Скопируйте листинг описания схемы (рис. 3) и вставьте в окно программы AIM-SPICE.
Проверьте правильность синтаксиса описания схемы. Для этого сделайте расчет параметров рабочей точки, нажав на панели инструментов кнопку OP (Operating Point, Рабочая точка).
Если синтаксис программы содержит ошибки, то появляется диалоговое окно Ошибка, в котором выводится сообщение о том, что схема содержит ошибки (Circuit contain errors) и будет предложена возможность для знакомства с ними. Для этого достаточно нажать на кнопке Да.
Появляется окно, в котором указываются возможные проблемы. Для их устранения следует вернуться в окно AIM-SPICE, внести необходимые исправления и снова запустить расчет рабочей точки.
Если в синтаксисе программы ошибок нет, появляется диалоговое окно со статистикой расчета
Нажмите на кнопке OK для отображения результатов расчета рабочей точки в открывающемся диалоговом окне Dc Operating Point Information (Информация о результате расчета рабочей точки). В этом окне приводятся значения напряжений в каждом узле схемы и значения токов, отдаваемых в схему каждым из подключенных к ней источников напряжения.
Теперь можно приступать к расчету специализированных характеристик моделируемой схемы, определяющих ее функциональное назначение. Здесь придется воспользоваться расчетом переходного режима работы схемы.
Закройте последнее окно и нажмите в панели инструментов на кнопке TR (Transfer). Отображается диалоговое окно Transient Analysis Parameters (). Введите в него значение шага (Stepsize) и конечного времени расчета (Final Time) 1mc и 100 mc, соответственно и нажмите на копке Run (Пуск).
Открывает диалоговое окно Select Variables to Plot (Выбор переменной, отображаемой на графике). Нам надо сравнить входное напряжение (узел 2, V(2)) с выходным напряжением (узел 3, V(3)).
Выберите из списка предлагаемы переменных v(2) (voltage), соответствующее входному напряжению и нажмите на кнопке OK. Отображается «пустой» график зависимости входной переменной (v(2)) от времени.
Нажмите в панели инструментов на кнопке Start Simulation (Начать моделирование). Отображается график зависимости v(2) = f (t).
Однако, в данном случае вследствие устанавливаемого программой по умолчанию низкого диапазона изменения входного напряжения (от 0 до 5 В) вид графика остается без изменения (поскольку входное напряжения представляет собой сумму постоянного напряжения величиной 10 В и переменного синусоидального с амплитудой 1 В). Поэтому надо изменить масштаб отображения по оси Y.
Нажмите правой кнопкой мыши на оси напряжений и выберите из раскрывающего меню пункт Format Y-Axis… (Форматировать ось Y).
Введите в соответствующие поля раскрывающееся окна Y-Axis Format приращение (Increment), а также минимального (Minimum) и максимального (Maximum) значений напряжений, как указано ниже и нажмите на кнопке OK.
Отображается окно с графиком изменения входного напряжения v(2)=f(t).
Нажмите в панели инструментов на кнопке Exit и повторите пункты 5-10 для вывода графика выходного напряжения v(3) = f(t).
Далее результаты моделирования схемы в виде двух графиков приведены на рис. 4 (это вам предлагается сделать самостоятельно).
Итак выходное напряжение приблизительно равно 3 В, что незначительно выше, чем предполагалось ранее (4*0,7=2,8). Видно, что пульсации выходного напряжения на временной диаграмме сильно снижены по сравнению с пульсациями напряжения источника питания. Используя функцию курсора в AIM-постпроцессоре, можно точно оценить значение полного размаха пульсаций на выходе – 32 мВ, что пренебрежимо мало по сравнению с 2 В на источнике питания.
Рис. 4. Переходные характеристики схемы простого стабилизатора напряжения. Верхняя кривая отображает источник напряжения с наложенной на него флуктуацией напряжения. На нижней кривой приведено напряжение на выходе стабилизатора
Пример 4.2. Моделирование температурной зависимости диодных характеристик
Наряду с расчетом вольт-амперных характеристик SPICE-модель диода позволяет моделировать температурные зависимости основных ее составляющих: тока идеального диода (диффузионного тока (1)), генерационно-рекомбинационного тока (3) и тока в области пробоя (4). Дополнительные температурные параметры входят в ток насыщения Isи контактную разность потенциалов φ0. В данном примере моделируется влияние температуры на характеристики реального диода KD522A.
В соответствии с литературными данными плотность тока насыщения идеального диода пропорциональна квадрату собственной концентрации носителей ni2. Температурная зависимость собственной концентрации носителей дается выражением:
, (7)
где K – постоянная;
Ego– ширина запрещенной зоны при 0 K.
В свою очередь, ширина запрещенной зоны, а также коэффициенты диффузии и диффузионные также являются функцией температуры.
Из всех перечисленных параметров основной вклад в температурную зависимость тока насыщения вносит температурная зависимость концентрации собственных носителей, что и отражено в выражении, используемом в СМ SPICE для моделирования температурной зависимости тока насыщения (8):
. (8)
В эту формулу включено несколько SPICE-параметров, задаваемых для комнатной температуры (T= T0):
Контактная разность потенциалов φ0 (в модели SPICE ей соответствует параметр VJ) входит в выражение генерационно-рекомбинационного тока и формулы для емкостей ((1), (3) и (4)). В СМ SPICE для идеального резкого p–n-перехода температурная зависимость φ0(T) дается уравнением (9) (в котором опосредовано учитываются температурные зависимости φT и ni):
, (9)
где VJ– контактная разность потенциалов при комнатной температуре.
Температурная зависимость ширины запрещенной зоны дается следующим выражением:
. (10)
ПРИМЕЧАНИЕ
Для кремния приведенные в этом уравнении параметры имеют следующие значения: α = 7,02 ´ 10–4 эВ/K, β = 1108 K и Ego= 1,16 эВ.
На рис. 6 приведены результаты моделирования ВАХ диода для пяти разных температур. Листинг расчета ВАХ для температуры 27 °C приведен на рис. 5. Диапазон изменяемого напряжения задан от 0 до 1 В. Процедура расчета ВАХ для четырех остальных температур: 50, 75, 100 и 125 °C повторена путем изменения значения параметра TEMPв четвертой строке с описанием диода.
ПРИМЕЧАНИЕ
Обратите внимание, что в листинг описания схемы введен фиктивный источник напряжения vid номиналом 0 В. В данном случае он выполняет функции виртуального амперметра, предназначенного для измерения тока диода. В отличие от программы Pspice, где амперметры автоматически добавляются во все ветви схемы, в програме AIM-Spice для вывода нужных токовых зависимостей необходимо предварительно поместить в соответствующие ветви схемы фиктивные источники с нулевым напряжением.
Temperature dependence of diode current
vd 1 0 dc 0
vid 1 2 dc 0
dl 2 0 KD522A temp=27
.model KD522A d Is=880.5E-18 Rs=.25 Ikf=0 N=l Xti=3
Рис. 5.Листинг программы SPICE для расчета температурной зависимости диода
Приведенные на рис. 6 результаты моделирования указывают на сильный рост тока диода с увеличением рабочей температуры.
Рис. 6. Семейство ВАХ диода KD522A, рассчитанных с помощью программы
AIM-Spice для пяти температур
Пример 4.3. Температурная зависимость стабилизируемого напряжения
В предыдущем примере нами было рассмотрено влияние температуры на вид ВАХ диода. Как можно видеть из рис. 6, с ростом температуры падает прямое напряжение диода. Чтобы увидеть, как температурная зависимость диода влияет на выходной сигнал диодной схемы, смоделируем работу схемы стабилизатора напряжения из примера 4.1 для различных температур.
Для настройки нужной температуры ее необходимо ввести в поле Operating Temperature (TEMP) (Температура рабочей точки) диалогового окна General Simulation Options (Общие параметры моделирования), вызываемого одноименной командой меню Options (Параметры).
На рис. 7 приведены результаты расчета временной диаграммы напряжения на выходе схемы (узел 3) для трех различных температур. Видно, что постоянная составляющая выходного напряжения быстро уменьшается с ростом температуры, как и предполагалось из температурной зависимости характеристик диода.
Рис.7. Временные диаграммы стабилизируемого напряжения для трех различных температур (диод KD522A)
Пример 4.4. Расчет вольт-фарадной характеристики диода
К сожалению, СМ SPICE не позволяет непосредственно вычислять и строить вольт-фарадные характеристики (ВФХ). Однако для этой цели можно использовать малосигнальный анализ, который позволяет оценить емкость как составляющую полной проводимости диода. Далее путем повторения малосигнального анализа в различных рабочих точках можно получить вольтфарадную характеристику как график емкости перехода от прикладываемого к нему постоянного напряжения Vd. Для схемы, приведенной на рис. 8, емкость была рассчитана в узком частотном диапазоне для напряжения Vd, изменяемого в диапазоне от – 2,0 до 0,5 В.
Величина емкости перехода Ceq = Cd + Cdife может быть легко получена из выходного файла с результатами малосигнального анализа (AC Analysis) в AIM-Spice.
Рис. 8. Схема, содержащая идеальный диод, и соответствующая ей малосигнальная эквивалентная схема
Для малосигнальной эквивалентной схемы, представленной на рис. 8, емкость может быть выражена через рассчитанные параметры с помощью формулы
, (11)
где Y = gd+ j2πfCeq – полная проводимость параллельного соединения Ceq и gd .
Используя это уравнение, можно построить вольт-фарадную характеристику p–n-перехода, показанную на рис. 9 (для ее расчета использованы заданные по умолчанию значения параметров: CJO = 1 пФ и TT = 12 нс).
Известно, что результирующая емкость диода включает две составляющие: барьерную емкость Cd и диффузионную емкость Cdif. Резкое увеличение емкости при прямом смещении в районе 0,4 В связано с диффузионной емкостью, которая увеличивается экспоненциально с ростом прямого напряжения. В области напряжений, меньших 0,4 В, доминирует барьерная емкость.
, (7)
. (8)
, (9)
. (10)
, (11)