Уч_пособие_Multisim

Рис. 1.8. Диалоговое окно настройки элемента

Для того чтобы промоделировать схему по постоянному току, воспользуйтесь командой Simulate→Analyses and simulation. В левой части появившегося окна необходимо выбрать DC Operating Point. На вкладке Output надо добавить ток на резисторе R4 I(R4) и напряжение в узле 3 V(3). Далее нажать Run. На экране появится окно Grapher View со значениями тока и напряжения на R4.

1.3. Моделирование реального компонента

Характерной особенностью радиоэлектронных компонентов является зависимость их основных характеристик от конструктивного выполнения. При моделировании электрической модели необходимо учитывать влияние корпусов и выводов на характеристики элемента либо учитывать способ, которым данная модель выполнена. Если это не принимать во внимание, идеально промоделированная схема может оказаться абсолютно нерабочей в реальности.

Рассмотрим пример электрической модели пленочного конденсатора. В глобальной электрической модели пленочного конденсатора вместе с полез-

10

ной емкостью (C) учитываются еще и паразитные эффекты, которые появляются из-за потерь в металлических электродах (r) и в диэлектрике (R). Электрическая модель реального конденсатора представлена на рис. 1.9.

Чтобы посмотреть, как ведет себя сопротивление электрической модели конденсатора в зависимости от частоты, импортируйте модель конденсатора в пакет NI Multisim.

Для этого воспользуйтесь командой

Tools→Component wizard, в открывшемся

диалоговом окне Component Wizard в поле Component name задайте имя конденсатора, например realcap, и поставьте галочку напротив функции

Simulation only (рис. 1.10). Нажмите кнопку Next >.

Рис. 1.10. Создание нового элемента, шаг 1

На следующем шаге необходимо поставить галочку напротив функции

Single section component и в поле Number of pins указать значение 2. Нажмите кнопку Next >.

На третьем шаге необходимо выбрать условное графическое отображение элемента на схеме. По умолчанию это условное графическое обозначение резистора, но можно придать ему стандартный вид. Для этого нажмите кнопку Copy from DB. Откроется окно Select a Symbol, в котором вы сможете выбрать элемент из библиотеки Master Database. Выберите любой конденсатор из группы Basic, семейство CAPACITOR, и нажмите кнопку ОК.

11

В диалоговом окне Component Wizard появится обозначение конденсатора (рис. 1.11). Нажмите кнопку Next >.

Рис. 1.11. Создание нового элемента, шаг 3

На четвертом шаге оставьте все по умолчанию и просто нажмите Next >. На следующем шаге надо выбрать модель для симуляции. Для этого нажмите кнопку Load from file и укажите путь к файлу модели конденсатора (по указанию преподавателя). Обратите внимание, что необходимо поставить опцию All files в правом нижнем углу диалогового окна и выбрать файл с расширением .mod. После этого надо нажать кнопку Открыть, в диалоговом окне Component Wizard в поле Model data появится Spice-модель конденсатора, а в поле Model name автоматически появится его имя (рис. 1.12). Нажмите

кнопку Next >.

На шестом шаге оставьте все по умолчанию и просто нажмите Next >. На последнем шаге выбирается, в какой библиотеке будет находиться

модель. В поле Family tree выберите библиотеку User Database, группу Basic. С правой стороны окна создайте новое семейство, нажав Add family, например Capacitor, и затем нажмите кнопку Finish.

На рис. 1.13 представлено, как на данном этапе выглядит окно Component Wizard.

В рабочем поле появится искомый конденсатор. Для того чтобы посмотреть частотную зависимость входного сопротивления реального конденсатора, подсоедините его к источнику AC_VOLTAGE, который находится в группе Sources в семействе SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES. Параметры ис-

точника оставьте по умолчанию. Схема для моделирования представлена на рис. 1.14.

12

Рис. 1.12. Создание нового элемента, шаг 5

Рис. 1.13. Создание нового элемента, шаг 7

Для того чтобы промоделировать схему в частотной области, воспользуйтесь командой Simulate→Analyses and simulation. В появившемся окне в левой части представлены виды возможных симуляций. Выберите симуляцию в частотной области AC Sweep. На вкладке Frequency parameters в поле Start frequency поставьте значение 1 Гц, в поле Stop frequency – 10 ГГц, в по-

ле Sweep type выберите функцию Decade, в поле Number of points per decade

13

поставьте значение 1000, а в поле Vertical scale выберите функцию Logarithmic.

На вкладке Output надо выбрать значение сопротивления, но так как пакет NI Multisim предлагает только зависимости тока, напряжения и мощности, то искомую зависимость можно получить, поделив напряжение на ток. Для этого нажмите на кнопку

Add expression, в появившемся диалоговом окне в группе Variables выберите зависимость V(1) и нажмите кнопку Copy variable to expression, затем перейдите в группу Functions и выберите там знак деления «/», нажмите кнопку Copy function to expression,

далее вернитесь в группу Variables, выберите зависимость I(V1) и нажмите кнопку Copy variable to expression (рис. 1.15). Нажмите кнопку ОК.

Рис. 1.15. Формульное описание зависимости

В диалоговом окне Analyses and Simulation искомая зависимость появится с левой стороны. Нажмите кнопку Run. На экране появится окно Grapher View с зависимостью амплитуды и фазы сопротивления реального конденсатора от частоты.

14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

КОМПОНЕНТОВ

Всовременных САПР различные электронные компоненты представляют в виде электрических схем или моделей. Результаты моделирования зависят от того, насколько точно в модели учитываются те или иные характеристики реального компонента.

Внастоящее время в программах компьютерного моделирования для представления полупроводникового диода чаще всего используют модель Гуммеля–Пуна.

Обозначение диода на схеме показано на рис. 2.1. Идеальный диод должен быть очень

хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении

напряжения (плюс – к аноду, минус – к катоду) и абсолютным изолятором с бес-

конечным сопротивлением – при обратном. Однако на практике из-за полупроводниковых свойств материала такого эффекта добиться невозможно. Пример вольт-амперной характеристики реального полупроводникового диода представлен на рис. 2.2. На рисунке видно, что при прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения – Vϒ. Это напряжение, при котором p-n-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того, как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником.

Рис. 2.2. Вольт-амперная характеристика диода

15

Также популярным полупроводниковым компонентом является транзистор – биполярный и полевой.

Транзистор – электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. У биполярного транзистора есть три электрода: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э). На рис. 2.3 приведено обозначение транзистора.

Транзистор предназначен для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Если подать на выводы база-эмиттер слабое напряжение, то при соответствующем включении с коллектора относительно эмиттера можно снять напряжение, которое может быть в десятки и даже сотни раз

выше напряжения на базе, однако будет в точности повторять его форму. Полевой транзистор – транзистор, в котором сила проходящего через не-

го тока регулируется внешним электрическим полем, т. е. напряжением. Это принципиальное различие между полевым и биполярным транзисторами; в последнем сила основного тока регулируется управляющим током. Канал полевого транзистора может быть открыт только напряжением, без протекания тока через входные электроды. У полевого транзистора есть три электрода: затвор (З, gate), сток (С, drain) и исток (И, source). На рис. 2.4 представлено обозначение полевого транзистора.

Принцип работы полевого транзистора состоит в том, что поток заряженных частиц поступает на транзистор через исток и выходит через сток. Затвор в свою очередь работает как кран, который управляется приложенным напряжением. Если напряжения нет, то транзистор закрыт, и ток по нему идти не может. Чем больше подается напряже-

ние, тем меньше сопротивление канала, следовательно, тем больший ток может пройти.

Полевой транзистор может быть с n-каналом и с p-каналом. В первом случае ток в канале создается отрицательно заряженными частицами, а во втором случае – положительно заряженными частицами.

16

Для удобства построения различных характеристик в программе NI Multisim существует ряд виртуальных приборов. Виртуальные приборы – это модельные компоненты NI Multisim, которые соответствуют реальным приборам, таким как осциллограф, генератор сигналов, анализатор спектра и т. д.

Для построения вольт-амперных характеристик диодов, биполярных и полевых транзисторов удобно использовать такой виртуальный прибор, как IV analyzer. Для того чтобы разместить виртуальный прибор на рабочем поле, необходимо зайти в Simulate→Instruments и в появившемся списке выбрать нужный компонент. На рис. 2.5 представлена лицевая панель IV analyzer.

Рис. 2.5. Лицевая панель виртуального прибора IV analyzer

Для построения ВАХ в поле Components необходимо выбрать тип исследуемого элемента – диод (Diode), p-n-p или n-p-n биполярный транзистор

(BJT PNP, BJT NPN) и МОП-транзистор с p- или n-каналом (PMOS, NMOS).

После выбора исследуемого компонента внизу на лицевой панели можно увидеть схему подключения виртуального прибора к выводам компонента. Для того чтобы установить параметры, при которых будет производиться расчет характеристики, необходимо зайти в Simulate param. Вид появившегося окна зависит от выбранного ранее компонента.

Для диода необходимо указать начальное (Start), конечное (Stop) и шаг изменения (Increment) напряжения V_pn; для биполярного транзистора ука-

17

зываются начальные (Start) и конечные (Stop) значения напряжений коллек- тор-эмиттер (V_ce) и тока базы (I_b); для полевого транзистора указываются начальные (Start) и конечные (Stop) значения напряжений сток-исток (V_ds) и напряжение затвор-исток (V_gs). После установки нужных пределов изменения параметров необходимо запустить моделирование Simulate→Analyses and simulation→Interactive Simulation, далее нажать кнопку Run. Для обеспе-

чения наглядности характеристики можно выбрать логарифмический или линейный масштабы по осям (Log, Lin), а также начальное (I) и конечное (F) значения тока и напряжения.

2.1.Моделирование полупроводникового диода

1.Запустить программу NI Multisim.

2.Используя набор библиотек программы NI Multisim, построить схему, представленную на рис. 2.6.

Для этого необходимо зайти в меню Simulate→Analyses and simulation. В

появившемся окне с левой стороны представлены различные типы анализа; необходимо выбрать DC Operating Point, на вкладке Output выбрать ток через диод I(D1[ID]). Запустить моделирование нажатием кнопки Run.

5. Построить вольт-амперную характеристику диода.

Для этого используйте тип анализа DC Sweep. На вкладке Analysis parameters в качестве источника Source 1 должен быть выбран источник V1. Укажите начальное значение −150 В, конечное значение 30 В, а шаг 0.1 В.

Перейдите на вкладку Output. Выберите зависимость тока через диод I(D1[ID]) и нажмите кнопку Add: прямая должна появиться в правой части окна. Запустите моделирование нажатием кнопки Run.

18

Скопируйте графики в отчет. Это можно сделать, воспользовавшись командой Edit→Copy graph в диалоговом окне Grapher View либо воспользовавшись приложением Windows «Ножницы».

Далее следует изменить диапазон изменения напряжения на −160…0 В: для этого дважды щелкните правой кнопкой мыши по оси X и в группе Range задайте минимальное и максимальное значения диапазона. Затем надо создать еще один такой график, но с диапазоном изменения напряжения 0…40 В. В результате в первом окне отобразится график обратной ветви характеристики диода до начала лавинного пробоя, во втором окне – прямая ветвь.

Даже при закрытии окна Grapher View зависимость не удаляется, а при новых симуляциях зависимости будут появляться на новых вкладках. Окно Grapher View можно вызвать, нажав соответствующую пиктограмму:

.

6. Построить график зависимости тока диода I(D1[ID]) от температуры. Для этого в окне Analyses and Simulation выберите тип моделирования

Temperature Sweep. В группе Points to sweep выберите линейную зависи-

мость. Начальное значение температуры −50 °C, конечное значение 150 °C, а

шаг 10 °C. В группе Analysis to sweep выберите DC Operating Point. На вклад-

ке Output выберите зависимость тока диода I(D1[ID]). Нажмите кнопку Run. На экране появится график температурной зависимости тока через диод.

7. Построить вольт-амперную характеристику диода, используя виртуальный прибор IV analyzer.

Для этого необходимо расположить IV analyzer на рабочем поле (Simulate→Instruments→IV analyzer) и подключить его согласно рисунку на лицевой панели при выбранном компоненте Diode; неиспользуемый пин прибора необходимо заземлить. В настройках Simulate param. указать те же пределы изменения напряжения, что и в п. 5. После установки необходимых пределов изменения параметров необходимо запустить моделирование Simulate→Analyses and simulation→Interactive Simulation→Run. Для обеспечения наглядности характеристики можно корректировать начальное (I) и конечное (F) значения тока и напряжения.

Сравните графики тока диода, полученные в п. 5 и 7.

19