таблица 17. Параметры модели конденсатора

Обозначение Параметр
Rser Эквивалентное последовательное сопротивление
Lser Эквивалентная последовательная индуктивность
Rpar Эквивалентное параллельное сопротивление
Cpar Эквивалентная параллельная емкость
RLshunt Шунтирующий резистор, параллельный Lser
m Количество включенных параллельно устройств
tc Температурный коэффициент емкости
temp Температура компонента
(в соответствующей директиве .MODEL)
ic Начальное напряжение (используется, если только
модификатор UIC включен в .TRANZанализ)

Для вычислений лучше включить паразитные Rpar, Rser, RLshunt, Cpar и Lser в состав конденсатора, чем изображать их в явном виде. В LTspice используется собственная технология для имитации физического конденсатора моделью без внутренних узлов. Это делает имитационную матрицу меньше, быстрее решаемой, с меньшей вероятностью, что она окажется сингулярной при малом временном шаге.

Похожую эквивалентную схему имеет и макромодель пьезоэлектрического резонатора.

Можно моделировать и нелинейный конденсатор, при этом вместо указания емкости записывается выражение для заряда. LTspice компилирует это выражение, дифференцирует его в символьном виде относительно всех переменных с нахождением частных производных, соответствующих емкостям.

Синтаксис: Cnnn <+узел> <–узел> Q=<вы- ражение> [ic=<значение>] [m=<значение>].

Специальная переменная x обозначает напряжение на устройстве. Таким образом, постоянная емкость 100 пФ может быть записана как: Cnnn <+узел> <–узел> Q=100p*x.

Емкость со ступенчатым изменением величины от 100 до 300 пФ, когда напряжение становится равным нулю, описывается как: Cnnn <+узел> <–узел> Q=x*if(x<0,100p,300p). Емкость, управляемая напряжением в узле N01 и имеющая значение 1000 пФ при напряжении 1 В, описывается как: Cnnn <+узел> <–узел> Q=1000p*x*V(N01).

Диод

Имя компонента: DIODE, ZENER, SCHOTTKY, VARACTOR. Синтаксис: Dnnn <анод> <катод> <имя модели> [off] [m=<значение>] [n=<значение>] [temp=<значение>].

Например:

D1 SW OUT MyIdealDiode
.model MyIdealDiode D(Ron=.1 Roff=1Meg Vfwd=.4)

D2 SW OUT dio2
.model dio2 D(Is=1e–10)

Ключевое слово off исключает диод из схемы при первой итерации расчета по постоянному току. Параметр m устанавливает количество параллельно включенных устройств, а параметр n — количество последовательно включенных устройств. Эти параметры имеют аналогичное значение и в моделях некоторых других компонентов.

Характеристики диода задаются в строке .MODEL. Есть два способа описания модели диода. Один представлен линейной моделью простого для расчетов идеализированного диода. Модель имеет три линейных участка электропроводности: прямое включение, обратное включение и пробой при обратном включении. Характеристика на участках прямой проводимости и обратного пробоя может определяться нелинейно с ограничением токов через Ilimit (revIlimit). Переход к ограничению тока на участке прямой проводимости формируется с использованием функции tanh(). Стоит отметить, что поведение модели с использованием параметров Ilimit, revIlimit не соответствует привычному поведению полупроводникового диода. Параметры epsilon и revepsilon определяют плавность переключения между запертым и проводящим состояниями. Участок характеристики между проводящим и запертым состояниями описывается квадратичной функцией таким образом, что вольт-амперная характеристика диода сохраняется непрерывной и гладкой. В проводящем состоянии переход обеспечивается при напряжении, определяемом значением epsilon, а переход между непроводящим состоянием и пробоем при обратном напряжении определяется revepsilon.

Идеализированная модель используется, если любое из Ron, Roff, Vfwd, Vrev или Rrev определено в модели.

Параметры идеализированной модели диода приведены в таблице 18.

Таблица 18. Параметры идеализированной модели диода

Обозначение Параметр Единица измерения Значение по умолчанию
Epsilon Протяженность
квадратичного участка
характеристики
В 0
Ilimit Ограничение тока
в прямом включении
А
Revepsilon Протяженность
квадратичного участка
характеристики
в обратном включении
В 0
Revilimit Ограничение тока
в обратном включении
А
Roff Сопротивление
в запертом состоянии
Ом 1/Gmin
Ron Сопротивление
в прямом включении
Ом 1
Rrev Обратное сопротивление Ом Ron
Vfwd Прямое пороговое
напряжение до начала
проводимости
В 0
Vrev Обратное пробивное
напряжение
В

Другая модель является стандартной SPICE-моделью полупроводникового диода, но расширенной так, чтобы более подробно описывать поведение при пробое и токи рекомбинации. Множитель Area определяет количество аналогичных параллельно включенных устройств. В таблице 19 приведены параметры модели для этого диода.

Таблица 19. Параметры модели диода

Обозначение Параметр Единица измерения Значение по умолчанию Пример
Af Показатель степени в формуле для фликкер-шума 1 1
BV Обратное пробивное напряжение В ? 40
Cjo Барьерная емкость при нулевом смещении пФ 0 2
Eg Ширина запрещенной зоны эВ 1,11 1,11 Si
0,67 Ge
Fc Коэффициент нелинейности барьерной емкости
прямосмещенного перехода
0,5  
Ibv Ток при пробивном напряжении А 1×10–10  
Ikf Максимальный ток при высоком уровне инжекции А  
Is Ток насыщения А 1×10–14 1×10–7
Isr Параметр тока рекомбинации А 0  
Kf Коэффициент фликкерZшума 0  
M Коэффициент лавинного умножения 0,5 0,5
N Коэффициент инжекции 1 1
Nr Коэффициент эмиссии для тока Isr 2  
Rs Объемное сопротивление Ом 0 10
Tikf Линейный температурный коэффициент для Ikf 1/°C 0  
Tnom Температура °С 27 50
Trs1 Линейный температурный коэффициент для Rs 1/°C 0  
Trs2 Квадратичный температурный коэффициент для Rs 1/°С–2 0  
Tt Время переноса заряда нс 0 2
Vj Контактная разность потенциалов В 1 0,6
Xti Температурный коэффициент тока насыщения 3 3

Можно задать для модели предельные значения напряжения, тока и мощности. Эти параметры, перечисленные в таблице 20, не влияют на электрическое поведение модели и не масштабируются множителем Area. Они позволяют LTspice проверить использование диода в номинальных режимах.

Таблица 20. Предельно допустимые параметры модели диода

Обозначение Параметр Единица измерения
Vpk Максимальное значение напряжения В
Ipk Максимальное значение тока А
Iave Среднее значение тока А
Irms Среднеквадратичное значение тока А
diss Максимальное значение
рассеиваемой мощности
Вт

Источник напряжения, управляемый напряжением

Имя компонента: E, E2. Есть три типа источников напряжения, управляемых напряжением.

Синтаксис: Exxx <+узел> <–узел> <+управляющий узел> <–управляющий узел> <коэффициент передачи>. Это источник с линейной зависимостью выходного напряжения, имеющий постоянный коэффициент передачи. Он воспроизводит выходное напряжение между узлами <+узел> <–узел>, зависящее от входного напряжения между узлами <+управляющий узел> <–управляющий узел>.

Синтаксис: Exxx <+узел> <–узел> <+управляющий узел> <–управляющий узел> table=(<пара значений>, <пара значений>, ѕ). Используется табличная форма задания коэффициента передачи в виде списка пар значений. Второе число в паре равно выходному напряжению, когда управляющее напряжение равно первому числу этой пары. Выходное напряжение изменяется линейно, когда управляющее напряжение изменяется между заданными точками. Если управляющее напряжение выходит за пределы диапазона, заданного в таблице, выходное напряжение экстраполируется как постоянное напряжение в соответствующей крайней точки таблицы.

Синтаксис: Exxx <+узел> <–узел> <+управляющий узел> <–управляющий узел> Laplace=<функция(и)> [window=<временной интервал>] [nfft=<число>] [mtol=<число>]. Передаточная функция этого источника напряжения определяется преобразованием Лапласа.

Синтаксис: Exxx <+узел> <–узел> value= {<выражение>}. Это альтернативный синтаксис для источника напряжения с произвольным поведением B.

Синтаксис: Exxx <+узел> <–узел> POLY(<N>) (+узел управляющего источника 1, –узел управляющего источника 1) (+узел управляющего источника 2, –узел управляющего источника 2) ѕ (+узел управляющего источника N, –узел управляющего источника N) <коэффициенты полиномаѕ>. Это устаревшая форма моделирования произвольного поведения, описываемого полиномом. Используется для управления имеющимися поведенческими моделями Linear Technology.

Примечание. Лучше использовать источник тока G, шунтированный сопротивлением, для имитации источника E. Источник тока, управляемый напряжением, шунтированный сопротивлением, обсчитывается быстрее и вызывает меньше проблем со сходимостью, чем источник напряжения, управляемый напряжением. Кроме того, ненулевое выходное полное сопротивление чаще встречается в практических схемах.

Источник тока, управляемый током

Имя компонента: F.

Синтаксис: Fxxx <+узел> <–узел> <имя управляющего источника напряжения> <коэффициент передачи>. Этот элемент цепи обеспечивает ток между узлами <+узел> <–узел>. Выходной ток равняется произведению коэффициента передачи на ток через независимый источник напряжения.

Синтаксис: Fxxx <+узел> <–узел> value= {<выражение>}. Это альтернативный синтаксис для источника тока с произвольным поведением B.

Синтаксис: Fxxx <+узел> <–узел> POLY(<N>) <V1 V2ѕ VN> <коэффициенты полиномаѕ>. Это устаревшая форма моделирования произвольного поведения, описываемого полиномом. Используется для управления имеющимися поведенческими моделями Linear Technology.

Источник тока, управляемый напряжением

Имя компонента: G, G2. Есть три типа источников тока, управляемых напряжением.

Синтаксис: Gxxx <+узел> <–узел> <+управляющий узел> <–управляющий узел> <коэффициент передачи>. Линейный источник с постоянным коэффициентом передачи, выходной ток которого течет между узлами <+узел> <–узел> и зависит от входного напряжения между узлами <+управляющий узел> <–управляющий узел>.

Синтаксис: Gxxx <+узел> <–узел> <+управляющий узел> <–управляющий узел> table=(<пара значений>, <пара значений>, ѕ). Источник с табличной формой задания коэффициента передачи. Таблица представляет собой список пар значений. Второе число в паре равно выходному току, когда управляющее напряжение равно первому числу этой пары. Выходной ток изменяется линейно, когда управляющее напряжение изменяется между заданными точками. Если управляющее напряжение выходит за пределы диапазона, заданного в таблице, выходной ток экстраполируется как постоянный ток в соответствующей крайней точке таблицы.

Синтаксис: Gxxx <+узел> <–узел> <+управляющий узел> <–управляющий узел> Laplace=<функция(и)> [window=<временной интервал>] [nfft=<число>] [mtol=<число>]. Функция передачи этого элемента схемы определена преобразованием Лапласа.

Синтаксис: Gxxx <+узел> <–узел> value= {<выражение>}. Это альтернативный синтаксис для источника тока с произвольным поведением B.

Синтаксис: Gxxx <+узел> <–узел> POLY(<N>) <(+узел управляющего источника 1, –узел управляющего источника 1) (+узел управляющего источника 2, –узел управляющего источника 2) ѕ (+узел управляющего источника N, –узел управляющего источника N) <коэффициенты полиномаѕ>. Это устаревшая форма моделирования произвольного поведения, описываемого полиномом. Используется для управления имеющимися поведенческими моделями Linear Technology.

Источник напряжения, управляемый током

Имя компонента: H.

Синтаксис: Hxxx <+узел> <–узел> <имя управляющего источника напряжения> <коэффициент передачи>. Напряжение, приложенное между узлами <+узел> <–узел>, линейно зависит от тока через управляющий источник напряжения, умноженного на коэффициент передачи.

Синтаксис: Hxxx <+узел> <–узел> value= {<выражение>}. Это альтернативный синтаксис для источника напряжения с произвольным поведением B.

Синтаксис: Hxxx <+узел> <–узел> POLY(<N>) <управляющий источник напряжения 1 управляющий источник напряжения 2 ѕ управляющий источник напряжения 3> <коэффициенты полиномаѕ>. Это устаревшая форма моделирования произвольного поведения, описываемого полиномом. Используется для управления имеющимися поведенческими моделями Linear Technology.

Источник тока

Имя компонента: CURRENT.

Синтаксис: Ixxx <+узел> <–узел> <ток> [AC=<амплитуда>] [load]. Это источник постоянного тока между узлами <+узел> <–узел>. Если источник используется как нагрузка, он должен быть потребителем, и в таком случае ток стремится к нулю, если напряжение между узлами <+узел> <–узел> стремится к нулю или имеет отрицательное значение. Цель этого варианта — в моделировании токовой нагрузки источника питания, который не дает ток, если выходное напряжение равно нулю. При этом применяется ключевое слово load.

Для анализа на переменном токе используется амплитудное значение переменного тока на анализируемой частоте.

Синтаксис: Ixxx <+узел> <–узел> PULSE (Ioff Ion Tdelay Trise Tfall Ton Tperiod Ncycles). Это источник импульсного тока, параметры модели которого приведены в таблице 21.

Таблица 21. Параметры модели источника импульсного тока

Обозначение Параметр Размерность
Ioff Начальное значение тока А
Ion Максимальное значение тока А
Tdelay Время задержки с
Trise Длительность переднего фронта с
Tfall Длительность заднего фронта с
Ton Длительность импульса с
Tperiod Период следования импульсов с
Ncycles Количество импульсов в серии
(опускается для источника
с непрерывной генерацией)
число

Синтаксис: Ixxx <+узел> <–узел> SINE (Ioffset Iamp Freq Td Theta Phi Ncycles). Так записывается источник синусоидального тока, параметры модели которого приведены в таблице 22.

Таблица 22. Параметры модели источника синусоидального тока

Обозначение Параметр Размерность
Ioffse Постоянная составляющая тока А
Iamp Амплитуда переменной
составляющей
А
Freq Частота Гц
Td Время задержки с
Theta Коэффициент затухания 1/с
Phi Фаза °
Ncycles Количество циклов
(опускается для источника
с непрерывной генерацией)
число

На этапах времени, которые меньше, чем Td, и после завершения Ncycles выходной ток описывается выражением:

Ioffset+Iamp×sin(pi×phi/180).

Для Td<time<Ncycles/Freq ток равен:

Ioffset+Iamp×exp(–(time–Td)×Theta)×sin(2pi×Freq(time–Td)+pi×phi/180).

Коэффициент затухания Theta — аналог постоянной времени затухания.

Синтаксис: Ixxx <+узел> <–узел> EXP (I1 I2 Td1 Tau1 Td2 Tau2). Это источник экспоненциального тока с параметрами модели, приведенными в таблице 23.

Таблица 23. Параметры модели источника экспоненциального тока

Обозначение Параметр Размерность
I1 Начальное значение тока А
I2 Максимальное значение тока А
Td1 Начало переднего фронта с
Tau1 Постоянная времени нарастания с
Td2 Начало заднего фронта с
Tau2 Постоянная времени нарастания с

Для времени меньше Td1 ток равен I1. На участке времени Td1<time<Td2 ток описывается выражением:

I1+(I2–I1)×(1–exp(–(time–Td1)/Tau1)).

Для времени больше Td2 ток описывается выражением:

I1+(I2–I1)×(1–exp(–(time–Td1)/Tau1))×(I1–I2)×(1–exp(–(time–Td2)/Tau2)).

Синтаксис: Ixxx <+узел> <–узел> SFFM(Ioff Iamp Fcar MDI Fsig). Параметры модели источника синусоидального тока с частотной модуляцией приведены в таблице 24.

Таблица 24. Параметры модели источника синусоидального тока с частотной модуляцией

Обозначение Параметр Размерность
Ioff Постоянная составляющая тока А
Iamp Амплитуда переменной
составляющей
А
Fcar Частота несущей Гц
MDI Индекс частотной модуляции
Fsig Частота сигнала Гц

Выходной сигнал описывается следующей функцией:

Ioff+Iamp×sin((2pi×Fcar×time)+MDI×sin(2pi×Fsig×time)).

Синтаксис: Ixxx <+узел> <–узел> tbl=(<напряжение,ток>, <напряжение,ток>, ѕ). Ток этого источника определяется как функция напряжения на выходных узлах в табличной форме. Такая форма используется для моделирования особенностей нагрузки.

Синтаксис: Ixxx <+узел> <–узел> <значение> step (<значение1>, [<значение2>], [<значение3>, ѕ]) [load]]. Это специальная форма для источника тока. Ток определен как список токов, такая форма используется при ступенчатом изменении нагрузки при анализе переходного процесса. В этом способе моделирование проводится, пока для первого тока в списке, <значение1>, не будет достигнуто установившееся состояние. Тогда ток переключается к следующему значению в списке, <значение2>. Процесс повторяется, пока список не будет исчерпан. Если директивой .tran не определен шаг step, то используются оригинальные <значения>.

Синтаксис: Ixxx <+узел> <–узел> R=<значение>. Это вообще-то не источник тока, а резистор. Такая форма используется, чтобы моделировать сопротивление нагрузки, когда нагрузка записана в списке соединений как источник тока.

Синтаксис: Ixxx <+узел> <–узел> PWL(t1 i1 t2 i2 t3 i3ѕ). Так описывается источник тока с кусочно-линейной функцией.

На отрезке времени меньше t1 ток равен i1. В течение времени между t1 и t2 ток изменяется линейно между i1 и i2. Допускается любое количество точек время-ток. Для времени, больше указанного в последней точке, ток равен последнему значению в списке.

Синтаксис: Ixxx <+узел> <–узел> wavefile= <имя файла> [chan=<номер канала>]. Такая модель позволяет использовать файл .wav в качестве входного для LTspice. <Имя файла> — это либо полный, абсолютный путь к файлу .wav, либо относительный путь, определяемый каталогом, содержащим моделируемую схему или список соединений.

Двойные кавычки могут использоваться для определения пути. Файл .wav может содержать до 65 536 каналов, пронумерованных от 0 до 65 535. Следует определить используемый канал. По умолчанию используется первый канал под номером 0. Файл .wav интерпретируется как имеющий полную шкалу от –1 до 1 A.

Этот источник применяется только в .TRAN-анализе.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (JFET)

Имя компонента: NJF, PJF.

Синтаксис: Jxxx <узел стока> <узел затвора> <узел истока> <имя модели> [коэффициент кратности area] [проводимость] [IC=<Vds,Vgs>] [temp=<температура>].

Примеры:

J1 0 in out MyJFETmodel
.model MyJFETmodel NJF(Lambda=.001)

J2 0 in out MyPJFETmodel
.model MyPJFETmodel PJF(Lambda=.001)

Для определения особенностей полевого транзистора с управляющим p-n-переходом используется директива .MODEL. Ключевые слова NJF и PJF в списке параметров модели определяют проводимость транзистора. Коэффициент кратности определяет количество идентичных устройств данной модели, включенных параллельно.

Модель JFET получена из модели Шихмана-Ходжеса, дополненной током рекомбинации затвора и реакцией на ионизирующие воздействия. Характеристики на постоянном токе определены параметрами VTO и BETA, которые связывают изменение тока стока с напряжением затвора; LAMBDA, который определяет выходную проводимость, и Is, током насыщения двух переходов. Включены два омических сопротивления, Rd и Rs. Накопление заряда моделируется нелинейными емкостями обедненного слоя для обоих переходов, которые изменяются в степени –1/2 приложенного к переходу напряжения и определены параметрами Cgs, Cgd и PB. Добавлен параметр B. Параметры модели полевого транзистора приведены в таблице 25.

Таблица 25. Параметры модели полевого транзистора

Обозначение Параметр Единица измерения Значение по умолчанию Пример
AF Показатель степени, определяющий зависимость спектральной плотности фликкер-шума от тока через переход 1  
alpha Коэффициент ионизации 1/В 0  
B Параметр легирования 1 1,1
Beta Крутизна А/В2 1×10–4 1×10–3
BetaTce Экспоненциальный температурный коэффициент крутизны %/°C 0  
Cgd Емкость перехода затвор–сток при нулевом смещении пФ 0 1
Cgs Емкость перехода затвор–исток при нулевом смещении п 0 5
Fc Коэффициент нелинейности емкостей переходов
при прямом смещении
0,5  
gdsnoi Коэффициент теплового шума канала 1  
Is Ток насыщения p-n-перехода затвор–канал А 1×10–14 1×10–14
Isr Параметр тока рекомбинации перехода затвор–канал А 0  
KF Коэффициент, определяющий плотность фликкерZшума 0  
Lambda Коэффициент модуляции длины канала 1/В 0 1×10–4
N Коэффициент неидеальности перехода затвор–канал 1  
nlev Выбор уравнения шумов 2  
Nr Коэффициент эмиссии для тока Isr 2  
Pb Контактная разность потенциалов p-n-перехода затвора В 1 0,6
Rd Объемное сопротивление области стока Ом 0 100
Rs Объемное сопротивление области истока Ом 0 100
Tnom Номинальная температура °C 27 50
Vk Напряжение ионизации перехода затвор–канал В 0  
Vto Пороговое напряжение В –2,0 –2,0
VtoTc Температурный коэффициент порогового напряжения В/°C 0  
Xti Температурный коэффициент тока Is 3  

Взаимная индуктивность

Имя компонента: нет, помещается в виде текста на схеме.

Синтаксис: Kxxx L1 L2 [L3ѕ] <коэффициент связи>. L1 и L2— обозначения катушек индуктивности в схеме. Коэффициент связи может находиться в пределах от –1 до 1.

Строка K1 L1 L2 L3 L4 1 эквивалентна шести строкам при одинаковом коэффициенте связи между каждой из пар обмоток:

  • K1 L1 L2 1;
  • K2 L2 L3 1;
  • K3 L3 L4 1;
  • K4 L1 L3 1;
  • K5 L2 L4 1;
  • K6 L1 L4 1.

Рекомендуется начинать моделирование с коэффициента связи, равного 1. Это устранит индуктивность рассеивания, которая может вызвать звон на очень высоких частотах, если отсутствует демпфирование, и замедлить моделирование. Однако коэффициент связи –1 или 1 может привести к проблемам с моделированием, если в директиве .tran присутствует модификатор uic.

Индуктивность

Имя компонента: IND, IND2.

Синтаксис: Lxxx <+узел> <–узел> <индуктивность> [ic=<начальный ток>] [Rser=<значение>] [Rpar=<значение>] [Cpar=<значение>] [m=<значение>] [tc1=<значение>] [tc2=<значение>] [temp=<значение>].

Можно задать эквивалентное последовательное сопротивление, последовательную индуктивность, параллельное сопротивление и параллельную шунтирующую емкость. На рис. 51 изображена эквивалентная схема индуктивности.



Рис. 51. Эквивалентная схема катушки индуктивности

Параметры индуктивности приведены в таблице 26.

Таблица 26. Параметры модели индуктивности

Обозначение Параметр
Rser Эквивалентное последовательное сопротивление
Rpar Эквивалентное параллельное сопротивление
Cpar Эквивалентная параллельная емкость
RLshunt Шунтирующий резистор, параллельный Lser
m Количество включенных параллельно устройств
ic Начальный ток (используется,
если только модификатор uic включен в .tranZанализ)
tc1 Линейный температурный коэффициент индуктивности
tc2 Квадратичный температурный коэффициент индуктивности
temp Рабочая температура

Предпочтительнее включить в состав катушки индуктивности паразитные Rpar, Rser и Cpar, чем специально предусматривать их. LTspice использует собственную технологию моделирования схемы для моделирования такой физической катушки индуктивности без внутренних узлов. Это делает матрицу моделирования меньше, ускоряет вычисления и уменьшает вероятность несходимости при малых шагах времени.

По умолчанию LTspice будет вычислять потери мощности в катушках индуктивности при расчете переходного процесса для ИИП. Эти потери обычно незначительны, и их расчет при желании может быть выключен. Отключите “Supply a min. inductor damping if no Rpar is given” на странице “Tools =>Control Panel =>Hacks!” Эта установка будет сохранена при перезапуске программы. По умолчанию также присутствуют последовательные сопротивления 1 мОм, не упомянутые в описании взаимной индуктивности. Наличие Rser позволяет SwitcherCAD III объединять индуктивности по эквивалентной схеме Нортона вместо эквивалентной схемы Тевенина, чтобы уменьшить размер матрицы линеаризованной схемы. Если нежелательно, чтобы такое минимальное сопротивление присутствовало в схеме, необходимо явно установить Rser = 0 для конкретной катушки индуктивности. При этом в процедуре анализа переходного процесса для катушки индуктивности будет использована более сложная эквивалентная схема Тевенина.

В LTSpice есть два варианта нелинейных индуктивностей. Каждый из них — это поведенческая индуктивность, описываемая выражением для потока. Ток через индуктивность в выражении записывается ключевым словом x. Пример записи в списке соединений:

*
L1 N001 0 Flux=1m*tanh(5*x)
I1 0 N001 PWL(0 0 1 1)
.tran 1
.end

В примере скорость изменения тока dI/dt задана равной 1 А/с, поэтому значение индуктивности можно считывать как напряжение в узле N001, естественно, заменив вольты на генри.

Другая нелинейная катушка индуктивности в LTspice базируется на гистерезисной модели магнитопровода, предложенной Джоном Чаном. Эта модель определяет петлю гистерезиса только тремя параметрами: Hc, Bs и Br. Параметры модели индуктивности с сердечником перечислены в таблице 27.

Таблица 27. Параметры модели индуктивности с сердечником

Обозначение Параметр Единица измерения
Hc Коэрцитивная сила АмперZвиток/м
Br Остаточная индукция Т
Bs Индукция насыщения Т
Lm Средняя длина магнитной силовой линии м
Lg Ширина воздушного зазора м
A Площадь поперечного сечения м2
N Количество витков

Верхняя и нижняя ветви основной петли гистерезиса описываются как:

График этой функции изображен на рис. 52.



Рис. 52. Предельная петля гистерезиса магнитного сердечника

Hc и Br — точки пересечения предельной петли гистерезиса с осями H и B. Bs — точка пересечения оси B с асимптотической прямой, приблизительно Bsat(H) = Bs0×H, поскольку H стремится к бесконечности.

Начальная кривая намагничивания:

Bmag(H) = 0,5×[Bup(H)+Bdn(H)].

Абсолютная и дифференциальная магнитные проницаемости сердечника — функции H и предшествующих значений H. На рис. 53 изображена асимметричная частная петля гистерезиса типового феррита для силовых устройств.



Рис. 53. Асимметричная частная петля гистерезиса феррита

Отметим, что напряженность магнитного поля H в воздушном зазоре не пропорциональна току в обмотке. LTspice определяет магнитные поля в магнитопроводе и зазоре в предположении равенства площадей поперечного сечения магнитопровода и короткого или равномерно распределенного зазора.

Следующий пример демонстрирует зависимость индуктивности L1, представляющей собой катушку на сердечнике с зазором, от протекающего тока:

*
N001 0 Hc=16. Bs=.44 Br=.10 A=0.0000251
+ Lm=0.0198 Lg=0.0006858 N=1000
I1 0 N001 PWL(0 0 1 1)
.tran .5
.options maxstep=10u
.end



Рис. 54.
Моделирование начальной кривой намагничивания

Схема и результаты моделирования изображены на рис. 54. Как и в предыдущем примере, значения индуктивности эквивалентны значениям напряжения в узле (N001). Намагничивание сердечника идет по начальной кривой намагничивания, так что можно заметить, что сначала магнитная проницаемость увеличивается по сравнению с начальным значением, а затем с ростом тока уменьшается вплоть до насыщения сердечника. Поскольку воздушный зазор уменьшает влияние изменения магнитной проницаемости на индуктивность катушки, чтобы заметить увеличение магнитной проницаемости, нужно увеличить масштаб изображения V(N001), что и сделано в окне графиков в правом верхнем углу рис. 54. Максимальное значение соответствует напряженности магнитного поля, равной коэрцитивной силе Hc.

Программа схемотехнического моделирования SwitcherCAD 3. Часть VI

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке