Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №7

Программа схемотехнического моделирования SwitcherCAD 3. Часть VI. Окончание

Пушкарев Михаил


В данной части статьи — продолжение описания моделей компонентов на языке LTSpice и возможности программы схемотехнического моделирования SwitcherCAD 3.

Все статьи цикла:

МОП-транзистор

Имена компонента: NMOS, NMOS3, PMOS, PMOS3, VDMOS. В LTSpice есть две существенно отличающиеся модели МОП-транзисторов: модель интегрального МОП-транзистора и новая модель силового вертикального МОП-транзистора с двойной диффузией.

Интегральный МОП-транзистор

Синтаксис: Mxxx <порт стока> <порт затвора> <порт истока> <порт подложки> <имя модели> [m=<значение>] ^=<значение>] [W=<значение>] [AD=<значение>] [AS=<значение>] [PD=<значение>] [PS=<зна-чение>] [NRD=<значение>] [NRS=<значе-ние>] [off] [Iс=<Vds, Vgs, Vbs>] [temp=<тем-пература>].

Например:

M1 Nd Ng Ns 0 MyMOSFET
.model MyMOSFET NMOS(KP=.001)

M1 Nd Ng Ns Nb MypMOSFET
.model MypMOSFET PMOS(KP=.001)

Мощный вертикальный МОП-транзистор с двойной диффузией

Синтаксис: Mxxx <порт стока> <порт затвора> <порт истока> <имя модели> [L=значе-ние>] [W=<значение>]m=<значение> [off] [IC=<Vds, Vgs, Vbs>] [temp=<температура>].

Например:

M1 Nd Ng Ns Si4410DY
.model Si4410DY VDMOS(Rd=3m Rs=3m Vto=2.6 Kp=60
Cgdmax=1.9n Cgdmin=50p Cgs=3.1n Cjo=1n Is=5.5p Rb=5.7m)

Описание модели МОП-транзистора определяет рассматриваемый тип транзистора. Ключевые слова модели NMOS и PMOS определяют интегральный n- или р-канальный МОП-транзистор. Ключевое слово модели VDMOS определяет мощный вертикальный МОП-транзистор с двойной диффузией.

Рис. 55. Эквивалентная схема мощного МОППтранзистора

Интегральные МОП-транзисторы — устройства с четырьмя выводами Nd, Ng, NS и Nb, соответственно, это выводы стока, затвора, истока и подложки. L и W — длина и ширина канала в метрах. AD и AS — площади диффузионных областей стока и истока в квадратных метрах. Отметим, что суффикс u определяет мкм, а p — мкм2. Если какой-либо из параметров L, W, AD или AS не определен, используется значение по умолчанию. По умолчанию PD и PS равны нулю, а NRD и NRS равны единице. Ключевое слово off указывает на наличие начальных условий при DC.-анализе. Начальные условия k = VDS, VGS, VBS предназначены для .TRAN-анализа с модификатором UIC, когда анализ переходного процесса желательно начать в отличной от статической рабочей точке. Дополнительная величина TEMP задает рабочую температуру конкретного устройства и аннулирует для него задание температуры в управляющей строке .OPTION. Указать температуру можно только для МОП-транзисторов уровней 1, 2, 3 и 6, но не для устройств BSIM уровней 4, 5 или 8. Физические параметры МОП-транзисторов перечислены в таблице 28.

Таблица 28. Физические параметры МОП-транзистора

Обозначение Параметр Единица измерения
L Длина канала м
W Ширина канала м
AD Площадь диффузионной области стока м2
AS Площадь диффузионной области истока м2
PD Периметр диффузионной области стока м
PS Периметр диффузионной области истока м
NRD Удельное поверхностное сопротивление стока -
NRS Удельное поверхностное сопротивление истока -

LTSpice поддерживает семь различных моделей интегральных МОП-транзисторов и одну модель мощного вертикального с двойной диффузией МОП-транзистора. Для интегральных МОП-транзисторов параметр модели LEVEL указывает на используемую модель. По умолчанию этот параметр равен единице.

Характеристики постоянного тока МОП-транзисторов уровней с 1-го по 3-й определены параметрами VTO, KP, LAMBDA, PHI и GAMMA. Эти параметры рассчитываются по известным параметрам процесса (NSUB, TOX, s), при этом пользовательские значения всегда аннулируются. VTO положительно (отрицательно) для обогащенных и отрицательно (положительно) для обедненных n-канальных (_р-канальных) приборов.

Накопление заряда моделируется тремя постоянными емкостями CGSO, CGDO и CGBO, которые представляют собой емкости перекрытия, тонкопленочные нелинейные конденсаторы, распределенные над затвором, истоком, стоком, и нелинейные емкости обедненного слоя обоих переходов с подложкой. Они, в свою очередь, подразделяются на основные и периферические, которые изменяются с приложенным к переходам напряжением с коэффициентами MJ и MJSW соответственно и определены параметрами CBD, CBS, CJ, CJSW, MJ, MJSW и PB. Эффект накопления заряда описывается моделью емкости, линейно зависящей от напряжения, предложенной Мейером. Эффекты накопления заряда в тонком окисле отличаются для модели Level = 1. Эти зависящие от напряжения емкости подключаются, только если задана Tox.

Параметры, описывающие переходы, несколько перекрываются, например, обратный ток может быть специфицирован либо через Is (A) либо через Js (А/м2). Поскольку первое — абсолютная величина второго, умноженного на AD и AS, то имеем обратные токи переходов стока и истока соответственно. Это относится и к емкостям переходов при нулевом смещении CBD и CBS (Ф) в одном варианте и CJ (Ф/м2) в другом. Паразитные последовательные сопротивления стока и истока могут быть выражены как RD и RS (Ом) или RSH (Ом/кв.), последнее умножается на количество квадратов NRD и NRS, приходящихся на длину элемента прибора.

Параметры моделей МОП-транзисторов уровней 1, 2 и 3 перечислены в таблице 29.

Таблица 29. Параметры модели интегрального МОП-транзистора

Обозначение Параметр Единица измерения Значение по умолчанию Пример
Af Показатель степени фликкер-шума - 1 1,2
Cbd Емкость перехода сток-подложка при нулевом смещении фФ 0 20
Cbs Емкость перехода исток-подложка при нулевом смещении фФ 0 20
Cgbo Удельная емкость перекрытия затвор-подложка Ф/м 0 2х10-10
Cgdo Удельная емкость перекрытия затвор-сток Ф/м 0 4х10-11
Cgso Удельная емкость перекрытия затвор-исток Ф/м 0 4х10-11
Cj Удельная емкость переходов сток (исток) - подложка Ф/м2 0 2х10-4
Cjsw Удельная емкость боковой поверхности переходов сток (исток) - подложка при нулевом смещении nФ/м 0 1
Delta Коэффициент влияния ширины канала на пороговое напряжение (уровни 2 и 3) - 0 1
Eta Коэффициент влияния напряжения сток-исток на пороговое напряжение (только уровень 3) - 0 1
Fc Коэффициент нелинейности барьерной емкости прямосмещенного перехода - 0,5
Gamma Коэффициент влияния потенциала подложки на пороговое напряжение В1/2 0 0,37
Is Ток насыщения переходов сток (исток) - подложка А 1 х 10-14 1 х 10-15
Js Плотность тока насыщения переходов сток (исток) - подложка А/м2 0 1 х10-8
Kappa Параметр модуляции длины канала напряжением сток-исток (только уровень 3) - 0,2 0,5
Kf Коэффициент фликкер-шума - 0 1 х 10-26
Kp Крутизна А/В2 2х10-5 3х10-6
Lambda Параметр модуляции длины канала (только для уровней 1 и 2) 1/В 0 0,02
Ld Боковая диффузия мкм 0 0,8
Mj Коэффициент плавности переходов сток (исток) - подложка - 0,5 0,5

Mjsw

Коэффициент наклона боковой поверхности - 0,50 уровень 1
переходов сток (исток) - подложка 0,33 уровни 2, 3
N Коэффициент неидеальности перехода сток-подложка - 1
Neff Коэффициент коррекции концентрации примеси в канале (только уровень 2) - 1 5
Nfs Плотность быстрых поверхностных состояний 1/см2 0 1 х 10-10
Nss Плотность медленных поверхностных состояний 1/см2 0 1 х 10-10
Nsub Уровень легирования подложки 1/см3 0 4х1015
Pb Потенциал инверсии приповерхностного слоя подложки В 0,8 0,87
Phi Поверхностный потенциал инверсии В 0,6 0,65
Rd Объемное сопротивление стока Ом 0 1
Rs Объемное сопротивление истока Ом 0 1
Rsh Сопротивление диффузионных областей стока и истока Ом 0 10
Theta Коэффициент модуляции подвижности (только уровень 3) - 0 0,1
Tnom Рабочая температура С 27 50
Tox Толщина окисла м 1х10-7 1х10-7
TPG Тип легирования затвора: - 1
+1 (примесью того же типа, как и подложки)
-1 (примесью противоположного типа)
0 (алюминиевый затвор)
Ucrit Критическая напряженность поля (только уровень 2) В/см 1х104 1 х 104
Uexp Эмпирическая константа подвижности носителей (только уровень 2) - 0 0,1
Uo Подвижность носителей в поверхностном слое см2/В-с 600 700
Utra Коэффициент поперечного поля (только уровень 2) - 0 0,3
Vmax Максимальная скорость дрейфа носителей (только уровни 2 и 3) м/с 0 5х104
Vto Пороговое напряжение В 0 1
Xj Глубина металлургического перехода мкм 0 1

Дискретный вертикальный МОП-транзистор с двойной диффузией (ДМОП), обычно используемый в ИИП, ведет себя качественно по-другому, чем вышеупомянутые модели интегральных МОП-транзисторов. В частности, встроенный диод ДМОП-транзисто-ра подключен к внешним выводам иначе, чем диод подложки интегрального МОП-транзистора, а нелинейная емкость затвор-сток (Cgd) не может быть смоделирована простым масштабированием емкостей моделей интегральных МОП-транзисторов. В ДМОП-транзис-торе Cgd резко изменяется в окрестности нулевого напряжения затвор-исток (Vgd). Когда напряжение Vgd отрицательно, Cgd физически базируется на конденсаторе с затвором в качестве первого электрода и стока, а в конечном итоге — подложки, в качестве второго электрода. Эта емкость весьма мала вследствие большой толщины непроводящей подложки. Когда же Vgd положительно, подложка в проводящем состоянии, и Cgd физически основана на конденсаторе с толщиной затворного окисла

Традиционно для имитации поведения мощных МОП-транзисторов используются сложные макромодели. Новое встроенное SPICE-устройство было создано с целью ускорения расчетов, надежности преобразования и упрощения записи моделей. Эквивалентная схема устройства представлена на рис. 55.

Модель для постоянного тока аналогична модели уровня 1 интегрального МОП-транзистора, за исключением того, что длина и ширина канала опускаются, а крутизна задается непосредственно, без вычислений. Модель для переменного тока следующая. Емкость затвор-исток принята постоянной. Как установлено опытным путем, это хорошее приближение для мощного МОП-транзистора, если напряжение затвор-исток не становится отрицательным. Емкость затвор-сток определяется эмпирической зависимостью, изображенной на рис. 56.

Рис. 56. Зависимость емкости затвор-сток

Емкость затвор-сток Cgd изменяется как гиперболический тангенс напряжения затвор-сток Vgd для положительного напряжения и как арктангенс для отрицательного напряжения. Параметры модели Cgdmax и Cgdmax определяют емкость затвор-сток. Емкость исток-сток представлена емкостью встроенного диода, подключенного непосредственно к электродам истока и стока для исключения влияния сопротивлений истока и стока. Параметры модели вертикального ДМОП-транзистора в таблице 30.

Таблица 30.. Параметры модели ДМОП-транзистора

Обозначение Параметр Единица измерения Значение по умолчанию Пример
A Параметр нелинейности емкости затвор-сток - 1 0,5
Af Показатель степени фликкер-шума - 1
Cgdmax Максимум нелинейной емкости затвор-сток пФ 0 1000
Cgdmin Минимум нелинейной емкости затвор-сток пФ 0 300
Cgs Емкость затвор-исток пФ 0 500
Cjo Емкость перехода диода подложки при нулевом смещении нФ 0 1
Eg Ширина запрещенной зоны для диода подложки эВ 1х10-11
Fc Коэффициент нелинейности барьерной емкости прямосмещенного диода подложки - 0,5
Is Ток насыщения диода подложки А 1х10-14 1х10-15
Kf Коэффициент фликкер-шума - 0
Kp Параметр крутизны А/В2 1 0,5
L Коэффициент для длины канала - 1
Lambda Параметр модуляции длины канала 1/В 0 0,02
M Коэффициент плавности перехода диода подложки - 0,5 0,5
N Коэффициент эмиссии диода подложки - 1
nchan[*] л-канальный вертикальный ДМОП - (true)
Phi Поверхностный потенциал инверсии В 0,6 0,65
pchan[*] р-канальный вертикальный ДМОП - (false) -
Rb Омическое сопротивление диода подложки Ом 0 0,5
Rd Омическое сопротивление стока Ом 0 1
Rds Сопротивление утечки сток-исток МОм да 10
Rg Омическое сопротивление затвора Ом 0 2
Rs Омическое сопротивление истока Ом 0 1
Tnom Температура с 27 50
tt Время переноса заряда для диода подложки нс 0 10
Vj Пороговый потенциал диода подложки В 1 0,8
Vto Пороговое напряжение В 0 1
Xti Температурный коэффициент тока насыщения диода подложки - 3
W Коэффициент для ширины канала - 1

Имя модели VDMOS используется как для n-канальных, так и для p-канальных транзисторов. По умолчанию устанавливается n-про-водимость. Для того чтобы определить p-канал, следует дополнить модель ключевым словом pchan, например, ".model xyz VDMOS(Kp=3 pchan)" определяет p-канальный транзистор.

Линия передачи с потерями

Имя символа: LTLIN.

Синтаксис: Oxxx <узел порта L+> <узел порта L-> <узел порта R+> <узел порта R-> <имя модели>.

Например:

O1 in 0 out 0 MyLossyTline
.model MyLossyTline LTRA(len=1 R=10 L=1u C=10n
)

Это однопроводная линия передачи с потерями. L+ и L--узлы одного порта. R+ и R- — узлы другого порта. Электрические характеристики определяются строкой .MODEL.

Параметры модели линии передачи с потерями приведены в таблице 31.

Таблица 31. Параметры линии передачи с потерями

Обозначение Параметр Единица измерения Значение по умолчанию
R Погонное сопротивление Ом/ед. длины 0
L Погонная индуктивность Гн/ед. длины 0
G Погонная проводимость 1/Ом/ед. длины 0
С Погонная емкость Ф/ед. длины 0
Len Количество единиц длины - 0

Биполярный транзистор

Имя символа: NPN, PNP, NPN2, PNP2.

Синтаксис: Qxxx <узел коллектора> <узел базы> <узел эмиттера> [узел подложки] <имя модели> [коэффициент кратности] [проводимость] [IC=<Vbe, Vce>] [temp=<T>].

Например:

Q1 C B E MyNPNmodel
.model MyNPNmodel NPN(Bf=75)

Чтобы задать характеристики биполярных транзисторов, используется описание модели. Ключевые слова в строке модели NPN и PNP указывают на проводимость транзистора. Множитель area определяет количество эквивалентных устройств соответствующей модели, включенных параллельно.

Модель биполярного транзистора — это адаптированная модель Гуммеля-Пуна. Модификация расширила модель, чтобы учесть некоторые эффекты при больших уровнях смещения, в режиме квазинасыщения, и проводимость подложки. Модель автоматически упрощается до модели Эберса-Молла, когда опущены некоторые параметры. На постоянном токе модель задана параметрами Is, Bf, Nf, Ise, Ikf, Ne, определяющими характеристики в прямом включении, Is, Br, Nr, Isc, Ikr, Nc, определяющими характеристики в обратном включении, и Vaf, Var, определяющими выходную проводимость для прямого и обратного включения. Модель включает в себя три омических сопротивления Rb, Rc и Re, при этом Rb может зависеть от величины протекающего тока. Накопление заряда в базе моделируется временами переноса заряда в прямом и обратном включении (Tf и Tr), причем Tf можно сделать зависящим от уровня смещения, и нелинейными емкостями обедненного слоя, заданными параметрами Cje, Vje, Mje для перехода база-эмиттер, Cjc, Vjc, Mjc для перехода база-коллектор и Cjs, Vjs, Mjs для перехода коллектор-подложка. Температурная зависимость тока насыщения Is определяется шириной запрещенной зоны полупроводника Eg и экспоненциальным температурным коэффициентом Xti. Температурная зависимость коэффициента передачи в новой модели моделируется экспоненциальным температурным коэффициентом Xtb. Значение температуры Tnom может быть задано директивой .OPTIONS или отвергнуто приоритетной записью в строке .MODEL.

Параметры биполярного транзистора, использованные в модифицированной модели Гуммеля-Пуна, приведены в таблице 32.

Таблица 32. Параметры модифицированой модели Гуммеля-Пуна биполярного транзистора

Обозначение

Параметр

Единица измерения

Значение по умолчанию

Af Показатель степени фликкер-шума - 1
Bf Идеальный максимальный коэффициент передачи в нормальном режиме - 100
Br Идеальный максимальный коэффициент передачи в инверсном режиме - 1
BVcbo Пробивное напряжение перехода база-коллектор В ?
Cjc Емкость перехода база-коллектор при нулевом смещении Ф 0
Cje Емкость перехода база-эмиттер при нулевом смещении Ф 0
Cjs Емкость перехода коллектор-подложка при нулевом смещении Ф 0

Cn

Температурный коэффициент квазинасыщения подвижности неосновных носителей

2,42 NPN

2,2 PNP

D

Температурный коэффициент квазинасыщения скорости рассасывания неосновных носителей

0,87 NPN

0,52 PNP
Eg Ширина запрещенной зоны эВ 1,11
Fc Коэффициент нелинейности барьерных емкостей при прямом смещении - 0,5
Gamma Коэффициент легирования эпитаксиальной области 1х10-11
Ikf Ток начала спада коэффициента передачи в нормальном режиме А да
Ikr Ток начала спада коэффициента передачи в инверсном режиме А да
Irb Ток базы, при котором сопротивление базы уменьшается на величину, равную половине разности между максимальным и минимальным значениями А да
Is Ток насыщения А 1х10-16
Isc Обратный ток перехода база-коллектор А 0
Ise Обратный ток перехода база-эмиттер А 0
Iss Обратный ток перехода коллектор-подложка А 0
Itf Параметр, определяющий зависимость Tf при больших токах А 0
Kf Коэффициент спектральной плотности фликкер-шума - 0
Mjc Коэффициент плавности перехода база-коллектор - 0,33
Mje Коэффициент плавности перехода база-эмиттер - 0,33
Mjs Коэффициент плавности перехода коллектор-подложка - 0
nBVcbo Коэффициент неидеальности в режиме пробоя перехода база-коллектор - 1
Nc Коффициент неидеальности перехода база-коллектор - 2
Ne Коэффициент неидеальности перехода база-эмиттер - 1,5
Nf Коэффициент неидеальности в нормальном режиме - 1
Nr Коэффициент неидеальности в инверсном режиме - 1
Ns Коэффициент неидеальности перехода коллектор-подложка - 1
Ptf Фазовый сдвиг на граничной частоте f = 1/(Tfх2хPI) 0
Qco Множитель, определяющий заряд в эпитаксиальной области К 0
Quasimod Флаг квазинасыщения температурной зависимости - не установлен
Rb Объемное сопротивление базы при нулевом смещении Ом 0
Rbm Сопротивление базы при больших токах Ом Rb
Rc Объемное сопротивление коллектора Ом 0
Rco Сопротивление эпитаксиальной области Ом 0
Re Объемное сопротивление эмиттера Ом 0
Tf Идеальное время переноса в нормальном режиме с 0
Tnom Температура измерений с 27
Tr Идеальное время переноса в инверсном режиме с 0
Trb1 Линейный температурный коэффициент Rb 1/°C 0
Trb2 Квадратичный температурный коэффициент Rb 1/°C2 0
Trc1 Линейный температурный коэффициент Rc 1/°C 0
Trc2 Квадратичный температурный коэффициент Rc 1/°C2 0
Tre1 Линейный температурный коэффициент Re 1/°C 0
Tre2 Квадратичный температурный коэффициент Re 1/°C2 0
Trm1 Линейный температурный коэффициент Rmb 1/°C 0
Trm2 Квадратичный температурный коэффициент Rmb 1/°C2 0
TBVcbo1 Линейный температурный коэффициент пробивного напряжения перехода коллектор-база 1/°C 0
TBVcbo2 Квадратичный температурный коэффициент пробивного напряжения перехода коллектор-база 1/°C2 0
Vaf Напряжение Эрли в нормальном режиме В да
Var Напряжение Эрли в инверсном режиме В да
Vg Напряжение ширины запрещенной зоны, экстраполированное для 0 К В 1,206
Vjc Контактная разность потенциалов перехода база-коллектор В 0,75
Vje Контактная разность потенциалов перехода база-эмиттер В 0,75
Vjs Контактная разность потенциалов перехода коллектор-подложка В 0,75
Vo Напряжение, определяющее перегиб зависимости тока эпитаксиальной области В 10
Vtf Коэффициент, описывающий зависимость Tf от напряжения коллектор-база В да
Xcjc Коэффициент расщепления емкости база-коллектор - 1
Xtb Температурный коэффициент Bf и Br - 0
Xtf Коэффициент, описывающий зависимость Tf от напряжения база-коллектор - 0
Xti Экспоненциальный температурный коэффициент для Is - 3

Установив параметр модели Level = 9, в LTSpice можно воспользоваться другой моделью биполярного транзистора, VBIC, являющейся расширенной модификацией стандарной модели Гуммеля-Пуна, ориентированной на интегральные биполярные транзисторы современных полупроводниковых технологий.

Дополнительные возможности, которые дает модель VBIC в сравнении со стандартной моделью Гуммеля-Пуна:

  • интегрированный паразитный транзистор подложки для интегральных схем;
  • модель лавинного пробоя база-эмиттер;
  • улучшенное моделирование эффекта Эрли;
  • физическое разделение Ic и Ib;
  • улучшенная модель барьерной емкости;
  • улучшенное температурное моделирование;
  • моделирование саморазогрева (в LTSpice отсутствует).

Резистор

Имя символа: RES, RES2. Синтаксис: Rxxx <узел 1> <узел 2> <сопротивление> [1с=линейный температурный коэффициент, квадратичный температурный коэффициент, ...] ^шр^значение^.

Резистор представляется простым линейным сопротивлением между узлами n1 и n2. Температурная зависимость может быть определена для каждого резистора встроенным параметром tc. Сопротивление R равно:

R=R0×(1+dt×tc1+dt×2×tc2+dt×3×tc3+...),

где R0 — сопротивление при номинальной температуре, а dt — разница между температурой резистора и номинальной температурой.

Ключ, управляемый напряжением

Имя символа: SW.

Синтаксис: Sxxx <узел 1> <узел 2> управляющий узел+> <управляющий узел-> <имя модели> [on,off].

Например:

S1 out 0 in 0 MySwitch
.model MySwitch SW(Ron=.1 Roff=1Meg Vt=0 Vh=-.5 Lser=10n
Vser=.6)

Напряжение между узлами <управляющий узел+> <управляющий узел-> управляет полным сопротивлением ключа между узлами <узел 1> и <узел 2>. Требуется определить поведение ключа в директиве .MODEL. В файле .\examples\Educational\Vswitch.asc показан пример с размещением директивы .MODEL непосредственно в схеме.

Параметры модели ключа, управляемого напряжением, приведены в таблице 33.

Таблица 33.. Параметры модели ключа, управляемого напряжением

Обозначение Параметр Единица измерения Значение по умолчанию
Vt Пороговое напряжение В 0
Vh Напряжение гистерезиса В 0
Ron Сопротивление замкнутого ключа Ом 1
Roff Сопротивление разомкнутого ключа Ом 1/Gmin
Lser Последовательная индуктивность Гн 0
Vser Последовательное напряжение В 0
I limit Ограничение тока А да

Ключ имеет три различных способа управления напряжением, в зависимости от величины напряжения гистерезиза Vh. Если Vh равно нулю, ключ всегда полностью замкнут или разомкнут в зависимости от того, выше или ниже порога входное напряжение. Если Vh положительно, ключ имеет гистерезис, как будто он управляется триггером Шмитта с точками переключения Vt-Vh и Vt+Vh. Vh равно половине напряжения между точками переключения, и в этом отличие от других известных моделей. Если Vh отрицательно, ключ плавно переключается между замкнутым и разомкнутым состояниями. Переключение происходит между управляющими напряжениями Vt-Vh и Vt+Vh.

Есть модель ключа, управляемого напряжением, уровня 2, являющаяся более совер

шенной версией ключа уровня 1 с отрицательным гистерезисом. Ключ уровня 2 никогда полностью ни замкнут, ни разомкнут. Проводимость в функции управляющего напряжения Vc:

g(Vc) = exp(A×atn((Vc-Vt)/Vh)+B),

где A = pi×(log(1/Ron)-log(1/Roff));

B = (log(1/Ron)+log(1/Roff)).

Переключение ключа уровня 2 до ограничения тока плавное, а не внезапное. При фиксированном управляющем напряжении вольт-амперная характеристика описывается уравнением:

I(V) = Ilimit×tanh(g(Vc)×V).

Ключ уровня 2 поддерживает режим проводимости только в одном направлении, если установлен флаг oneway или задано падение напряжения параметром Vser. Плавность переключения из проводящего состояния в запертое может быть задана установкой параметра epsilon не равным нулю.

На рис. 57 показаны результаты моделирования различных вариантов ключа.

Рис. 57. Результаты моделирования ключа, управляемого напряжением

Рис. 57. Результаты моделирования ключа, управляемого напряжением

Линия передачи без потерь

Имя символа: TLINE.

Синтаксис: Txxx <узел порта L+> <узел порта L-> <узел порта R+> <узел порта R->

Zo=<значение> Td=<значение>. L+ и L-- узлы одного порта. R+ и R- — узлы другого порта. Zo — полное характеристическое сопротивление. Длина линии определяется временем задержки сигнала Td.

Распределенная RC-цепь

Имя символа: URC.

Синтаксис: Uxx <узел 1> <узел 2> <узел общий> <имя модели> L=<len> [N=<lumps>].

N1 иN2 — два узла подключения к RC-цепи, Ncom — узел, в которым связаны емкости. LEN — длина RC-цепи в метрах. Lumps, если задано, — количество RC-сегментов, используемых в моделировании RC-цепи. Если количество сегментов не задано, подбирается их подходящее количество. Модель выполнена в макровиде. Сегменты RC находятся в геометрической пропорции, с возрастающим отношением к середине цепи с коэффициентом пропорциональности K.

Цепь URC создается из сегментов, состоящих из резистора и конденсатора, если же задана не нулевая величина параметра ISPERL, конденсаторы заменяются обратносмещен-ными диодами с эквивалентной емкостью, током насыщения ISPERL и дополнительным последовательным эквивалентным сопротивлением RSPERL.

Параметры распределенной RC-цепи приведены в таблице 34.

Источник напряжения

Имя символа: VOLTAGE, BATTERY. Синтаксис: Vxxx <узел+> <узел-> <напряжение> [АС=<амплитуда>] |^8ег=<значе-ние>] [Сраг=<значение>]. Это источник постоянного напряжения между узлами узел+ и узел-. Для AC-анализа как амплитуда источника на частоте анализа используется значение AC. Могут быть заданы последовательное сопротивление Rser и параллельная емкость Cpar.

Эквивалентная схема источника напряжения показана на рис. 58.

Рис. 58. Эквивалентная схема источника напряжения

Источники напряжения исторически используются в SPICE для измерения тока в цепи и как датчики тока для управляемых током элементов, для чего в ветвь электрической цепи намеренно включается источник напряжения с нулевым значением напряжения. Если задано последовательное сопротивление, источник напряжения не может быть использован как датчик тока для F, H или W элементов. Тем не менее, ток любого элемента ветви цепи, включая источник напряжения, можно отобразить.

Синтаксис: Vxxx <узел+> <узел-> PULSE(V1 V2 Tdelay Trise Tfall Ton Tperiod Ncycles). Так описывается источник импульсного напряжения, параметры модели которого приведены в таблице 35.

Таблица 34.. Параметры модели источника импульсного напряжения

Обозначение Параметр Единица измерения
Vof Начальное значение напряжения В
Von Значение напряжения в импульсе В
Tdelay Задержка с
Tr Время нарастания с
Tf Время спада с
Ton Длительность импульса с
Tperiod Период следования импульсов с
Ncycles Количество циклов (опускается для источника с неограниченным количеством импульсов) число

Синтаксис: Vxxx <узел+> <узел-> SINE(Voffset Vamp Freq Td Theta Phi Ncycles). Это форма записи источника синусоидального напряжения, параметры его модели приведены в таблице 36.

Таблица 35.. Параметры модели источника синусоидального напряжения

Обозначение Параметр Единица измерения
Voffset Постоянное смещение В
Vamp Амплитуда напряжения В
Freg Частота Гц
Td Задержка с
Theta Коэффициент демпфирования 1/с
Phi Фаза синусоиды
Ncycles Количество периодов (опускается для источника с неограниченным количеством периодов) число

В течение времени, меньшего Td, или времени после завершения Ncycles выходное напряжение равно:

Voffset+Vamp×sin (pi×phi/180).

В иное время напряжение равно:

Voffset+Vampxexp(-(time-Td)×Theta)×sin(2×pi×Freq×(time-Td)+pi×phi/180).

Коэффициент демпфирования, Theta, является аналогом постоянной времени спада.

Синтаксис: Vxxx <узел+> <узел-> EXP(V1 V2 Td1 Taul Td2 Tau2). Это — источник экспоненциального напряжения с параметрами модели, приведенными в таблице 37.

В течение времени, меньшего Tdl, выходное напряжение — V1. Для времени между Tdl и Td2 напряжение равно:

V1+(V2-V1)×(1-exp(-(time-Td1)/Tau1)).

Таблица 36.. Параметры модели источника экспоненциального напряжения

Обозначение

Параметр

Единица измерения
V1 Начальное значение напряжения В
V2 Импульсное значение напряжения В
Td1 Время задержки нарастания с
Tau1 Постоянная времени нарастания с
Td2 Время задержки спада с
Tau2 Постоянная времени спада с

В течение времени после Td2 напряжение равно:

V1+(V2-V1)×(1-exp(-(time-Td1)/Tau1))+(I1-I2)×(1-exp(-(time-Td2)/Tau2)).

Синтаксис: Vxxx n+ n- SFFM(Voff Vamp Fcar MDI Fsig). Так описывается источник синусоидального напряжения с частотной модуляцией с параметрами модели, приведенными в таблице 38.

Таблица 37.. Параметры модели источника синусоидального напряжения с частотной модуляцией

Обозначение Параметр Единица измерения
Voff Постоянное смещение В
Vamp Амплитуда напряжения В
Fcar Несущая частота Гц
MDI Индекс модуляции -
Fsig Частота сигнала Гц

Напряжение равно:

Voff+Vamp×sin((2×pi×Fcar×time)+MDI×sin(2×pi×Fsig×time)).

Синтаксис: Vxxx n+ n- PWL(t1 vl t2 v2 t3 v3s). Это источник напряжения с кусочно-линейным сигналом, задаваемым координатами точек излома (ti, vi).

В течение времени до t1 напряжение равно v1. В течение времени между t1 и t2 напряжение изменяется линейно от v1 до v2. Допускается любое количество точек время-напряжение. Для времени после последнего значения напряжение равно последнему значению.

Синтаксис: Vxxx n+ n- wavefile=<имя файла> [chan=<nnn>]. 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 В. Этот источник имеет применение только в .TRAN-анализе.

Таблица 38.. Параметры модели распределенной RC-цепи

Обозначение Параметр Единица измерения Значение по умолчанию
K Постоянная распространения - 2
Fmax Максимальная интересуемая частота ГГц/м 1
Rperl Погонное сопротивление кОм/м 1
Cperl Погонная емкость Ф/м 1 х 10-15
Isperl Ток насыщения на единицу длины А/м 0
Rsperl Сопротивление диода на единицу длины Ом/м 0

Синтаксис: Vxxx <узел+> <узел-> SINE(Voffset Vamp Freq Td Theta Phi Ncycles). Это форма записи источника синусоидального напряжения, параметры его модели приведены в таблице 36.

Ключ, управляемый током

Имя символа: CSW. Синтаксис: Wxxx <узел 1> <узел 2> <имя управляющего источника напряжения> <имя модели> [on,off]. Например:

W1 out 0 Vsense MySwitch
Vsense a b 0.
.model MySwitch CSW(Ron=.1 Roff=1Meg It=0 Ih=–.5)

Ток через источник напряжения Vsense управляет сопротивлением ключа. Требуется определить поведение ключа в строке .MODEL.

Параметры модели ключа, управляемого током, приведены в таблице 39.

Таблица 39.. Параметры модели ключа, управляемого током

Обозначение Параметр Единица измерения Значение по умолчанию
It Пороговый ток А 0
Ih Ток гистерезиса А 0
Ron Сопротивление замкнутого ключа Ом 1
Roff Сопротивление разомкнутого ключа Ом 1/Gmin

Ключ имеет три различных способа управления, в зависимости от величины тока гистерезиса Ih. Если Ih равен нулю, ключ всегда полностью замкнут или разомкнут, в зависимости от того, выше или ниже порога управляющий ток. Если Ih положителен, ключ имеет гистерезис с точками переключения It-Ih и It+Ih. Если Ih отрицателен, ключ плавно переключается между замкнутым и разомкнутым состояниями. Переключение происходит между управляющими токами It-Ih и It+Ih.

Макромодель

Синтаксис: Xxxx <узел 1> <узел 2> <узел 3> ... <имя макромодели> [<parameter>=выражение>].

Макромодели позволяют определить и сохранить схему в библиотеке для позднейшего поиска по имени. Пример описания в виде макромодели делителя:

* calling a subcircuit
*
* This is the circuit
X1 in out 0 divider top=9K bot=1K
V1 in 0 pulse(0 1 0 .5m .5m 0 1m)
* This is the subcircuit
.subckt divider A B C
R1 A B {top}
R2 B C {bot}
.ends divider
.tran 3m
.end

Полевой транзистор с затвором Шоттки (MESFET)

Имя символа: MESFET. Синтаксис: Zxxx <узел стока> <узел затвора> <узел истока> <имя модели> [area] [проводимость] [IC=<Vds, Vgs>] [temp=<значение>].

Для MESFET-транзистора необходима строка модели, определяющая характеристики. Ключевые слова NMF и PMF в строке модели определяют проводимость транзистора.

Параметры модели полевого транзистора с затвором Шоттки приведены в таблице 40.

Стоит отметить, что часть моделей компонентов отличается по обозначению и описанию от широко используемых моделей в формате PSpice. При необходимости использования таких моделей в LTSpice следует внимательно проанализировать текст модели и внести необходимые изменения. Это весьма непростая задача, требующая соответствующей подготовки.

Таблица 40.. Параметры модели полевого транзистора с затвором Шоттки

Обозначение Параметр Единица измерения Значение по умолчанию
AF Экспоненциальный коэффициент фликкер-шума - 1
Alpha Параметр напряжения насыщения 1/В 2,0
B Параметр легирования - 0,3
Beta Крутизна А/В 1х10-4
Cgd Емкость перехода затвор-сток при нулевом смещении Ф 0
Cgs Емкость перехода затвор-исток при нулевом смещении Ф 0
Fc Коэффициент нелинейности емкостей при прямом смещении - 0,5
KF Коэффициент фликкер-шума - 0
Lambda Параметр модуляции длины канала 1/В 0
Pb Контактная разность потенциалов р-я-перехода затвора В 1
Rd Омическое сопротивление стока Ом 0
Rs Омическое сопротивление истока Ом 0
Vto Барьерный потенциал перехода Шоттки В -2,0

Этим материалом заканчивается цикл, посвященный программе схемотехнического моделирования Switcher CAD. Автор программы Майкл Энгельгарт (Mike Engelhardt) создал замечательный продукт, за который ему благодарны специалисты, работающие в различных областях электроники.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке