Circuitcomponenten

Onthoud dat deze tutorial op geen enkele manier volledig is en dat alle beschrijvingen voor elementen in de SPICE-taal hier in verkorte vorm worden gedocumenteerd. SPICE is een zeer capabel stuk software met veel opties, en ik ga er maar een paar documenteren. Alle componenten in een SPICE-bronbestand worden voornamelijk geïdentificeerd door de eerste letter in elke respectieve regel. Tekens die volgen op de identificerende letter worden gebruikt om de ene component van een bepaald type te onderscheiden van een andere van hetzelfde type (r1, r2, r3, rload, rpullup, enz.), en hoeven geen specifieke naamgevingsconventie te volgen, zolang er niet meer dan acht tekens worden gebruikt in zowel de componentidentificatieletter als de onderscheidende naam. Stel dat u een digitaal circuit simuleert met "pullup" en "pulldown" -weerstanden. De naam rpullup zou geldig zijn omdat het zeven tekens lang is. De naam rpulldown , is echter negen tekens lang. Dit kan problemen veroorzaken wanneer SPICE de netlijst interpreteert. U kunt eigenlijk wegkomen met componentnamen van meer dan acht tekens in totaal als er geen andere gelijknamige componenten in het bronbestand staan. SPICE let alleen op de eerste acht tekens van het eerste veld in elke regel, dus rpulldown wordt eigenlijk geïnterpreteerd als rpulldow waarbij de "n" aan het einde wordt genegeerd. Daarom zal elke andere weerstand met de eerste acht tekens in het eerste veld door SPICE worden gezien als dezelfde weerstand, tweemaal gedefinieerd, wat een fout zal veroorzaken (d.w.z. rpulldown1 en rpulldown2 zou worden geïnterpreteerd als dezelfde naam, rpulldow ). Er moet ook worden opgemerkt dat SPICE hoofdletters negeert, dus r1 en R1 worden door SPICE als één en hetzelfde geïnterpreteerd. SPICE maakt het gebruik van metrische voorvoegsels mogelijk bij het specificeren van componentwaarden, wat een erg handige functie is. De voorvoegselconventie die door SPICE wordt gebruikt, verschilt echter enigszins van standaard metrische symbolen, voornamelijk vanwege het feit dat netlijsten beperkt zijn tot standaard ASCII-tekens (waarbij Griekse letters zoals µ voor het voorvoegsel "micro" worden uitgesloten) en dat SPICE niet hoofdlettergevoelig is , dus "m" (het standaardsymbool voor "milli") en "M" (het standaardsymbool voor "Mega") worden identiek geïnterpreteerd. Hier zijn een paar voorbeelden van voorvoegsels die worden gebruikt in SPICE-netlijsten:r1 1 0 2t (Weerstand R₁ , 2t =2 Tera-ohm =2 TΩ) r2 1 0 4g (Weerstand R₂ , 4g =4 Giga-ohm =4 GΩ) r3 1 0 47meg (Weerstand R₃ , 47meg =47 Mega-ohm =47 MΩ) r4 1 0 3.3k (Weerstand R₄ , 3,3k =3,3 kilo-ohm =3,3 kΩ) r5 1 0 55m (Weerstand R₅ , 55m =55 milli-ohm =55 mΩ) r6 1 0 10u (Weerstand R₆ , 10u =10 micro-ohm 10 µΩ) r7 1 0 30n (Weerstand R₇ , 30n =30 nano-ohm =30 nΩ) r8 1 0 5p (Weerstand R₈ , 5p =5 pico-ohm =5 pΩ) r9 1 0 250f (Weerstand R₉ , 250f =250 femto-ohms =250 fΩ) Wetenschappelijke notatie is ook toegestaan ​​bij het specificeren van componentwaarden. Bijvoorbeeld:r10 1 0 4.7e3 (Weerstand R₁₀ , 4.7e3 =4.7 x 10 ³ ohm =4,7 kilo-ohm =4,7 kΩ) r11 1 0 1e-12 (Weerstand R₁₁ , 1e-12 =1 x 10 ^-12 ohm =1 pico-ohm =1 pΩ) De eenheid (ohm, volt, farads, henrys, enz.) wordt automatisch bepaald door het type component dat wordt gespecificeerd. SPICE "weet" dat alle bovenstaande voorbeelden "ohms" zijn omdat het allemaal weerstanden zijn (r1, r2, r3, ...). Als het condensatoren waren, zouden de waarden worden geïnterpreteerd als "farads", als inductoren, dan "henrys", enz.

Passieve componenten

CONDENSATOREN

Algemene vorm:c[naam] [knooppunt1] [knooppunt2] [waarde] ic=[beginspanning] Voorbeeld 1:c1 12 33 10u Voorbeeld 2:c1 12 33 10u ic=3.5 

Opmerkingen: De “beginvoorwaarde” (ic= ) variabel is de spanning van de condensator in eenheden van volt aan het begin van de DC-analyse. Het is een optionele waarde, waarbij wordt aangenomen dat de startspanning nul is indien niet gespecificeerd. Startstroomwaarden voor condensatoren worden alleen door SPICE geïnterpreteerd als de .tran analyse-optie wordt aangeroepen (met de “uic ” optie).

INDUCTOREN

Algemene vorm:l[naam] [knooppunt1] [knooppunt2] [waarde] ic=[beginstroom] Voorbeeld 1:l1 12 33 133m Voorbeeld 2:l1 12 33 133m ic=12.7m 

Opmerkingen: De “beginvoorwaarde” (ic= ) variabel is de stroom van de spoel in eenheden van ampère aan het begin van de DC-analyse. Het is een optionele waarde, waarbij wordt aangenomen dat de startstroom nul is indien niet gespecificeerd. Startstroomwaarden voor inductoren worden alleen door SPICE geïnterpreteerd als de .tran-analyseoptie wordt aangeroepen.

INDUCTORKOPPELING (transformatoren)

Algemene vorm:k[naam] l[naam] l[naam] [koppelingsfactor] Voorbeeld 1:k1 l1 l2 0.999 

Opmerkingen: SPICE staat alleen koppelingsfactorwaarden toe tussen 0 en 1 (niet-inclusief), waarbij 0 staat voor geen koppeling en 1 voor perfecte koppeling. De volgorde van het specificeren van gekoppelde inductoren (l1, l2 of l2, l1) is niet relevant.

WEERSTANDEN

Algemene vorm:r[naam] [knooppunt1] [knooppunt2] [waarde] Voorbeeld:rload 23 15 3.3k 

Opmerkingen: In het geval dat je je afvroeg, is er geen verklaring van de vermogensdissipatie van de weerstand in SPICE. Alle componenten worden verondersteld onverwoestbaar te zijn. Was het echte leven maar zo vergevingsgezind!

Actieve componenten

Alle halfgeleidercomponenten moeten hun elektrische eigenschappen hebben beschreven in een regel die begint met het woord ".model ”, die SPICE precies vertelt hoe het apparaat zich zal gedragen. Welke parameters dan ook niet expliciet zijn gedefinieerd in het .model kaart wordt standaard ingesteld op waarden die voorgeprogrammeerd zijn in SPICE. Het .model kaart moet worden opgenomen, en geef ten minste de modelnaam en het apparaattype op (d, npn, pnp, njf, pjf, nmos of pmos).

DIODES

Algemene vorm:d[naam] [anode] [kathode] [model] Voorbeeld:d1 1 2 mod1 

DIODEMODELLEN:

Algemene vorm:.model [modelnaam] d [parmtr1=x] [parmtr2=x] . . . Voorbeeld:.model mod1 d Voorbeeld:.model mod2 d vj=0.65 rs=1,3 

diodeparameter

Parameterdefinities: is =verzadigingsstroom in ampère rs =junctieweerstand in ohm n =emissiecoëfficiënt (eenheidloos) tt =transittijd in seconden cjo =nul-bias junctiecapaciteit in farads vj =junctiepotentiaal in volt m =indelingscoëfficiënt (eenheidloos) bijv. =activeringsenergie in elektronvolt xti =verzadigingsstroom temperatuur exponent (eenheidloos) kf =flikkerruiscoëfficiënt (eenheidloos) af =flikkerruis exponent (eenheidloos) fc =forward-bias uitputtingscapaciteitscoëfficiënt (eenheidloos) bv =omgekeerde doorslagspanning in volt ibv =stroom bij doorslagspanning in ampère Opmerkingen: De modelnaam moet beginnen met een letter, niet met een cijfer. Als u bijvoorbeeld een model wilt specificeren voor een 1N4003-gelijkrichtdiode, kunt u "1n4003" niet gebruiken voor de modelnaam. Een alternatief kan in plaats daarvan "m1n4003" zijn.

TRANSISTORS, bipolaire kruising—BJT

Algemene vorm:q[naam] [collector] [base] [emitter] [model] Voorbeeld:q1 2 3 0 mod1 

BJT TRANSISTOR-MODELLEN:

Algemene vorm:.model [modelnaam] [npn of pnp] [parmtr1=x] . . . Voorbeeld:.model mod1 pnp Voorbeeld:.model mod2 npn bf=75 is=1e-14 

De hierboven getoonde modelvoorbeelden zijn zeer niet-specifiek. Om real-life transistors nauwkeurig te modelleren, zijn meer parameters nodig. Neem deze twee voorbeelden, voor de populaire 2N2222 en 2N2907 transistors (de “+ ”) tekens vertegenwoordigen lijn-vervolgtekens in SPICE, wanneer u een enkele regel (kaart) in twee of meer afzonderlijke regels in uw teksteditor wilt splitsen:

 Voorbeeld:.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 

Voorbeeld:.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 

Parameterdefinities: is =transportverzadigingsstroom in ampère bf =ideale maximale voorwaartse bèta (eenheidloos) nf =voorwaartse huidige emissiecoëfficiënt (eenheidloos) vaf =voorwaartse vroege spanning in volt ikf =hoek voor voorwaartse Beta high-current rolloff in ampères ise =B-E lekverzadigingsstroom in ampère ne =B-E lekkemissiecoëfficiënt (eenheidloos) br =ideale maximale omgekeerde bèta (unitless) nr =tegenstroom emissiecoëfficiënt (eenheidloos) bar =omgekeerde Vroege spanning in volt ikr ikr =hoek voor omgekeerde Beta high-current rolloff in ampère isc isc =BC lekkageverzadigingsstroom in ampère nc =B-C lekkemissiecoëfficiënt (eenheidloos) rb =nul bias basisweerstand in ohm irb =stroom voor basisweerstand halverwege waarde in ampère rbm =minimale basisweerstand bij hoge stromen in ohm re =emitterweerstand in ohm rc =collectorweerstand in ohm cje =B-E nul-bias uitputtingscapaciteit in farads vje =B-E ingebouwde potentiaal in volt mje =B-E junctie exponentiële factor (eenheidsloos) tf =ideale transittijd voorwaarts (seconden) xtf =coëfficiënt voor bias-afhankelijkheid van transittijd (eenheidloos) vtf =B-C spanningsafhankelijkheid van looptijd, in volt itf =hoge stroom parameter effect op looptijd, in ampère ptf =overtollige fase bij f=1/(transittijd)(2)(pi) Hz, in graden cjc =BC nul-bias uitputtingscapaciteit in farads vjc =BC ingebouwd potentiaal in volt mjc =B-C junctie exponentiële factor (eenheidsloos) xjcj =B-C uitputtingscapaciteitsfractie aangesloten in basisknooppunt (eenheidloos) tr =ideale omgekeerde transittijd in seconden cjs =nul-bias collector-substraatcapaciteit in farads vjs =substraat junction ingebouwde potentiaal in volt mjs =exponentiële factor substraatjunctie (eenheidsloos) xtb =vooruit/achteruit Beta temperatuur exponent bijv. =energiekloof voor temperatuureffect op transportverzadigingsstroom in elektronvolt xti =temperatuurexponent voor effect op transportverzadigingsstroom (eenheidloos) kf =flikkerruiscoëfficiënt (eenheidloos) af =flikkerruis exponent (eenheidloos) fc =Forward-bias uitputtingscapaciteit formulecoëfficiënt (eenheidsloos) Opmerkingen: Net als bij diodes, moet de modelnaam voor een bepaald type transistor moeten beginnen met een letter, niet met een cijfer. Daarom worden de hierboven gegeven voorbeelden voor de 2N2222- en 2N2907-types BJT's respectievelijk "m2n2222" en "q2n2907" genoemd. Zoals u kunt zien, maakt SPICE een zeer gedetailleerde specificatie van transistoreigenschappen mogelijk. Veel van de hierboven genoemde eigenschappen vallen ver buiten het bereik en de interesse van de beginnende elektronicastudent, en zijn niet eens nuttig, afgezien van het kennen van de vergelijkingen die SPICE gebruikt om BJT-transistoren te modelleren. Voor diegenen die meer willen weten over transistormodellering in SPICE, raadpleeg andere boeken, zoals Andrei Vladimirescu's The Spice Book (ISBN 0-471-60926-9).

JFET, junctie veldeffecttransistor

Algemene vorm:j[naam] [afvoer] [poort] [bron] [model] Voorbeeld:j1 2 3 0 mod1 

JFET TRANSISTORMODELLEN:

Algemene vorm:.model [modelnaam] [njf of pjf] [parmtr1=x] . . . Voorbeeld:.model mod1 pjf Voorbeeld:.model mod2 njf lambda=1e-5 pb=0.75 

Parameterdefinities: vto =drempelspanning in volt bèta =transconductantieparameter in ampère/volt ² lambda =kanaallengte modulatieparameter in eenheden van 1/volt rd =afvoerweerstand in ohm rs =bronweerstand in ohm cgs =nul-bias GS-junctiecapaciteit in farads cgd =nul-bias G-D-junctiecapaciteit in farads pb =poortovergangspotentiaal in volt is =gate junction verzadigingsstroom in ampère kf =flikkerruiscoëfficiënt (eenheidloos) af =flikkerruis exponent (eenheidloos) fc =uitputtingscapaciteitscoëfficiënt voorwaartse bias (eenheidsloos)

MOSFET, transistor

Algemene vorm:m[naam] [afvoer] [poort] [bron] [substraat] [model] Voorbeeld:m1 2 3 0 0 mod1 

MOSFET TRANSISTORMODELLEN:

Algemene vorm:.model [modelnaam] [nmos of pmos] [parmtr1=x] . . . Voorbeeld:.model mod1 pmos Voorbeeld:.model mod2 nmos level=2 phi=0.65 rd=1.5 Voorbeeld:.model mod3 nmos vto=-1 (uitputting) Voorbeeld:.model mod4 nmos vto=1 (verbetering) Voorbeeld:.model mod5 pmos vto=1 (uitputting) Voorbeeld:.model mod6 pmos vto=-1 (verbetering) 

Opmerkingen: Om onderscheid te maken tussen enhancement-mode en depletion-mode (ook bekend als depletion-enhancement-mode) transistors, is de modelparameter “vto ” (zero-bias drempelspanning) moet worden gespecificeerd. De standaardwaarde is nul, maar een positieve waarde (+1 volt, bijvoorbeeld) op een P-kanaaltransistor of een negatieve waarde (-1 volt) op een N-kanaaltransistor geeft aan dat die transistor een uitputting is (ook wel bekend als depletion-enhancement ) modus apparaat. Omgekeerd zal een negatieve waarde op een P-kanaaltransistor of een positieve waarde op een N-kanaaltransistor specificeren dat die transistor een verbeteringsmodus is apparaat. Houd er rekening mee dat transistors in de verbeteringsmodus normaal gesproken uitgeschakelde apparaten zijn en moeten worden ingeschakeld door het aanleggen van poortspanning. Transistors in de uitputtingsmodus zijn normaal gesproken "aan", maar kunnen worden "afgeknepen" en verbeterd tot hogere niveaus van afvoerstroom door aangelegde poortspanning, vandaar de alternatieve aanduiding van "uitputtingsverbeterende" MOSFET's. De “vto ” parameter specificeert de drempel poortspanning voor MOSFET geleiding.

Bronnen

AC SINEWAVE SPANNINGSBRONNEN (bij gebruik van .ac-kaart om frequentie op te geven):

Algemene vorm:v[naam] [+knooppunt] [-knooppunt] ac [spanning] [fase] sin Voorbeeld 1:v1 1 0 ac 12 sin Voorbeeld 2:v1 1 0 ac 12 240 sin (12 V ∠ 240 
o
 ) 

Opmerkingen: Deze methode voor het specificeren van wisselspanningsbronnen werkt goed als u meerdere bronnen met verschillende fasehoeken van elkaar gebruikt, maar allemaal met dezelfde frequentie. Als u bronnen op verschillende frequenties in hetzelfde circuit moet specificeren, moet u de volgende methode gebruiken! AC SINEWAVE SPANNINGSBRONNEN (wanneer GEEN .ac-kaart gebruikt om de frequentie op te geven):

Algemene vorm:v[naam] [+knooppunt] [-knooppunt] sin([offset] [spanning] + [freq] [vertraging] [dempingsfactor]) Voorbeeld 1:v1 1 0 sin(0 12 60 0 0) 

Parameterdefinities:offset =DC-voorspanning, waarbij de AC-golfvorm wordt gecompenseerd door een gespecificeerde spanning. spanning =piek, of top, AC-spanningswaarde voor de golfvorm. frequentie =frequentie in Hertz. vertraging =tijdvertraging, of faseverschuiving voor de golfvorm, in seconden. dempingsfactor =een cijfer dat wordt gebruikt om golfvormen met afnemende amplitude te creëren. Opmerkingen: Deze methode voor het specificeren van wisselspanningsbronnen werkt goed als u meerdere bronnen op verschillende frequenties van elkaar gebruikt. Het weergeven van faseverschuiving is echter lastig en vereist het gebruik van de vertraging factor. DC-SPANNINGSBRONNEN (bij gebruik van .dc-kaart om spanning te specificeren):

Algemene vorm:v[name] [+node] [-node] dc Voorbeeld 1:v1 1 0 dc 

Opmerkingen: Als u SPICE-uitgangsspanningen wilt hebben niet met verwijzing naar knooppunt 0, moet u de .dc . gebruiken analyseoptie, en om deze optie te gebruiken, moet u op deze manier ten minste één van uw DC-bronnen specificeren. DC-SPANNINGSBRONNEN (wanneer GEEN .dc-kaart gebruikt om de spanning te specificeren):

Algemene vorm:v[name] [+node] [-node] dc [voltage] Voorbeeld 1:v1 1 0 dc 12 

Opmerkingen: Niets noemenswaardigs hier! PULSSPANNINGSBRONNEN

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

Parameterdefinities: ik =beginwaarde p =pulswaarde td =vertragingstijd (alle tijdparameters in eenheden van seconden) tr =stijgtijd tf =herfsttijd pw =pulsbreedte pd =periode

Voorbeeld 1:v1 1 0 puls (-3 3 0 0 0 10m 20m) 

Opmerkingen: Voorbeeld 1 is een perfecte blokgolf die oscilleert tussen -3 en +3 volt, met nul stijg- en daaltijden, een periode van 20 milliseconden en een inschakelduur van 50 procent (+3 volt voor 10 ms, dan -3 volt voor 10 ms) . AC SINEWAVE HUIDIGE BRONNEN (bij gebruik van .ac-kaart om frequentie op te geven):

Algemene vorm:i[name] [+node] [-node] ac [current] [phase] sin Voorbeeld 1:i1 1 0 ac 3 sin (3 ampère) Voorbeeld 2:i1 1 0 ac 1m 240 sin ( 1 mA ∠ 240
o
 ) 

Opmerkingen: Hier (en in het volgende voorbeeld) gelden dezelfde opmerkingen als voor wisselspanningsbronnen. AC SINEWAVE HUIDIGE BRONNEN (wanneer GEEN .ac-kaart gebruikt om de frequentie op te geven):

Algemene vorm:i[name] [+node] [-node] sin([offset] + [current] [freq] 0 0) Voorbeeld 1:i1 1 0 sin(0 1.5 60 0 0) 

DC STROOMBRONNEN (bij gebruik van .dc-kaart om stroom te specificeren):

Algemene vorm:i[name] [+node] [-node] dc Voorbeeld 1:i1 1 0 dc 

DC STROOMBRONNEN (wanneer GEEN .dc-kaart gebruikt om stroom te specificeren):

Algemene vorm:i[name] [+node] [-node] dc [current] Voorbeeld 1:i1 1 0 dc 12 

Opmerkingen: Hoewel de boeken allemaal zeggen dat het eerste knooppunt voor de DC-stroombron het positieve knooppunt is, is dat niet wat ik in de praktijk heb gevonden. In werkelijkheid duwt een gelijkstroombron in SPICE de stroom in dezelfde richting als een spanningsbron (batterij) zou doen met zijn negatieve knooppunt eerst opgegeven. PULSE STROOMBRONNEN

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

Parameterdefinities: ik =beginwaarde p =pulswaarde td =vertragingstijd tr =stijgtijd tf =herfsttijd pw =pulsbreedte pd =periode

Voorbeeld 1:i1 1 0 puls (-3m 3m 0 0 0 17m 34m) 

Opmerkingen: Voorbeeld 1 is een perfecte blokgolf die oscilleert tussen -3 mA en +3 mA, met nul stijg- en daaltijden, een periode van 34 milliseconden en een inschakelduur van 50 procent (+3 mA voor 17 ms, dan -3 mA voor 17 ms ). SPANNINGSBRONNEN (afhankelijk):

Algemene vorm:e[name] [out+node] [out-node] [in+node] [in-node] + [gain] Voorbeeld 1:e1 2 0 1 2 999k 

Opmerkingen: Afhankelijke spanningsbronnen zijn geweldig om te gebruiken voor het simuleren van operationele versterkers. Voorbeeld 1 laat zien hoe een dergelijke bron zou worden geconfigureerd voor gebruik als een spanningsvolger, inverterende ingang aangesloten op uitgang (knooppunt 2) voor negatieve feedback, en de niet-inverterende ingang die binnenkomt op knooppunt 1. De versterking is ingesteld op een willekeurig hoge waarde van 999.000. Een woord van waarschuwing:SPICE herkent de ingang van een afhankelijke bron niet als een belasting, dus een spanningsbron die alleen is gekoppeld aan de ingang van een onafhankelijke spanningsbron, wordt geïnterpreteerd als "open". Zie voorbeelden van opamp-circuits voor meer informatie hierover. HUIDIGE BRONNEN (afhankelijk):