Spice модель: SPICE модели диодов

SPICE модели диодов

Добавлено 11 августа 2017 в 20:10

Сохранить или поделиться

Программа моделирования схем SPICE в процессе моделирование работы схем обеспечивает и моделирование работы диодов. Модели диодов основаны на характеристиках отдельных устройств, описанных в технических описаниях на конкретные продукты, и характеристиках технологических процессов, которые не указаны в описаниях на устройства. Некоторая информация, взятая из технического описания на 1N4004, приведена на рисунке ниже.

Определение диода начинается с имени элемента диода, которое должно начинаться с «d» плюс необязательные символы. Примеры имен элементов диодов: d1, d2, dtest, da, db, d101. Два номера узлов определяют подключение анода и катода, соответственно, к другим компонентам. За номерами узлов следует имя модели, ссылаясь на последующий оператор «

Строка оператора модели начинается с «.model«, за которым следует название модели, соответствующее одному или нескольким определениям диода. Затем «d» указывает, что работа диода должна моделироваться. Остальная часть объявления модели представляет собой список дополнительных параметров диода в виде ParameterName=ParameterValue. В примере 1 такие параметры не используются. В примере 2 определены несколько параметров. Список параметров диодов приведен в таблице ниже.

Основная форма:  d[имя] [анод] [катод] [название_модели]
                 .model ([название_модели] d [parmtr1=x] [parmtr2=y] . . .)
 
 Пример1:        d1 1 2 mod1
                 . model mod1 d
 
 Пример2:        D2 1 2 Da1N4004
                 .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 M=0.333 N=2)

Самый простой подход для получения SPICE модели такой же, как и для получения технического описания: посмотрите на сайте производителя. В таблице ниже приведены параметры модели для некоторых диодов. Во втором случае можно создать SPICE модель по тем параметрам, которые указаны в техническом описании. Третий случай, который здесь не рассматривается, – это измерение параметров реального устройства. Затем вычислить, сравнить и подогнать параметры SPICE модели к результатам измерений.

Если параметры диода не указаны, как в первом примере выше, применяются параметры по умолчанию, взятые из таблиц выше и ниже. Это модели по умолчанию диодов в интегральных микросхемах. Они безусловно подходят для предварительной работы и с дискретными устройствами. Для более важной работы используйте SPICE модели, поставляемые производителем, поставщиками ПО SPICE и другими источниками.

SPICE параметры некоторых диодов: sk = Шоттки, Ge = германий, остальные = кремний

Элемент	IS	RS	N	TT	CJO	M	VJ	EG	XTI	BV	IBV
По умолчанию	1E-14	0	1	0	0	0.5	1	1.11	3	∞	1m
1N5711 sk	315n	2.8	2.03	1.44n	2.00p	0.333	—	0.69	2	70	10u
1N5712 sk	680p	12	1.003	50p	1.0p	0.5	0.6	0.69	2	20	—
1N34 Ge	200p	84m	2. 19	144n	4.82p	0.333	0.75	0.67	—	60	15u
1N4148	35p	64m	1.24	5.0n	4.0p	0.285	0.6	—	—	75	—
1N3891	63n	9.6m	2	110n	114p	0.255	0.6	—	—	250	—
10A04 10A	844n	2.06m	2.06	4.32u	277p	0.333	—	—	—	400	10u
1N4004 1A	76.9n	42.2m	1.45	4.32u	39.8p	0.333	—	—	—	400	5u
1N4004 тех.описание	18.8n	—	2	—	30p	0.333	—	—	—	400	5u

В противном случае введите некоторые из параметров, приведенных в техническом описании. Сначала выберите значение для SPICE параметра N между 1 и 2. Это необходимо для диодного уравнения (n). Массобрио в книге “Semiconductor Device Modeling with SPICE” рекомендует «… n, коэффициент эмиссии обычно равен примерно 2». В таблице выше мы видим, что силовые выпрямительные диоды 1N3891 (12 А) и 10A04 (10 А) используют примерно 2. Первые четыре строки в таблице не актуальны, поскольку они представляют собой диод Шоттки, диод Шоттки, германиевый диод и кремниевый диод для малых сигналов, соответственно. Ток насыщения, IS, выводится из диодного уравнения, значения (V_D, I_D) на графике выше, и N=2 (n в диодном уравнении).

I_D = I_S (e^V_D/nV_T – 1)

V_T

n = 2,0

V_D = 0,925 В (при 1 А на графике)

1 А = I_S (e^{(0,925 В)/(2)(26 мВ)} – 1)

I_S = 18,8E-9

Числовые значения IS=18. 8n и N=2 приведены в последней строке таблицы выше для сравнения с моделью производителя 1N4004, что значительно отличается. По умолчанию RS установлено в значение 0. Это будет оценено позже. N, IS и RS являются важными статическими параметрами по постоянному току.

Рашид в книге “SPICE for Power Electronics and Electric Power” предлагает, чтобы TT, t_D, время перехода, было аппроксимировано из восстанавливаемого заряда Q_RR, параметра из технического описания (в нашем случае недоступного) и I_F, прямого тока.

I_D = I_S (e^V_D/nV_T – 1) t

Мы принимаем TT=0 из-за отсутствия Q_RR. Хотя было бы разумно взять TT, как у аналогичного выпрямительного диода 10A04, 4.32u. TT диода 1N3891 не подходит, так как выпрямителем с быстрым восстановлением. CJO, емкость перехода при нулевом смещении оценивается по графику зависимости C_J от V_R, который приведен выше. Емкость при ближайшем на графике к нулю напряжении составляет 30 пФ при 1 В. Если моделировать отклик на высокоскоростные переходы, как в импульсных источниках питания, то в модели должны быть учтены параметры TT и CJO.

Коэффициент плавности перехода M связан с профилем легирования перехода. Он не содержится в техническом описании устройств. Мы выбираем M = 0.333, что соответствует линейной плавности перехода. Мощные выпрямительные диоды в таблице выше используют более низкие значения M.

Выдержка из технического описания, показанная на рисунке выше, приводит I_R = 5 мкА и V_R = 400 В, соответствующие IBV=5u и BV=400, соответственно. Параметры SPICE модели 1n4004, полученные из технического описания, перечислены в последней строке таблицы выше для сравнения с моделью производителя, указанной выше. BV необходим только в том случае, если моделирование производится при обратном напряжении, превышающем обратное напряжение пробоя диода, как в случае со стабилитронами. IBV, обратный ток пробоя, часто опускается, но может быть введен, если приведен и BV.

На рисунке ниже показана схема для сравнения модели производителя, модели, полученной из технического описания, и модели по умолчанию, использующей параметры по умолчанию. Для измерения токов через диоды необходимы три фиктивных источника 0 V. Источник 1 V изменяет своё выходное напряжение от 0 до 1,4 В с шагом 0,2 мВ. Смотрите инструкцию .DC в списке соединений в таблице ниже. DI1N4004 – это модель производителя, а Da1N4004 – модель, созданная нами.

Параметры списка соединений SPICE: (D1) DI1N4004 модель производителя, (D2) Da1N40004 модель, полученная из технического описания, (D3) модель по умолчанию:

*SPICE circuit <03468.eps> from XCircuit v3.20
D1 1 5 DI1N4004
V1 5 0 0
D2 1 3 Da1N4004
V2 3 0 0
D3 1 4 Default
V3 4 0 0
V4 1 0 1
.DC V4 0 1400mV 0.2m
.model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0      BV=400 IBV=5.00u CJO=30
+M=0.333   N=2.0  TT=0)
.MODEL DI1N4004 D (IS=76.9n RS=42.0m  BV=400 IBV=5.00u CJO=39.8p
+M=0.333 N=1.45 TT=4.32u)
.MODEL Default D
.end

Мы сравниваем три модели на рисунке ниже и данные графиков в таблице ниже. VD – это напряжение, подаваемое на диод для сравнения токов модели производителя, нашей расчетной модели и модели диода по умолчанию. Последний столбец «1N4004 график» – это данные из вольт-амперной характеристики из технического описания, которая приведена на рисунке выше, и с которой наши результаты должны совпадать. Сравнение токов трех моделей с последним столбцом показывает, что модель по умолчанию хороша при низких токах; модель производителя хороша при больших токах; а наша рассчитанная по техническому описанию модель лучше всего при токах до 1 А. Точка на 1 А почти идеальна, поскольку расчет IS основан на напряжении диода при 1 А. Наша модель сильно завышает значения тока выше 1 А.

Сравнение модели производителя, модели, рассчитанной по техническому описанию и модели по умолчанию с вольт-амперной характеристикой диода 1N4004 из технического описания

Индекс	VD	Модель производителя	Модель по тех. описанию	Модель по умолчанию	1N4004 график
3500	7. 000000e-01	1.612924e+00	1.416211e-02	5.674683e-03	0.01
4001	8.002000e-01	3.346832e+00	9.825960e-02	2.731709e-01	0.13
4500	9.000000e-01	5.310740e+00	6.764928e-01	1.294824e+01	0.7
4625	9.250000e-01	5.823654e+00	1.096870e+00	3.404037e+01	1.0
5000	1.000000e-00	7.395953e+00	4.675526e+00	6.185078e+02	2.0
5500	1.100000e+00	9.548779e+00	3.231452e+01	2.954471e+04	3.3
6000	1.200000e+00	1.174489e+01	2.233392e+02	1.411283e+06	5.3
6500	1.300000e+00	1.397087e+01	1.543591e+03	6.741379e+07	8.0
7000	1.400000e+00	1.621861e+01	1.066840e+04	3. 220203e+09	12.

Решение заключается в том, чтобы увеличить RS со значения по умолчанию, которое равно RS=0. Изменение RS от 0 до 8m в модели по техническому описанию приводит к тому, что кривая пересекает 10 А (здесь не показано) при том же напряжении, что и модель производителя. Увеличение RS до 28.6m смещает кривую дальше вправо, как показано на рисунке ниже. Это приводит к более точному соответствию нашей модели с графиком из технического описания (рисунок выше). В таблице ниже показано, что ток 1.224470e+01 А соответствует графику при 12 А. Однако ток при 0.925 В ухудшился с 1.096870e+00 до 7.318536e-01.

.model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=28.6m  BV=400 IBV=5.00u CJO=30 
+M=0.333   N=2.0  TT=0)

Изменение инструкции RS=0 на RS=28.6m в модели Da1N4004 уменьшает ток при VD=1.4 В до 12. 2 А

Индекс	VD	Модель производителя	Модель по тех. описанию	1N4004 график
3505	7.010000e-01	1.628276e+00	1.432463e-02	0.01
4000	8.000000e-01	3.343072e+00	9.297594e-02	0.13
4500	9.000000e-01	5.310740e+00	5.102139e-01	0.7
4625	9.250000e-01	5.823654e+00	7.318536e-01	1.0
5000	1.000000e-00	7.395953e+00	1.763520e+00	2.0
5500	1.100000e+00	9.548779e+00	3.848553e+00	3.3
6000	1.200000e+00	1.174489e+01	6.419621e+00	5.3
6500	1.300000e+00	1.397087e+01	9.254581e+00	8.0
7000	1. 400000e+00	1.621861e+01	1.224470e+01	12.

Предлагаемое упражнение для читателя: уменьшить N так, чтобы ток при VD = 0,925 В был восстановлен до 1 А. Это может увеличить ток (12,2 А) при VD = 1,4 В, требуя увеличения RS для уменьшения тока до 12 А.

Стабилитрон. Существует два подхода к моделированию стабилитрона: установка в инструкции модели параметра BV на напряжение стабилитрона или моделирование стабилитрона с подсхемой, содержащей диодный фиксатор уровня, установленный на напряжение стабилитрона. Пример первого подхода устанавливает напряжение пробоя BV в значение 15 для модели стабилитрона 1n4469 на 15 В (IBV необязательно):

.model D1N4469 D ( BV=15 IBV=17m ) 

Второй подход моделирует стабилитрон с подсхемой. Фиксатор уровня D1 и VZ на рисунке ниже моделируют напряжение обратного пробоя 15 В стабилитрона 1N4477A. Диод DR учитывает в подсхеме проводимость стабилитрона при прямом смещении.

Туннельный диод. Туннельный диод может быть смоделирован с помощью SPICE подсхемы и пары полевых (JFET) транзисторов.

Диод Ганна. Диод Ганна также может быть смоделирован парой полевых транзисторов.

Подведем итоги

• Диоды описываются в SPICE с помощью инструкции компонента диода, относящейся к выражению .model. Инструкция .model содержит параметры, описывающие диод. Если параметры не указаны, модель использует значения по умолчанию.
• Статические параметры по постоянному току включают в себя N, IS и RS. Параметры обратного пробоя: BV, IBV.
• Для точного динамического моделирования требуются TT и CJO.
• Рекомендуется использовать модели, предоставляемые производителем.

Оригинал статьи:

Теги

Сохранить или поделиться

SPICE модели

Программа моделирования SPICE схема обеспечивает для моделирования диодов при моделировании схемы. Модель диода основана на характеристике отдельных устройств, как описано в спецификации продукта и производственного процесса характеристик не перечислены. Некоторая информация была получена из листа 1N4004 данных на рисунке ниже .

Лист данных 1N4004 отрывок, после [DI4] .

Оператор диода начинается с имени элемента диода, который должен начинаться с «г» плюс дополнительные символы. Пример названия диодный элемент включают в себя: d1, d2, dtest, DA, DB, D101. Два номера узлов указать подключение анода и катода, соответственно, к другим компонентам. Номера узлов следуют название модели, со ссылкой на последующее «.MODEL» заявление.

Модель заявление строка начинается с «.MODEL», за которым следует название модели, соответствующие одной или более операторов диода. Далее, «d» указывает на диод моделируются. Остальная часть модели заявления является список дополнительных параметров диода вида ИмяПараметра = ParameterValue. На данном этапе не используется в примере, приведенном ниже. Example2 имеет некоторые параметры, определенные. Для получения списка параметров диода, см таблицу ниже .

 
  Общий вид: d [имя] [анода] [катод] [ModelName]
                 .MODEL ([ModelName] d [parmtr1 = х] [parmtr2 = у]...)
 
  Пример: d1 1 2 mod1
                  .MODEL mod1 d
 
  Example2: D2 1 2 Da1N4004
                  .MODEL Da1N4004 D (IS = 18.8n RS = 0 BV = 400 IBV = 5.00u CJO = 30 M = 0,333 N = 2)
 

Самый простой подход принять для модели SPICE такое же, как для паспорта: консультации веб-сайт производителя. В таблице ниже перечислены параметры модели для некоторых выбранных диодов. Стратегия является запасной вариант построения модели SPICE из этих параметров, перечисленных на листе данных. Третья стратегия, не рассматривается здесь, чтобы провести измерения фактического устройства. Затем вычислить, сравнить и настроить параметры специю к измерениям.

Параметры диода SPICE

Символ	имя	параметр	Единицы	По умолчанию
I S	ЯВЛЯЕТСЯ	Ток насыщения (диодный уравнение)		1E-14
R S	RS	Parsitic сопротивление (последовательное сопротивление)	Ω	0
N	N	Коэффициент выбросов, от 1 до 2	—	1
τ D	TT	Время пробега	s	0
C D (0)	CJO	При нулевом смещении емкость перехода	F	0
φ 0	VJ	Распределительная потенциал	V	1
м	M	Коэффициент классификации Junction	—	0,5
—	—	0,33 для линейно градуированной перехода	—	—
—	—	0. 5 для резкого перехода	—	—
E г	НАПРИМЕР	Энергия активации:	эВ	1.11
—	—	Si: 1.11	—	—
—	—	Ge: 0,67	—	—
—	—	Шоттки: 0,69	—	—
р я	XTI	IS температурный показатель	—	3.0
—	—	дырочный переход: 3.0	—	—
—	—	Шоттки: 2,0	—	—
K F	KF	Коэффициент шума фликера	—	0
A F	А. Ф.	Мерцание шум показатель	—	1
FC	FC	Форвард смещения коэффициент истощения емкости	—	0,5
BV	BV	Обратное напряжение пробоя	V	∞
IBV	IBV	Обратный ток пробоя		1E-3

Если параметры диода не определены , как и в модели «Пример» выше, параметры принимают значения по умолчанию , перечисленных в таблице выше

и в таблице ниже . Эти значения по умолчанию модель интегральных схем диодов. Это, безусловно, достаточно для предварительной работы с дискретными устройствами

Для более критической работы, использовать модели SPICE , поставляемые производителем [Din] ,

производители SPICE, и других источников. [SMI]

Параметры SPICE для выбранных диодов; ск = Шоттки Ge = германий; остальное кремния.

Часть	ЯВЛЯЕТСЯ	RS	N	TT	CJO	M	VJ	НАПРИМЕР	XTI	BV	IBV
По умолчанию	1E-14	0	1	0	0	0,5	1	1.11	3	∞	1m
1N5711 С.К.	315n	2.8	2,03	1.44n	2.00p	0.333	—	0,69	2	70	10U
1N5712 С.К.	680p	12	1,003	50p	1.0p	0,5	0,6	0,69	2	20	—
1N34 Ge	200p	84m	2,19	144N	4. 82p	0.333	0,75	0,67	—	60	15U
1N4148	35p	64м	1,24	5.0n	4.0p	0.285	0,6	—	—	75	—
1N3891	63n	9.6m	2	110n	114p	0,255	0,6	—	—	250	—
10A04 10A	844n	2.06m	2,06	4.32u	277p	0.333	—	—	—	400	10U
1N4004 1A	76.9n	42.2m	1,45	4.32u	39.8p	0.333	—	—	—	400	5U
Лист данных 1N4004	18. 8n	—	2	—	30p	0.333	—	—	—	400	5U

В противном случае, вывести некоторые из параметров листа данных. Сначала выберите значение для параметра специя N от 1 до 2. Требуется для уравнения диода (п). Massobrio [PAGM] С. 9, рекомендует «.. п, коэффициент излучения обычно составляет около 2»

В таблице выше , мы видим , что власть выпрямителей 1N3891 (12 А) и 10A04 (10 А) оба используют около 2. В таблице Первые четыре не имеют значения , потому что они являются Шоттки, Шоттки, германий и малый сигнал кремния, соответственно ,
Ток насыщения, IS, выводится из уравнения диода, а значение (V _D, I _D) на графике на рисунке выше , и N = 2 (п в уравнении диода).

       I D = I S (е V D / нВ T -1)
 
       V T = 26 мВ при 25 ° С п = 2,0 V D = 0,925 В при 1 А из графа   
 
       1 А = С (е (0,925 В) / (2) (26 мВ) -1)
 
       I S = 18. 8E-9 
 
 

Численные значения IS = 18.8n и N = 2, вводятся в последней строке таблицы выше для сравнения с моделью производителей для 1N4004, которая значительно отличается. RS по умолчанию 0 на данный момент. Это будет оцениваться позднее. Важные DC статические параметры N, IS, и RS.

Рашид [MHR] предполагает , что TT, τ _D, транзитное время, аппроксимировать от обратного восстановления Q накопленного заряда _RR, параметр листа данных (не доступен на нашем листе данных) и I _F, прямой ток.

       I D = I S (е V D / нВ T -1)
 
       τ D = Q RR / I F  
 

Мы принимаем TT = 0 по умолчанию из- за отсутствия Q _RR. Хотя было бы разумно взять ТТ для подобного выпрямителя подобно 10A04 на 4.32u. 1N3891 TT не является корректным выбором, поскольку он является быстрое восстановление выпрямителя. CJO, нулевой смещения емкость перехода оценивается из V _R против C _J графа на рисунке выше . Емкости на ближайшей к нулевому напряжению на графике составляет 30 пФ на 1 В. Если имитируя высокую скорость переходную характеристику, как и в импульсном стабилизаторе источники питания, должны быть обеспечены параметры ТТ и CJO.

Стык градация коэффициент М связан с профилем легирующей перехода. Это не элемент данных листа. По умолчанию 0.5 для резкого перехода. Мы выбираем М = 0,333 соответствует линейно градуированной перехода. Выпрямители мощности , приведенные в таблице выше , используют более низкие значения для M , чем 0,5.

Мы принимаем значения по умолчанию для VJ и EG. Многие другие диоды используют VJ = 0,6 , чем показано в таблице выше . Однако выпрямитель 10A04 использует по умолчанию, который мы используем для нашей модели 1N4004 (Da1N4001 в

В таблице выше ).

Использовать по умолчанию Е.Г. = 1.11 для кремниевых диодов и выпрямителей. В таблице выше приведены значения для Шоттки и германиевых диодов.

Возьмите XTI = 3, то по умолчанию температурный коэффициент для кремниевых устройств. Приведены в таблице выше для XTI для диодов Шоттки.

Сокращенный данных листа, рисунок выше , списки I _R = 5 мкА @ V _R = 400 В, что соответствует IBV = 5U и BV = 400 соответственно.

В 1N4004 параметры SPICE , полученные из листа данных, перечислены в последней строке таблицы выше для сравнения с моделью производителя , перечисленных выше него. БВ необходимо только, если моделирование превышает обратное напряжение пробоя диода, как в случае для стабилитроны. IBV, обратный ток пробоя, часто опускается, но может быть введена, если это предусмотрено с БВ.

На рисунке ниже показана схема для сравнения модели производителей, модель , полученную из таблицы, а также модель по умолчанию , используя параметры по умолчанию. Три фиктивные 0 V источники необходимы для измерения тока диода. Источник 1 V заметается от 0 до 1,4 V в 0,2 мВ шагов.

См заявление .dc в список соединений в таблице ниже . DI1N4004 является диод модель производителя, Da1N4004 наша получена модель диода.

SPICE схема для сравнения производителя модели (D1), рассчитанной модели техническое описание (D2), и модели по умолчанию (D3).

SPICE Netlist параметры: Модель (D1) производитель DI1N4004, в (D2) Da1N40004 листки получена, (D3) модели диода по умолчанию.

 * SPICE схема <03468.eps> от XCircuit v3.20 D1 1 5 DI1N4004 V1 5 0 0 1 3 D2 Da1N4004 V2 3 0 0 D3 1 4 По умолчанию V3 4 0 0 В4 1 0 1 0 .DC В4 1400mV 0.2m .MODEL Da1N4004 D (IS = 18.8n RS = 0 BV = 400 IBV = 5.00u CJO = 30 + M = 0,333 N = 2,0 TT = 0) .MODEL DI1N4004 D (IS = 76.9n RS = 42.0m BV = 400 IBV = 5.00 у CJO = 39.8p + М = 0,333 N = 1,45 TT = 4.32u) .MODEL По умолчанию D .end 

Мы сравниваем три модели на рисунке ниже .

и данные техническое описание графа в таблице ниже .
ВД это напряжение диода по сравнению с диодными токов для модели производителя, нашей расчетной модели и техническое описание модели диода по умолчанию. В последней колонке «1N4004 граф» находится из таблицы

напряжения по сравнению с текущей кривой на рисунке выше которой сделана попытка соответствовать. Сравнение токов для трех моделей в последнем столбце показывает, что модель по умолчанию хорош при малых токах, модель производителя хороша при больших токах, и наша рассчитывается модель техническое описание лучше всего до 1 А. Соглашение почти идеальный на 1 А потому, что расчет основан на диодной напряжения на 1 A. Наша модель сильно по состояниям тока выше 1 А.

Первая пробная модель производителя, рассчитанной модели, техническое описание и модели по умолчанию.

Сравнение модели производителя, рассчитанной модели, техническое описание и модели по умолчанию на 1N4004 техническое описание графа V против I.

 
                         модель модель модель 1N4004
 Индекс VD график производитель техническое описание по умолчанию
 3500 7. 000000e-01 1.612924e + 00 1.416211e-02 5.674683e-03 0,01
 4001 8.002000e-01 3.346832e + 00 9.825960e-02 2.731709e-01 0,13
 4500 9.000000e-01 5.310740e + 00 6.764928e-01 1.294824e + 01 0.7
 4625 9.250000e-01 5.823654e + 00 1.096870e + 00 3.404037e + 01 1.0
 5000 1.000000e-00 7.395953e + 00 4.675526e + 00 6.185078e + 02 2.0
 5500 1.100000e + 00 9.548779e + 00 3.231452e + 01 2.954471e + 04 3.3
 6000 1.200000e + 00 1.174489e + 01 2.233392e + 02 1.411283e + 06 5.3
 6500 1.300000e + 00 1.397087e + 01 1.543591e + 03 6.741379e + 07 8.0
 7000 1.400000e + 00 1.621861e + 01 1.066840e + 04 3.220203e + 09 12. 

Решение состоит в том, чтобы увеличить RS от RS по умолчанию = 0. Изменение RS от 0 до 8 м в модели приводит к тому, техническое описание кривой до пересечения 10 A (не показан), при таком же напряжении, как модели производителя. Увеличение RS к 28.6m сдвигает кривую дальше вправо , как показано на рисунке ниже . Это имеет эффект более близко соответствует нашей модели технической спецификации

в таблице данных графика (рисунок выше ).

В таблице ниже показано , что ток 1.224470e + 01 А при 1,4 В соответствует графику в 12 А. Однако ток в 0,925 V деградировал от 1.096870e + 00 выше до 7.318536e-01.

Второй процесс , чтобы улучшить расчетную модель таблицы данных по сравнению с моделью производителя и модели по умолчанию.

Изменение модели Da1N4004 выписки RS = 0 RS = 28.6m уменьшает ток при VD = 1,4 В до 12,2 А.

 .MODEL Da1N4004 D (IS = 18.8n RS = 28.6m BV = 400 IBV = 5.00u CJO = 30
 + М = 0,333 Н = 2,0 ТТ = 0)
                         модель модель 1N4001
 Индекс VD график производитель техническое описание
 3505 7.010000e-01 1.628276e + 00 1.432463e-02 0,01
 4000 8.000000e-01 3.343072e + 00 9.297594e-02 0,13
 4500 9.000000e-01 5.310740e + 00 5.102139e-01 0,7
 4625 9.250000e-01 5.823654e + 00 7.318536e-01 1.0
 5000 1.000000e-00 7.395953e + 00 1.763520e + 00 2.0
 5500 1.100000e + 00 9. 548779e + 00 3.848553e + 00 3.3
 6000 1.200000e + 00 1.174489e + 01 6.419621e + 00 5.3
 6500 1.300000e + 00 1.397087e + 01 9.254581e + 00 8.0
 7000 1.400000e + 00 1.621861e + 01 1.224470e + 01 12.

Похожие читатель упражнения: уменьшение N так, чтобы ток при VD = 0,925 V восстанавливается до 1 А. Это может увеличить ток (12,2 А) при VD = 1,4 В необходимости увеличения РС для уменьшения тока до 12 А.

Стабилитрон: Есть два подхода к моделированию стабилитрон: устанавливает параметр BV к напряжению стабилитрона в модельном заявлении, или модель стабилитроны с подсхемы , содержащей диодный фиксатор , установленный для напряжения стабилитрона. Примером первого подхода устанавливает напряжение пробоя BV 15 для стабилитрона модели 1n4469 15 V (IBV по желанию):

 
 .MODEL D1N4469 D (BV = 15 IBV = 17m)
 

Второй подход модели Зенера с подсхемы. Фиксатор D1 и В.З. на рисунке ниже моделях 15 V обратного напряжения пробоя из 1N4477A стабилитрона. Диод DR учитывает прямой проводимости стабилитрона в подсхемы.

 .SUBCKT DI-1N4744A 1 2
 * Терминалы AK
 D1 1 2 DF
 DZ 3 1 DR
 VZ 2 3 13.7
 .MODEL DF D (IS = 27.5p RS = 0,620 N = 1,10
 + CJO = 78.3p VJ = 1,00 М = ​​0,330 TT = 50.1n)
 .MODEL DR D (IS = 5.49f RS = 0,804 N = 1,77)
 .ENDS

Стабилитрон подсхемы использует фиксатор (D1 и VZ) для моделирования стабилитроны.

Туннельный диод: туннельный диод может быть смоделирован с помощью пары полевых транзисторов (JFET) в SPICE подсхемы. [КГМ] схему генератора также показана в этой ссылке.

Ганна диод: Диод Ганна также может быть смоделировано с помощью пары JFET — х. [ISG] Эта ссылка показывает генератор СВЧ — релаксации.

• ОБЗОР:
• Диоды описываются в SPICE заявлением диод компонента со ссылкой на заявление . MODEL. Оператор .MODEL содержит параметры, описывающие диод. Если параметры не указаны, модель принимает значения по умолчанию.
• Статические параметры DC включают N, IS, и RS. Обратные параметры пробоя: BV, IBV.
• Точная динамический выбор времени требует параметров ТТ и CJO
• настоятельно рекомендуется Модели, предоставленные изготовителем.

Моделирование в PSpice. Часть 1.

   На рынке существует множество бесплатных и платных симуляторов аналоговых схем. Все они основаны на вычислительном ядре SPICE и отличаются друг от друга интерфейсом пользователя и различными дополнительными возможностями. Стандартом «де факто» для моделирования схем считается продукт компании Cadence Design Systems – система моделирования PSpice. В данной статье рассматриваются преимущества, которые получает разработчик аналоговых и цифро-аналоговых схем за счет использования программного обеспечения PSpice.

​

   Если вам нужно выполнить элементарное моделирование небольшой схемы, содержащей несколько транзисторов и пассивных компонентов, то можно использовать простейшие бесплатные SPICE-симуляторы, доступные для скачивания в интернете (например, OrCAD Lite с сайта www. orcad.com). Однако более профессиональные инструменты для схемотехнического моделирования могут дать разработчику гораздо больше преимуществ. Если воспользоваться дополнительными возможностями таких продуктов, как полный OrCAD PSpice с опцией PSpice Advanced Analysis, разработчики могут не только в разы сократить свои трудозатраты при разработке новых проектов, но и сэкономить много денег и времени для своего предприятия в целом, повышая эффективность всех этапов проектирования, производства и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры.

​

   Рассмотрим, какие программные продукты предлагаются в составе линейки OrCAD PSpice. Имеется несколько продуктов, различающихся по функционалу:
 

• OrCAD – бесплатная «студенческая» версия системы , имеющая ограничения по количеству цепей и по функционалу.
  Она содержит схемный редактор , редактор печатных плат и некоторые виды анализа .

• OrCAD PSpice Designer – схемный редактор и все базовые виды анализа

• OrCAD PSpice Designer Plus – схемный редактор, базовые виды анализа плюс блок расширенных видов анализа Advanced Analysis
  (чувствительность, оптимизация и т. д.)

• PSpice Simulator –  более старшая линейка САПР Allegro, базовые виды анализа плюс блок расширенных видов анализа (чувствительность, оптимизация и т.д.)

• PCB Designer Professional with PSpice – практически полный набор приложений, включая симулятор PSpice,
  схемный редактор OrCAD Capture, редактор печатных плат PCB Editor, автотрассировщик SPECCTRA,
  симулятор целостности сигналов SigXplorer и т.д.

• Allegro PSpice Systems Option – опция для стыковки PSpice с пакетом Matlab/Simulink.
   

   OrCAD PSpice Designer состоит из нескольких приложений, тесно связанных между собой:

• Capture – схемный редактор для создания и редактирования электрических схем

• Model Editor – редактор для создания и корректировки Spice-моделей

• Stimulus Editor – редактор входных воздействий

• Parts Editor – редактор моделей магнитных компонентов

• PSpice A/D – вычислительное ядро симулятора для цифровых и аналоговых схем

• PSpice Advanced Analysis – дополнительные модули для расширенного анализа схем

   Программа PSpice содержит большое количество готовых библиотек Spice-моделей и схемных символов, а кроме того, в интернете доступно огромное количество дополнительных моделей — как на сайтах производителей электронных компонентов, так и на специализированных порталах. Все они совместимы именно с PSpice.

​

   Надо отметить, что PSpice предоставляет широкий набор средств как для моделирования, так и для обработки результатов анализа. Удобный и интуитивный интерфейс схемного редактора позволяет легко назначать модели, устанавливать точки для контроля напряжений, токов и мощности (Рис.1), пользоваться формулами для построения требуемых графиков и осциллограмм, строить графики совмещенные или разбитые по разным осям (Рис.2,3).

Рис.1. Схема в редакторе OrCAD Capture с результатами моделирования узловых напряжений и токов, полученными в PSpice.

​

Рис.2. Пример осциллограмм, полученных в PSpice – как на одном графике, так и в разных осях.

​

Рис.3. Пример результатов моделирования в PSpice с перебором параметров.

​

   В библиотеках программы имеется более 33000 компонентов со Spice-моделями аналоговых и цифровых компонентов.
Эти библиотеки не требуют дополнительной установки, они устанавливаются сразу же. Специальная панель PSpice Part Search (рис.4) в схемном редакторе OrCAD Capture позволяет осуществлять мгновенный поиск требуемых компонентов. Компоненты отображаются по категориям или по библиотекам, у каждого есть наименование (Part Name) и описание (Description). При выборе библиотечного компонента возможен предпросмотр схемного символа (рис.5). Также пользователи могут добавлять собственные компоненты в библиотеку.

Рис.5. Предварительный просмотр схемного символа в библиотеке PSpice.

Рис.4. Панель поиска компонента
по категориям.

   Также вы можете искать SPICE-модели в интернете. Перейти к онлайн-поиску можно непосредственно через панель PSpice Part Search. Прямо в окне схемотехнического редактора OrCAD Capture откроется портал OrCAD Capture Marketplace, вкладка Models (рис.6). Можно задать в ней фильтр поиск по типу модели, производителю, типу устройства и т.д. 

​

Рис. 6. Поиск моделей в интернете через окно схемного редактора.

​

   Также на портале OrCAD Capture Marketplace доступны дополнительные приложения для OrCAD и PSpice, которые можно скачать и установить на компьютере. Эти приложения повышают производительность OrCAD Capture и Pspice, и добавляют новые удобные функции. Атрибуты компонентов и техническое описание можно загружать в библиотеку автоматически с помощью приложения
Part Link от компании Digi-Key. Создавать новые модели можно с помощью приложений PSpice Modelling Apps. Дополнительные возможности по моделированию добавляет приложение PSpice Monte Carlo Temperature Sweep.

​

   Новые Spice-модели, найденные в интернете или созданные с помощью приложений PSpice Modelling Apps, легко и быстро подключаются к компонентам прямо на схеме. Достаточно выделить компонент на схеме OrCAD Capture и выбрать команду
ПКМ – Associate PSpice Model. С помощью команды Edit PSpice Model можно отредактировать текст модели в PSpice Model Editor. Примеры моделей, которые можно создать с помощью PSpice Modelling Apps, приведены на рис. 7.

​

Рис.7. Различные приложения для создания Spice-моделей в PSpice.

(Слева-направо: создание модели трансформатора; создание модели генератора, управляемого напряжением;
создание модели ключа; создание модели стабилитрона;
создание модели источника сигнала; создание модели варистора.)

​

   Освоить функционал PSpice можно очень быстро с помощью встроенного в программу интерактивного учебника, с упражнениями и готовыми примерами, с готовыми настройками для моделирования (рис.8). Запустить учебник можно через меню Help – Learning PSpice. При этом открывается новая вкладка в схемном редакторе, в которой представлены учебные материалы по изучению PSpice, разбитые по категориям «от простого к сложному». В каждом разделе есть примеры схем, которые пользователь может открыть в схемном редакторе OrCAD Capture, просто нажав на соответствующую картинку левой кнопкой мыши, и промоделировать в PSpice с готовыми настройками проекта. В учебнике представлены не только проекты, но и теоретические аспекты различных схемотехнических решений. Учебник постоянно пополняется новыми материалами, поэтому пользователи, регулярно получающие обновления от Cadence, имеют возможность регулярно получать и использовать новые главы учебника.

​

Рис.8. Интерактивный учебник, встроенный в OrCAD PSpice.

​

   Благодаря функции Test Bench можно промоделировать только часть схемы. Для этого надо выделить часть схемы и создать из этого участка так называемый «Испытательный стенд» (рис.9). На схеме можно создавать несколько Test Bench для одного или разных каскадов схемы. Несколько Test Bench можно сравнить и вывести на экран различия с помощью функции Compare Test Bench.

Рис.9. Моделирование части схемы – Test Bench (моделируемая часть схемы выделена цветом).

​

В PSpice можно выполнять различные виды анализа схем (рис.10):

• Анализ по постоянному току

• Анализ по переменному току

• Анализ шумов

• Анализ переходных процессов

• Фурье-анализ

• Параметрический анализ

• Температурный анализ

• Анализ разброса параметров методом Монте-Карло

• Анализ чувствительности методом наихудшего случая

• Анализ передаточной функции

Рис. 10. Настройки PSpice. Выбор вида анализа схемы.

​

   Помимо этого, вы можете подключить возможности расширенного анализа схем с помощью функционала PSpice Advanced Analysis (пакет OrCAD PSpice Designer Plus или Allegro PSpice Simulator), а также состыковать симулятор PSpice с программой моделирования электромеханических систем Matlab/Simulink (опция PSpice Systems Option).

​

   В новой 64-битной версии PSpice обеспечено существенное повышение производительности вычислений и точности результатов.
За счет высокой точности вычислений (64 бита) можно получать более точные графики. Новый параметр Speed Level позволяет ускорить переключение устройств и дает серьезный прирост в скорости вычислений. Новый параметр TREADS позволяет задействовать большее количество ядер процессора для ускорения вычислений (рис.11).

​

Рис.11. Настройки PSpice. Выбор скорости и количества задействованных ядер ЦПУ.

​

   Для сложных схем и переходных процессов актуальна проблема сходимости вычислений. В OrCAD PSpice проблема сходимости решается сбалансированным количеством настроек и специальной функцией автоконвергенции (AutoConverge). В рамках данной настройки программа автоматически регулирует точность вычислений в заданных пределах для достижения сходимости. Дополнительные опции (Advanced Options) позволяют более тонко настроить параметры вычислительного алгоритма (рис.12).

Рис.12a. Настройки PSpice. Управление сходимостью вычислений. Автоконвергенция.

​

Рис.12б. Настройки PSpice. Управление сходимостью вычислений. Дополнительные опции.

​

   Во время моделирования можно ставить процесс на паузу и менять управляющие опции. Для длительных процессов есть возможность сохранить текущее состояние моделирования в контрольных временных точках, а затем загрузить и продолжить расчеты после изменения параметров. Результаты моделирования PSpice выводятся в графическом виде, а также в виде текстового файла с результатами расчетов. Кроме того, результаты в виде узловых напряжений, значений токов на выводах компонентов и уровня мощности выводятся непосредственно в окне схемного редактора OrCAD Capture (рис. 13).

Рис.13. Варианты вывода результатов моделирования PSpice.
Гистограмма и спектр, осциллограмма и текстовый файл.

​

   Также в PSpice появился новый вариант представления результатов моделирования. С помощью функции Tools – Generate Report пользователь может создавать собственные отчеты. В отчет могут быть включены: среднее значение, среднеквадратичная величина, пиковые значения тока, напряжения и мощности. Форма отчета полностью настраивается.
   Файл скрипта TCL находится в папке <installation>\tools\pspice\tclscripts\orPspReport. Для автоматической генерации HTML отчетов может быть применена команда «.TCLPOSTRUN».

​

   В PSpice можно проводить совместное моделирование аналоговой и цифровой части схемы. В одном окне виртуального осциллографа можно построить необходимое число графиков. На каждом графике может быть несколько осциллограмм, которые можно откладывать от разных вертикальных осей Y (рис.14). Осциллограммы можно легко переносить с одного графика на другой или в отдельное окно, и там производить их обработку.

Рис.14. Совместное моделирование цифровых и аналоговых частей схемы.

​

   В симуляторе PSpice можно подключать модели, описанные на языке высокого уровня C/C++. Программа на языке C/C++, например, может описывать поведение входов, выходов и внутренней логики микроконтроллера, а через порты ввода-вывода она управляет аналого-цифровой схемой. В этом случае код программы надо скомпилировать в виде DLL-модуля и подключить его прямо
в SPICE-модель, описанную оператором «.SUBCKT».

   В PSPICE имеется редактор моделей индуктивных компонентов Magnetic Parts Editor – специальная программа для создания моделей трансформаторов, дросселей и индуктивностей.  Модели формируются на основе библиотеки материалов в точном соответствии с параметрами пользователя. Библиотека материалов может быть отредактирована и дополнена новыми материалами.
  

Пользователь может выбрать следующие виды компонентов:

• Power Transformer (Sine and Pulse wave)

• Forward Converter (Single Switch Topology)

• Forward Converter (Double Switch Topology)

• Flyback Converter (Discontinuous Conduction Mode)

• DC Inductor (Single Winding)

Пользователь может задать число обмоток, входные и выходные параметры, рабочие частоты, плотность тока, размеры и другие параметры индуктивных компонентов (рис. 15).

Рис.15. Создание моделей индуктивных компонентов в PSpice.

   Очень полезны функции обработки и визуализации результатов вычислений. При построении графиков можно применять математические выражения, специальные функции и макросы.  Инструмент Performance Analysis позволяет строить гистограммы
для результатов статистического анализа по методу Монте-Карло. Вычислительные функции Measurements позволяют быстро найти сложные зависимости и параметры схемы, например, полосу пропускания, частоты среза и прочее (рис.16).

Рис.16. Применение математических выражений и специальных функций обработки результатов.

   Обычный анализ Монте-Карло присутствует в большинстве SPICE-симуляторов. Он позволяет проверить работу схемы при изменении параметров одного из компонентов. Например, задав минимальный и максимальный номинал резистора в пределах стандартного допуска +/-10%, а также шаг изменения номинала, можно получить семейство графиков (см. рис.). Но, к сожалению, это дает не так много информации, как хотелось бы, и не позволяет в полной мере проанализировать надежность и стабильность схемы.

​

   К счастью, в PSpice имеются более продвинутые и полезные инструменты расширенного анализа схем, которые объединены в опцию PSpice Advanced Analysis. С помощью инструментов PSpice Advanced Analisys разработчики могут улучшать повторяемость и надежность проектов. Например, разработчика могут интересовать следующие вопросы:

​

   Прибор может корректно работать в лаборатории, но будет ли работать изготовленная серия?

​

   Будет ли он корректно работать:

• При скачках температуры?

• При отклонениях номиналов?

• Во всем диапазоне?

• При старении?
   

Перегружены ли какие-то отдельные компоненты?

​

Они откажут при тестировании или при эксплуатации?

​

Есть ли слишком чувствительные части в схеме, которые могут вызвать проблемы в будущем?

​

Какие компоненты скорее всего могут отказать при производстве прибора?

​

Более подробно о функциях и возможностях расширенного анализа PSpice мы расскажем в следующей статье.

​

Изменения интерфейса моделирования | Altium Designer 21 Руководство пользователя

Вслед за недавней реализацией нового, улучшенного ядра моделирования SPICE для Altium Designer, которое обеспечивает более высокую сходимость, точность и надежность результатов, в новой версии сделан упор на улучшения интерфейса пользователя, связанных с рабочим процессом проведения смешанного SPICE-моделирования.

Изменения интерфейса имитатора включают в себя: новую интуитивно понятную панель Simulation Dashboard, обновленное диалоговое окно Sim Model и общие изменения интерфейса. Новый рабочий процесс моделирования, основанный на панели Simulation Dashboard, предлагает альтернативу существующему подходу, основанному на диалоговом окне Analyses Setup. Также теперь доступен широкий набор готовых к использованию компонентов общего вида для моделирования.

Это упрощает процесс настройки, верификации и проведения анализа непосредственно из новой панели Simulation Dashboard, как описано ниже.

► Перейдите на страницу Имитатор электрических цепей со смешанными сигналами для получения более подробной информации.

Обновленное диалоговое окно SIM Model

Диалоговое окно Sim Model было значительно переработано для упрощения работы с имитационными моделями компонентов и их добавления. Обновленный интерфейс диалогового окна, который теперь ориентирован на выполнение непосредственных задач, выполняемых в процессе моделирования схемы, оптимизирует процесс добавления модели, и теперь для него нужно меньшее количество шагов. Чтобы вызвать диалоговое окно, запустите добавление в компонент имитационной модели (опция Simulation в меню ) или изменение существующей имитационной модели компонента ().

Используйте кнопку в диалоговом окне Sim Model, чтобы выбрать подходящую имитационную модель из доступных локальных библиотек или из серверных моделей. После загрузки модели проверьте ее и, если необходимо, внесите изменения в сопоставление с выводами символа (Pin Mapping) и добавьте значения параметров модели.

Либо вы можете применить общую, а не определенную имитационную модель, взятую из доступной библиотеки Simulation Generic Components. Эта библиотека общих имитационных моделей, добавленная как файловая библиотека, содержит широкий набор распространенных имитационных моделей и функций.

Интерфейс источников воздействия

Источники воздействия, используемые в проекте, теперь считаются специальными виртуальными инструментами моделирования, а не пользовательскими компонентами. Управление источниками осуществляется не через имитационную модель компонента, а в специальном режиме панели Properties, где есть прямой доступ к параметрам источника воздействия и предварительный просмотр формы сигнала.

Конфигурации источника воздействия может быть задано имя (Stimulus Name), и при необходимости могут быть добавлены другие имена (

Источники воздействия могут быть добавлены непосредственно из Active Bar, панели инструментов Mixed Sim или по запросу из панели Simulation Dashboard – см. ниже.

Панель Simulation Dashboard

Главным элементом обновленного интерфейса пользователя имитатора в Altium Designer является новая панель Simulation Dashboard. Панель предлагает подход к проверке, настройке, запуску и просмотру результатов моделирования, значительно упрощенный по сравнению с предыдущим подходом, основанным на диалоговом окне Analyses Setup. Чтобы открыть эту новую панель, выберите Simulation Dashboard из меню кнопки

Панель Simulation Dashboard представляет последовательность этапов интерактивного моделирования, где каждый раздел отображает информацию о состоянии и/или опции настройки. Панель может быть применена к цепям и объектам схемы всего проекта (Project) или только открытого в данный момент документа схемы (Document).

Далее приведен обзор каждого раздела панели Simulation Dashboard:

1. Verification (Верификация)

Нажмите кнопку , чтобы начать выполнение ряда автоматизированных процессов и проверок, в которые входят формирование списка цепей SPICE схемы (*.nsx), ряд проверок электрических правил, относящихся к моделированию, и валидационные проверки имитационных моделей. Проверка моделей обнаружит компоненты с отсутствующими имитационными моделями и модели с ошибками синтаксиса или сопоставления выводов. Используйте контекстные ссылки, связанные с ошибками, чтобы исправить нарушения.

Система автоматически предложит добавление имитационных моделей в пассивные компоненты, если это необходимо. Имитационные модели для этих компонентов (резисторов, индуктивностей, конденсаторов) изначально известны ядру моделирования, и они представлены в диалоговом окне Sim Model в виде набора параметров. Эти автоматически назначенные имитационные модели соответствуют большинству требований анализа, и это самый быстрый и простой способ добавления моделей в пассивные компоненты на схеме – нажмите по соответствующей ссылке Assign, чтобы начать процесс.

Обратите внимание, что при изменении схем появится запрос на верификацию.

2. Preparation (Подготовка)

Управляйте источниками (Sources) и пробниками (Probes) моделирования, которые присутствуют в текущей схеме. Источники и пробники можно включать/отключать (флажки), удалять (X) и создавать (+ Add). Обратите внимание, настройка источников и пробников осуществляется в панели Properties, и их также можно добавлять из Active Bar.«>

3. Analysis Setup & Run (Настройка и запуск анализа)

Настраивайте и запускайте основные типы имитационного анализа и опционально задавайте и применяйте вариации параметров и вариации разброса Монте-Карло. Опции настройки анализа включают в себя настройки диапазона по оси X (частота/время), настройки выходных графиков, основанных на выходных выражениях, и дополнительные процессы, такие как анализ Фурье и анализ внутренних шумов. Выражения выходных графиков можно включать/отключать, удалять и добавлять.

Нажмите по ссылке

После запуска анализа Operating Point для определения установившегося режима работы схемы, можно отобразить рассчитанные значения напряжений, мощностей и токов в качестве меток на соответствующих узлах с помощью кнопок Display on schematic в панели Simulation Dashboard.

Расширенные графики анализа, которые включают в себя опции вариации параметров, настраиваются на вкладке General в диалоговом окне Advanced Analysis Settings. Чтобы открыть его, нажмите по ссылке

4. Results (Результаты)

Управляйте результатами недавних запусков моделирования, приведенных в списке в виде доступных типов анализа. Опция Load Profile восстановит настройки анализа из этого запуска.

Вы можете включить иконку замка (

Сторонние проекты и библиотеки

Смешанное SPICE-моделирование Altium Designer теперь поддерживает набор форматов и проектов аналоговых SPICE-моделей, в том числе PSpice^® и LTSpice^®.

Общие библиотеки моделей PSpice (как правило, имеют расширение .lib), могут быть добавлены как файловые библиотеки на странице Data Management — File-based Libraries диалогового окна Preferences. Для каждой модели автоматически формируется базовый символ компонента, что позволяет размещать их непосредственно на схеме.

Импорт LTSpice

Проекты моделирования, сохраненные из LTSpice^®, могут быть импортированы в Altium Designer с помощью мастера LTSpice Import Wizard, который доступен при установке программного расширения LTSpice Importer.

Вызовите мастер с помощью команды File » Import Wizard, выберите LTSpice Design Files в качестве типа файлов и пройдите остальные шаги мастера. Файлы символов компонентов, на которые указаны ссылки в файле проекта LTSpice (*.asc), будут автоматически добавлены в качестве файлов библиотек, и, в свою очередь, имитационные модели, на которые указаны ссылки в файлах библиотек компонентов, также будут добавлены в импорт.

В результате импорта, будет создан проект платы Altium Designer, который также включает в себя схемную библиотеку, содержащую компоненты проекта, и набор сформированных имитационных моделей в общем формате *.mdl. Источники напряжения LTSpice импортируются в виде эквивалентных источников воздействия Altium Designer.

Файлы библиотек и моделей

• Для успешного импорта проекта LTSpice необходимо, чтобы были доступны файлы данных библиотек компонентов проекта, такие как вспомогательные файлы символов компонентов (*.asy) и файлы имитационных моделей (*.sub, *.lib и т.п.). Все необходимые файлы должны находиться в той же исходной папке, что и импортируемый файл проекта LTSpice (*. asc).
• Но если на том же компьютере, на котором установлен Altium Designer, установлено приложение LTSpice, то файлы библиотек будут автоматически обнаружены в установке LTSpice и добавлены в процесс импорта.
• Обратите внимание, что мастер также поддерживает импорт только файлов библиотек компонентов LTSpice (*.asy), без необходимости в соответствующем файле проекта (*.asc).

Импорт проектов моделирования OrCAD

Проекты OrCAD™ и связанные с ними имитационные библиотеки PSpice^® могут быть импортированы в Altium Designer с помощью OrCAD Import Wizard, который становится доступен при включении модуля импорта OrCAD в разделе Configure Platform на странице Extension and Updates.

Вызовите мастер с помощью команды File » Import Wizard главного меню, выберите тип OrCAD Designs and Libraries Files и пройдите шаги мастера. Будут импортированы проектные файлы (*. DSN), библиотеки (*.OLB) и имитационные модели PSpice (*.LIB) OrCAD, и в Altium Designer будут созданы соответствующие проектные файлы, файлы библиотек и файлы моделей PSpice в формате *.ckt.

Процесс импорта добавит данные импортированных имитационных моделей PSpice в компоненты проекта и преобразует источники воздействия в формат Altium Designer. В результате будет получен готовый к моделированию проект в Altium Designer.

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПОСТРОЕНИЯ SPICE-МОДЕЛЕЙ СИЛОВЫХ МОП-ПРИБОРОВ | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

Амелин С.А.¹, Амелина M.А.², Киселёв К.О.³, Фролков О. А.⁴

¹ORCID: 0000-0002-1705-297X, кандидат технических наук, ²ORCID: 0000-0001-6210-1729, кандидат технических наук, ³ORCID: 0000-0002-1353-0516, ⁴ORCID: 0000-0002-7717-1161, ^1,2,3,4Филиал ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-07-00148 A

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПОСТРОЕНИЯ SPICE-МОДЕЛЕЙ СИЛОВЫХ МОП-ПРИБОРОВ

Аннотация

Рассмотрены проблемы вычисления параметров SPICE-моделей силовых МОП-приборов (MOSFET и IGBT) на основе экспериментальных данных. Обоснована возможность использования для этой цели методов машинного обучения. Приведена структурная схема программно-аппаратного комплекса, предназначенного для автоматизированного получения массива экспериментальных данных с целью его дальнейшей обработки с использованием алгоритмов машинного обучения и получения статических параметров SPICE-модели силового МОП-прибора произвольного уровня детализации. Приведены вольт-амперные характеристика моделей полупроводниковых приборов, полученных при помощи рассматриваемого программно-аппаратного комплекса, рассмотрены его основные характеристики и намечены пути дальнейшего совершенствования.

Ключевые слова: полупроводниковые приборы, структуры с изолированным затвором, MOSFET, IGBT, SPICE-модель, машинное обучение, программно-аппаратный комплекс.

Amelin S.A.¹, Amelina M.A.², Kiselev K.O.³, Frolkov O.A.⁴

¹ORCID: 0000-0002-1705-297X, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0001-6210-1729, PhD in Engineering, ³ORCID: 0000-0002-1353-0516, ⁴ORCID: 0000-0002-7717-1161, ^1,2,3,4Branch of FSBEI of HE National Research University “MPEI” in Smolensk

The study was carried out with the financial support of the Russian Foundation for Basic Research in the framework of the scientific project No. 17-07-00148 A

APPLICATION OF METHODS OF MACHINE TRAINING FOR AUTOMATED CONSTRUCTION OF SPICE MODELS OF POWER MOSFET INSTRUMENTS

Abstract

The problems of calculating the parameters of SPICE-models of power MOS-devices (MOSFET and IGBT) are considered on the basis of experimental data. The possibility of using methods of machine learning for this purpose is substantiated. A block diagram of the software and hardware complex intended for automated obtaining of an array of experimental data for the purpose of its further processing using machine learning algorithms and obtaining the static parameters of the SPICE model of a power MOS-device of an arbitrary level of detail is given. Volt-ampere characteristics of the models of semiconductor devices obtained with the help of the software and hardware complex are considered, its main characteristics and ways for further improvement are outlined.

Keywords: semiconductor devices, isolated gate structures, MOSFET, IGBT, SPICE-model, machine learning, software and hardware complex.

Одним из важных этапов разработки современных электронных устройств является математическое моделирование. Проведение такого моделирования требует наличия точных моделей электронных компонентов. Однако для существенной части этих компонентов, в частности отечественных MOSFET и IGBT-транзисторов такие модели отсутствуют. Кроме того, точность многих моделей, поставляемых в составе библиотек программ схемотехнического анализа, недостаточна и такие модели требуют уточнения [1], [2], [3]. Поэтому актуальной задачей является создание программно-аппаратного комплекса для автоматического определения параметров моделей MOSFET и IGBT-транзисторов.

Современные программы схемотехнического моделирования используют модели компонентов, представленные в формате, выполненном в соответствии с синтаксисом описания SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Такие модели называют SPICE-моделями [4, С. 318], [5, С. 521], [5, C. 547].

Для получения SPICE-модели компонента (например, транзистора) в подавляющем большинстве случаев недостаточно информации, представленной в техническом описании (datasheet). В частности, для транзистора необходимо проделать немалый объем работы, связанной с измерениями напряжений и токов в различных режимах, поскольку нужно получить не характеристики, а их семейства с целью выявление зависимости характеристик от различных параметров. Выполнять это вручную – весьма трудоемкий процесс, поэтому необходима автоматизация, которая требует разработки специализированной аппаратуры.

После получения массива экспериментальных данных необходимо вычислить параметры модели. Фактически вычисление сводится к многомерной оптимизации. Причем, задача оптимизации для МОП‑транзисторов достаточно сложная, поскольку модель содержит несколько десятков параметров [5, С. 524]. При этом расчеты по фиксированным формулам ограничивают детализацию модели имеющимся набором уравнений, а решение оказывается зависимым от выбора данных и их подготовки и в ходе оптимизации может быть найден локальный, а не глобальный экстремум.

В большинстве САПР имеются встроенные инструменты, позволяющие получить SPICE-модель на основе экспериментальных данных [4, C. 348], [5, C. 492], но их эффективное использование затрудняется необходимостью ручного ввода большого числа точек и привязкой только к встроенным моделям. Кроме того, встроенные алгоритмы не всегда способны выполнить эффективную оптимизацию и нет возможности выбора алгоритмов этой оптимизации.

Одной из задач создания специализированной аппаратуры расчета параметров SPICE‑моделей является поиск эффективных алгоритмов оптимизации, которые давали бы наилучшие результаты именно в конкретной области применения. В этом плане перспективными выглядят алгоритмы, основанные на технологиях в области машинного обучения. Фактически это один из подразделов искусственного интеллекта, изучающий методы построения алгоритмов, способных обучаться [6], [7], [8]. В класс задач, решаемых с помощью машинного обучения, входит и восстановление регрессии [7, С. 119]. Имеющаяся задача как раз и относится к этому классу.

Большинство методов машинного обучения сводятся к задаче оптимизации значения функционала, который зачастую называют функционалом потерь (эмпирического риска), т. к. его значение представляет ошибку работы алгоритма на обучающей выборке данных [9, C. 13]. Чем меньше ошибка, тем точнее алгоритм воспроизводит решение задачи.

Минимизация функционала потерь может осуществляться различными методами поиска минимума функций. Это могут быть различные разновидности прямого перебора, градиентного спуска, случайного поиска (метод Монте-Карло) и другие алгоритмы поиска глобального экстремума [9, C. 261]. От выбора алгоритма зависит скорость получения решения и будет ли это решение локальным или глобальным (настоящим) минимумом.

Например, задачу поиска матрицы МT, преобразующей один трехмерный вектор в другой, можно решить имея 3 обучающих измерения (пары исходных (I_i) и результирующих (O_i=I_i·MT) векторов) и используя в качестве функционала потерь сумму длин векторов I_i·M – O_i, где М – предполагаемое решение задачи. Такая задача стабильно решается с помощью квазиньютоновских методов оптимизации [10, С. 41] в современных математических пакетах. Если использовать только 2 точки – решение становится неопределенным в аналитическом виде, т.к. имеется 9 переменных и 6 уравнений. Это означает, что решение задачи оптимизации теперь будет зависеть от начальной точки поиска и не может быть точным.

На самом деле такая ситуация не характерна для задач машинного обучения, т.к. обычно имеется избыточное количество данных, среди которых необходимо найти зависимости и построить модели. Задача расчета параметров SPICE-моделей на основе экспериментальных данных как раз характеризуется такой избыточностью, именно по этой причине отсутствие автоматизации при определении параметров SPICE-моделей требует слишком много человеческих ресурсов.

Поскольку описанный выше недостаток методов машинного обучения не характерен для выбранной задачи, то при разработке программно‑аппаратного комплекса, позволяющего в автоматизированном режиме получать SPICE-модели произвольного уровня детализации, целесообразно применить именно этот алгоритм вычисления параметров SPICE-моделей.

Для реализации программно-аппаратного комплекса на первом этапе необходимо решить задачу получения исходных данных для оптимизации — разработать лабораторный стенд, осуществляющий измерения напряжений и токов в автоматическом режиме с передачей и сохранением массива данных на персональном компьютере (ПК). На втором этапе необходимо разработать программное обеспечения для обработки полученных экспериментальных данных и построения по ним SPICE-моделей.

Лабораторный стенд, решающий описанную выше задачу, состоит из силовой части, измерительной части и системы управления (рис. 1). В силовую часть входят управляемый источник напряжения цепи стока (коллектора) и управляемый источник напряжения цепи затвора. В измерительную часть входит датчик тока и устройство захвата сигналов. В качестве устройства захвата сигналов целесообразно использовать сертифицированное измерительное устройство — USB-осциллограф. Система управления (СУ) обеспечивает реализацию выбранного алгоритма измерения.

Рис. 1 – Структурная схема программно-аппаратного комплекса

Такая схема позволяет измерять ток через сток транзистора, ток затвора, напряжение на затворе и напряжение сток-исток. В таком исполнении стенд позволяет измерять статические характеристики n‑канальных МОП-транзисторов и IGBT-транзисторов в диапазонах 0–100 В и 0–250 А. Измерение проводится импульсным методом в квазистатическом режиме. В дальнейшем возможна доработка стенда с целью измерения переходных процессов, т.к. имеющееся оборудование технически позволяет работать в таком режиме и осуществлять подобные исследования, достаточно лишь изменить алгоритм работы системы управления.

Для измерения характеристик используется специально разработанное программное обеспечение (ПО), осуществляющее управление стендом, получение и обработку данных USB-осциллографа, хранение их в памяти ПК и отображение.

При измерении характеристик имеется возможность задать максимальное напряжение на затворе Ugs, максимальное напряжение сток‑исток Uds (для МОП-транзисторов) или коллектор-эмиттер Uce (для IGBT-транзисторов), шаг изменения напряжения на затворе, шаг изменения напряжения сток-исток или коллектор-эмиттер, максимальный ток стока или коллектора, сопротивление в затворной цепи, длительность импульса. В ходе измерения источники питания стенда последовательно устанавливаются на различные напряжения, происходит генерация импульса затвора и регистрация сигнала с помощью USB‑осциллографа. Алгоритм измерения каждой точки вольт-амперной характеристики представлен на рис. 2. Записанные данные можно просмотреть или сохранить на диск для дальнейшего анализа.

Временные диаграммы напряжения затвор-исток Ugs, напряжения сток-исток Uds и тока стока Id для n-канального МОП-транзистора IRFP250N представлены на рис. 3. Регистрируемые данные заносятся в массив после окончания переходных процессов в транзисторе (т.е. в квазистационарном режиме).

Рис. 2 – Алгоритм измерения точки вольт-амперной характеристики

Рис. 3 – Временные диаграммы напряжений сток-исток Uds, затвор‑исток Ugs и тока стока Id МОП-транзистора IRFP250N

В процессе измерения или после его завершения по полученным данным строятся семейства выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора и передаточная характеристика транзистора (рис. 4).

Рис. 4 – Статические характеристики МОП-транзистора IRFP250N, построенные по экспериментальным данным

Так как измеренные данные представляют собой набор точек с неизвестными шумами и погрешностями измерений, использовать их для прямого расчета параметров модели проблематично. К тому же прямой расчет ограничит область определяемых моделей, поэтому для вычисления используются методы машинного обучения. В качестве обучаемой модели используется текстовое описание МОП-транзистора на языке SPICE. В качестве функционала потерь используется сумма модулей разности между измеренными и смоделированными точками ВАХ. В процессе оптимизации параметры модели изменяются так, чтобы минимизировать ошибку.

Программное обеспечение позволяет пользователю самостоятельно определять детализацию SPICE-модели и выбирать переменные, значение которых необходимо оптимизировать. Благодаря этому, возможно получение параметров не только стандартных SPICE-моделей NMOS, PMOS, но и любых других, даже еще не существующих ныне моделей, что делает разработку весьма перспективной.

При запуске режима определения параметров модели начинается процесс поиска глобального экстремума методом градиентного спуска из случайно выбранных начальных состояний. В зависимости от числа параметров при существующих ныне вычислительных мощностях персонального компьютера данный процесс до получения удовлетворяющего результата может занимать от 15 минут и более. Выходные вольтамперные характеристики МОП-транзистора, полученные при использовании модели Шихмана-Ходжеса (Level 1) до и после оптимизации, представлены на рис. 5 и 6.

В процессе оптимизации модели пользователь может выбрать модель из списка 30 наилучших приближений, отобразить ее SPICE-текст и сравнить на одном графике измеренную и смоделированную ВАХ для оценки соответствия модели экспериментальным характеристикам.

Рис. 5 – Семейства выходных ВАХ транзистора IRFP250N, построенные по экспериментальным данным и по модели Шихмана-Ходжеса (Level 1) до оптимизации (красный – эксперимент, синий – модель)

Рис. 6 – Семейства выходных ВАХ транзистора IRFP250N, построенные по экспериментальным данным и по модели Шихмана-Ходжеса (Level 1) после оптимизации (красный – эксперимент, синий – модель)

Для увеличения скорости оптимизации программа может использовать ресурсы удаленных машин, на которых запускается приложение, осуществляющее вычисление ВАХ по SPICE‑тексту и отправляющее решение обратно на сервер. На данный момент в программе имеются встроенные заготовки SPICE-моделей МОП-транзисторов двух уровней: модель Шихмана-Ходжеса Level 1 [5, С. 524], содержащая 18 параметров и модель Level 6 [4, С. 336], содержащая 37 параметров.

Применение методов машинного обучения показало хорошие результаты при определении статических параметров SPICE-моделей N‑канальных МОП-транзисторов, однако для создания полноценной модели необходим еще и расчет динамических параметров модели. Как уже было сказано выше, это потребует лишь незначительной доработки силовой части стенда. Методика поиска параметров модели и выбранный алгоритм оптимизации не требует изменений, т.к. не зависит ни от состава модели, ни от типа исходных данных. Поэтому представленный программно-аппаратный комплекс имеет серьезный потенциал развития. В частности, возможности аппаратной части этого комплекса позволяют исследовать еще один перспективный подход к моделированию процессов в полупроводниковых приборах – прямое использование нейронных сетей, построенных на основе экспериментальных данных [11].

Список литературы / References

1. Недолужко И.Г. Определение параметров PSpice моделей МДПТ и БТИЗ по экспериментальным характеристикам / И.Г. Недолужко, П.А. Воронин, А.Г. Лебедев // Силовая Электроника. – 2006. – № 4. – С. 20-23.
2. Лебедев А.Г. Усовершенствование PSpice модели мощных диодов и МДП-транзисторов и определение их параметров / А.Г. Лебедев, И.Г. Недолужко // Практическая силовая электроника. – 2003. – № 11. – С. 4-10.
3. Лебедев А.Г. Методика определения параметров PSpice моделей IGBT‑транзисторов / А.Г. Лебедев, И.Г. Недолужко // Силовая Электроника. – 2005. – №2. – С. 100-103.
4. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0 / В.Д. Разевиг. – М.: «Солон», 1999. – 698 с.
5. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версии 9, 10. [Электронный ресурс]: учеб. пособие / Амелина М.А., АмелинС.А – Электрон. текстовые дан. – СПб. : Лань, 2014. – 632 с. – Режим доступа: URL http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=53665
6. Ветров Д.П. Машинное обучение – состояние и перспективы / Д.П. Ветров // Электронные библиотеки: перспективные методы и технологии, электронные коллекции. Труды XV Всероссийской научной конференции RCDL’2013. – 2013. – Издательство:Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова (Ярославль). – С. 21–27.
7. Witten I.H., Frank E., Hall M.A. Data Mining: Practical Machine Learning Tools and Techniques / I.H. Witten. – 3 ed. – Morgan Kaufmann, 2011. ‑ 629 p.
8. Bramer M. Principles of data mining / M. Bramer. – 2Nd ed. – Springer, 2013. – 440 p.
9. Вапник В.Н. Восстановление зависимостей по эмпирическим данным / В.Н. Вапник– М.: Наука, 1979. – 448 с.
10. Аббасов М.Э. Методы оптимизации: Учеб. пособие / М.Э. Аббасов – СПб.: Издательство «ВВМ». – 2014. – 64 с.
11. Hanene Ben Hammouda, Mongia Mhiri, Zièd Gafsi and Kamel Besbes Neural-Based Models of Semiconductor Devices for SPICE Simulator / Hanene Ben Hammouda // American Journal of Applied Sciences. – 2008. Vol. 5(4). – P. 385-391.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Nedoluzhko I.G. Opredelenie parametrov PSpice modelej MDPT i BTIZ po jeksperimental’nym harakteristikam [Determination of PSpice parameters of MOS and IGBT models based on experimental characteristics] / I.G. Nedoluzhko, P.A. Voronin, A.G. Lebedev // Silovaja Jelektronika [Power Electronics]. – 2006. – № 4. – P. 20-23. [in Russian]
2. Lebedev A.G. Usovershenstvovanie PSpice modeli moshhnyh diodov i MDP-tranzistorov i opredelenie ih parametrov [Improvement of the PSpice model of high-power diodes and MOSFET and determination of their parameters] / A.G. Lebedev, I.G. Nedoluzhko // Prakticheskaja silovaja jelektronika [Practical power electronics]. – 2003. – № 11. – P. 4-10. [in Russian]
3. Lebedev A.G. Metodika opredelenija parametrov PSpice modelej IGBT tranzistorov [Method of determining the parameters of the PSpice models of power IGBT transistors] / A.G. Lebedev, I.G. Nedoluzhko // Silovaja Jelektronika [Power Electronics]. – 2005. – № 2. – P. 100-103. [in Russian]
4. Razevig V.D. Sistema skvoznogo proektirovanija jelektronnyh ustrojstv DesignLab 8.0 [DesignLab 8.0 through-design system for electronic devices] / V.D. Razevig . – M.: «Solon», 1999. – 698 p. [in Russian]
5. Amelina M.A., Amelin S.A. Programma shemotehnicheskogo modelirovanija Micro-Cap. Versii 9, 10 [Micro-Cap circuit simulation program. Version 9, 10]. [Electronic resource]: Tutorial / Amelina M.A., Amelin S.A – Jelektron. tekstovye dan. – SPb. : Lan’, 2014. – 632 p. – Rezhim dostupa: URL http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=53665 [in Russian]
6. Vetrov D.P. Mashinnoe obuchenie – sostojanie i perspektivy [Machine learning – status and prospects] / D.P. Vetrov // Jelektronnye biblioteki: perspektivnye metody i tehnologii, jelektronnye kollekcii. Trudy XV Vserossijskoj nauchnoj konferencii RCDL’2013 [Electronic libraries: promising methods and technologies, electronic collections. Proceedings of the XV All-Russian Scientific Conference RCDL’2013]. – 2013. – Izdatel’stvo: Jaroslavskij gosudarstvennyj universitet im. P.G. Demidova (Jaroslavl’). – P. 21–27. [in Russian]
7. Witten I.H., Frank E., Hall M.A. Data Mining: Practical Machine Learning Tools and Techniques / I.H. Witten. – 3 ed. – Morgan Kaufmann, 2011. – 629 p.
8. Bramer M. Principles of data mining / M. Bramer. – 2Nd ed. – Springer, 2013. – 440 p.
9. Vapnik V.N. Vosstanovlenie zavisimostej po jempiricheskim dannym [Recovery of dependencies on empirical data] / V.N. Vapnik – M.: Nauka, 1979. – 448 p. [in Russian]
10. Abbasov M.Je. Metody optimizacii: Ucheb. posobie [Optimization Methods: A Tutorial] / M.Je. Abbasov – SPb.: Izdatel’stvo «VVM». – 2014. – 64 p.
11. Hanene Ben Hammouda, Mongia Mhiri, Zièd Gafsi and Kamel Besbes Neural-Based Models of Semiconductor Devices for SPICE Simulator / Hanene Ben Hammouda // American Journal of Applied Sciences. – 2008. Vol. 5(4). – P. 385-391.

models

.MODEL – Определение SPICE модели

frain [число] (нет) — Входной узел для многократного анализа fraout [число] (нет) — Выходной узел для многократного анализа frastop [число] (нет) — верхняя частота для многократного анализа frastart [число] (нет) — нижняя частота для многократного анализа fraamp [число] (нет) — fra func ampl. for freq.response analysis

проводимость считается равной нулю)

itl1 [число] 100. -максимальное число итераций при анализе по пост.току itl2 [число] 50. — Максимальное число итераций при расчете передаточных функций по постоянному току при переходе к следующей точке. itl4 [число] 10. — Максимальное число итераций при переходе к следующему моменту времени в режиме TRAN

itl6 [число] 25. — число шагов, используемых в продвижении источника (применяется при плохой сходимости по постоянному току при поиске рабочей точки)

srcsteps [число] 25. — альтернативное имя для itl6

maxclocks [число] infin.- максимальное число циклов записи

maxstep [число] infin.- максимальный шаг при расчете переходных процессов

measdgt [число] 6 -Число результатов, помечаемых в .measure-директивах method [строка] trap — Численный метод интегрирования, используется также trapezoidal или Gear

minclocks [число] 10 — минимальное число циклов записи nomarch [флаг] false — не запускать графический постпроцессор. noopiter [флаг] false -Идти непосредственно к gmin stepping.

numdgt [число] 6 — Исторически «numdgt» используется для задания числа знаков в выходных данных. В LTspice, если «numdgt» устанавливается > 6, то используется двойная точность для представления переменных

oversample [число] (нет) — For Freq. response analysis

pivrel [число] 1e-3 — Относительная величина элемента строки матрицы, необходимая для его выделения в качестве ведущего элемента

pivtol [число] 1e-13 — Абсолютная величина элемента строки матрицы, необходимая для его выделения в качестве ведущего элемента (режим АС)

reltol [число] 0.001 — Допустимая относительная ошибка расчета напряжений и токов в режиме TRAN

startclocks [число] 5 — number of clock cycles to wait before looking for steadystate число тактовых циклов, необходимых для поиска установившегося процесса

sstol [число] 0.001 — относительная ошибка для обнаружения установившегося режима

Имитационные модели SPICE — NI

Модель SPICE ＜ Что такое SPICE? ＞ | Основы электроники

SPICE — это программное обеспечение с открытым исходным кодом, моделирующее условия работы аналоговых схем. Это сокращение от «Программа моделирования с акцентом на интегральную схему».

История SPICE

Разработанный Калифорнийским университетом в Беркли в 1973 году, SPICE претерпел изменения, как показано в таблице ниже, чтобы достичь своего текущего формата.

Первая версия, SPICE1, была написана на FORTRAN.

Самый популярный симулятор SPICE основан на SPICE2G.6 и написан на C.

FORTRAN — это процедурный язык программирования, разработанный для научных вычислений.

Он упрощает оптимизацию параллельных вычислительных операций для достижения более высоких скоростей обработки.

За это время программы выполнялись на больших компьютерах (мэйнфреймах).

Что можно сделать с помощью SPICE?

В частности, это универсальная программа моделирования схем, которая обеспечивает линейный анализ переменного тока, нелинейный анализ переходных процессов и нелинейный анализ постоянного тока.

Анализ выполняется путем решения комбинаций теоретических и экспериментальных (модель устройства) уравнений, представляющих поведение элементов на основе законов Киркгофа по току и напряжению, с использованием модифицированного узлового точечного анализа.

Модель устройства

Модель устройства — это аналитическое выражение, разработанное на основе теоретических и экспериментальных исследований.

Моделирование элементов и устройств:

• Пассивные компоненты (т.е. резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности)
• Активные устройства (например, диоды, биполярные транзисторы, полевые МОП-транзисторы)
• Линии передачи
• Источники питания

Методы анализа:

• Переходный процесс
• DC
• Слабосигнальный переменный ток
• Шум

До SPICE проектирование ИС полностью вручную.

Однако переход к проектированию электронных схем после появления компьютеров в сочетании с увеличением количества элементов, которые могут быть встроены в ИС, заложили основу для SPICE.

Это стало возможным благодаря достижениям в технологии производства.

Между прочим, PSpice ^® от Cadence Design Systems — это первый симулятор, который можно запускать на ПК, в котором отсутствует необходимость в мэйнфрейме.

Хотя изначально он проектировался как симулятор электронных схем, теперь он стал важным инструментом для проектирования плат, передающих электрические сигналы и требующих аналоговых элементов, использующих высокоскоростную работу ЦП.

• Конструкция электронной платы (PSpice)
• Разработка / проверка печатной платы (IBIS)

Модели SPICE | Design Center

• Макро-макрос SPICE AD549 Модель

Spice Models

ДИОДЫ И ИНОСТРАННЫЕ ИЗДЕЛИЯ Заявление об отказе от ответственности DIODIODES

 
 Общий вид: d [название] [анод] [катод] [название модели]
                .model ([название модели] d [parmtr1 = x] [parmtr2 = y]...)
 
 Пример: d1 1 2 mod1
                 .model mod1 d
 
 Пример 2: D2 1 2 Da1N4004
                 .model Da1N4004 D (IS = 18,8n RS = 0 BV = 400 IBV = 5,00u CJO = 30 M = 0,333 N = 2)
 

        I  D  = I  S  (e  V  D  / нВ  T  -1)
        V  T  = 26 мВ при 25  o  C n = 2.0 В  D  = 0,925 В при 1 А по графику
        1 A = I  S  (e  (0,925 В) / (2) (26 мВ) -1)
        Я  S  = 18,8E-9
 

        I  D  = I  S  (e  V  D  / нВ  T  -1) τ  D  = Q  RR  / I  F 
 

* Схема SPICE <03468.eps> из XCircuit v3.20
D1 1 5 DI1N4004
В1 5 0 0
D2 1 3 Da1N4004
V2 3 0 0
D3 1 4 По умолчанию
V3 4 0 0
V4 1 0 1
.DC V4 0 1400 мВ 0,2 м
.model Da1N4004 D (IS = 18,8n RS = 0 BV = 400 IBV = 5,00u CJO = 30
+ M = 0,333 N = 2,0 TT = 0)
.МОДЕЛЬ DI1N4004 D (IS = 76,9n RS = 42,0 м BV = 400 IBV = 5,00u CJO = 39,8p
+ M = 0,333 N = 1,45 TT = 4,32u)
.MODEL По умолчанию D
.конец
 

 
                        модель модель модель 1N4004
индекс таблицы данных производителя VD график по умолчанию
3500 7.000000e-01 1.612924e + 00 1.416211e-02 5.674683e-03 0,01
4001 8.002000e-01 3.346832e + 00 9.825960e-02 2.731709e-01 0,13
4500 9.000000e-01 5.310740e + 00 6.764928e-01 1.294824e + 01 0.7
4625 9.250000e-01 5.823654e + 00 1.096870e + 00 3.404037e + 01 1.0
5000 1.000000e-00 7.395953e + 00 4.675526e + 00 6.185078e + 02 2.0
5500 1.100000e + 00 9.548779e + 00 3.231452e + 01 2.954471e + 04 3.3
6000 1.200000e + 00 1.174489e + 01 2.233392e + 02 1.411283e + 06 5.3
6500 1.300000e + 00 1.397087e + 01 1.543591e + 03 6.741379e + 07 8.0
7000 1.400000e + 00 1.621861e + 01 1.066840e + 04 3.220203e + 09 12.
 

.model Da1N4004 D (IS = 18,8n RS = 28,6 м BV = 400 IBV = 5,00u CJO = 30
+ M = 0,333 N = 2,0 TT = 0)
                        модель модель 1N4001
график таблицы данных производителя ВД
3505 7.010000e-01 1.628276e + 00 1.432463e-02 0,01
4000 8.000000e-01 3.343072e + 00 9.297594e-02 0,13
4500 9.000000e-01 5.310740e + 00 5.102139e-01 0.7
4625 9.250000e-01 5.823654e + 00 7.318536e-01 1.0
5000 1.000000e-00 7.395953e + 00 1.763520e + 00 2.0
5500 1.100000e + 00 9.548779e + 00 3.848553e + 00 3.3
6000 1.200000e + 00 1.174489e + 01 6.419621e + 00 5.3
6500 1.300000e + 00 1.397087e + 01 9.254581e + 00 8.0
7000 1.400000e + 00 1.621861e + 01 1.224470e + 01 12.
 

 .модель D1N4469 D (BV = 15 IBV = 17m) 

.SUBCKT DI-1N4744A 1 2
* Клеммы A K
D1 1 2 DF
ДЗ 3 1 ДР
VZ 2 3 13,7
МОДЕЛЬ DF D (IS = 27,5p RS = 0,620 N = 1,10
+ CJO = 78,3p VJ = 1,00 M = 0,330 TT = 50,1n)
МОДЕЛЬ DR D (IS = 5.49f RS = 0,804 N = 1,77)
.КОНЕЦ