12.20.6. Макромодели

Фрагменты цепей или схемы замещения компонентов имеет смысл оформлять в виде макромоделей (подсхем). Описание макромодели начинается директивой .SUBCKT и заканчивается директивой .ENDS. Между ними помещаются описания компонентов, входящих в состав макромодели:

.SUBCKT <имя макромодели> <список узлов>

+[OPTIONAL:<< узел интерфейса> = <значение по умолчанию>>*]

+[PARAMS:<имя параметра>=<значение>*]

+[ТЕХТ:<<имя текстовой переменной> - <текст>>*]

{описание компонентов}

.ENDS [имя макромодели]

Ключевое слово OPTIONAL используется для спецификации одного или более необязательных узлов макромодели – указываются имя узла и его значение по умолчанию. Если при вызове макромодели эти узлы не указываются, используются их значения по умолчанию, что удобно для задания источников питания цифровых устройств; после ключевого слова PARAMS приводится список параметров, значения которых передаются из основной цепи в макромодель. После ключевого слова TEXT – текстовая переменная, передаваемая из описания основной цепи в описание макромодели (используется только при моделировании цифровых устройств). Между директивами .SUBCKT и .ENDS можно помещать описания других макромоделей и другие директивы.

Вызов макромодели, т.е. включение ее в нужное место цепи, осуществляется предложением

ХХХХ <список узлов> <имя макромодели>

+[PARAMS:<имя параметра>= <значение>>*]

+[ТЕХТ:<имя текста>=<текст>>*]

Имена узлов, устройств и моделей в описании макромодели являются локальными. Поэтому в основной цепи и в макромодели можно использовать совпадающие имена. При обращении в основной цепи к какому-нибудь имени макромодели применяют так называемые составные имена. Они образуются из имени макромодели и внутреннего имени, разделенных точкой. Например, конденсатор С2 макромодели X1 имеет составное имя X1.С2. При ссылке на компоненты макромоделей составные имена заключаются в квадратные скобки, например, V([XOP1.X3.R2]) – падение напряжения на резисторе R2, который входит в состав макромодели ХЗ, которая в свою очередь является составной частью макромодели операционного усилителя ХОР1.

В программе PSpice имеются встроенные макромодели операционного усилителя, компаратора напряжения, регулятора напряжения и стабилиза-

тора напряжения, параметры которых рассчитываются специальной программой Model Editor по их паспортным данным. Кроме того, имеются макромоде-

ли оптоэлектронных приборов, тиристоров, кварцевых резонаторов и т.п., составляемые фирмами-производителями и отдельными пользователями.

Использование встроенной модели ОУ при расчете схем, состоящих даже из небольшого количества ОУ, приводит к большим затратам машинного времени. Поэтому в тех случаях, когда не требуется высокая точность воспроизведения динамических характеристик ОУ, целесообразно применять упрощенные модели ОУ.

Описание макромодели можно поместить непосредственно в файл задания на моделирование или в библиотечный файл макромоделей, например с именем op.lib для ОУ. Тогда для включения макромодели ОУ из этой библиотеки в схему необходимо сначала по директиве .LIB обеспечить доступ к этому файлу и затем указать номера узлов подключения макромодели:

.LIB D:\ORCAD\PSPICE\LIB\OP

Х1 17 18 0 22 9 25 K140UD8A

При работе с управляющей оболочкой Schematics библиотеки математических моделей компонентов подключаются по команде Analysis>Library and

Include Files.

Механизм передачи параметров из описания основной схемы в описание макромодели проиллюстрируем на следующем примере. Рассмотрим фрагмент описания схемы:

Test

.param С=1р LK=8m

.step param С list 5p 10р

X1 5 20 DL params: C={C} L={LK}

.subckt DL 1 2 params: C=0 LK=5m R=1k R1 1 2 {R}

C1 2 0 {С}

L1 1 2 {LK}

.ends DL

.end

Директива .SUBCKT определяет параметры макромодели С и R и задает их значения по умолчанию. При вызове макромодели X1 задаются значения параметра С, принимающего значения 5 и 10 пФ, и параметра LK = 8 мГн. Сопротивление резистора R1 по умолчанию принимает значение 1 кОм. Из данного примера видно, что локальные и глобальные параметры могут иметь как совпадающие (С={С}), так и различные (L={LR}) обозначения.

12.20.7. Операционные усилители

Математические модели операционных усилителей в отличие от встроенных моделей диодов и транзисторов представлены в виде макромоделей (подсхем), которые описываются на входном языке программы PSpice с помощью директивы .SUBCKT (см. п. 12.20.6).

Схема, соответствующая стандартной модели ОУ с входным каскадом на биполярных транзисторах, представлена на рис. 12.34 (ОУ с полевыми транзисторами имеет аналогичную схему). В данной модели из реальной схемы ОУ исключены все транзисторы, кроме двух транзисторов входного дифференциального каскада, что повышает скорость моделирования за счет некоторого снижения точности. Существуют четыре разновидности этой схемы, в которых дифференциальный каскад образован биполярными p-n-р- и n-р-n-транзисторами и полевыми транзисторами с управляющим р-n-переходом и каналами р- и n-типов.

Рис. 12.34

Параметры этих моделей рассчитываются с помощью программы Parts по следующим паспортным данным:

напряжение источников питания; максимальные значения положительного и отрицательного выходного

напряжения; максимальные скорости нарастания положительных и отрицательных вы-

ходных напряжений; мощность потребления в статическом режиме;

емкость коррекции (внутренней или внешней); входной ток смещения и напряжение смещения нуля;

коэффициент усиления дифференциального сигнала на низких частотах;

частота единичного усиления; коэффициент подавления синфазного сигнала;

дополнительный фазовый сдвиг на частоте единичного усиления, определяемый наличием второго полюса;

выходные сопротивления на низких и высоких частотах; максимальный выходной ток короткого замыкания.

Входной дифференциальный каскад на транзисторах Q1, Q2 моделирует такие эффекты, как наличие токов смещения и зависимость скорости нарастания выходного напряжения от входного дифференциального напряжения. Емкость СЕЕ отражает несимметричность выходного импульса ОУ в неинвертирующем включении. Емкость С1 вместе с емкостями переходов транзисторов имитирует двухполюсный характер частотной характеристики ОУ. Управляемые источники тока GA, GCH и резисторы R2, R02 моделируют усиление дифференциального и синфазного сигналов. Емкость С2 имитирует внутреннюю или внешнюю коррекцию ОУ.

Нелинейность выходного каскада ОУ моделируется элементами DLN, DLP, R01, ограничивающими максимальный выходной ток, и элементами DC, DE, VC, VE, которые ограничивают размах выходного напряжения.

Ниже приведен пример макромодели ОУ К140УД11.

.subckt K140UD11 1 2 3 4 5 c1 11 12 2.887E-12

c2 6 7 20.00E-12 dc 5 53 dy

de 54 5 dy dlp 90 91 dx dln 92 90 dx dp 4 3 dx

egnd 99 0 poly(2),(3,0),(4,0) 0 .5 .5

fb 7 99 poly(5) vb vc ve vlp vln 0 636.5E3 -1E3 1E3 600E3 -600E3 ga 6 0 11 12 12.57E-3

gcm 0 6 10 99 125.7E-9 iee 10 4 dc 1.400E-3