Меню File
Меню File предназначено для загрузки и записи файлов, получения твердой копии выбранных для печати составных частей схемы, а также для импорта/экспорта файлов в форматах других систем моделирования и программ разработки печатных плат.
1. Первые четыре команды этого меню: New (Ctrl+ N), Open... (Ctrl+ 0), Save (Ctrl+ S), Save As... — типичные для Windows команды работы с файлами и поэтому пояснений не требуют. Для этих команд в пятой версии имеются кнопки (иконки) со стандартным изображением. Схемные файлы программы EWB имеют следующие расширения:, са3 и, cd3 — аналоговые и цифровые схемы для EWB 3.0, .са4 — аналого-цифровые схемы для EWB 4.1 и .ewb — аналого-цифровые схемы для EWB 5.0.
2. Revent to Saved... — стирание всех изменений, внесенных в текущем сеансе редактирования, и восстановление схемы в первоначальном виде.
3. Print... (CTRL+ P) — выбор данных для вывода на принтер: Schematic — схемы (опция включена по умолчанию); Description — описания к схеме; Part list — перечня выводимых на принтер документов; Label list — списка обозначений элементов схемы; Model list — списка имеющихся в схеме компонентов; Subcircuits — подсхем (частей схемы, являющихся законченными функциональными узлами и обозначаемых прямоугольниками с названием внутри); Analysis options — перечня режимов моделирования; Instruments — списка приборов (см. гл. 3). В этом же подменю можно выбрать опции печати (кнопка Setup) и отправить материал на принтер (кнопка Print). В программе EWB 5.0 предусмотрена также возможность изменения масштаба выводимых на принтер данных в пределах от 20 до 500%.
4. Print Setup... — настройка принтера.
5. Exit (ALT+ F4) — выход из программы.
6. Install... — установка дополнительных программ с гибких дисков.
7. Import from SPICE — импорт текстовых файлов описания схемы и задания на моделирование в формате SPICE (с расширением.cir) и автоматическое построение схемы по ее текстовому описанию.
8. Export to SPICE — составление текстового описания схемы и задания на моделирование в формате SPICE.
9. Export to PCB — составление списков соединений схемы в формате OrCAD и других программ разработки печатных плат.
Одноименное меню программы EWB пятой версии отличается от рассмотренного тем, что в подменю Import/Export предусмотрены возможности обмена данными с программой разработки печатных плат EWB Layout (см. гл. 15).
Меню Edit
Меню Edit позволяет выполнять команды редактирования схем и копирования экрана.
1. Cut (CTRL+ X) — стирание (вырезание) выделенной части схемы с сохранением ее в буфере обмена (Clipboard). Выделение одного компонента производится щелчком мыши на изображении компонента. Для выделения части схемы или нескольких компонентов необходимо поставить курсор мыши в левый угол воображаемого прямоугольника, охватывающего выделяемую часть, нажать левую кнопку мыши и, не отпуская ее, протянуть курсор по диагонали этого прямоугольника, контуры которого появляются уже в начале движения мыши, и затем отпустить кнопку. Выделенные компоненты окрашиваются в красный цвет.
2. Сору (CTRL+ C) — копирование выделенной части схемы в буфер обмена.
3. Paste (CTRL+ V) — вставка содержимого буфера обмена на рабочее поле программы. Поскольку в EWB нет возможности помещать импортируемое изображение схемы или ее фрагмента в точно указанное место, то непосредственно после вставки, когда изображение еще является отмеченным (выделено красным) и может оказаться наложенным на создаваемую схему, его можно переместить в нужное место клавишами курсора или мышью. Таким же образом перемещаются и предварительно выделенные фрагменты уже имеющейся на рабочем поле схемы.
4. Delete (Del) — стирание выделенной части схемы.
5. Select All (CTRL+ A) — выделение всей схемы.
6. Copybits (CTRL+ I) — команда превращает курсор мыши в крестик, которым по правилу прямоугольника можно выделить нужную часть экрана, после отпускания левой кнопки мыши выделенная часть копируется в буфер обмена, после чего его содержимое может быть импортировано в любое приложение Windows. Копирование всего экрана производится нажатием клавиши Print Screen: копирование активной в данный момент части экрана, например, диалогового окна — комбинацией Alt+ Print Screen. Команда очень удобна при подготовке отчетов по моделированию, например, при оформлении лабораторных работ.
7. Show Clipboard — показать содержимое буфера обмена.
Одноименное меню EWB 5.0 аналогично рассмотренному, за исключением названия команды в п. 6. Она называется Copy as Bitmap и, к сожалению, не имеет клавиатурного дублирования (комбинации CTRL+ I для EWB 4.1), что в некоторых случаях затрудняет возможность копирования элементов схемы.
Меню Circuit
Меню Circuit используется при подготовке схем, а также для задания параметров моделирования.
1. Activate (CTRL+ G) — запуск моделирования.
2. Stop (CTRL+ T) — остановка моделирования. Эта и предыдущая команды могут быть выполнены также нажатием кнопки
3. Pause (F9) — прерывание моделирования.
4. Label... (CTRL+ L) — ввод позиционного обозначения выделенного компонента (например, R1 — для резистора, С5 — для конденсатора и т.д.). После выбора команды появляется диалоговое окно, показанное на рис. 1.3. При необходимости сдвига обозначения вправо можно слева ввести необходимое число пробелов (но не более 14 символов в строке).
5. Value... (CTRL+ U) — изменение номинального значения параметра компонента; команда выполняется также двойным щелчком по компоненту. После выбора команды появляется диалоговое окно, показанное на рис. 1.4. Номинальное значение параметра вводится на клавиатуре, нажатием курсором мыши на кнопки вверх-вниз выбирается множитель, кратный 1000. Например, для конденсатора задается его емкость в пикофарадах (пФ), нанофарадах (нФ), микрофарадах (мкФ) или миллифарадах (мФ).
6. Model... (CTRL+ M) — выбор модели компонента (полупроводникового прибора, операционного усилителя, трансформатора и др.) Команда выполняется также двойным щелчком по компоненту. После выбора команды открывается меню, показанное на рис. 1.5. В нем обозначено: Library — перечень библиотек, в которых находятся компоненты выбранного типа;
Model — перечень моделей компонентов выбранной библиотеки; New Library — создание новой библиотеки; после внесения ее имени в диалоговом окне на рис. 1.6 и нажатия клавиши Accept (принять) это имя появится в колонке Library.
Edit — после нажатия этой кнопки на экране появляется диалоговое окно с параметрами выбранной модели, показанное на рис. 1.7 для операционного усилителя (параметры его модели подробно рассматриваются в гл. 4). При необходимости редактирования параметров целесообразно по команде New Library создать отдельную библиотеку (чтобы не портить параметры библиотечного компонента), куда необходимо перенести редактируемый компонент с помощью команд: Сору — копирование отмеченного в колонке Model компонента в буфер обмена; Paste — вставка скопированной в буфер обмена модели компонента в выбранную в колонке Library библиотеку (в том числе и вновь созданную) с последующим редактированием ее параметров без изменения характеристик компонента основной библиотеки; Rename — переименование отмеченной модели компонента. Работа с меню, как и во всех других подобных случаях, заканчивается нажатием кнопок Accept или Cancel — с сохранением или без сохранения введенных изменений. При создании библиотеки моделей отечественных компонентов целесообразно действовать в следующей последовательности: О создать библиотеку, например, под именем rus_lib;
скопировать в эту библиотеку модель компонента, наиболее близкого по параметрам к отечественному; О переименовать скопированную модель, присвоив ей, например, имя K140UD5 (латинская транскрипция К140УД5); О при необходимости отредактировать значения параметров переименованной модели, используя данные каталогов отечественных микросхем или литературных источников [4 — II]. 7. Zoom (CTRL+ Z) — раскрытие (развертывание) выделенной подсхемы или контрольно-измерительного прибора, команда выполняется также двойным щелчком мыши по иконке компонента или прибора.
8. Rotate (CTRL+ R) — вращение выделенного компонента; большинство компонентов поворачиваются по часовой стрелке (в EWB 5.0 — против) на 90° при каждом выполнении команды, для измерительных приборов (амперметр, вольтметр и др.) меняются местами клеммы подключения. Команда чаще всего используется при подготовке схем. В готовой схеме пользоваться командой нецелесообразно, поскольку это чаще всего приводит к путанице — в таком случае компонент нужно сначала отключить от подсоединенных цепей, а затем вращать. 9. Fault (CTRL+ F) — имитация неисправности выделенного компонента путем введения: Leakage — сопротивления утечки; Short — короткого замыкания; Open — обрыва; None — неисправность отсутствует (включено по умолчанию). 10. Sabcircuit... (CTRL+ B) — преобразование предварительно выделенной части схемы в подсхему. Выделяемая часть схемы должна быть расположена таким образом, чтобы в выделенную область не попали не относящиеся к ней проводники и компоненты. В результате выполнения команды открывается диалоговое окно (рис. 1.8), в строке Name которого вводится имя подсхемы, после чего возможны следующие варианты: Сору from Circuit — подсхема копируется с указанным названием в библиотеку Custom без внесения изменений в исходную схему; Move from Circuit — выделенная часть вырезается из общей схемы и в виде подсхемы с присвоенным ей именем копируется в библиотеку Custom; Replace in Circuit — выделенная часть заменяется в исходной схеме подсхемой с присвоенным ей именем с одновременным копированием ее в библиотеку Custom. Для просмотра или редактирования подсхемы нужно дважды щелкнуть мышью по ее значку. Редактирование подсхемы производится по общим правилам редактирования схем. При создании дополнительного вывода подсхемы необходимо из соответствующей точки подсхемы курсором мыши протянуть проводник к краю окна подсхемы до появления не закрашенной прямоугольной контактной площадки, после чего отпустить левую кнопку мыши. Для удаления вывода необходимо курсором мыши ухватиться за его прямоугольную площадку у края окна подсхемы и вынести ее за пределы окна. В качестве примера на рис. 1.9 приведена подсхема sensor неинвертирующего усилителя на ОУ, используемого в фильтре на рис. 1.22. Здесь уместно отметить, что введение в подсхему "земли" нецелесообразно, поскольку при большом количестве таких подсхем замедляется процесс моделирования. Поэтому в схеме на рис. 1.9 для резистора R предусмотрен отдельный вывод, который в схеме фильтра на рис. 1.22 заземляется.
11. Wire Color... — изменение цвета предварительно выделенного проводника (выделенный проводник утолщается). Более простой способ выполнения команды — двойной щелчок мышью на проводнике, после чего в меню (рис. 1.10) выбирается один из шести предлагаемых цветов. Необходимость расцветки особенно важна для проводников, соединяющих контрольные точки (узлы) схемы с осциллографом или логическим анализатором — в этом случае цвет проводника определяет цвет осциллограммы.
12. Preferences... (CTRL+ E) — выбор элементов оформления схемы в соответствии с меню на рис. 1.11. Указанные в меню опции имеют следующее назначение: Show grid — показывать сетку для удобства рисования схемы (по умолчанию эта опция выключена, остальные включены); опция активна только при включенной опции Use grid — использовать сетку; Show labels — показывать позиционные обозначения компонентов, например, Cl, C2 для конденсаторов; Show models — показывать имена моделей компонентов, например, типов транзисторов; Show values — показывать номиналы компонентов, например, сопротивления резисторов. Следует отметить, что в программе EWB 3.0 в рассмотренной команде можно было использовать пароль. Например, вывод на экран номинальных значений компонентов или их типов возможен только при знании пароля. А это позволяло, в свою очередь, преднамеренно вводить скрытые таким образом неисправности компонентов и отрабатывать у учащихся навыки их поиска.
13. Analysis Options... (CTRL+ Y) — установка режимов моделирования в соответствии с диалоговым окном на рис. 1.12. С его помощью устанавливаются следующие режимы моделирования: Transient — расчет переходных процессов после включения источника питания (результаты представляются на экране осциллографа в графическом виде);
Steady-state — расчет стационарного режима схемы (режима по постоянному току); Assume linear operation — при расчете переходных процессов принять линеаризованную модель активных компонентов (Active Component Simulation); Pause after each screen — пауза после заполнения экрана при выводе на осциллограф (Oscilloscope Display); Store results for all nodes — вывод результатов для всех контрольных точек (узлов) схемы; Tolerance — задание допустимой погрешности моделирования (по умолчанию 1%); чем меньше погрешность моделирования, тем больше затраты времени на моделирование; Time domain points per cycle — выбор количества отсчетов отображаемого на экране осциллографа сигнала (по умолчанию — 100 точек на период, может быть увеличено в 100 раз). С увеличением количества отсчетов форма сигнала рассчитывается более точно при одновременном замедлении процесса моделирования; Bode Analysis points per cycle — выбор количества расчетных точек для отображения результатов моделирования на экране измерителя амплитудно-частотных и фазо-ча-стотных характеристик; Temporary file size for simulation [Mb] — размер временного файла для хранения результатов моделирования (по умолчанию 10 Мбайт), при необходимости может быть изменен. Меню Circuit в пятой версии EWB заметно отличается от рассмотренного. Отличия заключаются в следующем. 1. Исключены команды по пп. 1, 2 и 3, они перенесены в меню Analysis и могут выполняться также нажатием кнопок
2. Введены дополнительные команды управления расположением графического изображения компонентов: Flip Horizontal — зеркальное отображение компонента по горизонтали и Flip Vertical — то же, но по вертикали. Команды Rotate, Flip Horizontal и Flip Vertical могут быть выполнены также нажатием кнопок
Введенные дополнения очень полезны, поскольку существенно расширяют возможности оформления схем. Например, в версиях 3.0 и 4.1 не удавалось соответствующим образом расположить на схеме транзисторы, конденсаторы переменной емкости и другие компоненты в соответствии со стандартами. В качестве примера на рис. 1.13 приведены результаты применения указанных команд для преобразования графического изображения конденсатора переменной емкости: на рис. 1.13, а — изображение конденсатора в исходном состоянии, на рис. 1.13, б — после применения команды Rotate (поворот на 90° против часовой стрелке), на рис. 1.13, в — после применения команды Flip Horizontal (зеркальное отображение по горизонтали) и на рис. 1.13, г — после применения команды Flip Vertical (зеркальное отображение по вертикали). 3. Команды по пп. 4, 5 и 6 объединены в команду Component Properties (свойства компонента). Команда выполняется также после двойного щелчка по компоненту или нажатия кнопки
При выполнении команды открывается диалоговое окно (рис. 1.14, а) содержание которого соответствует команде по п. 4 за исключением строки Reference ID, в ней указывается позиционное обозначение компонента, используемое в дальнейшем при выполнении команд меню Analysis. В диалоговом окне команды при выборе закладки Value (рис. 1.14, б) задаются номинальное сопротивление компонента (резистора), значение линейного (ТС1) и квадратичного (ТС2) температурных коэффициентов сопротивления. С учетом этих параметров действительное значение резистора Кд определяется выражением [2]: RД=R [1+TC1(T-Tn)+TC2 (T-Tт)2], где R — номинальное сопротивление резистора; Тn=27°С — номинальная температура; Т — текущее значение температуры резистора. В диалоговом окне команды при выборе закладки Fault (рис. 1.14, в) приводятся условия моделирования по п. 9 и набор выводов компонента с опцией на каждый вывод, что позволяет выборочно имитировать ту или иную неисправность. Например, если требуется имитировать нарушение контакта вывода 1 резистора, то в этом случае включаются опции 1 и Open (открыто — обрыв). Введение таких дефектов в схему позволяет отрабатывать у учащегося навыки поиска и локализации неисправностей. Диалоговое окно при выборе закладки Display показано на рис. 1.14, г. С его помощью задается характер вывода на экран обозначений компонента. При выборе опции Use Schematic Options global setting используются установки, принятые для всей схемы, в противном случае используется индивидуальная настройка вывода на экран позиционного обозначения и номинального значения для каждого компонента. Диалоговое окно при выборе закладки Analysis Setup (рис. 1.14, д) позволяет установить температуру для каждого компонента индивидуально или использовать ее номинальное значение, принятое для всей схемы (Use global temperature). Для активных компонентов меню команды Component Properties содержит подменю Models (рис. 1.14, е), с помощью которого выбирается тип библиотечного компонента, редактируются его параметры, создается новая библиотека и выполняются другие команды по п. 6 (см. рис. 1.5). 4. Введены дополнительные команды масштабирования схемы: увеличения Zoom In и уменьшения Zoom Out с указанием масштаба в диапазоне 50 — 200%. Эти команды могут быть выполнены также с помощью мнемонических средств со стандартным обозначением
5. Вместо команды Preferences (п. 12) введена команда Schematic Options, диалоговые окна которой показаны на рис. 1.15. Как следует из сравнения рис. 1.14 и 1.15 и аналогичных данных EWB 4.1, программа EWB 5.0 содержит следующие дополнения: Show Nodes — показывать нумерацию узлов; Autohide part bins — по умолчанию не показывать состав библиотеки компонентов, используемой в данной схеме; Keep parts bin positions — сохранять положение используемой библиотеки компонентов на экране при оформлении схемы; обычно выбор новой библиотеки компонентов приводит к выключению предыдущей; для сохранения на экране сразу
нескольких библиотек, их необходимо разнести по экрану, при этом их положение при выборе новой библиотеки останется неизменным. При выборе закладки Fonts (рис. 1.15, в) можно установить тип (Font name) и размер (Font size) шрифта раздельно для обозначения компонента (кнопка Set label font) и номинального значения его параметра (кнопка Set value font). В качестве примера на рис. 1.15, г показано окно установки типа и размера шрифта обозначения компонента. Окна команды Schematic Options при выборе закладок Wiring и Printing показаны на рис. 1.16. Первая команда (рис. 1.16, а) связана с прокладкой проводников на схеме и организацией их взаимных соединений (Routing options), удалением проводников (Rewiring options) и соединений (Auto-delete connectors — автоматическое
удаление неиспользуемых соединений, например, дублирующих друг друга). Вторая команда (рис. 1.16, б) связана с масштабированием выводимой на принтер информации.
Меню Window
Меню Window содержит следующие команды: Arrange (CTRL+ W) — упорядочивание информации в рабочем окне EWB путем перезаписи экрана, при этом исправляются искажения изображений компонентов и соединительных проводников; Circuit — вывод схемы на передний план;
Description (CTRL+ D) — вывод на передний план описания схемы, если оно имеется, или окно-ярлык для его подготовки (только на английском языке). Последующие пункты рассматриваемого меню активизируют один из 11 разделов библиотеки компонентов, которые будут рассмотрены в гл. 2. В одноименном меню EWB 5.0 присутствуют только три первые команды.
Меню Help
Меню Help построено стандартным для Windows способом. Оно содержит краткие сведения по всем рассмотренным выше командам, библиотечным компонентам и измерительным приборам, а также сведения о самой программе. Отметим, что для получения справки по библиотечному компоненту его необходимо отметить на схеме щелчком мыши (он высветится красным цветом) и затем нажать клавишу F1.
аналогичны командам меню Circuit программы
1. Первые три команды — Activate (CTRL+ G), Stop (CTRL+ T), Pause (F9) — аналогичны командам меню Circuit программы EWB 4.1.
2. Analysis Options... (CTRL+ Y) — набор команд для установки параметров моделирования.
2.1. Global — настройки общего характера, задаются с помощью диалогового окна (рис. 1.17), в котором параметры имеют следующее назначение:
ABSTOL — абсолютная ошибка расчета токов;
GMIN — минимальная проводимость ветви цепи (проводимость ветви, меньшая GMIN, считается равной нулю);
PIVREL, PIVTOL — относительная и абсолютная величины элемента строки матрицы узловых проводимостей (например, при расчете по методу узловых потенциалов), необходимые для его выделения в качестве ведущего элемента;
RELTOL — допустимая относительная ошибка расчета напряжений и токов;
TEMP — температура, при которой проводится моделирование;
VNTOL — допустимая ошибка расчета напряжений в режиме Transient (анализ переходных процессов);
CHGTOL — допустимая ошибка расчета зарядов;
RAMPTIME — начальная точка отсчета времени при анализе переходных процессов;
CONVSTEP — относительный размер шага итерации при расчете режима по постоянному току;
CONVABSSTEP — абсолютный размер шага итерации при расчете режима по постоянному току;
CONVLIMIT — включение или выключение дополнительных средств для обеспечения сходимости итерационного процесса (например, за счет использования метода вариации напряжений источников питания [2]);
RSHUNT — допустимое сопротивление утечки для всех узлов относительно общей шины (заземления). Temporary... — объем дисковой памяти для хранения временных файлов (в Мбайт).
2.2. DC — настройка для расчета режима по постоянному току (статический режим). Для настройки этого режима используется диалоговое окно (рис. 1.18), параметры которого имеют следующее назначение:
ITL1 — максимальное количество итераций приближенных расчетов;
GMINSTEPS — размер приращения проводимости в процентах от
GMIN (используется при слабой сходимости итерационного процесса);
SRCSTEPS — размер приращения напряжения питания в процентах от его номинального значения при вариации напряжения питания (используется при слабой сходимости итерационного процесса). Кнопка Reset Defaults предназначена для установки по умолчанию параметров, показанных на рис. 1.18. Используется в том случае, если после редактирования необходимо вернуться к исходным данным.
2.3. Transient — настройка параметров режима анализа переходных процессов (диалоговое окно на рис. 1.19):
ITL4 — максимальное количество итераций за время анализа переходных процессов;
MAXORD — максимальный порядок (от 2 до 6) метода интегрирования дифференциального уравнения;
TRTOL — допуск на погрешность вычисления переменной;
METHOD — метод приближенного интегрирования дифференциального уравнения:
TRAPEZOIDAL — метод трапеций, GEAR — метод Гира;
АССТ — разрешение на вывод статистических сообщений о процессе моделирования.
2.4. Device — выбор параметров МОП-транзисторов (диалоговое окно показано на рис. 1.20, подробнее о МОП-транзисторах см. гл. 4):
DEFAD — площадь диффузионной области стока, м2;
DEFAS — площадь диффузионной области истока, м2;
DEFL — длина канала полевого транзистора, м;
DEFW — ширина канала, м;
TNOM — номинальная температура компонента;
BYPASS — включение или выключение нелинейной части модели компонента;
TRYTOCOMPACT — включение или выключение линейной части модели компонента. 2.5. Instruments — настройка параметров контрольно-измерительных приборов (рис. 1.21):
Pause after each screen — пауза (временная остановка моделирования) после заполнения экрана осциллографа по горизонтали (Oscilloscope); Generate time steps automatically — автоматическая установка временного шага (интервала) вывода информации на экран; Minimum number of time points — минимальное количество отображаемых точек за период наблюдения (регистрации);
ТМАХ —промежуток времени от начала до конца моделирования;
Set to Zero — установка в нулевое (исходное) состояние контрольно-измерительных приборов перед началом моделирования; User-defined — управление процессом моделирования проводится пользователем (ручной пуск и остановка); Calculate DC operating point — выполнение расчета режима по постоянному току; Points per cycle — количество отображаемых точек при выводе амплитудно-частот-ных и фазо-частотных характеристик (Bode plotter); use engineering notation — использование инженерной системы обозначений единиц измерения (например, напряжения будут выводиться в милливольтах (мВ), микровольтах (мкВ), нановольтах (нВ) и т.д.). 3. DC Operating Point —расчет режима по постоянному току. Из опыта работы с другими программами моделирования [3] следует, что в режиме DC из моделируемой схемы исключаются все конденсаторы и закорачиваются все индуктивности.
Рассмотрение DC-режима и последующих команд меню Analysis целесообразно вести на примере практических устройств. В качестве таковых используем фильтр верхних частот на операционном усилителе (рис. 1.22) и генератор Колпит-ца (рис. 1.23). Отметим, что при использовании команд меню Analysis целесообразно в меню Circuit>Schematic Options>Show/Hide включить опции Show Reference ID и Show Nodes. Отметим также, что в схеме фильтра входное напряжение во всех случаях принято равным 100 мкВ. Результаты расчета режима генератора Колпитца по постоянному току показаны на рис. 1.24. В верхней части рисунка указано имя схемного файла (для генератора Колпитца это 2m-oscil.ewb). Ниже приведены потенциалы узлов схемы в контрольных точках 1, 2, 3, 4 и на выводах транзистора. Переменные L0#branch и V0#branch обозначают токи через индуктивность LO и источник напряжения VO соответственно.
Заметим, что аналогичные результаты можно получить и в программе версии 4.1, подключив вольтметры и амперметры. При этом результаты получаются более наглядными и удобными для интерпретации. Однако это справедливо только для сравнительно простых схем.
Если курсор мыши поместить в окно на рис. 1.24 и нажать ее правую кнопку, вызывается диалоговое окно (рис. 1.25), с помощью которого можно отредактировать название (по умолчанию принимается название схемного файла), изменить его Шрифт и т.д. 4. DC Sweep... — вариация параметров источников при расчете режима по постоянному току. В диалоговом окне команды (рис. 1.26) задаются параметры вариации напряжения или тока одного или двух источников: Start value. Stop value — начальное и конечное значение варьируемой величины (напряжения или тока источника); Increment — шаг изменения варьируемой величины; Output node — номер узла схемы, в которой измеряется выходное напряжение как функция от варьируемой величины.
Результаты моделирования генератора Колпитца при указанных на рис. 1.26 данных приведены на рис. 1.27, откуда видно, что при изменении напряжения питания напряжение в точке 1 схемы меняется линейно. 5. AC Frequency... — расчет частотных характеристик. Выполнение команды начинается с задания в диалоговом окне (рис. 1.28) следующих параметров: FSTART, FSTOP — границы частотного диапазона (минимальное и максимальное значение частоты соответственно); Sweep type — масштаба по горизонтали: декадный (Decade), линейный (Linear) и ок-тавный (Octave);
Number of points — числа точек; Vertical scale — масштаба по вертикали: линейный (Linear), логарифмический (Log) и в децибелах (Decibel); Nodes in circuit — списка всех узлов цепи; Nodes for analysis — номеров узлов, для которых рассчитываются характеристики схемы, перечень таких узлов устанавливается нажатием кнопок Add -> (добавить) и <- Remove (удалить). Simulate — кнопка запуска моделирования. Результаты моделирования фильтра (рис. 1.22) представлены на рис. 1.29 в виде амплитудно-частотной (АЧХ — верхняя кривая) и фазо-частотной (ФЧХ — нижняя кривая) характеристик. Аналогичные характеристики можно получить также и с помощью измерителя АЧХ-ФЧХ как в версии 4.1, так и 5.0, причем с более высокой точностью за счет сканирования АЧХ и ФЧХ в выбранных точках визирной линейкой (см. гл. 3). Дополнительные манипуляции с результатами расчета выполняются с помощью командных кнопок, расположенных в верхней части окна (рис. 1.29). Первые восемь кнопок являются стандартными и пояснений не требуют. Назначение третьей группы кнопок рассмотрены ниже.
5.1.
Для заставок Bottom Axis, Rigt Axis и Top Axis окна настроек имеют аналогичный вид. Для заставки Traces окно настроек показано на рис. 1.33. Оно состоит из следующих блоков: Trace — выбор номера контрольной точки, для которой редактируется изображение характеристики; Label — задание метки рассматриваемой точки (на рис. 1.33 она совпадает с номером контрольной точки, однако здесь может быть размещена и другая информация в виде комментариев); Pen Size — выбор ширины линии для изображения характеристики; Color — выбор цвета линии; Sample — образец линии; Х Range — выбор оформления для оси X, аналогичного выбранному в окне Bottom Axis или Тор Axis;
Y Range — выбор оформления для оси Y, аналогичного выбранному в окне Left Axis (рис. 1.32) или Right Axis; Offsets — установка смещения координат по осям Х и Y.
5.2.
6. Transient... — расчет переходных процессов. Диалоговое окно команд (рис. 1.34) содержит следующие данные: Initial conditions — установка начальных условий моделирования; назначение с ставных частей этого блока рассматривались при описании окна на рис. 1.21; Tstart — время начала анализа переходных процессов; Tstop — время окончания анализа; Generate time steps automatically — расчет переходных процессов с переменным шагом, выбираемым автоматически в соответствии с допустимой относительной ошибкой RELTOL, задаваемой в окне на рис. 1.17; если эта опция выключена, то расчет ведется с учетом двух других опций, описанных при рассмотрении окна на рис. 1.2 Tstep — временной шаг вывода результатов моделирования на экран монитора. Порядок использования параметров Nodes in circuit описан при рассмотрении окна на рис. 1.28.
При указанных в рассмотренном окне параметрах результаты моделирования переходных процессов в фильтре представлены на рис. 1.35, на котором показан также ярлык (он может быть размещен в любом месте экрана), с помощью которого можно узнать, что красная синусоида снята в точке 1 схемы фильтра (выход), а синяя — в точке 4 (вход фильтра). Из рис. 1.35 видно запаздывание выходного сигнала относительно входного. 7. Fourier... — проведение Фурье-анализа (спектрального анализа). При выборе этой команды необходимо задать параметры моделирования с помощью диалогового окна (рис. 1.36), в котором опции имеют следующее назначение: Output node — номер контрольной точки (узла), в которой анализируется спектр сигнала;
Fundamental frequency — основная частота колебания (частота первой гармоники); Number harmonic —число гармоник, подлежащих анализу; Vertical scale — масштаб по оси Y (линейный, логарифмический, в децибелах);
Advanced — набор опций этого блока предназначен для определения более тонкой структуры анализируемого сигнала путем введения дополнительных выборок (по умолчанию выключены); Number of points per harmonic — количество отсчетов (выборок) на одну гармонику; Sampling frequency — частота следования выборок;
зультатом Фурье-анализа является линейчатый спектр исследуемого сигнала, в нижней части рисунка указывается коэффициент нелинейных искажений в процентах (подробнее см. гл. 7). Если в окне на рис. 1. 36 установить последние две опции, то результаты анализа приобретают вид, показанный на рис. 1.37, б (верхняя кривая — распределение амплитуд в логарифмическом масштабе, нижняя — распределение фаз гармонических составляющих).
8. Noise... — анализ спектра внутренних шумов. После выбора этой команды открывается диалоговое окно (рис. 1.38) задания следующих параметров моделирования: Input noise reference source — место подключения источника входного сигнала (выбирается из списка всех имеющихся источников сигнала, включая источник питания); Output node — узел (точка) схемы, в которой анализируется выходной сигнал; Reference node — узел схемы, относительно которого измеряется выходной сигнал (по умолчанию — общая шина, т.е. "земля"); Fstart, Fstop — начальная и конечная частота диапазона анализа; Sweep type — масштаб по оси частот (Decade, Linear, Octave); Number points — число отображаемых точек; Vertical scale — масштаб по оси Y (Linear, Log, Decibel); Set points per summary — выбор компонента схемы (из списка, где перечислены все компоненты схемы), вклад шумов которого в спектра шума на выходе (Output node) будет отображаться отдельно). При указанных на рис. 1.38 параметрах результаты расчета для генератора Колпитца показаны на рис. 1.39, на котором приведены распределения спектральной плотности (в единицах В2/Гц) напряжения шума на входе (верхняя кривая) и выходе (точка 3, средняя кривая), а также составляющая, обусловленная резистором RO. Наименование каждой составляющей индицируется в левом нижнем углу окна при указании курсором мыши на соответствующую кривую (на рис. 1.39 индицируется наименование средней кривой — Output noise).
9. Distortion... — анализ нелинейных и интермодуляционных искажений. Для иллюстрации рассмотрим схему микшерного (на два входа) микрофонного усилителя (файл mic_pre.ewb из каталога EWB 5.0), оформленного в виде подсхемы mic (рис. 1.40). Ко входам усилителя подключены источники напряжения VI и V2 с частотой 50 и 60 Гц. Диалоговое окно с установленными для рассматриваемой схемы параметрами показано на рис. 1.41. Большинство из них нам знакомо из рассмотрения предыдущих команд. Новая опция F2/F1 ratio определяет режим команды: в выключенном состоянии производится анализ нелинейных искажений устройства с учетом только одного источника входного сигнала, а во включенном — анализ интермодуляционных искажений при воздействии на вход двух сигналов, соотношение частот которых задается в окошке F2/F1 ratio. При указанных на рис. 1.41 значениях параметров результаты моделирования схемы (рис. 1.40) показаны на рис. 1.42, откуда видно, что результатом выполнения команды является вычисление напряжения второй (верхняя кривая) и
третьей (нижняя кривая) гармоник, которые чаще всего вносят наибольший вклад в нелинейные искажения.
Для второго режима, когда установлена опция F2/F1 ratio, результаты моделирования показаны на рис. 1.43, откуда видно, что в этом случае вычисляются напряжения верхней боковой составляющей (верхняя кривая), нижней (средняя кривая) и составляющей, определяемой разницей второй гармоники первого источника и первой гармоникой второго.
10. Parameter sweep... — вариация параметров. Исходные данные для выполнения команды задаются с помощью диалогового окна на рис. 1.44, а, в котором указаны следующие параметры: Component — позиционное обозначение элемента схемы, один из параметров которого будет варьироваться в процессе моделирования (в данном случае выбрана схема фильтра на рис. 1.22, в качестве такого параметра выбрана емкость переходного конденсатора С); Parameter — название параметра компонента, выбранного из списка (в данном случае — емкость конденсатора Capacitance); Start value. End value — параметры, задающие диапазон варьируемой величины (минимум/максимум); Sweep type — тип масштаба варьируемой величины; Increment step size — шаг изменения варьируемой величины; Output node — выходная контрольная точка схемы.
В нижней части окна перечислены знакомые нам режимы моделирования, для которых может быть проведен многовариантный анализ. В правом нижнем углу находятся кнопки для установки параметров этих режимов, диалоговые окна которых практически не отличаются от рассмотренных выше. В качестве примера на рис. 1.44, б приведено такое окно для установки параметров частотного анализа, которое отличается наличием кнопки Load from AC Analysis, с помощью которой можно использовать установки из ранее проведенного частотного анализа. Результаты моделирования фильтра с установками согласно рис. 1.44 показаны на рис. 1.45, на котором приведены изменения АЧХ (верхняя кривая) и ФЧХ фильтра (нижняя кривая) при вариации емкости переходного конденсатора С. При определении значения емкости конденсатора, для которого получена та или иная кривая, необходимо курсор мыши подвести к соответствующей кривой, при этом значение емкости будет показано в левом нижнем углу графика. 11. Temperature sweep... — температурные испытания моделируемой схемы. Диалоговое окно для установки параметров моделирования, показанное на рис. 1.46, особых пояснений не требует, поскольку оно, за исключением темпе-
ратурного диапазона и отсутствия параметров компонента, не отличается от окна на рис.1.44. Результаты моделирования фильтра при указанных рис. 1.46 параметрах приведены на рис. 1.47, на котором показаны АЧХ (верхняя кривая) и ФЧХ фильтра (нижняя кривая) при нормальной температуре (средняя кривая) и в крайних точках выбранного температурного диапазона. 12. Pole-Zero... — расчет карты нулей и полюсов передаточной характеристики моделируемой схемы. Диалоговое окно установки параметров моделирования приведено на рис. 1.48, на котором обозначено: Gain Analysis — расчет коэффициента передачи по напряжению;
Impedance Analysis — расчет коэффициента передачи напряжение-ток; Input Impedance, Output Impedance — расчет входного и выходного импедансов (комплексных сопротивлений); Nodes — контрольные точки для входного и выходного сигналов; Pole Analysis — расчет полюсов коэффициента передачи; Zero Analysis — расчет нулей коэффициента передачи.
Результаты расчет карты нулей и полюсов генератора Колпитца при указанных на рис. 1.48 параметрах приведены на рис. 1.49. Прежде чем обсуждать полученные результаты, напомним, что в общем случае коэффициент передачи линейного устройства в операторной форме может быть представлен в следующем виде: К (р) = В (р)/А (р), где р — оператор Лапласа; В (р), А (р) — полиномы. Под нулями передаточной функции К (р) понимаются корни полинома В (р) числителя, а под полюсами — корни полинома А (р) знаменателя.
На рис. 1.49 в графе Real приведена действительная (вещественная) часть корней полиномов, а в графе Imaginary — мнимая часть. Располагая такими данными, можно сделать вывод о порядке дифференциального уравнения моделируемой схемы и составить выражение для коэффициента передачи, а также сделать выводы о ее устойчивости. Для этого достаточно провести анализ полюсов, т.е. корней полинома А (р), поскольку именно он определяет устойчивость системы. Если вещественные части полюсов имеют отрицательное значение, а комплексные корни попарно комплексно сопряженные, то все коэффициенты полинома А (р) будут положительными, а это является признаком устойчивой системы. Из рис. 1.49 видно, что первые два полюса отвечают этим требованиям, поскольку их вещественная часть имеет отрицательное значение. Третий и четвертый полюсы являются комплексно сопряженными с положительной вещественной частью, а это является признаком неустойчивости анализируемого устройства, что соответствует действительности, поскольку устройство является автогенератором. 13. Transfer Function... — расчет передаточных функций. В диалоговом окне команды (рис. 1.50) задаются следующие параметры: Voltage — расчет коэффициента передачи по напряжению; Output node — выбор выходной контрольной точки (узла); Output reference — контрольная точка, относительно которой измеряется напряжение выходного сигнала; Current — расчет коэффициента передачи по току; Output variable — выбор выходной величины при расчете коэффициента передачи по току; Input source — выбор источника входного сигнала.
По умолчанию в качестве источника входного сигнала используется источник питания VO (см. схему генератора на рис. 1.23), а выходной сигнал снимается с эмиттера транзистора (контрольная точка 3). Получаемый при этом коэффициент передачи может быть использован для оценки влияния помех со стороны источника питания (например, пульсации) на выходной сигнал. Результаты расчета такого коэффициента передачи приведены на рис. 1.51. Кроме коэффициента передачи на рисунке приведены результаты расчета сопротивления схемы со стороны источника питания (1056, 4 Ом) и выходное сопротивление генератора по постоянному току (53, 4 Ом).
14. Sensitivity... — расчет относительной чувствительности характеристик схемы к изменениям параметров выбранного компонента при частотном анализе (АС) или при расчете статического режима (DC). Диалоговое окно установки параметров моделирования показано на рис. 1.63. Большинство параметров диалогового окна нам уже знакомо по предыдущим командам. Позиционное обозначение компонента, влияние которого будет анализироваться, указывается в строке под рубрикой Component. В данном случае это переходной конденсатор С, но могут быть выбраны также резисторы R, Rf и др. (см. рис. 1.22). В окне также задается масштаб выходного напряжения (Output scaling) в абсолютных (Absolute) или относительных (Relative) единицах. Результаты расчета чувствительности характеристик фильтра при показанных на рис. 1.52 исходных данных приведены на рис. 1.53. Верхняя кривая отображает изменения выходного напряжения, отнесенные к изменениям варьируемого параметра (в данном случае — емкости), а нижняя кривая — изменения фазы в абсолютных единицах, причем эти изменения в наибольшей степени проявляются в области частоты среза фильтра (около 10 кГц).
15. Worst Case... — расчет значений параметров компонентов схемы в режиме DC или АС при предельных отклонениях ее характеристик, задаваемых в диалоговом окне на рис. 1.54. Указанные в окне параметры имеют следующее назначение: Global tolerance — отклонение параметров резисторов, конденсаторов, индуктивно-стей, источников переменного и постоянного тока и напряжения; Collating function — характеристики схемы (выбираются из предлагаемого списка): максимальное и минимальное значение величины (Max. value, Min. value), максимальная и минимальная частота (Frequency at max, Frequency at min), значение частоты (Rise edge frequency. Fall edge frequency), при котором происходит пересечение заданного уровня порогового напряжения Threshold снизу-вверх и сверху-вниз; Output node — выбор выходной точки схемы.
Результаты моделирования фильтра при указанных на рис. 1.54 параметрах (параметр Global tolerance для наглядности установлен равным 50%) показаны на рис. 1.55 в виде АЧХ (верхняя кривая) и ФЧХ (нижняя кривая). В нижней части рисунка приведены заданные параметром Global tolerance значения параметров компонентов схемы: емкости конденсатора С и сопротивления резисторов R и Rf (отклонение -50% от номинала), при которых получены показанные на рис. 1.55 изменения АЧХ и ФЧХ. Следует заметить, что в программах PSpice и Micro-Cap V [2, 3] команда Worst Case имеет более широкие возможности задания параметров.
16. Monte Carlo... — статистический анализ по методу Монте-Карло. В диалоговом окне установки параметров моделирования для этой команды (рис. 1.56) задаются следующие параметры: Number of runs — количество статистических испытаний; Tolerance — отклонения параметров резисторов, конденсаторов, индуктивностей, источников переменного и постоянного тока и напряжения; Seed — начальное значение случайной величины (этот параметр определяет начальное значение датчика случайных чисел и может задаваться в пределах I...32767 [2]); Distribution type — закон распределения случайных чисел: Uniform — равновероятное распределение на отрезке (-1,+ 1) и Gaussian — гауссовское распределение на отрезке (-1,+ 1) с нулевым средним значением и среднеквадратическим отклонением 0, 25. Требуемый закон распределения выбирается после нажатия кнопки в поле рассматриваемой опции. Остальные параметры нам знакомы из команды Worst Case. Результаты статистического анализа генератора Колпитца при указанных на рис. 1.56 значениях параметров приведены на рис. 1.57, а, на котором ломаная кривая показывает изменения постоянной составляющей (напряжения покоя) на выходе схемы при случайном изменении параметров ее компонентов при числе испытаний 20 (описание процесса проведения расчетов по методу Монте-Карло приведено в работах [2, 3]). В режиме анализа переходных процессов результаты статистических испытаний при числе испытаний 2 показаны на рис. 1.57, б (малое число испытаний выбрано из чисто оформительских соображений, поскольку каждый результат испытаний отображается другим цветом и в черно-белом исполнении это выглядело бы не лучшим образом).
На рис. 1.57 приведены также среднее значение контролируемой величины Mean, ее среднеквадратическое отклонение Standard deviation (std) и процентное содержание данных с отклонениями в ±1 std, ±2 std и т.д.
17. Display Graph — этой командой вызываются на экран графики результатов выполнения одной из команд моделирования. Если в процессе моделирования использовано несколько команд этого меню, то результаты их выполнения накапливаются и на знакомом нам окне (см. рис. 1.58)отображаются в виде закладок с наименованием команд, которые могут перемещаться кнопками, расположенными в правом верхнем углу окна. Это позволяет оперативно просматривать результаты моделирования без его повторного проведения. Отметим, что вызов команды происходит автоматически при выполнении первой же команды из меню Analysis. Если в схеме используется осциллограф, то после запуска моделирования и предварительно установленной команды Display Graph в ее окне появляется закладка Oscilloscope с изображением осциллограммы; если используется измеритель АЧХ-ФЧХ, то появляется закладка Bode с изображением АЧХ и ФЧХ и т.д. Одновременно графическая информация выводится также и на основные приборы.
Обмен данными с программой PSpice
Программа PSpice является наиболее известной реализацией на ПК программы схемотехнического моделирования SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанной в Калифорнийском университете в начале 70-х годов и де-факто ставшей эталоном в системах схемотехнического моделирования [1, 2]. Обмен данными с PSpice и другими программами (OrCAD, EWB Layout и др.) производится с помощью команд Export и Import меню File (см. разд. 1.1). Начнем с команды Export. Перед ее выполнением необходимо загрузить файл схемы. В качестве примера выберем схему генератора Колпитца на рис. 1.23 (схемный файл 2m-oscii.ewb). После выбора команды Export вызывается диалоговое окно на рис. 1.59, в котором необходимо в строке "Имя файла:" указать имя файла. По умолчанию предлагается имя схемного файла, однако его рекомендуется изменить. Рекомендуется также поместить этот файл в каталог Models\Subckts.
В строке "Тип файла" можно выбрать следующие типы файлов: SPICE (*.cir), OrCAD PCB (*.net). Tango (*.net). Eagle (*.scr), Layol (*.cmp), Ultimate (*.plc), EWB Layout (*.plc). При выборе типа файла SPICE получаем файл с расширением.cir (в данном случае 2m-osc.cir) с текстовым описанием схемы в формате PSpice, содержание которого показано на рис. 1.60. Текстовый файл начинается с шапки-заголовка (комментарии начинаются с символа "*"), в котором указывается имя схемного файла EWB и приводятся другие данные. В абзаце с комментарием Oscilloscope (s) сообщается, что в пакете PSpice для отображения результатов моделирования будет использована команда.PROBE, при этом параллельно клеммам осциллографа включается резистор R_o_scope_0_0 с сопротивлением 1012 Ом (подробности в работе [2]), а напряжение измеряется между узлами 3 и О (О — узел заземления).
В абзаце Batery (s) приводится описание источника питания VO с напряжением 6 В, включенного между узлами 2 и 0. В абзаце Resistor (s) перечисляются входящие в схему резисторы R1 (1 кОм) и RO (10 кОм), включенные между узлами 3, 0 и 1, 2 соответственно. В абзаце Capacitor (s) перечисляются используемые в схеме конденсаторы С1 (82 пФ) и СО (82 пФ), включенные между узлами 4, 3 и 3, 1 соответственно. В абзаце NPN Transistor (s) указывается тип транзистора QO в формате PSpice (Qn2n_2N2222A), коллектор, база и эмиттер которого подключены к узлам 2, 4 и 3 соответственно.
В абзаце Inductor (s) указывается на подключение между узлами 1 и 4 катушки LO с индуктивностью 120 мкГн (в EWB используется символ "и" вместо "m"). В абзаце Connector (s) приводятся имена меток, если таковые имеются, и необходимые при этом комментарии. В разделе Misc приводятся параметры директивы расчета переходных процессов.TRAN: шаг вывода данных (28 нс), конечное время (14 мкс), начальный момент времени вывода данных (0 с), максимальный шаг вывода данных (28 нс), отмена расчета режима по постоянному току перед расчетом переходных процессов (UIC). Директивой .MODEL задаются параметры используемого в схеме транзистора (о параметрах транзисторов см. гл. 4). Директивой. OPTIONS задаются параметры моделирования (см. разд. 1.6). Файл заканчивается директивой .END (конец описания). Следует заметить, что рассмотренную команду можно использовать и для одиночных компонентов, например, для определения их эквивалентных схем (пример такого применения приведен в гл. 4). Для этого необходимо из каталога соответствующей библиотеки скопировать (перенести) на рабочее поле программы графическое изображение компонента и выполнить команду File> Export. Теперь рассмотрим обратную задачу — импорт файлов в формате PSpice, при котором в программе EWB выполняется построение принципиальной схемы. После выбора команды Import открывается диалоговое окно (рис. 1.61), в котором необходимо указать имя импортируемого файла (только в формате SPICE). После этого вызывается меню размещения (Part Placement на рис. 1.62, а). Выбор в этом меню режимов Default (по умолчанию) и Quick (быстрый) приводит к достаточно быстрому выводу схемы, однако вид ее получается крайне неудобочитаемым. Выбор режима Customized (самостоятельная настройка) приводит к цепочке последовательно вызываемых меню, показанных на рис. 1.62 — 1.64.
В режиме Rod Nodes (меню на рис. 1.62, 6} в начале процесса формирования изображения схемы выбираются два узла с наибольшим числом подключенных к ним компонентов, остальные элементы схемы располагаются справа и слева от выбранных узлов. В режиме Point Nodes в качестве опорных используются узлы схемы. В режиме Place All (используется по умолчанию при выборе режима Default в меню на рис. 1.62, а) сначала размещаются компоненты схемы, а затем производится их соединение и оптимизация размещения всей схемы.
В меню на рис. 1.63, а выбирается скорость формирования изображения схемы: Fast — максимальная (с минимальной оптимизацией изображения). Medium — средняя и Slow — минимальная, но с максимальной оптимизацией изображения схемы.
В меню на рис. 1.63, б устанавливается плотность размещения элементов схемы: автоматически устанавливаемая (Automatic), просторная (Loose, Very loose), средняя (Medium), плотная и очень плотная (Dense, Very dense). При использовании последних двух режимов схема становится вообще нечитаемой. На последнем этапе в меню на рис. 1.64 предлагается установить максимальное количество проводников, соединяемых в одной точке (узле): 4 или 3. В первом случае схема получается более компактной, во втором — более удобной для дальнейшего редактирования и приведения к стандартному виду. При режимах, указанных в меню на рис. 1.62 — 1.64, схема генератора Кол-питца после ее импортирования имеет вид, показанный на рис. 1.65. Она отличается от исходной схемы на рис. 1.23 несколько иным и менее удачным расположением компонентов и наличием сопротивления утечки (входным сопротивлением) осциллографа R_o_scope_0_0. При импортировании схем, подготовленных в текстовом виде для программы PSpice, необходимо предварительно загрузить в каталог Models необходимые библиотечные файлы (с расширением, lib) и перезагрузить EWB. Если необходимые для импортируемой схемы данные находятся в файлах с расширением, mod (файлы моделей компонентов) и.net (список соединений схемы), то, согласно руководству пользователя [67], их необходимо соответственно изменить на-lib и.сir и также загрузить в указанный каталог.
Контрольные вопросы и задания
1. Какой командой можно восстановить схему в ее первоначальном виде после внесенных изменений?
2. Каким образом можно получить твердую копию (на принтере) схемы и список составляющих ее компонентов?
3. Какой командой можно скопировать изображение схемы в отчет по лабораторной работе, подготавливаемый в текстовом редакторе Word?
4. Каким образом можно составить библиотеку моделей компонентов, состоящую из отечественных комплектующих?
5. Какими командами можно изменить графическое изображение компонента (например, конденсатора переменной емкости)?
6. Что такое подсхема и как ее создать?
7. Что обозначает выделение объекта? Выделите часть схемы и попытайтесь ее переместить в другое место экрана, пользуясь клавишами управления курсором.
8. Какой командой можно присвоить компоненту позиционное обозначение (С1, С2, R1 и т.д.) и какое правило используется при присвоении позиционных обозначений однотипных компонентов?
9. Какими командами можно изменить цвет проводника и для чего это нужно?
10. Какой командой можно удалить из схемы обозначения номинальных значений параметров компонентов или их тип?
11. Каким образом можно масштабировать размеры изображения схемы?
12. Каким образом на схеме обозначаются контрольные точки (номера узлов), для чего они нужны и в каких случаях их нужно знать?
13. Каким образом можно менять шрифт символов и его атрибуты?
14. Какая команда используется для установки параметров моделирования общего характера?
15. Какая команда используется для задания параметров моделирования переходных процессов?
16. Какая команда используется для задания параметров расчета частотных характеристик?
17. Каким образом можно индивидуально изменить температуру компонента моделируемой схемы?
18. Какой командой EWB 5.0 осуществляется задание параметров контрольно-измерительных приборов?
19. Что означает моделирование схемы по постоянному току?
20. Какой командой можно провести анализ модели в частотной области и какие характеристики при этом можно получить?
21. Для усилителя на рис. 1.22 модуль коэффициента передачи и его аргумент (фазовый угол) определяются формулами: ¦К (о))¦=соТ/„У(й>Т)2 +1; (p=arctg(l/coT), где T=RC — постоянная времени входной цепи; й)=2яГ; F — частота входного сигнала. Используя приведенные формулы, рассчитайте и постройте амплитудно-час-тотную и фазо-частотную характеристики и сравните полученные результаты с результатами моделирования на рис. 1.29.
22. Используя формулу из п. 21, рассчитайте и постройте амплитудно-частотную характеристику для С=1 нФ и 6 нФ и сравните полученные результаты с результатами моделирования на рис. 1.45.
23. Анализируя схему генератора Колпитца на рис. 1.23 и результаты моделирования на рис. 1.51, установите, какими компонентами определяется сопротивление схемы со стороны зажимов для подключения источника питания.
24. Каким образом можно получить краткие сведения о модели конкретного компонента?
25. Что такое спектральный анализ и какой командой его можно выполнить?
26. Используя команду Export, конвертируйте схему фильтра на рис. 1.22 в формат PSpice и составьте комментарий к полученному текстовому файлу. Используя команду Import, конвертируйте полученный файл из формата PSpice в формат EWB 4.1 или 5.0.
27. Выявите внутреннюю структуру (состав математической модели) ОУ с тремя и пятью выводами из библиотеки Analog ICs (EWB 5.0) или Active (EWB 4.1), используя для этой цели команды Export и Import меню File.
Технология подготовки схем
Прежде чем создавать чертеж принципиальной схемы средствами программы EWB, необходимо на листе бумаги подготовить ее эскиз с примерным расположением компонентов и с учетом возможности оформления отдельных фрагментов в виде подсхем. Целесообразно также ознакомиться с библиотекой готовых схем программы (см. Приложение 1) для выбора аналога (прототипа) или использования имеющихся решений в качестве подсхем.
В общем случае процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле EWB компонентов из библиотек программы в соответствии с подготовленным эскизом. Одиннадцать разделов библиотеки программы EBW 4.1 поочередно могут быть вызваны с помощью меню Window или с помощью иконок, расположенных под линейкой контрольно-измерительных приборов (рис. 1.1). Каталог выбранной библиотеки располагается в вертикальном окне справа или слева от рабочего поля (устанавливается в любое место перетаскиванием стандартным способом — за шапку заголовка). Для открытия каталога нужной библиотеки необходимо подвести курсор мыши к соответствующей иконке и нажать один раз ее левую кнопку, после чего серый фон иконки меняется на желтый. Необходимый для создания схемы значок (символ) компонента переносится из каталога на рабочее поле программы движением мыши при нажатой левой кнопке, после чего кнопка отпускается (для фиксирования символа) и производится двойной щелчок по значку компонента. В раскрывающемся диалоговом окне устанавливаются требуемые параметры (сопротивление резистора, тип транзистора и т.д.) и выбор подтверждается нажатием кнопки Accept или клавиши Enter. На этом этапе необходимо предусмотреть место для размещения контрольных точек и иконок контрольно-измерительных приборов.
Если в схеме используются компоненты одинакового номинала (например, резисторы с одинаковым сопротивлением), то номинал такого компонента рекомендуется задать непосредственно в каталоге библиотеки, и затем переносить компоненты в нужном количестве на рабочее поле. Для изменения номинала компонента необходимо два раза щелкнуть мышью по символу его графического изображения и в раскрывающемся после этого окне внести изменения. При размещении компонентов схемы на рабочем поле программы EWB 5.0 можно воспользоваться динамическим меню, описанным в конце главы. После размещения компонентов производится соединение их выводов проводниками. При этом необходимо учитывать, что к выводу компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения курсор мыши подводится к выводу компонента и после появлении прямоугольной площадки синего цвета нажимается левая кнопка и появляющийся при этом проводник протягивается к выводу другого компонента до появления на нем такой же прямоугольной площадки, после чего кнопка мыши отпускается, и соединение готово. При необходимости подключения к этим выводам других проводников в библиотеке Passive выбирается точка (символ соединения) и переносится на ранее установленный проводник. Чтобы точка почернела (первоначально она имеет красный цвет), необходимо щелкнуть мышью по свободному месту рабочего поля. Если эта точка действительно имеет электрическое соединение с проводником, то она полностью окрашивается черным цветом. Если на ней виден след от пересекающего проводника, то электрического соединения нет и точку необходимо установить заново. После удачной установки к точке соединения можно подключить еще два проводника. Если соединение нужно разорвать, курсор подводится к одному из выводов компонентов или точке соединения и при появлении площадки нажимается левая кнопка, проводник отводится на свободное место рабочего поля, после чего кнопка отпускается. Если необходимо подключить вывод к имеющемуся на схеме проводнику, то проводник от вывода компонента курсором подводится к указанному проводнику и после появления точки соединения кнопка мыши отпускается. Следует отметить, что прокладка соединительных проводников производится автоматически, причем препятствия — компоненты и другие проводники — огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали).
Точка соединения может быть использована не только для подключения проводников, но и для введения надписей (например, указания величины тока в проводнике, его функционального назначения и т.п.). Для этого необходимо дважды щелкнуть по точке и в раскрывшемся окне ввести необходимую запись (не более 14 символов), причем запись можно смещать вправо путем введения слева нужного количества пробелов. Это свойство может быть использовано и в том случае, когда позиционное обозначение компонента (например Cl, R10) накладывается на рядом проходящий проводник или другие элементы схемы.
Если необходимо переместить отдельный сегмент проводника, к нему подводится курсор, нажимается левая кнопка и после появления в вертикальной или горизонтальной плоскости двойного курсора производятся нужные перемещения.
Подключение к схеме контрольно-измерительных приборов производится аналогично. Причем для таких приборов как осциллограф или логический анализатор соединения целесообразно проводить цветными проводниками, поскольку их цвет определяет цвет соответствующей осциллограммы. Цветные проводники целесообразны не только для обозначения проводников одинакового функционального назначения, но и для проводников, находящихся в разных частях схемы (например, проводники шины данных до и после буферного элемента). Примеры такого оформления можно найти в каталогах готовых схем (см. файл adc-dacl.ca4).
При обозначении компонентов необходимо придерживаться рекомендаций и правил, предусмотренных ЕСКД (единой системой конструкторской документации). Что касается пассивных компонентов, то при выборе их обозначений особых трудностей не возникает. Трудности возникают при выборе активных элементов — микросхем, транзисторов и т.п., особенно при необходимости использования компонентов отечественного производства, когда требуется установить точное соответствие функциональных обозначений выводов и параметров зарубежных и отечественных компонентов. Для облегчения этой задачи можно воспользоваться таблицами соответствия зарубежных и отечественных компонентов (см. гл. 4). При импортировании в создаваемую схему другой схемы или ее фрагментов целесообразно действовать в следующей последовательности:
О командой FiloSave As записать в файл создаваемую схему, указав его имя в диалоговом окне (расширение имени файла указывать не обязательно, программа сделает это автоматически);
О командой File>0pen загрузить на рабочее поле импортируемую схему стандартным для Windows образом (некоторые особенности описаны в конце главы);
О командой Edit>Select All выделить схему, если импортируется вся схема, или выделить ее нужную часть (см. разд. 1.2);
О командой Edit>Copy скопировать выделенную схему в буфер обмена;
О командой File>0pen загрузить создаваемую схему;
О командой Edit>Paste вставить содержимое буфера обмена на рабочее поле; после вставки импортируемая схема будет выделена (и отмечена красным цветом) и может оказаться наложенной на создаваемую схему;
О клавишами управления курсором или мышью отбуксируйте импортированную часть в нужное место, после чего можно отменить выделение;
О после подключения импортированной схемы необходимо щелчками мыши пройтись по всем ее компонентам, чтобы исключить их смещения, возникающие при буксировке и приводящие к ступенчатым искажениям проводников.
Перемещения отдельных фрагментов схемы при ее компоновке выполняются вышеописанным образом после выделения фрагмента. После подготовки схемы рекомендуется составить ее описание (окно-ярлык вызывается из меню Window>Description), в котором указывается ее назначение; после проведения моделирования указываются его результаты. К сожалению, программа EWB позволяет вводить описание только на английском языке. Кроме того, в EWB не предусмотрены средства для редактирования графических изображений компонентов, а также введения новых шрифтов. Перейдем теперь к краткому обзору библиотечных компонентов программы EWB. Более подробные сведения будут приведены в гл. 4 и в других главах по мере их применения. При описании библиотек после названия компонента в скобках указываются назначаемые пользователем параметры. Например, для конденсатора это емкость, значение которой может быть установлено с помощью диалогового окна на рис. 1.4, а также температурные коэффициенты и разбросы (для EWB 5.0), для операционного усилителя — тип, который может быть выбран с помощью меню на рис. 1.5, и т.д.
Группа Custom — вспомогательные компоненты
В разделе Custom программы EWB 4.1 размещаются подсхемы, если они имеются в данной схеме (в исходном состоянии раздел пуст), а также все библиотечные компоненты предыдущей версии EWB 3.0 в случае импорта из этой версии схемных файлов. В EWB 5.0 этот раздел называется Favorites. Заполнение раздела моделями компонентов или подсхем осуществляется программой автоматически одновременно с загрузкой схемного файла и очищается после окончания работы с ним.
Группа FET — полевые транзисторы
Раздел FET содержит полевые транзисторы в следующем составе.
Группа- Control — коммутационные устройства и управляемые источники
Раздел Control содержит коммутационные устройства и управляемые источники в следующем составе.
Группа Hybrid — гибридные компоненты
Для компонентов библиотеки Hybrid, за исключением таймера, допускается редактирование в диалоговом окне следующих параметров:
О верхний уровень входного напряжения (High-Level Input Voltage Vih, В);
О нижний уровень входного напряжения (Low-Level Input Voltage Vil, В);
О время установления при переходе от нижнего уровня к верхнему и наоборот
(Propagation Delay Time, Low-to-High Level Output Tplh; Propagation Delay Time,
High-to-Low Level Output Tphl, c);
О пороговое напряжение (Threshold Voltage Vth, B).
Например, для АЦП (ADC) первые два параметра обозначают диапазон преобразуемых напряжений, третий — время преобразования, четвертый — цена младшего разряда.
Группа Gates — логические элементы
Группа Gates состоит из моделей базовых логических элементов и моделей цифровых ИМС ТТЛ- и КМОП-серий.
Группа Comb'I — комбинированные цифровые компоненты
Группа Seg'I — триггеры
Группа. 1С — цифровые микросхемы
и существенно переработана за счет
Библиотека компонентов программы EWB 5.0 несколько расширена и существенно переработана за счет перегруппировки компонентов, хотя многие компоненты, как и в EWB 4.1, не вполне соответствуют той группе, к которой они отнесены. Эта библиотека содержит следующие разделы. 1. Favorites — раздел, аналогичный группе Custom в EWB 4.1. 2. Sources — источники сигналов (меню для выбора компонентов показано на рис. 2.2). Раздел дополнен несколькими управляемыми источниками. Заметим, что под источниками сигналов подразумеваются не только источники питания, но и управляемые источники. 3. Basic — раздел, в котором собраны все пассивные компоненты, а также коммутационные устройства(рис. 2.3).
Важным дополнением являются модели с нелинейной индуктивностью, в том числе трансформаторы с сердечником. Интересной особенностью наделена в этом разделе точка соединения, параметры которой можно задавать с помощью диалогового окна на рис. 2.4. Она может быть наделена такими свойствами, как отсутствие (Open) соединения между проводниками, подключенными к ней с соответствующей стороны (цифры 1, 2, 3 и 4 на рис. 2.4 определяют количество и направление соединяемых проводников). Например, при включенных опциях 1, 3 и Open между проводниками, подключенными со сторон 1 и 3, не будет электрического соединения. 4. Diodes — диоды (рис. 2.5). Ничего нового в семейство диодов не добавлено.
5. Transistors — транзисторы (рис. 2.6). К семейству транзисторов добавлены (по сравнению с EWB 4.1)р-канальный и п-канальный арсенид-галлиевые полевые транзисторы (рис. 2.6, б). В качестве их математических моделей используются модель Куртиса, модель Рэйтеона и TriQuint модель [2, З].
6. Analog ICs — аналоговые микросхемы (рис. 2.7, а). К семейству аналоговых микросхем добавлены две разновидности операционных усилителей (рис. 2.7, б, в), компаратор напряжения (рис. 2.7, г) и микросхема для систем фазовой автопод стройки частоты (рис. 2.7, д), состоящая из фазового детектора, фильтра нижних частот и управляемого напряжением генератора. 7. Mixed ICs — микросхемы смешанного типа (рис. 2.8). Содержание раздела полностью идентично содержанию группы Hybrid EWB 4.1, т.е. в него входят 8-разрядный АЦП, два типа ЦАП (с внешними опорными источниками тока или напряжения), мультивибратор и интегральный таймер.
Рис. 2.8. Меню раздела Mixed ICs
Рис. 2.9. Меню раздела Digital ICs
Рис. 2.10. Меню раздела Logic Gates
Рис. 2.11. Меню раздела Digital
Рис. 2.12. Меню раздела Indicators
8. Digital ICs — цифровые микросхемы (рис. 2.9). Раздел полностью аналогичен рассмотренной выше группе 1С.
9. Logic Gates — логические цифровые микросхемы (рис. 2.10). Раздел полностью идентичен рассмотренной выше группе Gates. 10. DIGITAL — цифровые микросхемы (рис. 2.11). В разделе объединены компоненты групп Comb'1 и Seg'I.
11. Indicators — индикаторные устройства (рис. 2.12). Раздел соответствует группе Indie, изменено лишь графическое обозначение звукового индикатора (седьмая иконка на рис. 2.12).
12. Controls — аналоговые вычислительные устройства (рис. 2.13). Этот раздел наиболее насыщен новыми моделями. Кроме 'аналоговых делительных и множительных устройств, ранее входивших в группу Active, сюда включены (рис. 2.13, б) дифференциатор, интегратор, масштабирующее звено, формирователь переда точных функций, трехвходовой сумматор, управляемый ограничитель напряжения, неуправляемый ограничитель напряжения, ограничитель тока, блок с гис-терезисной характеристикой и селектор сигналов. Все эти компоненты подробно рассмотрены в гл. 14.
Заметим, что для всех этих компонентов предоставляется возможность редактирования их параметров. В качестве примера на рис. 2.14 приведено диалоговое окно установки параметров масштабирующего звена. С его помощью задается коэффициент усиления (К), входное (VIOFF) и выходное (VOOFF) напряжение смещения нулевого уровня. Последний параметр может быть использован, например, для задания начальных условий решения дифференциальных уравнений. 13. Miscellaneous — компоненты смешанного типа (рис. 2.15). В раздел включены новые компоненты, показанные на рис. 2.15, б. На этом рисунке приведены (слева направо, сверху вниз) кварцевый резонатор (см. разд. 8.7), набор макромоделей (подсхем) в формате SPICE, электровакуумный триод, коллекторный электродвигатель постоянного тока (см. гл. 14) и фильтры-накопители на переключаемых индуктивностях (см. гл. 12).
При создании схем в EWB 5. 0 удобно пользоваться динамическим меню (рис. 2.16), которое вызывается нажатием правой кнопки мыши. Меню содержит знакомые нам команды Help, Paste, Zoom In, Zoom Out, Schematic Options, а также новую команду A.dd<Ha3eaHue компоненте». Эта команда позволяет добавить на рабочем поле компоненты, не обращаясь к каталогу соответствующей библиотеки. Количество команд ААА<название> в списке меню определяется количеством типов компонентов (резисторов, значка заземления и т.д.), уже имеющихся на рабочем поле.
Рис. 2.16. Динамическое меню
Если при создании схемы использована, например, линейная модель ОУ с измененными значениями параметров, то при очередной загрузке файла с этой схемой вызывается меню (рис. 2.17) с сообщением о нестандартном использовании модели и с предложением выбрать один из следующих вариантов: Use library model — использовать стандартную модель с параметрами по умолчанию; Use circuit model — использовать модель с измененными значениями параметров; Put model into... — вставить модель в каталог однотипных моделей (открывается меню соответствующего каталога); Rename model... — переименовать модель; Cancel — отказаться от загрузки. Аналогичное меню имеется и в EWB 4.1.
Контрольные вопросы и задания
1. Каким образом можно подключить вывод компонента к проводнику?
2. Какие компоненты располагаются в каталогах библиотек Custom и Favorites?
3. Назовите элемент для образования в схеме узла соединений? Какие дополнительные функции может он выполнять?
4. Составьте схему цепи, состоящей из последовательно включенных батареи напряжением 5 В и переменного резистора сопротивлением 10 кОм, включенного потенциометром. Между подвижным контактом потенциометра и одним из зажимов батареи включите вольтметр. Изменяя положение подвижного контакта нажатием назначенной Вами клавишей клавиатуры, по показаниям вольтметра определите направление его перемещения.
5. Подготовьте схему цепи, состоящей из источника переменного синусоидального напряжения и вольтметра. Установите напряжение источника 10 В. Полагая, что вольтметр измеряет эффективное значение напряжения, выясните, какому значению соответствует установленное напряжение источника — эффективному или амплитудному.
6. Почему в опыте по п. 4 вольтметр имеет нулевые показания в режиме измерения постоянного тока?
7. Составьте схему цепи, состоящей из последовательно включенных источника постоянного тока, амперметра и потенциометра 10 кОм, включенного в режиме переменного сопротивления (к схеме подключается вывод подвижного контакта и одного из неподвижных). Изменяя сопротивление резистора назначенной клавишей, убедитесь, что ток в цепи не меняется. Объясните — почему?
8. Соберите цепь, состоящую из источника постоянного тока и предохранителя, установив ток срабатывания 10 мА. Изменяя ток источника, установите факт срабатывания предохранителя при указанном значении тока.
9. Подключите вольтметр к генератору прямоугольных импульсов, установив амплитуду выходного сигнала 10 В. Почему измеряемое вольтметром напряжение равно половине установленного как в режиме измерения постоянного, так и переменного тока? Сделайте вывод о форме выходного сигнала генератора.
10. Подготовьте схему цепи, состоящей из последовательно включенных источника постоянного напряжения, резистора 1 кОм и стабилитрона. Параллельно стабилитрону подключите вольтметр. Установите зависимость напряжения на стабилитроне от напряжения источника. Полученное напряжение стабилизации сравните со значениями параметров модели стабилитрона.
11. Составьте схему цепи, состоящей из двух батарей напряжением 2 и 12 В, аналогового умножителя и вольтметра. Одну батарею подключите ко входу X, вторую — ко входу Y умножителя, а к его выходу — вольтметр. Убедитесь в правильности функционирования умножителя.
12. При подготовке схемы иногда возникает необходимость перемещения ее отдельных фрагментов. Каким образом это можно сделать? В качестве тренировки переместите собранную в п. 10 схему в левый верхний угол экрана, не используя линейку прокрутки или перетаскивание отдельных символов компонентов курсором.
13. Соберите схему, состоящую из последовательно включенных источника постоянного тока и реле. Изменяя ток источника, убедитесь в правильности функционирования реле.
14. Соберите схему, состоящую из батареи и лампы накаливания. Определите напряжения, при которых лампа зажигается и перегорает. 15. Определите напряжение срабатывания светоиндикатора.
16. Назовите основные отличия библиотек компонентов EWB 4.1 и 5.0.
Мультиметр (Multimeter)
На лицевой панели мультиметра (рис. 3.2) расположен дисплей для отображения результатов измерения, клеммы для подключения к схеме и кнопки управления:
Ammeter resistance — внутреннее сопротивление амперметра; Voltmeter resistance — входное сопротивление вольтметра; Ohmmeter current — ток через контролируемый объект;
Decibel standard — установка эталонного напряжения VI при измерении ослабления или усиления в децибелах (по умолчанию V1=1 В). При этом для коэффициента передачи используется формула: К[дБ]=201ое(У2/У1), где V2 — Напряжение в контролируемой точке. Приведем пример использования мультиметра в режиме dB. Предположим, что необходимо измерить коэффициент передачи аудиоусилителя на частоте 20 кГц. Для этого к его входу подключим источник переменного синусоидального напряжения частотой 20 кГц и напряжением V1=1 В, а к выходу — мультиметр. Предположим далее, что в режиме измерения напряжения получена величина выходного напряжения V2=100 В. Следовательно, коэффициент передачи усилителя K=V2/V1=100. Переведем мультиметр в режим dB, тогда получим значение коэффициента усиления в децибелах K¦nB]=201oglOO=40 дБ. Предположим далее, что частота входного сигнала увеличена до 100 кГц и получено напряжение на выходе усилителя V2=0,1 В, т.е. коэффициент передачи в данном случае составляет К=0,1/1=0,1. В режиме dB мультиметр измерит K^6]=201og 0,1=-20 дБ. Отметим, что мультиметр измеряет эффективное (действующее) значение переменного тока.
Функциональный генератор (Function Generator)
Лицевая панель генератора показана на рис. 3.4. Управление генератором осуществляется следующими органами управления:
Рис. 3.4. Лицевая панель функционального генератора
Осциллограф (Oscilloscope)
Лицевая панель осциллографа показана на рис. 3.5. Осциллограф имеет два канала (CHANNEL) А и В с раздельной регулировкой чувствительности в диапазоне от 10 мкВ/дел (mV/Div) до 5 кВ/дел (kV/Div) и регулировкой смещения по вертикали (Y POS). Выбор режима по входу осуществляется нажатием кнопок
В режиме Y/T (обычный режим, включен по умолчанию) реализуются следующие режимы развертки: по вертикали — напряжение сигнала, по горизонтали — время; в режиме В/А: по вертикали — сигнал канала В, по горизонтали — сигнал канала А; в режиме А/В: по вертикали — сигнал канала А, по горизонтали — сигнал канала В. В режиме развертки Y/T длительность развертки (TIME BASE) может быть задана в диапазоне от 0,1 нс/дел (ns/div) до 1 с/дел (s/div) с возможностью установки смещения в тех же единицах по горизонтали, т.е. по оси Х (X POS). В режиме Y/T предусмотрен также ждущий режим (TRIGGER) с запуском развертки (EDGE) по переднему или заднему фронту запускающего сигнала (выбирается нажатием кнопок
измерения напряжения, временных интервалов и их приращений (между визирными линиями). Изображение можно инвертировать нажатием кнопки REVERSE и записать данные в файл нажатием кнопки SAVE. Возврат к исходному состоянию осциллографа — нажатием кнопки REDUCE.
Группа, Active — активные компоненты
Раздел Active содержит полупроводниковые диоды, биполярные транзисторы, операционные усилители, аналоговые делительное и множительное устройства, а также линии связи.
О длина линии (Length of the Transmission Line Len, м);
О сопротивление на единицу длины (Resistance per unit length Rt, Ом/м);
О индуктивность на единицу длины (Inductance per unit length Lt, Гн/м);
О емкость на единицу длины (Capacitance per unit length Ct, Ф/м);
О проводимость на единицу длины (Conductance per unit length Gt, См/м);
О количество последовательно включенных элементарных сегментов (Number of Lumps n).
О волнового сопротивления (Nominal Impedance Zo, Ом);
О времени задержки распространения сигнала в линии (Propogation Time Delay Td, с);
О количества последовательно включенных элементарных сегментов (Number of Lumps n).
Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter)
Лицевая панель измерителя АЧХ-ФЧХ показача рис. 3.7. Измеритель предназначен для анализа амплитудно-частотных(при нажатой кнопке MAGNI-TUDE, включена по умолчанию) и фазочастотных(при нажатой кнопке PHASE) характнристик при логарифмической(кнопка LOGвключена по умолчанию) или линейной(кнопка LIN)шкале по осям Y(VERTICAL) и Х (HORIZONTAL). Настройка измерителя заключается в выборе пределов измерения коэффициента передачи и вариации частоты с помощью кнопок в окошках F- максимальное и I- минимальное значение. Значение частоты и соответствующее ей значение коэфициента передачи или фазы индицируется в окошках в правом нижнем углу измерителя.
Подключение прибора к исследуемой схеме осуществляется с помощью зажимов IN (вход) и OUT (выход). Левые клеммы зажимов подключаются соответственно ко входу и выходу исследуемого устройства, а правые — к общей шине. Ко входу устройства необходимо подключить функциональный генератор или другой источник переменного напряжения, при этом каких-либо настроек в этих устройствах не требуется.
Генератор слова (Word Generator)
Внешний вид генератора слова в развернутом виде показан на рис. 3.8. Генератор (его называют еще кодовым генератором) предназначен для генерации 16 8-разрядных двоичных слов, которые набираются пользователем на экране, расположенном в левой части лицевой панели. Для набора двоичных комбинаций необходимо щелкнуть мышью на соответствующем разряде и затем ввести с клавиатуры 0 или 1. Дальнейшие перемещения по полю экрана удобнее проводить не с помощью мыши, а клавишами управления курсором. Содержимое экрана можно стереть, загрузить новое значение или записать в файл соответственно кнопками
Рис. 3.8. Лицевая панель генератора слова
Сформированные слова выдаются на восемь расположенных в нижней части прибора выходных клемм-индикаторов:
О с индикацией выходного сигнала в двоичном коде на клеммах-индикаторах и в шестнадцатеричном коде в окне HEX;
О в пошаговом (при нажатии кнопки STEP), циклическом (при нажатии кнопки CYCLE) или с выбранного слова до конца (при нажатии клавиши BURST) при заданной частоте посылок (установка — нажатиями кнопок в окнах FREQUENCY);
О при внутреннем (при нажатии кнопки INTERNAL) или внешнем запуске (при нажатии кнопки EXTERNAL, рядом расположена клемма для подключения сигнала синхронизации);
О при запуске по переднему или заднему фронту, используя кнопки
На клемму Clk выдается выходной синхронизирующий импульс.
Логический преобразователь (Logic Converter)
Внешний вид логического преобразователя показан на рис. 3.10. На лицевой панели преобразователя показаны клеммы-индикаторы входов А, В,..., Н и одного выхода OUT, экран для отображения таблицы истинности исследуемой схемы, экран-строка для отображения ее булева выражения (в нижней части). В правой части панели расположены кнопки управления процессом преобразования (CONVERSIONS). Возможные варианты использования преобразователя (см. также примеры в гл. 9):
1. Логический анализ га-входового устройства с одним выходом (входы исследуемого устройства подключаются к клеммам А... Н, а выход — к клемме OUT). В этом случае, используя кнопки управления, получим:
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
2. Синтез логического устройства по таблице истинности.
2.1. Щелчком мыши по входным клеммам А, В,..., Н, начиная с клеммы А, активизируем мышью требуемое число входов анализатора (на рис. 3.10 показаны активными входы А, В, С и D), в результате чего на экране анализатора получим начальную таблицу истинности, в которой будут представлены все возможные комбинации входных сигналов и соответствующие им значения логических сигналов (О или 1) в столбце OUT.
2.2. Отредактируем полученную таблицу в соответствии с заданием путем записи 1, О или Х в столбце OUT в строках, которые по комбинациям входных сигналов соответствуют заданным. Пусть, например, в первой строке при комбинации входных сигналов 0000 (см. рис. 3.10) нужно на выходе получить не 0, а 1. Для этого ставим курсор мыши на первую строку в столбце OUT, производим щелчок и на клавиатуре вводим 1. Дальнейшие перемещения с целью редактирования остальных строк столбца OUT удобнее производить с помощью клавиш управления курсором. При этом данные в столбцах А, В, С и D редактирования не требуют, поскольку в этих столбцах уже имеются все возможные комбинации.
Рис. 3.10. Лицевая панель логического преобразователя
Далее выполняем команды из п. 1, начиная с пп. 1.2. 3. Синтез логического устройства по булеву выражению. 3.1. Булево выражение заносится в экран-строку, предварительно активизируя там мышью курсор. Используются символы А...Н, при инверсии — А\..Н\
3.2. Нажимая кнопку
Далее выполняем команды п. 1, начиная с пп. 1.3.
Источники тока
В общем случае источники тока могут быть представлены в виде генератора напряжения или генератора тока (см. разд. 5.1). Источники тока делятся на источники постоянного тока, переменного тока и управляемые (функциональные) источники. Кроме того, они подразделяются на измерительные источники и источники для электропитания.
Примером измерительного источника является рассмотренный в гл. 3 функциональный генератор. Из источников постоянного тока в качестве измерительного широко используется так называемый нормальный элемент (электрохимический источник), обладающий высокой стабильностью выходного напряжения и используемый в высокоточных образцовых установках для поверки вольтметров, амперметров и других измерительных приборов.
Источники для электропитания являются самыми массовыми устройствами. Их принято делить на первичные и вторичные. К первичным источникам относятся:
электрогенераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую, термоэлектрогенераторы, солнечные и атомные батареи, электрохимические источники. Во вторичных источниках тока производится преобразование тока первичного источника (см. гл. 12).
Источники постоянного тока в программе EWB представлены на рис. 4.1.
На рис. 4.1, а показан идеальный (внутреннее сопротивление Ri=0) источник постоянного напряжения +5 В, который в основном предназначен для логических схем. На рис. 4.1, б представлен идеальный источник постоянного напряжения с заданной ЭДС, установка которой осуществляется с помощью диалогового окна на рис. 4.2, вызываемого двойным щелчком мыши по значку источника.
На рис. 4.1, в показан источник напряжения, характеризуемый ЭДС (Pull-Up Voltage) и внутренним сопротивлением (Resistance). Задание этих параметров производится с помощью диалогового окна на рис. 4.3.
На рис. 4.1, г показан идеальный источник тока. Установка тока производится аналогично установке ЭДС. '
Источники переменного тока в программе EWB подразделяются на источники немодулированных (рис. 4.4) и модулированных (рис. 4.8) сигналов.
Для идеального генератора переменного напряжения (рис. 4.4, а) задается напряжение (Voltage), частота (Frequency) и начальная фаза (Phase) синусоидального сигнала с помощью диалогового окна на рис. 4.5.
Установка тока, частоты и начальной фазы идеального генератора переменного тока (рис. 4.4, б) осуществляется аналогично источнику синусоидального напряжения.
Идеальный генератор импульсного напряжения (рис. 4.4, в) является источником однополярных импульсов с задаваемыми амплитудой, частотой следования и коэффициентом заполнения (Duty Cycle, отношение длительности импульса к периоду следования — величина, обратная скважности). Установка этих параметров осуществляется с помощью диалогового окна на рис. 4.6.
При указанном на рис. 4.6 значении коэффициента заполнения 50% (длительность импульса равна половине периода) периодическая импульсная последовательность называется меандром. Такой сигнал может быть представлен в виде суммы гармонических составляющих (простых синусоид) путем разложения в ряд Фурье [35]:
Первое слагаемое выражения (4.1) — постоянная составляющая, равная половине амплитуды U„, первое слагаемое в квадратных скобках — первая гармоника, второе — третья гармоника и т.д. В графическом виде такое разложение обычно представляется в виде так называемого линейчатого спектра, когда по оси Х откладывается частота (номер гармоники), а по оси Y в виде вертикальной линии — амплитуда гармоники. Для получения такого спектра средствами программы EWB 5.0 (см. гл. 1) необходимо составить цепь из источника (рис. 4.4, б), резистора, заземления и применить команду Analysis> Fourier. Полученное при этом спектральное распределение гармоник для рассматриваемой импульсной последовательности при U„=2 В показано на рис. 4.7. Для того, чтобы в черно-белом изображении была видна постоянная составляющая, в меню Graph Properties>Left Axis был выбран белый цвет для оси X. Из рис. 4.7 видно, что постоянная составляющая действительно равна Um/2 = 1 В, амплитуда первой гармоники 2Um/7t=l,27 В. Заметим, что для импульсной последовательности при скважности, не равной 2, выражение (4.1) несколько усложняется [51].
Источники модулированного напряжения в программе EWB представлены компонентами, показанными на рис. 4.8.
Источник на рис. 4.8, а — идеальный генератор амплитудно-модулированных колебаний (AM), параметры которого задаются с помощью диалогового окна (рис. 4.9), в котором обозначено: Carrier Amplitude — амплитуда несущей, Carrier Frequency — частота несущей. Modulation Index — коэффициент модуляции, Modulation Frequency — частота модулирующего колебания.
Осциллограмма АМ-сигнала при М=0,5 и значениях остальных параметров, указанных в меню на рис. 4.9, показана на рис. 4.10. Коэффициент модуляции определяется как отношение амплитуды огибающей (на осциллограмме — 0,5 В) к ее среднему значению, т.е. к амплитуде несущей (1 В). Коэффициент модуляции всегда меньше или равен единице.
Аналитическое выражение для AM сигнала записывается в следующем виде [67]: U(t)=Uc[l+Msin(2nF,„)t]sin(2itF„t). Это выражение после тригонометрических преобразований может быть представлено в более наглядном виде [51]:
U(t)=U„[cos(2itF,)t+0,5Mcos2TC(F,+F„,)t+0,5Mcos2n(F,-F,„)t].(4.2)
Первое слагаемое выражения (4.2) называется несущим колебанием, второе слагаемое — колебанием с верхней боковой, третье слагаемое — колебанием с нижней боковой частотой.
Параметры генератора частотно-модулированных колебаний (ЧМ) на рис. 4.8, б задаются с помощью диалогового окна (рис. 4.11), аналогичного по набору параметров окну на рис. 4.9. Заметим только, что коэффициент модуляции ЧМ-колебаний принято называть индексом модуляции.
Аналитическое выражение для ЧМ сигнала имеет следующий вид [51]:
Это выражение для удобства интерпретации преобразовывается к виду [51]:
где J„(z), J„(z) — функции Бесселя нулевого и п-го порядка от аргумента z=M.
В приведенном выражении, как и в случае AM сигнала, первое слагаемое называется несущим колебанием, второе слагаемое — гармоническими составляющими верхней боковой полосы частот, третье слагаемое — составляющими нижней боковой полосы частот. Количество верхних и нижних боковых частот теоретически бесконечно. Практически же при больших значениях М составляющие, начиная приблизительно с п=М+1, можно не учитывать.
Осциллограмйа ЧМ колебания, полученная при индексе модуляции М=5, приведена на рис .4.12.
Управляемые источники программы EWB показаны на рис. 4.13. Источник на рис. 4.13, а представляет собой источник напряжения, управляемый током (ИНУТ). В диалоговом окне этого источника задается единственный параметр — коэффициент передачи, равный отношению выходного напряжения к току управления; параметр имеет размерность сопротивления. Для источника тока, управляемого напряжением (ИТУН, рис. 4.13, б), этот параметр имеетразмерность проводимости, поскольку коэффициент передачи равен отношению выходного тока к напряжению управления.
Рис. 4.12. Осциллограмма ЧМ-колебания
Рис. 4.14. Схемы включения полиномиального источника напряжения
Источники на рис. 4.13, в, г представляют собой источники напряжения и тока, управляемые соответственно напряжением и током (ИНУН и ИТУТ). Коэффициент передачи этих устройств — величина безразмерная.
На рис. 4.13, д представлен генератор напряжения, выходной сигнал которого определяется сложной полиномиальной функцией. Для того чтобы иметь представление о такого рода источниках, рассмотрим три схемы их применения, приведенные на рис. 4.14. Первая (верхняя) схема выполняет суммирование напряжений VI и V3, средняя схема — умножение одноименных напряжений, а нижняя возводит в кубическую степень напряжение VI.
Выходное напряжение рассматриваемого источника описывается полиномом следующего вида:
Коэффициенты полинома задаются с помощью окна на рис. 4.15.
Контрольные вопросы и задания
1. Имеется источник напряжения 10 В с внутренним сопротивлением 10 МОм и нагрузкой, изменяющейся в пределах от 10 до 100 Ом. Можно ли такой источник назвать генератором тока?
2. Проведите расчет слагаемых выражения (4.1) при U„=2 В и сравните полученные результаты с данными рис. 4.7.
3. Формула (4.3) получена путем сопоставления данных на рис. 4.14 и значений коэффициентов полинома в диалоговом окне источника для каждой схемы. Проведите такой сопоставительный анализ самостоятельно. Каким другим, более простым способом можно получить формулу (4.3)?
4. Руководствуясь формулой (4.3), исследуйте возможные варианты возведения постоянного напряжения 3 В в кубическую степень, в четвертую и пятую степень на базе одного полиномиального источника. Составьте схемы устройств и проверьте их работоспособность.
Индикаторные приборы
Индикаторные приборы программы EWB 4.1 показаны на рис. 4.16.
Вольтметры и амперметры обеспечивают отсчет измеряемой величины с точностью до третьего знака. Параметры приборов задаются в диалоговом окне, показанном для вольтметра на рис. 4.17. В поле первого параметра задается входное сопротивление вольтметра, в поле второго — режим измерения постоянного (DC) или переменного (АС) тока. Диалоговое окно для амперметра такое же, как и на рис. 4.17, с той лишь разницей, что первый параметр — это внутреннее сопротивление амперметра, которое значительно меньше входного сопротивления вольтметра.
Отрицательная клемма для подключения этих приборов обозначена широкой черной полосой и может быть размещена на любой грани иконки при вращении изображения компонента (вращение выполняется нажатием комбинации клавиш Ctrl+R).
Рис. 4.16. Индикаторные приборы
Рис. 4.17. Окно установки параметров вольтметра
7-сегментный цифровой индикатор — модель широко используемых в цифровой технике алфавитно-цифровых индикаторов. Параметры индикатора задаются в диалоговом окне, показанном на рис. 4.18. Первый параметр — максимальное значение входного напряжения, второй — минимальное входное напряжение, третий и четвертый параметры — время задержки переключения при переходе от низкого (минимального) уровня входного напряжения к верхнему (максимальному) и наоборот, пятый параметр — пороговое входное напряжение, при котором начинается свечение. Отечественными аналогами таких приборов являются индикаторы типа АЛС, ЗЛС и др. [36].
4-входовой индикатор отличается от рассмотренного выше наличием встроенного дешифратора, что позволяет подключать его непосредственно к выходам двоично-десятичных счетчиков с кодом 8-4-2-1. Правый вывод такого индикатора — младший или нулевой разряд, при его активизации на индикаторе высвечивается 1. Левый вывод индикатора — старший или третий разряд, при его активизации отображается цифра 8. Если сигнал логической единицы подать на все входы индикатора, то будет отображаться буква F, обозначающая в шестнадцатеричной системе счисления десятичное число 15 (сумма чисел 8, 4, 2 и 1). При всех возможных комбинациях входных сигналов на индикаторе можно отображать числа О... 9 и буквы А, В, С, D, Е и F. Отечественными аналогами таких приборов являются индикаторы типа 490ИП1, 490ИП2 с тем отличием, что они могут отображать только цифры [36].
Светодиод — параметры этого индикатора будут описаны при рассмотрении полупроводниковых диодов.
Предохранитель — модель плавкого предохранителя, срабатывание которого при заданном токе сопровождается пропаданием на его значке зигзагообразной перемычки между зажимами.
Логический пробник — характеризуется напряжением срабатывания 2,4 В, что соответствует минимальному значению сигнала логической единицы цифровых ИМС ТТЛ-серии (с питанием +5 В). Срабатывание сопровождается красным или синим свечением.
Звуковая сигнализация — параметры задаются с помощью диалогового окна на рис. 4.19. Первый параметр — частота сигнала, подаваемого на громкоговоритель компьютера, два других — напряжение и ток срабатывания.
Лампа накаливания характеризуется мощностью и номинальным напряжением (рис. 4.20). Напряжение, при котором лампочка зажигается, примерно равно половине номинального. При напряжении, превышающем номинальное на небольшую величину, лампочка перегорает и цепь обрывается, т.е. этот компонент может быть использован также в качестве предохранителя, срабатывающего при заданных значениях напряжения и тока, равного отношению мощности к напряжению.
10-сегментный индикатор содержит линейку из десяти независимых индикаторов, параметры которых устанавливаются с помощью диалогового окна на рис. 4.21.
Первый параметр — напряжение срабатывания, второй и третий — номинальный и
минимальный ток. Отечественными аналогами этого индикатора являются так называемые шкальные индикаторы типа ЗЛС317, ЗЛС343А, ЗЛС362 и др. [36].
Пример исп9льзования 10-сегментного индикатора приведен на рис. 4.22. Эта схема в несколько измененном виде заимствована из каталога готовых схем программы EWB. Она .содержит 10 компараторов напряжения на ОУ. На один вход каждого ОУ подается опорное напряжение, формируемое источником напряжения Уо.и делителем на резисторах R1...R11. Вторые входы всех ОУ объединены и подключены к выходу функционального генератора, используемого в режиме генерации синусоидальных или треугольных колебаний, имеющих постоянную составляющую. Амплитуда выходного сигнала выбирается равной Uo/2, частота — около 1 Гц. Выходы ОУ подключены к сегментам индикатора, дополнительные резисторы R12...R21 служат для установки тока через каждый сегмент.
После включения источника питания (начало моделирования) выходное напряжение функционального генератора сравнивается с опорным. Это приводит к последовательному срабатыванию компараторов, что фиксируется индикатором и визуально воспринимается таким же образом, как и индикация уровня в аудиосистемах (непрерывно и синхронно с уровнем громкости перемещающееся по длине индикатора свечение).
Принцип работы рассмотренной схемы использован в другом 10-сегментном индикаторе (рис. 4.16), у которого всего два вывода. Параметры индикатора задаются с помощью диалогового окна на рис. 4.23. Первый параметр определяет напряжение срабатывания первого (нижнего) сегмента, второй — напряжение срабатывания верхнего (десятого) сегмента. Для определения напряжения срабатывания остальных сегментов можно воспользоваться простой схемой, состоящей из последовательно включенных индикатора и источника постоянного напряжения. Изменяя напряжение источника, нетрудно определить напряжение срабатывания каждого сегмента по визуальному контролю за его свечением.
Контрольные вопросы и задания
1. Определите напряжения срабатывания каждого сегмента 10-сегментного индикатора при исходных данных, указанных на рис. 4.23. Установите характер зависимости напряжения срабатывания от номера сегмента.
2. Используя схему на рис. 4.24, определите ток I, при котором лампочка L перегорает при различных значениях допустимой мощности.
3. Составьте схему из источника постоянного напряжения и логического пробника. Изменяя напряжение источника, установите напряжение срабатывания пробника с точностью до десятых долей вольта.
4. Составьте схему, состоящую из звукового сигнализатора (громкоговорителя), источника постоянного напряжения, резистора, амперметра и вольтметра. Убедитесь в правильности срабатывания звуковой сигнализации при установленных в диалоговом окне значениях тока и напряжения срабатывания.
5. Какое количество амперметров и вольтметров можно использовать в моделируемой схеме?
Коммутационные устройства
Под коммутационными устройствами (КУ) понимаются устройства, скачкообразно изменяющие значения своих параметров при определенном (пороговом) значении управляющего сигнала. В устройствах, предназначенных для коммутации электрических цепей, это реализуется практически мгновенным изменением электрического сопротивления или проводимости их исполнительных систем (непосредственно коммутирующих элементов). Коммутационные устройства программы EWB 4.1 представлены на рис. 4.25.
Устройство на рис. 4.25, а — переключатель типа однополюсного тумблера, управляемого нажатием назначенной клавиши клавиатуры (по умолчанию клавиши Space — пробел). Имя клавиши устанавливается в диалоговом окне на рис. 4.26.
КУ на рис. 4.25, б — реле времени (переключатель с программируемым временем переключения). Его параметры задаются с помощью диалогового окна на рис. 4.27. Параметр Ton — время включения разомкнутого в исходном состоянии контакта после начала моделирования; параметр Toff — время выключения (перевод контактов в исходное состояние), это время также отсчитывается от момента начала моделирования.
Рис. 4.26. Окно установки клавиши управления ключом
Рис. 4.27. Окно установки параметров реле времени
В качестве примера рассмотрим схему на рис. 4.28. Она содержит источник питания U=5 В, два переключателя SI, S2 и алфавитно-цифровой индикатор. Параметры переключателей выбраны следующим образом: для первого Топ=3 с, Toff=10 с; для второго Топ=6 с, Toff=15 с. После включения питания (начало моделирования) сигнал логической единицы (+5 В) будет подан на выводы 0 и 2 индикатора. Поскольку индикатор работает в коде 8-4-2-1, то при этом высвечивается цифра 5 (сумма чисел 4 и 1). Через 3 с ключ S1 переводится в верхнее положение и сигнал +5 В подается на вход 3 — загорится цифра 9 (сумма чисел 8 и 1). Поскольку начало отсчета для всех промежутков времени одинаково, то через 3 с сработает переключатель S2, в результате чего сигнал +5 В будет подан на вход 1 — загорится буква А (шестнадцатеричный эквивалент десятичной цифры 10=8+2). Затем через 4 с сработает переключатель S1, в результате чего напряжение +5 В будет подано на вход 2 и загорится цифра 6 (сумма 4+2). И, наконец, через 5 с сработает переключатель S2, и схема вернется в исходное состояние.
КУ на рис. 4.25, в, г — однополюсные выключатели, управляемые напряжением или током. Параметры цепи управления задаются с помощью диалогового окна на рис. 4.29 (для компонента на рис. 4.25, в). Первый параметр диалогового окна — напряжение включения, второй — напряжение выключения (для компонента на рис. 4.25, г — ток включения и выключения соответственно).
Рис. 4.30. Схема включения КУ, управляемого напряжением
В качестве примера рассмотрим еще одну схему на рис. 4.30. В ней имеются два управляемых напряжением ключа SI, S2. Управление ключами осуществляется от функционального генератора, выходное напряжение которого контролируется осциллографом. В силовой части схемы использованы источник напряжения U, логический пробник Р и лампочка L. Параметры цепи управления ключей выбраны следующим образом: для первого ключа Uon=l В, Uoff=2 В;
для второго ключа Uon=5 В, Uoff=7 В. Режим работы функционального генератора показан на рис. 4.31, а, осциллограмма его выходного напряжения — на рис. 4.31, б. Как видно из осциллограммы, генератор позволяет получить пилообразные однополярные импульсы. Из рис. 4.31 видно, что скорость нарастания пилообразного напряжения составляет 10 В/с. Если рассмотреть работу схемы за один период, то включение логического пробника произойдет через 0,1 с после начала формирования пилообразного импульса, поскольку для ключа S1 напряжение срабатывания выбрано равным 1 В ("пройденный путь" в 1 В нужно разделить на скорость 10 В/с). Затем при напряжении 2 В, т.е. через 0,1 с, ключ S1 размыкается и логический пробник выключается. Когда пилообразное напряжение достигает 5 В (0,5 с после начала формирования импульса), срабатывает ключ S1, зажигается лампочка и остается в таком состоянии 0,2 с, пока пилообразный импульс не достигнет значения 7 В, при котором ключ S2 размыкается. Через 0,3 с процесс повторяется, поскольку пилообразный импульс достигает своего максимального значения 10В.
Устройство на рис. 4.25, д — электромагнитное реле с перекидными контактами. Параметры его управляющей цепи задаются с помощью диалогового окна на рис. 4.32. Первый параметр — индуктивность катушки реле, второй и третий — ток срабатывания и удержания.
Рис. 4.33. Схема включения электромагнитного реле
В качестве примера на рис. 4.33 приведена схема включения реле с управлением от КУ, включенным по схеме рис. 4.29 (напряжение включения 1 В, выключения 8 В). Для индикации состояния контактов реле используется логический пробник Р. Второй канал осциллографа подключен в цепь питания обмотки после токозадающего резистора Rd. Осциллограммы сигналов (второй канал смещен вниз) показаны на рис. 4.34 при индуктивности обмотки 0,001 и 0,1 Гн. Из сравнения осциллограмм видно, что при большой индуктивности в цепи управления наблюдаются затухающие колебания.
Контрольные вопросы и задания
Вопросы составлены с учетом сведений, приведенных в Приложении 2.
1. Какие КУ Вы знаете и где они применяются?
2. Назовите основные характеристики КУ.
3. Какие физические явления происходят при замыкании и размыкании контактов реле?
4. Составьте схему из четырех программируемых переключателей (реле времени) и четырех громкоговорителей. Подберите параметры этих компонентов таким образом, чтобы проигрывался фрагмент позывных радиостанции "Маяк".
5. Используя принципы построения схемы на рис. 4.28, составьте схему, которая бы обеспечивала последовательный во времени (например, через 5 с) вывод на индикатор символов О...9, A...F. Подскажем, что для этого придется добавить еще два ключа.
6. Используя принципы построения схемы на рис. 4.30, замените в схеме на рис. 4.22 компараторы напряжения на КУ с окном срабатывания 0,5 В (разность между напряжением включения и выключения) и непрерывным слежением (напряжение включения очередного КУ должно равняться напряжению выключения предыдущего КУ). Выберите форму и амплитуду сигнала управления.
7. Объясните явление возникновения колебаний в схеме на рис. 4.33 при увеличении индуктивности катушки реле.
Конденсаторы
Конденсаторы относятся к одному из наиболее распространенных компонентов РЭА. В программе EWB 4.1 конденсаторы представлены тремя типами, показанными на рис. 4.35, а.
Первый тип охватывает практически все конденсаторы, второй — электролитические, третий — подстроечные; значение емкости каждого конденсатора может быть установлено в пределах от 10'8 пФ до 10е Ф. Емкость подстроечного конденсатора может изменяться нажатием назначенной пользователем клавиши клавиатуры (по умолчанию — клавиши С), начиная от максимального значения до минимального с заданным шагом (от 1 до 100%). Все эти установки производятся с помощью диалогового окна на рис. 4.36.
При расчете переходных процессов в программе используется схема замещения конденсатора, показанная на рис. 4.35, б, параметры которой определяются выражениями [67]:
при численном интегрировании по методу трапеций;
при использовании метода Гира.
Здесь h — приращение времени на каждом шаге интегрирования; I„ — значение тока эквивалентного источника на п-м шаге; Rc„, U„ и Ic„ — сопротивление шунтирующего резистора, напряжение на конденсаторе и ток на га-м шаге.
В качестве примера рассмотрим используемую на практике схему емкостного делителя (рис. 4.37). Выходное напряжение делителя, измеряемое мультиметром, определяется формулой:
Рис. 4.37. Емкостной делитель
Поскольку измерения можно проводить при различной форме напряжения функционального генератора, то при сопоставлении результатов расчета по формуле (4.4) и результатов моделирования необходимо учитывать, что мультиметр измеряет эффективное значение напряжения, которое для синусоидального сигнала составляет 0,707 от амплитудного, 0,578 — для треугольного и равно амплитуде меандра (прямоугольный сигнал со скважностью 2). Рассмотрим возможность использования в качестве подстроечного конденсатора варикапа — специально сконструированного диода, барьерная емкость р—га-перехода которого зависит от обратного напряжения:
где С„ — емкость перехода при обратном напряжении U„, С, — емкость при нулевом напряжении, Ui — температурный потенциал перехода (при комнатной температуре он составляет 26 мВ), т=0,5 — для резких (сплавных) и 0,333 — для плавных (диффузионных) переходов.
Основной параметр варикапа — емкость С„ при номинальном напряжении смещения. Кроме того, указываются максимальная С„„,„ и минимальная С,„» емкости при минимальном и максимальном напряжениях смещения соответственно. Иногда в числе характеристик варикапа приводится коэффициент перекрытия емкости — отношение максимальной емкости к минимальной.
Качество конденсатора характеризуется добротностью, которая определяется как отношение реактивного сопротивления к полному сопротивлению потерь диода на заданной частоте. Повышение добротности достигается путем уменьшения утечек.
В программе EWB нет специальной модели варикапа, вместо нее можно использовать модель диода. В перечень параметров диода входят следующие (см. рис. 4.38, в квадратных скобках приведены обозначения параметров, принятые в EWB 5.0):
Saturation current Is [IS], A — обратный ток диода, по умолчанию 10 " А;
Ohmic resistance rs [RS], Ом — объемное сопротивление (от десятков до десятых долей Ом);
Zero-bias junction capacitance Cj [CJO], Ф — барьерная емкость р— га-перехода при нулевом напряжении (от единиц до десятков пФ);
Junction potential vj [VJ], В — контактная разность потенциалов (0,75 В);
Tranzit time т [ТТ], с — время переноса заряда;
Junction grading coefficient m [M] — конструктивный параметр перехода (см. формулу (4.5), в большинстве случаев m = 0,333);
Rovers Bias Breakdown Voltage Vbr [BV], В — максимальное обратное напряжение, задается со знаком минус, для стабилитронов параметр не нормируется.
Для стабилитронов в перечень параметров включаются:
Zener test current Izt [IZT], A — номинальный ток стабилизации (от единиц до десятков мА);
Zener test voltage at Izt Uzt [VZT], В — напряжение стабилизации при номинальном токе стабилизации.
Рис. 4.39. Емкостной делитель с диодом
Схема емкостного делителя с использованием диода (рис. 4.39) содержит цепь смещения (цепь управления барьерной емкостью), состоящую из источника напряжения Uc и резистора R, генератор (амплитуда 1 В, частота 1 МГц), мультиметр, эталонный конденсатор Со и исследуемый диод VD типа kl (переименованная модель Ideal для возможности редактирования параметров) с барьерной емкостью Ci = 100 пФ при нулевом напряжении на переходе. Конденсаторы Со и Ci образуют емкостной делитель, выходное напряжение которого определяется выражением (4.4). С помощью этого выражения можно определить емкость
Контрольные вопросы и задания
Вопросы составлены с учетом сведений, приведенных в Приложении 2.
1. Определите коэффициент деления емкостного делителя на рис. 4.37 при минимальных и максимальных значениях емкости конденсаторов CI и С2, указанных на рис. 4.35.
2. Изменяя напряжение Uc источника смещения в схеме на рис. 4.39 и измеряя мультиметром напряжение Uo, с помощью формулы (4.6) найдите зависимость барьерной емкости диода от напряжения Uc и сравните с результатами расчета по формуле (4.5).
3. Рассчитайте зависимость барьерной емкости обратно смещенного диода от напряжения смещения в схеме рис. 4.39 при т=0,5 и 0,333 и сравните полученные данные с результатами моделирования. Проведите аналогичные исследования для стабилитрона, при этом необходимо учесть, что максимальное напряжение смещения должно быть меньше напряжения стабилизации.
4. Какая разница между керамическим и электролитическим конденсатором?
5. В честь кого названа единица емкости?
6. Назовите области применения конденсаторов.
7. Какие типы конденсаторов Вы знаете?
8. Что такое номинальное значение емкости конденсатора и какими нормативными документами оно устанавливается?
9. С какими допусками выпускаются конденсаторы?
10. Назовите основные характеристики конденсаторов и определите их значимость в зависимости от области применения.
11. Какие Вы знаете конденсаторы с электрически управляемой емкостью?
12. В какой бытовой аппаратуре используются варикапы и с какой целью?
Резисторы
Резисторы являются самыми массовыми изделиями электронной техники. В программе EWB 4.1 резисторы представлены тремя типами — постоянным, подстро-ечным набором из восьми резисторов, показанными на рис. 4.40.
Изменение сопротивления подстроечного резистора осуществляется по тому же принципу, что и для подстроечного конденсатора (см. рис. 4.41). В наборе резисторов сопротивление устанавливается одинаковым для всех восьми резисторов.
Контрольные вопросы и задания
Вопросы составлены с учетом сведений, приведенных в Приложении 2.
1. Исследуйте влияние распределенной емкости С резистора R на коэффициент деления делителя в схеме на рис. 4.42, состоящего из резисторов R и Ro, на частотах 10 Гц, 10 кГц, 10 и 50 МГц.
Составьте приближенную формулу для расчета коэффициента передачи делителя, используя закон Ома и приняв сопротивление конденсатора равным 1/(2яГС), где F — частота сигнала. Сравните результаты расчета с результатами моделирования.
2. Проведите аналогичные п. 1 исследования в схеме на рис. 4.43, в которой учтена индуктивность L выводов резистора R. Сопротивление индуктивности примите равным 2itFL.
5. Какие типы резисторов Вы знаете?
6. Какой тип резисторов нашел наибольшее распространение в бытовой радиоаппаратуре?
7. Назовите основные параметры резисторов.
8. Какова природа тепловых и токовых шумов резисторов?
Индуктивные элементы
К индуктивным элементам, относятся катушка индуктивности, подстраиваемая катушка индуктивности и трансформатор (см. рис. 4.44, а).
При расчете переходных процессов в программе используется схема замещения катушки индуктивности, показанная на рис. 4.44, б; ее параметры определяются выражениями [67]:
при численном интегрировании по методу трапеций;
при использовании метода Гира.
В приведенных формулах h — шаг приращения времени; I„ —ток эквивалентного источника на п-м шаге; R1„, U„ и I1„ — сопротивление шунтирующего резистора, напряжение на индуктивности и ток на п-м шаге.
Математическая модель трансформатора (рис. 4.44, в) содержит управляемые источники тока и напряжения, с помощью которых устанавливается коэффициент трансформации, а также элементы, параметры которых задаются в диалоговом окне на рис. 4.45 [67]. Согласно руководству пользователя [67] выводы 2 и 5 при использовании трансформатора должны быть заземлены, что в некоторых случаях существенно снижает возможности его применения.
Параметры катушек с постоянной и подстраиваемой индуктивностью задаются с помощью диалоговых окон, аналогичных окнам для конденсаторов и резисторов. В диалоговом окне установки параметров линейных трансформаторов (их еще называют воздушными) задаются (см. рис. 4.45) коэффициент трансформации п, индуктивность рассеяния Le, индуктивность первичной обмотки Lm, сопротивления первичной Rp и вторичной Rs обмоток. При п>1 трансформатор является понижающим, при п<1 — повышающим.
Контрольные вопросы и задания
Вопросы составлены с учетом сведений, приведенных в Приложении 2.
1. Определите коэффициент передачи делителя, образованного катушками индуктивности L и Lo по схеме на рис. 4.46. Расчет выполните с учетом активного сопротивления R катушки L (сопротивление ее обмотки на постоянном токе). Сравните результаты расчетов с результатами моделирования на частотах 10 кГц, 10 и 50 МГц. Определите добротность катушки на указанных частотах (добротность определяется отношением индуктивного сопротивления катушки на данной частоте к сопротивлению потерь, которое в данном случае определяется сопротивлением резистора R).
2. Проведите аналогичные с п. 1 исследования с учетом межвитковой емкости С катушки (по схеме на рис. 4.47).
3. Проведите исследования воздушного трансформатора Т с активной нагрузкой R, используя схему на рис. 4.48. Путем моделирования на частотах 10 кГц, 10 и 50 МГц определите зависимость коэффициента трансформации от индуктивности рассеяния Le, индуктивности первичной обмотки Lm и активных сопротивлений первичной Rp и вторичной Rs обмоток.
4. Проведите аналогичные с п. 3 исследования при емкостной нагрузке, заменив резистор R конденсатором емкостью 10 нф.
5. Приведите классификацию индуктивных элементов и перечислите их основные параметры.
6. Почему катушки индуктивности в некоторых случаях выполняются секционированными?
7. В каких цепях используются высокочастотные дроссели и какова их конструкция?
Полупроводниковые диоды
Комбинация двух полупроводниковых слоев с разным типом проводимости (р — дырочной и n — электронной) обладает выпрямляющими свойствами: она гораздо лучше пропускает ток в одном направлении, чем в другом. Полярность напряжения, соответствующая большим токам, называется прямой, а меньшим — обратной. Обычно пользуются терминами прямое и обратное напряжение, прямой и обратный ток. Поверхность, по которой контактируют р- и га-слои,, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область объемных зарядов — электронно-дырочным переходом.
Электронно-дырочные переходы классифицируют по резкости металлургической границы и соотношению удельных сопротивлений слоев.
Ступенчатыми переходами (коэффициент плавности перехода т=0,5, в EWB 5.0 имеет обозначение М) называют переходы с идеальной границей, по одну сторону которой находятся дырки, а по другую — электроны. Такие переходы наиболее просты для анализа и поэтому все реальные переходы стараются, если это возможно, рассматривать как ступенчатые.
Плавными переходами (т=0,333) называют такие, у которых в области металлургической границы концентрация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа — растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует равенству концентраций примесей. Все реальные р-п-переходы — плавные, степень их приближения к ступенчатым зависит от градиента эффективной концентрации в районе металлургической границы.
По соотношению концентраций примесей в р- и п-слоях переходы делятся на симметричные, несимметричные и односторонние. Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники. Основное распространение имеют несимметричные переходы, у которых концентрации не одинаковы. В случае резкой асимметрии, когда концентрации примесей (а значит, и основных носителей) различаются на один-два порядка и более, переходы называют односторонними.
Вольтамперная характеристика р-п-перехода описывается выражением [12]:
где I — ток через переход при напряжении U, I„ — обратный ток, Ui — температурный потенциал перехода, равный при комнатной температуре 26 мВ.
Если к переходу подключить обратное напряжение, то при определенном его значении переход пробивается. Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе, а третий — с увеличением рассеиваемой мощности и, соответственно, температуры.
В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. "просачивание" электронов сквозь тонкий потенциальный барьер перехода. В основе лавинного пробоя лежит "размножение" носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей полупроводника. В результате рождается новая пара электрон—дырка и процесс повторяется уже с участием новых носителей. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер, подобно самостоятельному разряду в газе. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротивлением. Явление пробоя находят практическое применение в стабилитронах — приборах, предназначенных для стабилизации напряжения.
В основе теплового пробоя лежит саморазогрев перехода при протекании обратного тока. С ростом температуры обратные токи резко возрастают, соответственно увеличивается мощность, рассеиваемая в переходе; это вызывает дополнительный рост температуры и т.д. Как правило, тепловой пробой не имеет самостоятельного значения: он может начаться лишь тогда, когда обратный ток уже приобрел достаточно большую величину в результате лавинного или туннельного пробоя.
Ранее (в разд. 4.4) мы уже говорили о барьерной емкости. Ее принято разделять на две составляющие: барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость, отражающую перераспределение носителей в базе. Такое разделение в общем условно, но оно удобно на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно при изменении полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении главную роль играют избыточные заряды в базе и, соответственно, диффузионная емкость. При обратном напряжении избыточные заряды в базе малы и главную роль играет барьерная емкость. Обе емкости нелинейны: диффузионная емкость зависит от прямого тока, а барьерная — от обратного напряжения.
Набор задаваемых параметров для диодов в EWB 5.0 заметно больше по сравнению с EWB 4.1. Диалоговое окно для задания параметров диодов в EWB 5.0 состоит из двух одинаковых по внешнему виду закладок (первая из них показана на рис. 4.49), с помощью которых можно дополнительно (по сравнению с окном на рис. 4.38) задать следующие параметры:
N — коэффициент инжекции;
EG — ширина запрещенной зоны, эВ;
FC — коэффициент нелинейности барьерной емкости прямо смещенного перехода;
BV —напряжение пробоя (положительная величина, в EWB 4.1 она принята отрицательной),
В; для стабилитронов вместо этого параметра используется параметр VZT — напряжение стабилизации;
IBV — начальный ток пробоя при напряжении BV (положительная величина), А;
для стабилитронов вместо этого параметра используется параметр IZT — начальный ток стабилизации;
XTI — температурный коэффициент тока насыщения;
KF — коэффициент фликкер-шума;
AF — показатель степени в формуле для фликкер-шума;
TNOM — температура диода, "С.
Эквивалентные схемы диода показаны на рис. 4.50, а, б, на которых обозначено: А — анод, К — катод, I — источник тока, Rs — объемное сопротивление, С — емкость перехода, G„„n — проводимость, обусловленная утечками (в EWB 5.0 задается в диалоговом окне на рис. 1.17). Вольтамперная характеристика диода определяется следующими выражениями [67]:
для прямой ветви
Здесь Io=I. — обратный ток диода при температуре TNOM; N — коэффициент инжекции; BV, IBV — напряжение и ток пробоя; Ui — температурный потенциал перехода; U — напряжение на диоде.
При расчете переходных процессов используется эквивалентная схема диода на рис. 4.50, б, для которой емкость перехода определяется с помощью выражений [67]:
В приведенных формулах т — время переноса заряда; CJO — барьерная емкость при нулевом смещении на переходе;
VJ — контактная разность потенциалов;
т=0,33... 0,5 — параметр перехода.
При малых уровнях сигналов используется линеаризованная эквивалентная схема (рис. 4.50, в), на которой проводимость G=dI/dU=I,,exp(U/(N-Ut))/(N-Ut). При этом емкость перехода определяется формулами [67]:
Исследование прямой ветви ВАХ диодов может быть проведено с помощью схемы на рис. 4.50, г. Она состоит из источника тока I, амперметра А (можно обойтись и без него, поскольку регистрируемый ток точно равен задаваемому), исследуемого диода VD и вольтметра V для измерения напряжения на диоде.
Для исследования обратной ветви ВАХ диода используется схема на рис. 4.51. В ней вместо источника тока используется источник напряжения Ui с защитным резистором Rz для ограничения тока через диод в случае его пробоя.
Кроме одиночных диодов, в библиотеке EWB имеется также диодный мостик, для которого можно дополнительно задать коэффициент эмиссии N (Emission Coefficient).
Светодиод — специально сконструированный диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового излучения из области перехода сквозь прозрачное окно в корпусе.
При прохождении через диод тока в прилегающих к переходу областях полупроводника происходит интенсивная рекомбинация носителей зарядов — электронов и дырок. Часть освобождающейся энергии выделяется в виде квантов света. В зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника излучение может иметь длину волны либо в области видимого глазом света, либо невидимого инфракрасного излучения. Излучение переходов на основе арсенида галлия имеет длину волны около 0,8 мкм. Переходы из карбида кремния или фосфида галлия излучают видимый свет в диапазоне от красного до голубого цвета. Важнейшими параметрами светодиода являются яркость, измеряемая в нитах при определенном значении прямого тока, и цвет свечения (или спектральный состав излучения).
Для светодиода дополнительно указывается минимальный ток в прямом направлении Turn-on current (Ion), при превышении которого светодиод зажигается. Для измерения ВАХ светодиодов можно использовать приведенные выше схемы.
Переключающие диоды ср—п—р—п- или п—р—п—р-структурами — это ти-ристоры. Тиристоры, имеющие выводы от крайних электродов, называют динисто-рами, а приборы с третьим выводом (от одного из средних электродов) — тринисторами. Кроме того, к классу тиристоров относятся симметричные динисто-ры (диаки), симметричные тринисторы (триаки) и достаточно редкий тип динисто-ра — диод Шокли, в котором структура р—п—р—п организована за счет наличия в р—тг-переходе ловушек, формируемых путем легирования. На рис. 4.52 приведены обозначения переключающих диодов, модели которых имеются в программе EWB 4.1: (слева направо) диод Шокли, симметричный динистор (диак), тринистор и симметричный тринистор (триак).
Рис. 4.52. Переключающие диоды
Для переключательных диодов можно задать значения следующих параметров (для EWB 5.0 их обозначения указываются в квадратных скобках):
Saturation current Is [IS], A — обратный ток динистора;
Peak Off-state Current Idrm [IDRM], A — то же, но для тринистора;
Switching voltage Vs [VS], В — напряжение, при котором динистор переключается в открытое состояние;
Forward Breakover voltage Vdrm [VDRM], В — то же, но для тринистора при нулевом напряжении на управляющем электроде;
Peak On-State Voltage Vtm [VTM], В — падение напряжения в открытом состоянии;
Forward Current at wich Vtm is measured Itm [ITM], A — ток в открытом состоянии;
Turn-off time Tg [TG], с — время переключения в закрытое состояние;
Holding current Ih [IH], A — минимальный ток в открытом состоянии (если он меньше установленного, то прибор переходит в закрытое состояние);
Critical rate of off-state voltage rise dv/dt [DV/DT], В/мкс — допустимая скорость изменения напряжения на аноде тринистора, при котором он продолжает оставаться в закрытом состоянии (при большей скорости тринистор открывается);
Zero-bias junction capacitance Cj [CJO], Ф — барьерная емкость динистора при нулевом напряжении на переходе;
Gate Trigger voltage Vgt [VGT], В — напряжение на управляющем электроде открытого тринистора;
Gate Trigger current Igt [IGT], A — ток управляющего электрода;
Voltage at which Igt is measured Vd [VD], В — отпирающее напряжение на управляющем электроде.
Перечисленные параметры можно задать с помощью диалоговых окон, аналогичных приведенному на рис. 4.53 для тринистора.
Исследование прямой ветви ВАХ тринистора можно проводить с использованием схемы на рис. 4.54, на котором показаны источники входного напряжения Ui и напряжения управления Uy с защитными резисторами Rzt, Rzy. Измерение ВАХ проводится при изменении Ui от нуля до Udrm +50 В при фиксированном значении Uy, например, в трех точках 0,5Vd, Vd и l,5Vd. При исследовании обратной ветви ВАХ меняется только полярность Ui.
Следует отметить, что снятие ВАХ переключательных диодов может быть осуществлено также и в режиме заданных токов в силовой и управляющей цепи, т.е. с помощью схем, аналогичных приведенным на рис. 4.50 и 4.51.
Рис. 4.54. Схема для исследования тиристоров
Контрольные вопросы и задания
Вопросы составлены с учетом сведений, приведенных в Приложении 2.
1. Используя схему на рис. 4.50, исследуйте прямую ветвь ВАХ диода и стабилитрона и сравните эти данные с результатами расчетов по формуле (4.7).
2. Используя схему на рис. 4.51, исследуйте обратную ветвь ВАХ приборов из п. 1 и сравните полученные результаты с результатами расчетов по формуле (4.7).
3. Используя схемы на рис. 4.50 и 4.51, исследуйте ВАХ диода Шокли и симметричного динистора(диака).
4. Исследуйте ВАХ тринистора с использованием схемы на рис. 4.54. Составьте схему для исследования обратной ветви ВАХ.
5. Составьте схему для исследования ВАХ тринистора с использованием источников тока и сравните полученные результаты с результатами по п. 4.
6. Как устроен полупроводниковый диод?
7. Какие типы р—п-переходов Вы знаете?
8. Какой формулой описывается вольтамперная характеристика р—п-перехода?
9. Назовите типы пробоев р—л-перехода и дайте их краткую характеристику.
10. Перечислите составляющие емкости р—га-перехода.
11. Назовите и кратко охарактеризуйте типы полупроводниковых диодов.
12. Назовите типы и особенности переключательных диодов.
Биполярные транзисторы
Различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК), показанные на рис. 4.55.
Рис. 4.55. Основные схемы включения транзисторов
На практике чаще всего используются два семейства ВАХ транзисторов — входные и выходные. Входные характеристики определяют зависимость входного тока (базы или эмиттера в зависимости от способа включения транзистора) от напряжения между базой и эмиттером при фиксированных значениях напряжения на коллекторе. Выходные характеристики определяют зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при фиксированных значениях тока базы или эмиттера (в зависимости от способа включения транзистора).
Входные характеристики имеют вид, аналогичный характеристикам диодов:
ток экспоненциально возрастает с увеличением напряжения база-эмиттер. При повышении и понижении температуры входные характеристики смещаются в сторону меньших и больших входных напряжений соответственно. Напряжение между базой и эмиттером для кремниевых транзисторов уменьшается примерно на 2 мВ при увеличении температуры на каждый градус Цельсия.
Особенностью выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОБ, является слабая зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-база U«6. При больших напряжениях U^s происходит пробой коллекторного перехода. При увеличении температуры выходные характеристики смещаются в сторону больших токов из-за увеличения обратного тока 1„„.
У транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток коллектора более сильно зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Резкое возрастание тока коллектора начинается при меньшем коллекторном напряжении, чем для включения транзистора по схеме с ОБ. При повышении температуры выходные характеристики значительно смещаются в сторону больших токов, их наклон сильно увеличивается.
ВАХ транзисторов и диодов снимаются на постоянном токе (по точкам) или с помощью специальных приборов — характериографов, позволяющих избежать сильного нагрева приборов.
Входные и выходные характеристики транзисторов используются для расчета цепей смещения и стабилизации режима, расчета конечных состояний ключевых схем (режима отсечки, насыщения).
В библиотеку EWB включено достаточно большое количество импортных биполярных транзисторов, отечественные аналоги которых можно найти в [11, 15]. В некоторых случаях может оказаться более удобным самостоятельно создать отдельную библиотеку отечественных транзисторов, используя команду Model из меню Circuit.
В состав параметров транзисторов включены следующие (см. рис. 4.56, в квадратных скобках приведены обозначения параметров, принятые в EWB 5.0):
1. Обратный ток коллекторного перехода, A (Saturation current Is [IS]);
2. Коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ Hzi, ( Forward current gain coefficient BF [BF]);
3. Коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ при инверсном включении транзистора (эмиттер и коллектор меняются местами) (Reverse current gain coefficient BE [BR]);
4. Объемное сопротивление базы. Ом (Base ohmic resistance rb [RB]);
5. Объемное сопротивление коллектора, Ом (Collector ohmic resistance re [RC]);
6. Объемное сопротивление эмиттера, Ом (Emitter ohmic resistance re [RE]);
7. Емкость эмиттерного перехода при нулевом напряжении, Ф (Zero-bias B-E junction capacitance Ce [CJE]);
8. Емкость коллекторного перехода при нулевом напряжении, Ф (Zero-bias C-E junction capacitance Cc [CJC]);
9. Емкость коллектор-подложка, Ф (Substrate capacitance Cs [CJS]);
10. Время переноса заряда через базу, с (Forward transit time tF [TF]);
11. Время переноса заряда через базу в инверсном включении, с (Revers transit tR [TR]);
12. Коэффициент плавности эмиттерного перехода (B-E junction grading coefficient me [ME]);
13. Коэффициент плавности коллекторного перехода (В-С junction grading coefficient me [MC]);
14. Напряжение Эрли, близкое к параметру U„ „„, В (Early voltage VA [VA]);
15. Обратный ток эмиттерного перехода, A (Base-Emitter Leakage Saturation Current Ise [ISE]);
16. Ток начала спада усиления по току, близкое к параметру 1кща«, A (Forward Beta High-Current Knee-Point Ikf [IKF]);
17. Коэффициент неидеальности эмиттерного перехода (Base-Emitter Leakage Emission Coefficient Ne [NE]).
18. Контактная разность потенциалов перехода база-коллектор, В (В-С junction potential pc[VJC]).
19. Контактная разность потенциалов перехода база-эмиттер, В (В-Е junction potential ре [VJE]).
Набор задаваемых параметров для биполярных транзисторов в EWB 5.0 заметно больше, чем в EWB 4.1 — они собраны в пяти окнах-закладках. Дополнительные параметры находятся в последних трех закладках, одна из которых показана на рис. 4.57. Эти параметры имеют следующее назначение:
NF — коэффициент неидеальности в нормальном режиме;
NR — коэффициент неидеальности в инверсном режиме;
IKR — ток начала спада коэффициента усиления тока в инверсном режиме, А;
NC — коэффициент неидеальности коллекторного перехода;
RBM — минимальное сопротивление базы при больших токах. Ом;
IRB — ток базы, при котором сопротивление базы уменьшается на 50% от разницы RB-RBM, А;
XTF — коэффициент, определяющий зависимость времени TF переноса зарядов через базу от напряжения коллектор-база;
VTF — напряжение коллектор-база, при котором начинает сказываться его влияние на TF,В;
ITF — ток коллектора, при котором начинается сказываться его влияние на TF, А;
PTF — дополнительный фазовый сдвиг на граничной частоте транзистора Г„=1/(2тгТГ), град.;
VJS — контактная разность потенциалов перехода коллектор-подложка. В;
MJS — коэффициент плавности перехода коллектор-подложка;
XCJC — коэффициент расщепления емкости база-коллектор;
FC — коэффициент нелинейности барьерной емкости прямо смещенных переходов;
EG — ширина запрещенной зоны, эВ;
ХТВ — температурный коэффициент усиления тока в нормальном и инверсном режимах;
XTI — температурный коэффициент тока насыщения;
KF — коэффициент фликкер-шума;
AF — показатель степени в формуле для фликкер-шума;
TNOM — температура транзистора.
В программе EWB используется модель биполярного транзистора Гуммеля-Пуна, подробно проанализированная в [2].
Рассмотрим способы измерения основных характеристик биполярных транзисторов.
Вольтамперные характеристики. Наиболее распространенной и более простой моделью (по сравнению с моделью Гуммеля-Пуна) биполярного транзистора является модель Эберса-Молла [12]. Согласно этой модели статические входные и выходные ВАХ транзистора в схеме с ОБ описываются следующими выражениями:
где
— тепловые токи коллекторного и эмиттерного переходов; а, а'— коэффициенты передачи тока в схеме с ОБ для прямого и инверсного включения транзистора; Ui,i„ и,ь — напряжения на коллекторе и эмиттере относительно базы.
Схема для исследования ВАХ транзистора показана на рис. 4.58. Семейство входных ВАХ Ic f (Ueb) снимается при фиксированных значениях U^ путем изменения тока I, и измерения и,,ь. Семейство выходных ВАХ 1= f(Ui,i,) снимается при фиксированных значениях I. путем изменения напряжения U и измерения I.
Модуль коэффициента передачи тока ¦HzJ на высокой частоте может быть измерен с помощью схемы на рис. 4.59. Режим по постоянному току транзистора задается с помощью источника тока 1е (5 мА), в качестве источника входного синусоидального сигнала используется источник тока П (1 мА, при измерениях частота варьируется в пределах от единиц до десятков МГц), ток базы Ib и коллектора Ik измеряется амперметрами в режиме АС. Конденсатор Cb — блокировочный (так называемая развязка по высокой частоте). Модуль коэффициента передачи тока [Н21,¦=1к/1ь рассчитывается по показаниям амперметров. В частности, при частоте входного сигнала 1 МГц он равен, согласно показаниям амперметров (см. рис. 4.59), 953/47,8=19,94 (в диалоговом окне транзистора 2N2904A он установлен равным 20).
Контрольные вопросы и задания
Вопросы составлены с учетом сведений, приведенных в Приложении 2.
-1. С помощью схемы на рис. 4.58 получите семейство входных характеристик при значениях 0, 5 и 10 В и семейство выходных характеристик при Iе=1, 5 и 10 мА. Проверьте справедливость утверждения, что при иЗ... 5 В влияние этого напряжения на входную характеристику ничтожно мало.
2. Путем сравнения расчетного значения тока коллектора по формуле (4.9) при заданном токе эмиттера 1 мА и результатов моделирования схемы на рис. 4.58 установите соответствие используемой в программе EWB модели транзистора модели Эберса-Молла.
3. С помощью схемы на рис. 4.59 постройте зависимость модуля коэффициента передачи тока в диапазоне частот 1— 50 МГц при фиксированных значениях 1е (5 и 10 мА) и Ii (1 и 5 мА).
4. Какие схемы включения транзисторов Вы знаете?
5. Перечислите малосигнальные параметры транзисторов.
6. Назовите параметры транзисторов для больших сигналов.
7. Охарактеризуйте параметры предельных режимов биполярных транзисторов.
Операционные усилители
Первоначально операционные усилители (ОУ) применялись преимущественно в аналоговых вычислительных машинах для вычисления разнообразных математических функций. Однако в связи с возросшей доступностью ОУ область их применения существенно расширилась. Поэтому под ОУ принято понимать микросхему — усилитель постоянного тока, на базе которого создаются узлы аппаратуры, характеристики которых в большинстве случаев зависят только от свойств цепи обратной связи.
Рассмотрим параметры отечественных и импортных ОУ. В круглых скобках приводятся их названия, обозначения и единицы измерения, принятые в программе EWB 4.1, а для EWB 5.0 — в прямоугольных скобках.
1. Коэффициент усиления напряжения К„ (Open-loop gain A [A]) — отношение выходного напряжения ко входному. В общем случае коэффициент усиления ОУ, не охваченного обратной связью, может достигать нескольких миллионов, однако с ростом частоты он уменьшается.
2. Частота единичного усиления Г,, Гц (Unity-gain bandwidth fu [FU]) — значение частоты входного сигнала, при котором коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы. Этот параметр определяет максимально возможную полосу пропускания ОУ.
3. Максимальное выходное напряжение +U„„ »,„, В (Positive voltage swing, Vsw+ [VSW+]) и -U.^ „„„,, В (Negative voltage swing, Vsw- [VSW-]) — максимальное выходное напряжение положительной и отрицательной полярности, при котором нелинейные искажения пренебрежимо малы при рекомендуемой изготовителем схеме включения ОУ. Это напряжение измеряется относительно нулевого потенциала при заданном сопротивлении нагрузки. При уменьшении этого сопротивления максимальное выходное напряжение уменьшается.
4. Скорость нарастания выходного напряжения Vu,u,, В/мкс (Slew rate SR [SR]) — отношение изменения выходного напряжения от 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Этот параметр характеризует скорость отклика ОУ, охваченного отрицательной обратной связью, на ступенчатое изменение входного сигнала при усилении 1 или 10. ОУ при Vii,b„,= 15...150 В/мкс относятся к классу быстродействующих [4].
5. Напряжение смещения нуля U„,, В (Input offset voltage Vos [VOS]) — напряжение, которое нужно подать на вход ОУ, чтобы выходное напряжение равнялось нулю. Эта величина определяется разбросом параметров компонентов, входящих в состав ОУ (см. разд.7.2); для компенсации U,,„ в большинстве ОУ имеются специальные выводы для подключения цепей подстройки.
6. Входные токи I,„ A (Input bias current Ibs [IBS]) — токи, протекающие через входные зажимы ОУ; они обусловлены токами базы входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов полевых транзисторов. Входные токи создают на внутреннем сопротивлении источника сигнала падение напряжения, которое вызвает появление напряжение на выходе при отсутствии на входе внешнего сигнала.
7. Разность входных токов AI„, A (Input offset current los [IOS]) — достигает 10— 20% от 1,„ создает на входе ОУ разность потенциалов, приводящую к смещению нуля на выходе.
8. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К„ еф, дБ (Common mode rejection ratio CMMR [CMMR]) — отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления напряжения, приложенного между общей шиной и каждым входом.
9. Выходной ток короткого замыкания !,„,, A (Output short circuit current Isc [ISC]) — максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора.
10. Input resistance Ri [RI], Ом — входное сопротивление.
11. Output resistance Ro [RO], Ом — выходное сопротивление.
12. Phase margin pm [PM] — запас по фазе на частоте единичного усиления в градусах; характеризует устойчивость ОУ.
13. Compensation capacitance Сс [СС], Ф — емкость корректирующего конденсатора, служит для обеспечения устойчивости ОУ при введении ООС. В ОУ ранних выпусков предусматривались специальные выводы для подключения такого конденсатора, сейчас он в большинстве случаев реализуется на кристалле ОУ.
14. Location of second pole fp2 [FP2], Гц — частота второго полюса передаточной характеристики (только для линейной модели ОУ на рис. 4.67, а).
15. Максимальное входное напряжение U„, В (в списке параметров ОУ в программе EWB отсутствует) — напряжение между входными клеммами ОУ, превышение которого приводит к выходу прибора из строя.
16. Максимальное синфазное входное напряжение U„ ^,, В (в EWB отсутствует) — наибольшее значение напряжения, прикладываемого одновременно к обеим входным клеммам ОУ относительно нулевого потенциала (земли), превышение которого нарушает работоспособность прибора (увеличиваются входные токи и смещение нуля, существенное уменьшается коэффициент усиления).
17. Коэффициент влияния источников напряжения питания К„„„, мкВ/В (в EWB отсутствует) — характеризует изменение выходного напряжения прецизионных ОУ при изменении напряжения источников питания (нормируется на уровне 1...10мкВ/В[4]).
Значения параметров ОУ в программе EWB 4.1 могут быть отредактированы с помощью диалогового окна на рис. 4.66 (в EWB 5.0 аналогичное окно имеет две закладки).
В приводимом ниже списке ОУ данные приводятся в следующем порядке: тип ОУ, фирма-разработчик, отечественный аналог и его краткая характеристика.
AD507 AD 154УД2 Быстродействующий ОУ;
AD509 AD 154УДЗ Быстродействующий ОУ;
AD513 AD КР574УД1 Быстродействующий ОУ;
СА3140 RCA К1409УД1 ОУ с полевыми транзисторами на входе;
САЗ 130 RCA КР544УД2 Широкополосный ОУ с полевыми транзисторами на входе;
САЗОЗО RCA КР140УД5 Быстродействующий ОУ;
LF157 NS К140УД23 Быстродействующий ОУ с малыми входными токами;
LF355 NS КР140УД18 Широкополосный ОУ;
LF356 NS К140УД22 Широкополосный ОУ;
LM107 NS К153УД6 ОУ с частотной коррекцией;
LM108 NCS К140УД14 Прецизионный ОУ;
LM301 NCS К553УД2 Быстродействующий ОУ;
LM308 NCS КР140УД1408 Прецизионный ОУ;
LM143 NCS К1408УД1 Высоковольтный ОУ;
LM358 NCS К1401УД5
ЬМ2Ц NCS K554CA3 ОУ для компараторов;
LM392 NCS К1423УДЗ
МС1456 МОТА КР140УД6 ОУ со встроенной коррекцией;
ОР-07 К140УД17 Прецизионный ОУ.
Расшифровка аббревиатур фирм-изготовителей: AD — Analog Devices, NS — National Semiconductors, МОТА — Motorola Semiconductor Products. При необходимости можно составить в EWB отдельную библиотеку из отечественных ОУ [4].
В программе EWB 4.1 ОУ имеет две модели, показанные на рис. 4.67.
Рис. 4.67. Линейная (о) и нелинейная модели (б) ОУ
Модель ОУ на рис. 4.67, а не имеет выводов для подключения источников питания, однако их напряжение можно задать косвенно через значения максимального выходного напряжения Vsw- и Vsw+. ОУ на рис 4.67, б имеет выводы питания (параметры Positive Power Supply и Negative Power Supply на рис. 4.66), что позволяет использовать его в устройствах с одним источником питания или двумя разны-
Цифровые микросхемы
Полупроводниковая электроника берет свое начало с 1948 г., когда группой разработчиков фирмы Bell был создан первый транзистор. Спустя 11 лет инженерами фирмы Texas Instruments была разработана первая микросхема, состоящая всего из шести транзисторов, а в 1971 г. ныне всемирно известная фирма Intel разработала первый 4-разрядный микропроцессор 4004, содержащий более 2000 транзисторов. В дальнейшем микроминиатюризапия электронных компонентов достигла таких темпов, что это послужило, поводом для весьма образного сравнения в журнале Sientific American (1982 г.): "Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как и промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет "Боинг-767" стоил бы 500 долларов и совершал облет земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 5 галлонов топлива". Поразительные результаты, достигнутые в микроэлектронике, стали возможны благодаря не только новейшим полупроводниковым технологиям, но и огромному багажу схемотехнических решений, накопленному в течение десятилетий многомиллионной армией разработчиков. Несмотря на поражающие воображение количества транзисторов, собранных на крошечных полупроводниковых кристаллах, следует все-таки помнить, что они представляют собой наборы из простейших элементов, к рассмотрению которых мы и перейдем.
В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы (ИМС) подразделяются на серии (семейства), различающиеся физическими параметрами базовых элементов и их функциональным назначением. Наибольшее распространение получили ИМС, изготовляемые по ТТЛ- и КМОП-технологиям. (ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика с использованием биполярных транзисторов, КМОП — с использованием комплементарных МОП-транзисторов).
Первой была выпущена ТТЛ-серия SN74/SN54 (74 — коммерческая, 54 — для военных применений). Отечественным аналогом серии SN74 стала популярная в свое время серия 155. В 1967 г. дополнительно разработаны семейства SN74H/54H (High speed — быстродействующая, отечественные аналоги — серии 131 и 130) и SN74L/54L (Low power — маломощная, аналоги — серии 158 и 136).
В 1969 г. разработана серия SN74S/54S (серии 531 и 530), в 1971 г. — серия SN74LS/54LS (серии 555 и 533), в 1979 г. — серия SN74F/54F фирмы Fail-child (FAST — Fairchild's Advanced Schottky TTL, серия 1531), в 1980 г. — серия SN74ALS/54ALS (серия 1533), в 1982 г. — серия SN74AS/54AS (в обозначениях серий S — Schottky, LS — Low power Schottky, ALS — Advanced Low power Schottky, AS — Advanced Schottky, Advanced — усовершенствованная). Использование диодов с барьером Шотки позволило значительно повысить быстродействие ИМС за счет предотвращения глубокого насыщения транзисторов в ключевом режиме. Приятной для разработчика особенностью всех перечисленных серий является полное совпадение номеров выводов и обозначения типа для ИМС одинакового функционального назначения. Например, если SN7472 — JK-триггер, то обозначение 72 будет сопутствовать ему во всех сериях. Этот же принцип используется и в отечественных ИМС, хотя тип здесь обозначается буквами.
В библиотеке программы EWB используется только серия SN74. Редактирование параметров отдельных ИМС, к сожалению, невозможно. Для облегчения работы с библиотекой ниже приводится список отечественных аналогов серии SN74 (для краткости некоторые повторяющиеся символы опущены).
7400 155ЛАЗ 4 элемента 2И-НЕ (цифра 2 означает 2-входовой);
7402 155ЛЕ1 4 элемента 2ИЛИ-НЕ;
7406 155ЛНЗ 6 элементов НЕ с открытым коллектором;
7407 155ЛП9 6 буферных элементов с открытым коллектором;
7408 155ЛИ1 4 элемента 2И;
7409 155ЛИ2 4 элемента 2И с открытым коллектором;
7410 155ЛА4 3 элемента ЗИ-НЕ;
7412 155ЛА10 3 элемента ЗИ-НЕ с открытым коллектором;
7420 155ЛА1 2 элемента 4И-НЕ;
7422 155ЛА7 2 элемента 4И-НЕ с открытым коллектором;
7425 155ЛЕЗ 2 элемента 4И-НЕ со входом стробирования;
7426 155ЛА11 4 элемента 2И-НЕ с открытым коллектором;
7428 155ЛЕ5 4 элемента 2ИЛИ-НЕ;
7430 155ЛА2 Элемент 8И-НЕ;
7432 155ЛЛ1 4 элемента 2ИЛИ;
7437 155ЛА12 4 элемента 2И-НЕ с открытым коллектором;
7438 155ЛА13 4 элемента 2И-НЕ с открытым коллектором;
7440 155ЛА6 2 элемента 4И-НЕ с повышенной нагрузочной способностью;
7442 555ИД6 Дешифратор 4х10 (декодирование 4-разрядного двоичного числа в десятичное);
7451 155ЛР11 Элементы 2-2И-2ИЛИ-НЕ ( 2 элемента 2И, выходы которых подключены на кристалле ИМС к элементу 2ИЛИ-НЕ) и 2-ЗИ-2ИЛИ-НЕ (аналогично для 2-ЗИ);
7454 155ЛР13 Элемент 2-3-3-2И-4ИЛИ-НЕ (2 элемента 2И и 2 элемента ЗИ объединены через 4ИЛИ-НЕ);
7455 155ЛР4 Элемент 4-4И-2ИЛИ-НЕ (2 элемента 4И объединены через 2ИЛИ-НЕ) с возможностью объединения по ИЛИ (выходной каскад элемента 2ИЛИ-НЕ имеет дополнительные входы транзистора С — Collector и Е — Emitter, что и позволяет осуществить объединение по ИЛИ);
7472 155ТВ1 JK-триггер с элементом ЗИ на входах;
7474 155ТМ2 2 D-триггера;
7475 155ТМ7 4 D-триггера с прямыми и инверсными выходами;
7476 155ТВ7 2 JK-триггера;
7477 155ТМ5 4 D-триггера с прямыми выходами;
7486 155ЛП5 4 элемента Исключающее ИЛИ;
7490 155ИЕ2 4-разрядный асинхронный двоично-десятичный счетчик;
7492 155ИЕ4 4-разрядный асинхронный счетчик-делитель на 12;
7493 155ИЕ5 4-разрядный асинхронный двоичный счетчик;
74107 155ТВ6 2 JK-триггера с раздельной установкой нуля;
74109 155ТВ15 2 JK-триггера;
74112 155ТВ9 2 JK-триггера;
74113 155ТВ10 2 JK- триггера с предустановкой нуля или единицы;
74114 155ТВ11 2 JK-триггера с предустановкой нуля или единицы и общим обнулением;
74125 155ЛП8 4 буфера с тремя состояниями;
74126 155ЛП14 4 формирователя с тремя состояниями;
74134 155ЛА19 Элемент 12И-НЕ с тремя состояниями;
74138 155ИД7 Дешифратор-демультиплексор 3х8;
74139 155ИД14 2 дешифратора-демультиплексора 2х4;
74145 155ИД10 Двоично-десятичный дешифратор с открытым коллектором;
74148 155ИВ1 Шифратор приоритетов 8х3;
74150 155КП1 Селектор-мультиплексор 16х1;
74151 155КП7 Селектор-мультиплексор 8х1;
74152 155КП5 Селектор-мультиплексор 8х1;
74153 155КП2 2 селектора-мультиплексора 4х2;
74154 155ИДЗ Дешифратор-демультиплексор 4х16;
74155 155ИД4 2 дешифратора-мультиплексора 2х4;
74156 555ИД5 2 дешифратора-демультиплексора 2х4 с открытым коллектором;
74157 533КП16 4-разрядный селектор-мультиплексор 2х1;
74158 1533КП18 4-разрядный селектор-мультиплексор 2х1 с инверсией;
74160 155ИЕ9 4-разрядный синхронный двоично-десятичный счетчик;
74162 1533ИЕ11 4-разрядный синхронный десятичный счетчик;
74163 155ИЕ18 4-разрядный синхронный реверсивный двоично-десятичный счетчик;
74164 155ИР8 8-разрядный регистр сдвига с параллельными выходами;
74169 155ИЕ17 4-разрядный двоичный синхронный реверсивный счетчик;
74173 155ИР15 4-разрядный регистр с тремя состояниями;
74174 155ТМ9 6 D-триггеров; »
74175 155ТМ8 4 D-триггера;
74181 155ИПЗ 4-разрядное АЛУ;
74191 155ИЕ13 Синхронный реверсивный двоичный счетчик;
74194 155ИР11 4-разрядный универсальный регистр сдвига;
74195 155ИР12 4-разрядный регистр сдвига с параллельным вводом;
74198 155ИР13 8-разрядный универсальный регистр сдвига;
74240 155АПЗ 8 буферов с инверсией и тремя состояниями;
\
74241 155АП4 8 буферов с тремя состояниями;
74244 155АП5 2х4 буферов с тремя состояниями;
74251 155КП15 Селектор-мультиплексор 8х1 с тремя состояниями;
74253 155КП12 2 селектора-мультиплексора 4х1 с тремя состояниями;
74257 155КП11 4 селектора-мультиплексора 2х1 с тремя состояниями;
74258 155КП14 4 селектора-мультиплексора 2х1 с тремя состояниями и инверсией;
74273 155ИР35 8-разрядный регистр с установкой нуля;
74280 1533ИП5 9-разрядная схема контроля четности;
74283 155ИМ6 4-разрядный полный сумматор с ускоренным переносом;
74298 155КП13 4 2-входовых мультиплексора с запоминанием;
74365 155ЛП10 6 повторителей с управлением по входам и тремя состояниями;
74367 155ЛП11 6 повторителей с раздельным управлением по входам и тремя состояниями;
74373 155ИР22 8-разрядный буферный регистр с тремя состояниями и потенциальным управлением;
74374 155ИР23 8-разрядный буферный регистр с тремя состояниями и импульсным управлением;
74377 155ИР27 8-разрядный регистр с разрешением записи.
Ссылки в этом перечне на ИМС других серий вызвано их отсутствием в серии 155, однако здесь это не имеет существенного значения, поскольку речь идет только о выяснении функционального назначения выводов.
Цифровые ИМС КМОП-серии получили название от своего базового элемента, в котором используется так называемая комплементарная пара из двух МОП-транзисторов различной проводимости. Такие ИМС характеризуются малым потреблением мощности в статическом режиме (0,02...! мкВт на вентиль), большим диапазоном питающих напряжений (3.18 В), высоким входным сопротивлением (до десятков ТОм), большой нагрузочной способностью, незначительной зависимостью характеристик от температуры, малыми размерами транзисторов в интегральном исполнении и, как следствие, более высокой степенью интеграции по сравнению с ТТЛ-микросхемами.
Первые ИМС по КМОП-технологии разработаны фирмой RCA в 1968 г. Эта серия имела название CD4000 (отечественные аналоги — серии 164 и 176), затем последовали серии CD4000A, CD4000B (отечественные аналоги — 564, 561 и 1561, а также МС14000А и МС14000В фирмы Motorola) и 54НС фирмы National Semiconductor в 1981 г. (отечественный аналог — серия 1564). В программе EWB в качестве библиотечных используюся ИМС фирмы RCA, большинство которых приведено в следующем перечне:
4001 561ЛЕ5 4 элемента 2ИЛИ-НЕ;
4002 561ЛЕ6 2 элемента 4ИЛИ-НЕ;
4011 561ЛА7 4 элемента 2И-НЕ;
4012 561ЛА8 2 элемента 4И-НЕ;
4013 561ТМ2 2 D-триггера;
4015 561ИР2 2 4-разрядных сдвиговых регистра;
4023 561ЛА9 3 элемента ЗИ-НЕ;
4025 1561ЛЕ10 3 элемента ЗИЛИ-НЕ;
4028 561ИД1 двоично-десятичный дешифратор;
4030 561ЛП2 4 элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ;
4040 1561ИЕ20 12-разрядный двоичный счетчик;
4066 561КТЗ 4 переключателя (цифрового или аналогового сигнала);
4070 1561ЛП14 4 элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ;
4081 1561ЛИ2 4 элемента 2И.
Приведем систему обозначений входов и выходов простейших логических элементов, используемых в программе EWB. Обозначения для ТТЛ-серии приводятся в первых круглых скобках, для КМОП — во вторых, при одинаковых обозначениях — без скобок:
Вывод для питания — (Ucc), (Udd);
Общий вывод — (GND), (Uss);
Вывод не подключен — NC;
Входы—(А, В, С...),(!);
Выходы — (Y), (О);
Вход стробирования — (G).
Приведем пример обозначения последовательности выводов для 2-входовых логических элементов:
(1А 1В 1Y, 2А 2В 2Y, ЗА 3В 3Y, 4А 4В 4Y), (II 12 01,13 14 02,15 16 03,17 18 04).
Для более сложных ИМС определение функционального назначения их выводов целесообразно проводить путем сопоставления с отечественными аналогами [4—10].
Рассмотрим так называемые базовые элементы, из которых набираются самые сложные цифровые ИМС.
Схема базового элемента (вентиля) ТТЛ-серии показана на рис. 4.70, а. Она содержит три основных каскада: входной на транзисторе VT1, фазорасщепительный на транзисторе VT2 с возможностью реализации на нем функции ИЛИ и выходной усилитель на транзисторах VT3 и VT4 [49].
В качестве транзистора VT1 используется многоэмиттерный транзистор, отсутствующий в библиотеке EWB. Принцип действия входного каскада легко понять, если переходы база-эмиттеры представить в виде диодов, как показано на рис. 4.70, б. Тогда очевидно, что если входные диоды (входы А, В) подключены к шине с высоким напряжением (4...5 В), то ток резистора R1 потечет через коллекторный диод в базу транзистора VT2. Если же хотя бы один из входных диодов подключен к земляной шине или к шине с низким напряжением, то таким же образом окажется подключенным и резистор R1. На базе транзистора VT1 при этом будет низкое напряжение (превышающее входное на величину напряжения база-эмиттер) и базовый ток транзистора VT2 станет равным нулю.
Таким образом, при высоких напряжениях на обоих входах на коллекторе транзистора VT1 также будет высокое напряжение; если же хотя бы на один из входов подано близкое к нулю напряжение, то на коллекторе VT1 установится низкое напряжение, а это означает, что входной транзистор выполняет логическую функцию И.
Фазорасщепляющий каскад выполнен на транзисторе VT2 и резисторах R2, R3 примерно равного сопротивления (около 0,25...0,33 от R1). При этом насыщение транзистора VT2 достигается уже при достаточно малом коэффициенте усиления тока. Когда на все логические входы схемы подано высокое напряжение, через переход база-коллектора транзистора VT1 в базу VT2 подается управляющий ток, в результате чего VT2 открывается. При этом напряжение в точке Е может возрасти только до напряжения база-эмиттер транзистора VT4, а напряжение в точке С (на коллекторе VT2) снизится до значения, равного сумме напряжений открытых диода VD и транзистора VT3. Если хотя бы на один из логических входов подается низкое напряжение (сигнал логического нуля), то транзистор VT1 открывается, отключая управляющий базовый ток транзистора VT2, в результате чего VT2 закрывается и через резисторы R2, R3 протекает только ток утечки, поэтому напряжения в точках Е и С близки к нулю и Ucc соответственно. Логическая функция ИЛИ может быть реализована при параллельном соединении двух или более подобных фазорасщепи-тельных каскадов (в точках С и Е).
Основным транзистором выходного каскада является транзистор VT4. Когда на входы А, В (рис. 4.70, б) подано высокое напряжение, транзисторы VT2 и VT3 открыты. В этом случае напряжение в точке С будет равно, как указано выше, напряжению двух открытых р— га-переходов. Если временно исключить из рассмотрения транзистор VT4 и рассматривать только цепь, содержащую диод VD и транзистор VT3, то напряжение в точке S будет ниже напряжения в точке С на величину, равную напряжению на двухр—га-переходах. При этом напряжение на базе транзистора VT4 будет достаточным (именно за счет диода VD) для поддержания его в открытом состоянии, т.е. на выходе S будет действовать напряжение, равное напряжению насыщения транзистора VT4 (сигнал логического нуля).
Если хотя бы на один из входов вентиля А или В подано низкое напряжение, то транзисторы VT2 и VT4 закрыты. Через резистор R2 течет только ток утечки транзистора VT2, поэтому напряжение в точке С близко к напряжению питания Vcc, а потенциал в точке S ниже потенциала С на величину падения напряжения на двух открытых переходах. Падением напряжения на резисторе R2 от базового тока транзистора VT4 можно пренебречь. Таким образом, при наличии хотя бы на одном из входов вентиля низкого напряжения его выходное напряжение будет ниже напряжения питания на падение напряжения на двух р—га-переходах. В различных сериях ТТЛ используются разные схемы выходных каскадов, однако всегда между шиной Ucc и выходом S имеются два последовательно включенных р—га-перехода. Резистор R4 служит для защиты транзистора VT3 при закорачивании выхода S на "землю".
Рис. 4.71. Схема базового элемента серии 54/74
Базовый элемент серии 54/74 (155) (рис. 4.71) немного отличается от рассмотренного (рис. 4.70). Основное отличие заключается в том, что диод VD включен в эмиттерную, а не в базовую цепь транзистора. На рис. 4.71 показан также подключенный к выходу мультиметр и имитатор входного сигнала, выполненный на ключе Z. В положении ключа, показанном на рисунке, на входе формируется сигнал логической единицы. При переводе ключа в другое положение вход вентиля подключается через резистор Ri к общей шине, в результате чего на входе вентиля формируется сигнал логического нуля.
Рассмотрим теперь базовые элементы ИМС КМОП-серии. Простейшим элементом этой серии является КМОП-инвертор, схема которого показана на рис. 4.72, а. Она составлена из КМОП-транзисторов разного типа проводимости. Транзистор га-типа подключен истоком к нулевому потенциалу, транзистор р-типа — к положительной шине источника питания. Схема реализует логическую операцию НЕ и обеспечивает работу в режиме положительной логики. В таком режиме работают большинство ИМС КМОП-серий.
Для реализации функции ИЛИ-НЕ (рис. 4.72, б) используется параллельное включение МОП-транзисторов га-типа и последовательное (ярусное) включение транзисторов р-типа. Кроме того, каждый из входных транзисторов га-типа связан по затвору с транзистором р-типа. Для реализации функции И-НЕ (рис. 4.73) параллельно включаются транзисторы р-типа и последовательно — транзисторы га-типа. При подаче на вход схемы ИЛИ-НЕ сигнала Х1высокого уровня, откроется транзистор VT1 и закроется VT4. В результате на выходе схемы формируется низкий уровень напряжения. При подаче на оба входа (XI и Х2) сигналов низкого уровня транзисторы VT1 и VT2 закрываются, но открываются транзисторы VT3 и VT4, в результате чего на выходе схемы напряжение будет близко к напряжению питания Ucc. Таким образом, перезаряд емкости нагрузки, подключаемой между выходным зажимом Y и общей шиной, всегда осуществляется через открытый транзистор р-или га-типа, что повышает быстродействие схемы.
Мощность, потребляемая схемой на КМОП-транзисторах, расходуется в основном во время переходного процесса на заряд выходных паразитных емкостей схемы и собственных емкостей транзистора. Поэтому с увеличением частоты переключения, а также при увеличении выходной эквивалентной емкости потребляемая мощность возрастает в соответствии с выражением Р,„„=2С-Г-Щ„ где С — эквивалентная емкость нагрузки; F — рабочая частота; Це — напряжение источника питания.
В статическом режиме потребляемая мощность определяется напряжением питания и токами утечки закрытого МОП-транзистора. Для уменьшения мощности, потребляемой в динамическом режиме, необходимо в первую очередь снижать емкость нагрузки.
Минимальное напряжение питания схемы на КМОП-транзисторах определяется напряжением отпирания р-канального транзистора, так как оно больше, чем напряжение отпирания ге-канального транзистора. Естественно, что напряжение питания выбирается больше напряжения отпирания. Это обеспечивает схеме на КМОП-транзисторах высокую помехоустойчивость и быстродействие.
Схема И-НЕ на рис. 4.73 содержит имитатор входного сигнала на ключах А, В и мультиметр для проверки правильности функционирования схемы. В положении переключателей, показанных на схеме, на входы А, В подаются сигналы логической единицы. При этом транзисторы VT1, VT2 будут закрыты, а транзисторы VT3, VT4 — открыты и на выходе Y мультиметром будет фиксироваться низкий уровень сигнала логического нуля. Достаточно один из выключателей перевести в другое положение и один из двух нижних транзисторов закроется, при этом на выходе Y будет фиксироваться высокий уровень сигнала логической единицы, что и соответствует логике работы элемента И-НЕ.
Рис. 4.73. Схема базового элемента И-НЕ КМОП-серии
Контрольные вопросы и задания
1. Когда и где были созданы первая микросхема и первый микропроцессор?
2. Что из себя представляют ТТЛ- и КМОП-серии цифровых ИМС?
3. Что позволило радикально повысить быстродействие ТТЛ-серии?
4. В чем заключается различие в обозначениях цифровых ИМС зарубежного и отечественного производства?
5. Какое основное преимущество имеют цифровые КМОП-микросхемы по сравнению с ТТЛ и на каких частотах оно проявляется?
6. Какие функции выполняет многоэмиттерный транзистор в ИМС ТТЛ-серии?
7. Из описания процесса формирования на выходе S сигнала логического нуля в схеме вентиля на рис. 4.70, а не совсем ясно, в каком состоянии при этом находится транзистор VT3 — в открытом или закрытом. Для проверки необходимо при логической единице на входах А, В измерить с помощью мультиметра напряжение на коллекторе VT3, предварительно убедившись, что на выходе S сигнал логического нуля. Если это напряжение равно Ucc=+5 В, то это означает, что через резистор R4 ток не течет и, следовательно, транзистор VT3 закрыт. Если это так, попытайтесь объяснить, почему?
8. Проверьте правильность функционирования схемы на рис. 4.73.
Элементная база
В этой главе приводятся краткие сведения о моделях компонентов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), принятых в программе EWB. Дополнительная информация о реальных элементах РЭА (условия и области применения, классификационные параметры, конструктивные особенности и др.) помещены в Приложении 2.
4.1. Источники тока
4.2. Индикаторные приборы
4.3. Коммутационные устройства
4.4. Конденсаторы
4.5. Резисторы
4.6. Индуктивные элементы
4.7. Полупроводниковые диоды
4.8. Биполярные транзисторы
4.9. Полевые транзисторы
4.10. Операционные усилители
4.11. Цифровые микросхемы
Electronics Workbench
История создания программы Electronics Workbench (EWB) начинается с 1989 г. Ранние версии программы состояли из двух независимых частей. С помощью одной половины программы можно было моделировать аналоговые устройства, с помощью другой — цифровые. Такое "раздвоенное" состояние создавало определенные неудобства, особенно при моделировании смешанных аналого-цифровых устройств. В 1996 г. в версии 4.1 эти части были объединены и через полгода выпущена пятая версия программы. Она дополнена средствами анализа примерно в объеме программы Micro-Cap V [3], переработана и несколько расширена библиотека компонентов. Средства анализа цепей выполнены в типичном для всей программы ключе — минимум усилий со стороны пользователя. Дальнейшим развитием EWB является программа EWB Layout, предназначенная для разработки печатных плат [66]; она кратко рассмотрена в гл. 15. Программа EWB обладает преемственностью снизу вверх, т.е. все схемы, созданные в версиях 3.0 и 4.1, могут быть промоделированы в версии 5.0. Следует отметить, что EWB позволяет также моделировать устройства, для которых задание на моделирование подготовлено в текстовом формате SPICE, обеспечивая совместимость с программами Micro-Cap и PSpice [2, 3].
Программа EWB 4.1 рассчитана для работы в среде Windows З.хх или 95/98 и занимает около 5 Мбайт дисковой памяти, EWB 5.0 — в среде Windows 95/98 и NT 3.51, требуемый объем дисковой памяти — около 16 Мбайт. Для размещения временных файлов требуется дополнительно 10 — 20 Мбайт свободного пространства.
1. Структура окна и система меню
2. Создание схем
3. Контрольно-измерительные приборы
4. Элементная база
Группа Passive — пассивные компоненты
2.3. Группа Passive — пассивные компоненты
Раздел Passive содержит следующие пассивные компоненты. • Точка соединения проводников, используемая также для введения на схему надписей длиной не более 14 символов (других способов введения текста в EWB не существует). Например, если на схеме требуется указать значение тока в какой-либо ветви, то на проводнике этой ветви ставится точка, затем двойным щелчком по точке вызывается диалоговое окно (рис. 1.3), в котором и выполняется соответствующая надпись.
О коэффициента трансформации (Primary-to-secondary turns ratio n);
О индуктивности рассеяния (Leakage inductance Le, Гн);
О индуктивности первичной обмотки (Magnetizing inductance Lm, Гн);
О сопротивления первичной обмотки (Primary winding resistance Rp, Ом);
О сопротивления вторичной обмотки (Secondary winding resistance Rs, Ом).
Контрольно-измерительные приборы
3. Контрольно-измерительные приборы
Панель контрольно-измерительных приборов находится под полем меню рабочего окна программы EWB (рис. 1.1) и содержит цифровой мультиметр, функциональный генератор, двухканальный осциллограф, измеритель амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик, генератор слов (кодовый генератор), 8-канальный логический анализатор и логический преобразователь (рис. 3.1). Общий порядок работы с приборами такой: иконка прибора курсором переносится на рабочее поле и подключается проводниками к исследуемой схеме. Для приведения прибора в рабочее (развернутое) состояние необходимо дважды щелкнуть курсором по его иконке. Рассмотрим каждый прибор подробно.
Рис. 3.1. Панель контрольно-измерительных приборов
Рис. 3.2. Лицевая панель мультиметра
3.1. Мультиметр (Multimeter)
3.2. Функциональный генератор (Function Generator)
3.3. Осциллограф (Oscilloscope)
3.4 Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter)
3.5. Генератор слова (Word Generator)
3.6. Логический анализатор (Logic Analyzer)
3.7. Логический преобразователь (Logic Converter)
3.8. Приборы программы EWB 5.0
Полевые транзисторы
4.9. Полевые транзисторы
Первоначальное название полевых транзисторов — униполярные транзисторы — было связано с тем, что в таких транзисторах используется основные носители только одного типа (электронов или дырок). Процессы инжекции и диффузии в таких транзисторах практически отсутствуют, во всяком случае, они не играют принципиальной роли. Основным способом движения носителей является дрейф в электрическом поле.
Для того чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле, нужно изменять удельную проводимость полупроводникового слоя или его площадь. На практике используются оба способа и основаны они на эффекте поля (управление напряжением на затворе). Поэтому униполярные транзисторы обычно называют полевыми транзисторами. Проводящий слой, по которому протекает ток, называют каналом. Отсюда еще одно название такого класса транзисторов — канальные транзисторы.
Каналы могут быть приповерхностными и объемными. Приповерхностные каналы представляют собой либо обогащенные слои, обусловленные наличием донор-ных примесей в диэлектрике, либо инверсионные слои, образующиеся под действием внешнего поля. Объемные же каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.
Транзисторы с объемным каналом отличаются тем, что обедненный слой создается с помощью р—га-перехода. Поэтому их часто называют полевыми транзисторами с р—п-переходом или просто полевые транзисторы. Транзисторы такого типа впервые описаны Шокли в 1952 г. [12]. В библиотеке компонентов программы EWB 4.1 они представлены двумя образцами: п-канальным ир-канальным и показаны на рис. 4.60, а и б соответственно, где 1 — затвор (gate) — управляющий электрод; 2 — исток (source)— электрод, от которого начинают движение основные носители (в первом типе — электроны, во втором — дырки); 3 — сток (drain) — электрод, принимающий эти носители.
Параметры моделей полевых транзисторов задаются с помощью диалогового окна (рис. 4.61) и перечислены ниже (в квадратных скобках приведены их обозначения в EWB 5.0).
1. Напряжение отсечки, В (Threshold voltage VTO [VTO]) — напряжение между затвором и истоком полевого транзистора с р—п- переходом или с изолированным затвором, работающих в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого напряжения. Для транзисторов с изолированным затвором, работающих в режиме обогащения, этот параметр называется пороговым напряжением.
2. Коэффициент пропорциональности, А/В2 (Transconductance coefficient В [КР]).
3. Параметр модуляции длины канала, 1/В (Channel-length modulation 1m [LAMBDA]).
4. Объемное сопротивление области стока, Ом (Drain ohmic resistance Rd [RD]).
5. Объемное сопротивление области истока, Ом (Source ohmic resistance Rs [RS]).
6. Ток насыщения р—тг-перехода, A (Gate-junction saturation current Is [IS]) — только для полевых транзисторов ср—п-переходом.
7. Емкость между затвором и стоком при нулевом смещении, Ф (Zero-bias gate-drain junction capacitance Cgd [CGD]).
8. Емкость между затвором и истоком при нулевом смещении, Ф (Zero-bias gate-source junction capacitance Cgs [CGS]).
9. Контактная разность потенциалов р—п-перехода, В (Gate-junction potential pb [РВ]) — только для полевых транзисторов ср—га-переходом.
В программе EWB 5.0 количество параметров для полевых транзисторов увеличено. Их назначение такое же, как и для рассмотренных выше биполярных транзисторов.
Отметим, что в EWB для полевых транзисторов используются модели PSpice [2].
По аналогии с биполярными транзисторами различают три схемы включения полевых транзисторов: с общим затвором (03), с общим истоком (ОИ) и с общим стоком (ОС).
Для исследования семейства выходных ВАХ полевого транзистора в схеме с ОИ может быть использована схема на рис. 4.62. Она содержит источник напряжения затвор-исток Ug, исследуемый транзистор VT, источник питания Ucc, вольтметр Ud для контроля напряжения сток-исток и амперметр Id для измерения тока стока. Выходная ВАХ снимается при фиксированных значениях Ug путем изменения напряжения Ud и измерения тока стока Id. Напряжение Ug, при котором ток Id имеет близкое к нулю значение, называется напряжением отсечки.
Располагая характеристиками Id=f(Ud), можно определить крутизну S=dId/dUg, являющейся одной из важнейших характеристик полевого транзистора как усилительного прибора.
Другой тип полевых транзисторов — транзисторы с приповерхностным каналом и структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы). В частном случае, если диэлектриком является окисел (двуокись кремния), используется название МОП-транзисторы.
МДП-транзисторы бывают двух типов: транзисторы со встроенным и с индуцированным каналами (в последнем случае канал наводится под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам).
Транзисторы первого типа могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. Второй тип МДП-транзисторов можно использовать только в режиме обогащения. В отличие от транзисторов с управляющим р—re-переходом металлический затвор МДП-транзисторов изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристалла, называемый подложкой, на которой выполнен прибор.
Управляющее напряжение подается между затвором и подложкой. Под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника создается р-канал за счет отталкивания электронов от поверхности вглубь полупроводника в транзисторе с индуцированным каналом. В транзисторе со встроенным каналом происходит расширение или сужение имеющегося канала. Под действием управляющего напряжения изменяется ширина канала и, соответственно, сопротивление и ток транзистора.
Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называется пороговым напряжением. При практическом определении этого напряжения обычно задается определенный ток стока, при котором потенциал затвора достигает порогового напряжения (0.2...1 В для транзисторов с ге-каналом и 2...4 В ср-каналом).
По мере удаления от поверхности полупроводника концентрация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном половине толщины канала, электропроводность становится собственной (беспримесной). Далее располагается участок, обедненный основными носителями заряда, в котором существует область положительно заряженных ионов донорной примеси. Наличие обедненного участка обусловлено также отталкиванием основных носителей заряда от поверхности вглубь полупроводника.
Таким образом, сток, исток и канал, представляющие собой рабочие области МДП-транзистора, изолированы от подложки?—re-переходом. Очевидно, что ширина р—re-перехода и ширина канала изменяется при подаче на подложку дополнительного напряжения, т.е. током истока можно управлять не только путем изменения напряжения назатворе, но и за счет изменения напряжения на подложке. В этом случае управление МДП-транзистором аналогично полевому транзистору с управляющим?—re-переходом.
Толщина инверсного слоя значительно меньше толщины обедненного слоя. Если последний составляет сотни или тысячи нанометров, то толщина индуцированного канала составляет всего 1...5 нм. Другими словами, дырки индуцированного канала "прижаты" к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник-диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.
Дырки, образующие канал, поступают в него не только из подложки re-типа, где их мало и генерируются они сравнительно медленно, но также из слоев р-типа истока и стока, где их концентрация практически не ограничена, а напряженность поля вблизи этих электродов достаточно велика.
В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для его прекращения необходимо к затвору приложить положительное напряжение (при структуре с каналом р-типа), равное или большее напряжения отсечки. При этом дырки из инверсного слоя будут практически полностью вытеснены вглубь полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток снова увеличивается. Таким образом, МДП-транзисторы со встроенными каналами работают в режимах как обеднения, так и обогащения.
Как и полевые транзисторы с управляющим?—п-переходом, МДП-транзисто-ры при малых напряжениях сток—исток ведут себя подобно линейному сопротивлению. При увеличении этого напряжения ширина канала уменьшается вследствие падения на нем напряжения и уменьшении напряженности электрического поля. Особенно сильно это проявляется в той части канала, которая находится вблизи стока. Перепады напряжения, создаваемые током стока Id, приводят к неравномерному распределению смещения на затворе вдоль канала, причем оно уменьшается по мере приближения к стоку.
Важным преимуществом МДП-транзисторов по сравнению с биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных транзисторах в режиме насыщения напряжение коллектор-эмиттер принципиально не может быть меньше нескольких десятых долей вольт, то для МДП-транзисторов при малых токах стока это напряжение при работе транзистора в начальной области выходной ВАХ может быть сведено к ничтожно малой величине.
В библиотеке компонентов программы EWB МДП-транзисторы со встроенным каналом представлены двумя образцами: п-канальным ир-канальным, попарно по-казаными на рис. 4.63, а, на котором цифрой 4 обозначена подложка, остальные обозначения аналогичны обозначениям на рис. 4.60. Каждый тип МДП-транзистора представлен в двух вариантах: с отдельным выводом подложки и общим выводом подложки и истока. Аналогичный вид имеют обозначения МДП-транзисторов с индуцированным каналом (рис. 4.63, б).
Диалоговое окно установки параметров МДП-транзисторов показано на рис. 4.64. По сравнению с рис. 4.61 в нем содержатся дополнительные параметры, назначение которых заключаются в следующем (в квадратных скобках — обозначения параметров, приятые в EWB 5.0).
1. Поверхностный потенциал, В (Surface potential ph [PHI]).
2. Коэффициент влияния потенциала подложки на пороговое напряжение, 'В"2 (Bulk-threhold parametr g [GAMMA]).
3. Емкость между затвором и подложкой, Ф (Gate-bulk capacitance Cgb [CGB]).
4. Емкость донной части перехода сток-подложка при нулевом смещении, Ф (Zero-bias bulk-drain junction capacitance Cbd [CBD]).
5. Емкость донной части перехода исток-подложка при нулевом смещении, Ф (Zero-bias bulk-source junction capacitance Cbs [CBS]).
6. Напряжение инверсии приповерхностного слоя подложки, В (Bulk-junction potential рВ [РВ]).
В программе EWB 5.0 количество параметров моделей МДП-транзисторов увеличено. Они размещаются в трех диалоговых окнах-закладках, аналогичных по внешнему виду показанному на рис. 4.57. К дополнительно введенным относятся следующие параметры:
LD — длина области боковой диффузии, м;
RSH — удельное сопротивление диффузионных областей истока и стока. Ом;
JS — плотность тока насыщения перехода сток (исток)-подложка, А/м2;
CJ — удельная емкость донной части р—га-перехода сток (исток)-подложка при нулевом смещении, Ф/м2;
CJSW — удельная емкость боковой поверхности перехода сток (исток)-подложка, Ф/м;
MJ — коэффициент плавности перехода подложка-сток (исток);
CGSO — удельная емкость перекрытия затвор-исток (за счет боковой диффузии), Ф/м;
CGDO — удельная емкость перекрытия затвор-сток на длину канала (за счет боковой диффузии), Ф/м;
CGBO — удельная емкость перекрытия затвор-подложка (вследствие выхода области затвора за пределы канала), Ф/м;
NSUB — уровень легирования подложки, 1/см3;
NSS — плотность медленных поверхностных состояний на границе кремний — под-затворный оксид,1/см2;
ТОХ — толщина оксида, м;
TPG — легирование затвора; +1 — примесью того же типа, как и для подложки, -1 — примесью противоположного типа, 0 — металлом;
UO — подвижность носителей тока в инверсном слое канала, CM'/B/C;
FC — коэффициент нелинейности барьерной емкости прямо смещенного перехода подложки;
Параметры KF, AF и TNOM уже неоднократно рассматривались ранее.
Эквивалентные схемы МДП-транзисторов в EWB соответствуют самой простой модели первого уровня программы PSpice [2].
Для арсенид-галлиевых полевых транзисторов (встроенная модель имеется только в EWB 5.0) набор параметров по составу примерно такой же, как и для полевых транзисторов с управляющим р—п-переходом. Для них используется модель Стейтса (Statz), для которой в руководстве пользователя приводится только выражения для тока стока [67]:
где Ug. — напряжение затвор-исток; VTO=-2 В — барьерный потенциал перехода Шотки; BETA=0,OOQ1 А/В2 — коэффициент пропорциональности; LAMBDA=0 — параметр модуляции длины канала; Ua. — напряжение сток-исток; ALPHA=2 B1 — константа (численные значения приняты по умолчанию).
Для исследования характеристик МДП-транзисторов используется схема на рис. 4.65. С ее помощью можно получитьсемейство выходных характеристик МДП-транзисторов при фиксированных значениях напряжения на затворе Ug и подложке Ub. Располагая такими характеристиками, можно определить крутизну транзистора S при управлении со стороны затвора, а также крутизну при управлении со стороны подложки Sb=dId/dUb; статический коэффициент усиления M=dU,i/dUg; выходное дифференциальное сопротивление R^dUa/dI^ и другие параметры.
Контрольные вопросы и задания
1. С помощью схемы на рис. 4.62 снимите семейство выходных характеристик полевого транзистора при Ug=-l, -0,5, 0, +1, +2, +5 В. По этим характеристикам определите напряжение отсечки и крутизну выходной характеристики в начальной области и в области насыщения.
2. С помощью схемы на рис. 4.65 снимите семейство выходных характеристик МДП-транзистора со встроенным каналом при Ug и Ub=-5, -2, -1, 0, +1, +2, +5 В и по ним определите S, 8ь, М, R,,.
3. Выполните исследования по п. 2 для МДП-транзистора с индуцированным каналом. Дополнительно определите пороговое напряжение.
4. Чем отличаются униполярные, полевые и канальные транзисторы?
5. Как устроен полевой транзистор ср—га-переходом?
6. Чем отличаются МДП- и МОП-транзисторы?
7. Назовите отличительные признаки МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналом.
8. Какую роль играет подложка в МДП-транзисторах?
9. Что такое пороговое напряжение и напряжение отсечки?
Создание схем
2. Создание схем
В данной главе рассматривается процесс подготовки схем, состав библиотек компонентов EWB 4.1 и 5.0 и их краткие характеристики. 2.1. Технология подготовки схем
2.1. Технология подготовки схем
2.2. Группа Custom — вспомогательные компоненты
2.3. Группа Passive — пассивные компоненты
2.4. Группа, Active — активные компоненты
2.5. Группа FET — полевые транзисторы
2.6. Группа- Control — коммутационные устройства и управляемые источники
2.7. Группа Hybrid — гибридные компоненты
2.8. Группа. Indie — индикаторные приборы
2.9. Группа Gates — логические элементы
2.10. Группа Comb'I — комбинированные цифровые компоненты
2.11. Группа Seg'I — триггеры
2.12. Группа. 1С — цифровые микросхемы
2.13. Библиотека, компонентов EWB 5.0
Структура окна и система меню
1. Структура окна и система меню
Рабочие окна программ версий 4.1 и 5.0 показаны на рис. 1.1 и 1.2 соответственно. Окно программы EWB 4.1 (рис. 1.1) содержит поле меню, линейку контрольно-измерительных приборов и линейку библиотек компонентов, одна из которых в развернутом виде показана в левой части окна. В рабочем поле программы располагается моделируемая схема с подключенными к ней иконками контрольно-измерительных приборов и краткое описание схемы (description), к сожалению, только на английском языке. При необходимости каждый из приборов может быть развернут для установки режимов его работы и наблюдения результатов. Линейки прокрутки используются только для перемещения схемы. Окно программы EWB 5.0 (рис. 1.2) отличается дополнительным меню Analysis, наличием линейки инструментов и более компактным представлением библиотек в развернутом виде. Кроме того, линейка контрольно-измерительных приборов расположена в одном поле с библиотеками компонентов. Следует упомянуть также о наличии подсвечиваемых подсказок назначения всех кнопок. Дальнейшее изложение материала будет вестись в следующем порядке: сначала рассматривается программа версии 4.1, а затем приводятся отличительные признаки версии 5.0. Такой подход объясняется большей распространенностью и доступностью EWB 4.1, а также тем, что большая часть материала по моделированию конкретных устройств наработана нами с использованием версии 4.1. Учитывая полную преемственность версий, все эти схемы могут быть использованы в версии 5.0 без каких-либо доработок.
Рассмотрим команды меню программы EWB 4.1 в порядке их следования на рис. 1.1.
Меню File
Меню Edit
Меню Circuit
Меню Window
Меню Help
Меню Analysis программы EWB 5.0
Обмен данными с программой PSpice
Внешний вид логического анализатора
Внешний вид логического анализатора показан на рис. 3.9. Анализатор предназначен для отображения на экране монитора 8-разрядных кодовых последовательностей одновременно в восьми точках схемы, а также в виде двоичных чисел на входных клеммах-индикаторах и в виде шестнадцатеричных чисел в окне HEX. Длительность развертки задается в окне TIME BASE, при нажатии кнопки CLEAR информация на экране стирается.
Рис. 3.9. Лицевая панель логического анализатора
В блоке TRIGGER расположены кнопки запуска по положительному (включена по умолчанию) или отрицательному спаду сигнала и клемма для подключения внешнего источника синхронизации, например, генератора слова (подключается после нажатия кнопки EXTERNAL). Кроме того, предусмотрен автозапуск (после нажатия кнопки BURST) и запуск по заданной двоичной комбинации (после нажатия кнопки PATTERN), устанавливаемой пользователем в окошке под кнопкой путем введения туда с клавиатуры 1, 0 или Х (неопределенное состояние), предварительно щелкнув мышью на нужном разряде.
