Schaltungskomponenten

Denken Sie daran, dass dieses Tutorial keinen Anspruch auf Vollständigkeit hat und dass alle Beschreibungen für Elemente in der SPICE-Sprache hier in komprimierter Form dokumentiert sind. SPICE ist eine sehr leistungsfähige Software mit vielen Optionen, von denen ich nur einige dokumentieren werde. Alle Komponenten in einer SPICE-Quelldatei werden hauptsächlich durch den ersten Buchstaben in der jeweiligen Zeile identifiziert. Zeichen, die dem identifizierenden Buchstaben folgen, werden verwendet, um eine Komponente eines bestimmten Typs von einer anderen gleichen Typs (r1, r2, r3, rload, rpullup usw.) zu unterscheiden und müssen keiner bestimmten Namenskonvention folgen, solange nicht mehr als acht Zeichen werden sowohl im Identifizierungsbuchstaben der Komponente als auch im unterscheidenden Namen verwendet. Angenommen, Sie simulieren eine digitale Schaltung mit „Pullup“- und „Pulldown“-Widerständen. Der Name rpullup wäre gültig, weil es sieben Zeichen lang ist. Der Name rpulldown , ist jedoch neun Zeichen lang. Dies kann zu Problemen führen, wenn SPICE die Netzliste interpretiert. Sie können sogar mit Komponentennamen von insgesamt mehr als acht Zeichen davonkommen, wenn es keine anderen ähnlich benannten Komponenten in der Quelldatei gibt. SPICE beachtet nur die ersten acht Zeichen des ersten Feldes in jeder Zeile, also rpulldown wird eigentlich als rpulldow interpretiert wobei das „n“ am Ende ignoriert wird. Daher wird jeder andere Widerstand mit den ersten acht Zeichen in seinem ersten Feld von SPICE als der gleiche Widerstand angesehen, der zweimal definiert wurde, was einen Fehler verursacht (d. h. rpulldown1 und rpulldown2 würde als der gleiche Name interpretiert werden, rpulldow ). Es sollte auch beachtet werden, dass SPICE die Groß-/Kleinschreibung ignoriert, also r1 und R1 werden von SPICE als ein und dasselbe interpretiert. SPICE ermöglicht die Verwendung von Metrik-Präfixen bei der Angabe von Komponentenwerten, was eine sehr praktische Funktion ist. Die von SPICE verwendete Präfixkonvention unterscheidet sich jedoch etwas von den standardmäßigen metrischen Symbolen, hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass Netzlisten auf Standard-ASCII-Zeichen beschränkt sind (griechische Buchstaben wie µ für das Präfix „micro“ werden ausgeschlossen) und die Groß-/Kleinschreibung bei SPICE nicht berücksichtigt wird , also werden „m“ (das Standardsymbol für „Milli“) und „M“ (das Standardsymbol für „Mega“) identisch interpretiert. Hier sind einige Beispiele für Präfixe, die in SPICE-Netzlisten verwendet werden:r1 1 0 2t (Widerstand R₁ , 2t =2 Tera-Ohm =2 TΩ) r2 1 0 4g (Widerstand R₂ , 4g =4 Giga-Ohm =4 GΩ) r3 1 0 47meg (Widerstand R₃ , 47meg =47 Mega-Ohm =47 MΩ) r4 1 0 3.3k (Widerstand R₄ , 3.3k =3.3 Kiloohm =3.3 kΩ) r5 1 0 55m (Widerstand R₅ , 55m =55 Milli-Ohm =55 mΩ) r6 1 0 10u (Widerstand R₆ , 10u =10 Mikro-Ohm 10 µΩ) r7 1 0 30n (Widerstand R₇ , 30n =30 Nano-Ohm =30 nΩ) r8 1 0 5p (Widerstand R₈ , 5p =5 Pico-Ohm =5 pΩ) r9 1 0 250f (Widerstand R₉ , 250f =250 Femto-Ohm =250 fΩ) Bei der Angabe von Komponentenwerten ist auch die wissenschaftliche Schreibweise zulässig. Zum Beispiel:r10 1 0 4.7e3 (Widerstand R₁₀ , 4,7e3 =4,7 x 10 ³ Ohm =4,7 Kiloohm =4,7 kΩ) r11 1 0 1e-12 (Widerstand R₁₁ , 1e-12 =1 x 10 ^-12 Ohm =1 Pico-Ohm =1 pΩ) Die Einheit (Ohm, Volt, Farad, Henry usw.) wird automatisch durch den spezifizierten Komponententyp bestimmt. SPICE „weiß“, dass alle obigen Beispiele „Ohm“ sind, weil sie alle Widerstände sind (r1, r2, r3, ...). Bei Kondensatoren würden die Werte als „Farad“ interpretiert, bei Induktivitäten als „Henry“ usw.

Passive Komponenten

KONDENSATOREN

Allgemeine Form:c[name] [node1] [node2] [value] ic=[Anfangsspannung] Beispiel 1:c1 12 33 10u Beispiel 2:c1 12 33 10u ic=3.5 

Kommentare: Die „Ausgangsbedingung“ (ic= ) Variable ist die Spannung des Kondensators in Einheiten von Volt zu Beginn der DC-Analyse. Dies ist ein optionaler Wert, wobei die Startspannung als Null angenommen wird, wenn sie nicht angegeben wird. Anlaufstromwerte für Kondensatoren werden von SPICE nur interpretiert, wenn die .tran Analyseoption aufgerufen wird (mit dem „uic ”-Option).

INDUKTOREN

Allgemeine Form:l[name] [node1] [node2] [value] ic=[initial current] Beispiel 1:l1 12 33 133m Beispiel 2:l1 12 33 133m ic=12.7m 

Kommentare: Die „Ausgangsbedingung“ (ic= ) Variable ist der Strom der Induktivität in Einheiten von Ampere zu Beginn der DC-Analyse. Dies ist ein optionaler Wert, wobei der Anlaufstrom als Null angenommen wird, wenn er nicht angegeben ist. Anlaufstromwerte für Induktivitäten werden von SPICE nur interpretiert, wenn die .tran-Analyseoption aufgerufen wird.

INDUKTORKUPPLUNG (Transformatoren)

Allgemeine Form:k[name] l[name] l[name] [Kopplungsfaktor] Beispiel 1:k1 l1 l2 0,999 

Kommentare: SPICE lässt nur Kopplungsfaktorwerte zwischen 0 und 1 (nicht inklusive) zu, wobei 0 keine Kopplung und 1 perfekte Kopplung darstellt. Die Reihenfolge der Angabe gekoppelter Induktivitäten (l1, l2 oder l2, l1) ist irrelevant.

WIDERSTAND

Allgemeine Form:r[name] [node1] [node2] [value] Beispiel:rload 23 15 3.3k 

Kommentare: Falls Sie sich fragen, gibt es in SPICE keine Angabe zur Verlustleistung des Widerstands. Alle Komponenten gelten als unverwüstlich. Wenn das wirkliche Leben nur so versöhnlich wäre!

Aktive Komponenten

Bei allen Halbleiterbauelementen müssen ihre elektrischen Eigenschaften in einer Zeile beschrieben werden, die mit dem Wort „.model . beginnt “, was SPICE genau sagt, wie sich das Gerät verhalten wird. Welche Parameter auch immer nicht explizit im .model definiert sind Die Karte verwendet standardmäßig die in SPICE vorprogrammierten Werte. Das .model Karte muss enthalten sein, und geben Sie zumindest den Modellnamen und den Gerätetyp an (d, npn, pnp, njf, pjf, nmos oder pmos).

DIODEN

Allgemeine Form:d[Name] [Anode] [Kathode] [Modell] Beispiel:d1 1 2 mod1 

DIODENMODELLE:

Allgemeine Form:.model [Modellname] d [parmtr1=x] [parmtr2=x] . . . Beispiel:.model mod1 d Beispiel:.model mod2 d vj=0,65 rs=1,3 

Diodenparameter

Parameterdefinitionen: ist =Sättigungsstrom in Ampere rs =Übergangswiderstand in Ohm n =Emissionskoeffizient (ohne Einheit) tt =Laufzeit in Sekunden cjo =Null-Vorspannungs-Übergangskapazität in Farad vj =Sperrschichtpotential in Volt m =Bewertungskoeffizient (ohne Einheit) zB =Aktivierungsenergie in Elektronenvolt xti =Sättigungsstrom-Temperaturexponent (ohne Einheit) kf =Flickerrauschkoeffizient (ohne Einheit) af =Flickerrauschexponent (ohne Einheit) fc =Kapazitätskoeffizient der Vorwärtsspannung (ohne Einheit) bv =Sperrdurchbruchspannung in Volt ibv =Strom bei Durchbruchspannung in Ampere Kommentare: Der Modellname muss beginnen Sie mit einem Buchstaben, nicht mit einer Zahl. Wenn Sie beispielsweise ein Modell für eine 1N4003-Gleichrichtungsdiode angeben möchten, können Sie nicht „1n4003“ für den Modellnamen verwenden. Eine Alternative könnte stattdessen „m1n4003“ sein.

TRANSISTOREN, bipolarer Übergang – BJT

Allgemeine Form:q[Name] [Kollektor] [Basis] [Emitter] [Modell] Beispiel:q1 2 3 0 mod1 

BJT-TRANSISTORMODELLE:

Allgemeine Form:.model [Modellname] [npn oder pnp] [parmtr1=x] . . . Beispiel:.model mod1 pnp Beispiel:.model mod2 npn bf=75 is=1e-14 

Die oben gezeigten Modellbeispiele sind sehr unspezifisch. Um reale Transistoren genau zu modellieren, sind mehr Parameter erforderlich. Nehmen Sie diese beiden Beispiele für die beliebten Transistoren 2N2222 und 2N2907 (die „+ ”) Zeichen stellen Zeilenfortsetzungszeichen in SPICE dar, wenn Sie eine einzelne Zeile (Karte) in Ihrem Texteditor in zwei oder mehr separate Zeilen unterteilen möchten:

 Beispiel:.model m2n2222 npn is=19f bf=150 vaf=100 ikf=.18 + ise=50p ne=2.5 br=7.5 var=6.4 ikr=12m + isc=8.7p nc=1,2 rb=50 re =0.4 rc=0.4 cje=26p + tf=0.5n cjc=11p tr=7n xtb=1.5 kf=0.032f af=1 

Beispiel:.model m2n2907 pnp is=1,1p bf=200 nf=1,2 vaf=50 + ikf=0,1 ise=13p ne=1,9 br=6 rc=0,6 cje=23p + vje=0,85 mje=1,25 tf=0.5n cjc=19p vjc=0.5 + mjc=0.2 tr=34n xtb=1.5 

Parameterdefinitionen: ist =Transportsättigungsstrom in Ampere bf =ideale maximale Vorwärts-Beta (ohne Einheiten) nf =Durchlassstrom-Emissionskoeffizient (ohne Einheit) vaf =Vorwärts-Frühspannung in Volt ikf =Ecke für Vorwärts-Beta-Hochstrom-Rolloff in Ampere ise =B-E Sättigungsleckstrom in Ampere ne =B-E-Leck-Emissionskoeffizient (ohne Einheit) br =ideale maximale umgekehrte Beta (ohne Einheiten) nr =Rückstrom-Emissionskoeffizient (ohne Einheit) bar =Reverse Early Spannung in Volt ikr ikr =Ecke für umgekehrten Beta-Hochstrom-Rolloff in Ampere isc isc =Sättigungsleckstrom B-C in Ampere nc =B-C Leckage-Emissionskoeffizient (ohne Einheit) rb =Null-Bias-Basiswiderstand in Ohm irb =Strom für Basiswiderstand Halbwert in Ampere rbm =minimaler Basiswiderstand bei hohen Strömen in Ohm re =Emitterwiderstand in Ohm rc =Kollektorwiderstand in Ohm cje =B-E-Zero-Bias-Verarmungskapazität in Farad vje =B-E eingebautes Potential in Volt mje =Exponentialfaktor der B-E-Kreuzung (ohne Einheit) tf =ideale Vorwärtslaufzeit (Sekunden) xtf =Koeffizient für Bias-Abhängigkeit der Laufzeit (ohne Einheit) vtf =Abhängigkeit der BC-Spannung von der Laufzeit, in Volt itf =Einfluss des Hochstromparameters auf die Laufzeit, in Ampere ptf =Phasenüberschuss bei f=1/(Laufzeit)(2)(pi) Hz, in Grad cjc =BC-Zero-Bias-Verarmungskapazität in Farad vjc =B-C eingebautes Potential in Volt mjc =Exponentialfaktor des B-C-Übergangs (ohne Einheit) xjcj =BC-Verarmungskapazitätsanteil verbunden im Basisknoten (ohne Einheit) tr =ideale Rücklaufzeit in Sekunden cjs =Null-Bias-Kollektor-Substrat-Kapazität in Farad vjs =eingebautes Potential des Substratübergangs in Volt mjs =Exponentialfaktor des Substratübergangs (ohne Einheit) xtb =Vorwärts-/Rückwärts-Beta-Temperaturexponent zB =Energielücke für Temperatureinfluss auf den Transportsättigungsstrom in Elektronenvolt xti =Temperaturexponent für Einfluss auf den Transportsättigungsstrom (ohne Einheit) kf =Flickerrauschkoeffizient (ohne Einheit) af =Flickerrauschexponent (ohne Einheit) fc =Formelkoeffizient der Verarmungskapazität in Vorwärtsrichtung (ohne Einheit) Kommentare: Genau wie bei Dioden muss der Modellname für einen bestimmten Transistortyp muss beginnen Sie mit einem Buchstaben, nicht mit einer Zahl. Aus diesem Grund werden die oben aufgeführten Beispiele für die BJT-Typen 2N2222 und 2N2907 „m2n2222“ bzw. „q2n2907“ genannt. Wie Sie sehen, ermöglicht SPICE eine sehr detaillierte Spezifikation der Transistoreigenschaften. Viele der oben aufgeführten Eigenschaften gehen weit über den Umfang und das Interesse eines beginnenden Elektronikstudenten hinaus und sind nicht einmal nützlich, abgesehen von der Kenntnis der Gleichungen, die SPICE verwendet, um BJT-Transistoren zu modellieren. Für diejenigen, die mehr über Transistormodellierung in SPICE erfahren möchten, konsultieren Sie andere Bücher wie Andrei Vladimirescus The Spice Book (ISBN 0-471-60926-9).

JFET, Sperrschicht-Feldeffekttransistor

Allgemeine Form:j[name] [drain] [gate] [source] [model] Beispiel:j1 2 3 0 mod1 

JFET-TRANSISTORMODELLE:

Allgemeine Form:.model [Modellname] [njf oder pjf] [parmtr1=x] . . . Beispiel:.model mod1 pjf Beispiel:.model mod2 njf lambda=1e-5 pb=0.75 

Parameterdefinitionen: vto =Schwellenspannung in Volt Beta =Steilheitsparameter in Ampere/Volt ² Lambda =Modulationsparameter der Kanallänge in Einheiten von 1/Volt rd =Drainwiderstand in Ohm rs =Quellwiderstand in Ohm cgs =Null-Vorspannungs-G-S-Übergangskapazität in Farad cgd =Null-Bias-G-D-Übergangskapazität in Farad pb =Gate-Übergangspotential in Volt ist =Gate-Junction-Sättigungsstrom in Ampere kf =Flickerrauschkoeffizient (ohne Einheit) af =Flickerrauschexponent (ohne Einheit) fc =Verarmungskapazitätskoeffizient in Vorwärtsrichtung (ohne Einheit)

MOSFET, Transistor

Allgemeine Form:m[name] [drain] [gate] [source] [substrat] [model] Beispiel:m1 2 3 0 0 mod1 

MOSFET-TRANSISTORMODELLE:

Allgemeine Form:.model [Modellname] [nmos oder pmos] [parmtr1=x] . . . Beispiel:.model mod1 pmos Beispiel:.model mod2 nmos level=2 phi=0.65 rd=1.5 Beispiel:.model mod3 nmos vto=-1 (depletion) Beispiel:.model mod4 nmos vto=1 (enhancement) Beispiel:.model mod5 pmos vto=1 (Erschöpfung) Beispiel:.model mod6 pmos vto=-1 (Erweiterung) 

Kommentare: Um zwischen Anreicherungs- und Verarmungstransistoren (auch bekannt als Verarmungs-Verstärkungs-Modus) zu unterscheiden, wird der Modellparameter „vto ” (Zero-Bias-Schwellenspannung) muss angegeben werden. Der Standardwert ist null, aber ein positiver Wert (z. B. +1 Volt) bei einem P-Kanal-Transistor oder ein negativer Wert (-1 Volt) bei einem N-Kanal-Transistor gibt an, dass dieser Transistor eine Verarmung ist (auch bekannt als Depletion-Enhancement ) Modus Gerät. Umgekehrt spezifiziert ein negativer Wert bei einem P-Kanal-Transistor oder ein positiver Wert bei einem N-Kanal-Transistor diesen Transistor als Verstärkungsmodus Gerät. Denken Sie daran, dass Transistoren vom Anreicherungstyp selbstsperrende Geräte sind und durch Anlegen einer Gatespannung eingeschaltet werden müssen. Transistoren vom Verarmungstyp sind normalerweise „ein“, können aber durch die angelegte Gate-Spannung „abgeschnürt“ sowie auf größere Drainstrompegel angehoben werden, daher die alternative Bezeichnung „Verarmungsverstärkungs“-MOSFETs. Das „vto ” Parameter gibt die Schwellen-Gate-Spannung für die MOSFET-Leitung an.

Quellen

AC SINEWAVE SPANNUNGSQUELLEN (bei Verwendung einer .ac-Karte zur Angabe der Frequenz):

Allgemeine Form:v[name] [+node] [-node] ac [Spannung] [Phase] sin Beispiel 1:v1 1 0 ac 12 sin Beispiel 2:v1 1 0 ac 12 240 sin (12 V ∠ 240 
o
 ) 

Kommentare: Diese Methode zur Angabe von Wechselspannungsquellen funktioniert gut, wenn Sie mehrere Quellen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln verwenden, jedoch alle mit derselben Frequenz. Wenn Sie Quellen mit unterschiedlichen Frequenzen in derselben Schaltung angeben müssen, müssen Sie die nächste Methode verwenden! AC-SINUWELLENSPANNUNGSQUELLEN (wenn KEINE AC-Karte zur Frequenzangabe verwendet wird):

Allgemeine Form:v[name] [+node] [-node] sin([offset] [spannung] + [freq] [delay] [dämpfungsfaktor]) Beispiel 1:v1 1 0 sin(0 12 60 0 0) 

Parameterdefinitionen:Offset =DC-Vorspannung, die die AC-Wellenform um eine angegebene Spannung versetzt. Spannung =Spitzen- oder Spitzenwert der Wechselspannung für die Wellenform. Häufigkeit =Frequenz in Hertz. Verspätung =Zeitverzögerung oder Phasenverschiebung für die Wellenform in Sekunden. Dämpfungsfaktor =eine Zahl, die verwendet wird, um Wellenformen mit abnehmender Amplitude zu erzeugen. Kommentare: Diese Methode zur Angabe von Wechselspannungsquellen funktioniert gut, wenn Sie mehrere Quellen mit unterschiedlichen Frequenzen verwenden. Die Darstellung der Phasenverschiebung ist jedoch schwierig und erfordert die Verwendung der Verzögerung Faktor. DC-SPANNUNGSQUELLEN (bei Verwendung einer DC-Karte zur Spannungsangabe):

Allgemeine Form:v[name] [+node] [-node] dc Beispiel 1:v1 1 0 dc 

Kommentare: Wenn Sie SPICE-Ausgangsspannungen nicht haben möchten in Bezug auf Knoten 0 müssen Sie die .dc . verwenden Analyseoption, und um diese Option zu verwenden, müssen Sie mindestens eine Ihrer DC-Quellen auf diese Weise angeben. DC-SPANNUNGSQUELLEN (wenn KEINE DC-Karte zur Spannungsangabe verwendet wird):

Allgemeine Form:v[name] [+node] [-node] dc [Spannung] Beispiel 1:v1 1 0 dc 12 

Kommentare: Nichts nennenswertes hier! IMPULSSPANNUNGSQUELLEN

Allgemeine Form:v[name] [+node] [-node] pulse ([ i ] [p] [td] [tr] + [tf] [pw] [pd]) 

Parameterdefinitionen: ich =Anfangswert p =Impulswert td =Verzögerungszeit (alle Zeitparameter in Einheiten von Sekunden) tr =Anstiegszeit tf =Fallzeit pw =Pulsbreite pd =Periode

Beispiel 1:v1 1 0 Impuls (-3 3 0 0 0 10m 20m) 

Kommentare: Beispiel 1 ist eine perfekte Rechteckwelle, die zwischen -3 und +3 Volt schwingt, mit Null-Anstiegs- und Abfallzeiten, einer 20-Millisekunden-Periode und einem 50-Prozent-Tastverhältnis (+3 Volt für 10 ms, dann -3 Volt für 10 ms). . AC SINEWAVE STROMQUELLEN (bei Verwendung einer .ac-Karte zur Angabe der Frequenz):

Allgemeine Form:i[name] [+node] [-node] ac [current] [phase] sin Beispiel 1:i1 1 0 ac 3 sin (3 Ampere) Beispiel 2:i1 1 0 ac 1m 240 sin ( 1 mA 240
o
 ) 

Kommentare: Hier (und im nächsten Beispiel) gelten die gleichen Anmerkungen wie bei Wechselspannungsquellen. AC SINEWAVE STROMQUELLEN (wenn KEINE .ac-Karte zur Angabe der Frequenz verwendet wird):

Allgemeine Form:i[name] [+node] [-node] sin([offset] + [current] [freq] 0 0) Beispiel 1:i1 1 0 sin(0 1,5 60 0 0) 

Gleichstromquellen (bei Verwendung einer DC-Karte zur Angabe des Stroms):

Allgemeine Form:i[name] [+node] [-node] dc Beispiel 1:i1 1 0 dc 

Gleichstromquellen (wenn KEINE DC-Karte verwendet wird, um den Strom anzugeben):

Allgemeine Form:i[name] [+node] [-node] dc [current] Beispiel 1:i1 1 0 dc 12 

Kommentare: Obwohl alle Bücher sagen, dass der erste für die Gleichstromquelle angegebene Knoten der positive Knoten ist, habe ich dies in der Praxis nicht gefunden. Tatsächlich drückt eine Gleichstromquelle in SPICE den Strom in die gleiche Richtung wie eine Spannungsquelle (Batterie) mit ihrem negativ Knoten zuerst angegeben. IMPULSSTROMQUELLEN

Allgemeine Form:i[name] [+node] [-node] pulse ([i] [p] [td] [tr] + [tf] [pw] [pd]) 

Parameterdefinitionen: ich =Anfangswert p =Impulswert td =Verzögerungszeit tr =Anstiegszeit tf =Fallzeit pw =Pulsbreite pd =Periode

Beispiel 1:i1 1 0 Impuls (-3m 3m 0 0 0 17m 34m) 

Kommentare: Beispiel 1 ist eine perfekte Rechteckwelle, die zwischen -3 mA und +3 mA schwingt, mit Null-Anstiegs- und Abfallzeiten, einer 34-Millisekunden-Periode und einem 50-Prozent-Tastverhältnis (+3 mA für 17 ms, dann -3 mA für 17 ms ). SPANNUNGSQUELLEN (abhängig):

Allgemeine Form:e[name] [out+node] [out-node] [in+node] [in-node] + [gain] Beispiel 1:e1 2 0 1 2 999k 

Kommentare: Abhängige Spannungsquellen eignen sich hervorragend zur Simulation von Operationsverstärkern. Beispiel 1 zeigt, wie eine solche Quelle für die Verwendung als Spannungsfolger konfiguriert wäre, wobei der invertierende Eingang mit dem Ausgang (Knoten 2) für die negative Rückkopplung verbunden ist und der nicht invertierende Eingang an Knoten 1 ankommt. Die Verstärkung wurde auf einen beliebig hohen Wert eingestellt von 999.000. Aber Vorsicht:SPICE erkennt den Eingang einer abhängigen Quelle nicht als Last, daher wird eine Spannungsquelle, die nur mit dem Eingang einer unabhängigen Spannungsquelle verbunden ist, als „offen“ interpretiert. Weitere Informationen hierzu finden Sie in den Beispielen für Operationsverstärker-Schaltungen. AKTUELLE QUELLEN (abhängig):