QSPICE模擬仿真：導(dǎo)入電子元件的外部模型

在本文中，我們將了解如何使用 QSPICE 導(dǎo)入第三方模型。此操作非常有用，因?yàn)槭袌?chǎng)上現(xiàn)有的模型很多，軟件無(wú)法全部包含。QSPICE 允許用戶(hù)通過(guò)極其簡(jiǎn)單有效的程序?qū)胪獠磕Ｐ汀?

導(dǎo)入模型

第一個(gè)操作是將所需組件的模型以文本格式提供。通常，它們的聲明以后綴“.model”開(kāi)頭，并指定標(biāo)準(zhǔn) SPICE 模型。在互聯(lián)網(wǎng)上或檔案中找到模型后，只需選擇文本模型并使用 [CTRL][C] 組合鍵將其復(fù)制到剪貼板即可。然后，在仿真軟件的電氣圖上方，使用 [CTRL][V] 組合鍵復(fù)制組件。例如，假設(shè)您要?jiǎng)?chuàng)建包含 BC547 NPN 晶體管的電氣圖。在線搜索并找到它后，用鼠標(biāo)選擇其整個(gè)定義并將其復(fù)制到剪貼板中，如圖 1 所示。QSPICE 用于導(dǎo)入外部電子元件的程序可能是所有模擬器中最簡(jiǎn)單的程序之一。

圖 1：從互聯(lián)網(wǎng)上選擇 SPICE 模型

在這種情況下，BC547 晶體管的模型由以下 SPICE 指令定義：

.model BC547 NPN( Vtf=1.7 Cjc=7.306p Nc=2 Tr=46.91n Ne=1.307

+ Cje=22.01p Isc=0 Xtb=1.5 Rb=10 Rc=1

+ Tf=411.1p Xti=3 Ikr=0 Bf=400 Fc=.5

+ Ise=14.34f Br=6.092 Ikf=.2847 Mje=.377 Mjc=.3416

+ Vaf=74.03 Vjc=.75 Vje=.75 Xtf=3 Itf=.6

+ Is=14.34f Eg=1.11 )選擇并復(fù)制包含模型的文本后，您需要將自己定位在 QSPICE 電氣圖上，然后按 [CTRL][V] 鍵粘貼剪貼板的內(nèi)容。該軟件會(huì)智能地啟動(dòng)組件的自動(dòng)生成過(guò)程，理解文本的內(nèi)容，并如圖 2 所示，根據(jù)以下兩種不同場(chǎng)景要求確認(rèn)內(nèi)容類(lèi)型：

1. 如果用戶(hù)回答“否”，則文本將作為普通字符串內(nèi)容放置在電氣圖上。

2. 如果用戶(hù)回答“是”，則該模型將作為晶體管以正確的電氣符號(hào)放置在電氣圖上。

圖 2：外部組件自動(dòng)導(dǎo)入 QSPICE

盡管易于實(shí)現(xiàn)，但該程序以其令人驚訝的簡(jiǎn)單性而脫穎而出，但至關(guān)重要的是該軟件能夠根據(jù)模型描述自動(dòng)識(shí)別組件的類(lèi)型。 程序獨(dú)立使用相應(yīng)的電氣符號(hào)，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程并確保電路原理圖表示的準(zhǔn)確性更高。 這一創(chuàng)新功能不僅簡(jiǎn)化了工作流程，而且還促進(jìn)了新組件的集成，促進(jìn)了更高效、更易于訪問(wèn)的設(shè)計(jì)環(huán)境。 因此，導(dǎo)入模型只需幾秒鐘，并確保了極高的程序可靠性。 圖 3 顯示了使用新導(dǎo)入的 BC547 晶體管創(chuàng)建的簡(jiǎn)單共射放大器的示意圖。 在同一圖中，有兩個(gè)與放大器的輸入和輸出信號(hào)相關(guān)的波形圖。

圖 3：包含從外部模型導(dǎo)入的 BC547 的晶體管放大器

電氣圖中導(dǎo)入并顯示的所有半導(dǎo)體元件都引用“模型”指令，其中指定了定義元件本身特性的參數(shù)值。該指令指定了元件的類(lèi)型(二極管、雙極晶體管等)。最重要的模型類(lèi)型如下：

· D: diode

· NPN: BJT npn

· PNP: BJT pnp

· NMOS: n-mosfet

· PMOS: p-mosfet

· NJF: n-jfet

· PJF: p-jfet

上述過(guò)程指的是導(dǎo)入使用“.model”指令定義的組件。在這種情況下，原生建模允許程序選擇要在電氣圖中使用的正確符號(hào)，并保證 100% 成功。

如何導(dǎo)入子電路(SUBCKT)

導(dǎo)入用“.subckt”指令標(biāo)記的子電路并不像以前的原生模型那么簡(jiǎn)單。對(duì)于要顯示的符號(hào)，該過(guò)程并不是那么自動(dòng)化，但導(dǎo)入封裝在單個(gè)容器中的非常復(fù)雜的電路的優(yōu)勢(shì)無(wú)疑是有用的。假設(shè)您導(dǎo)入 TL081 運(yùn)算放大器，其 SPICE 模型如下所示。它是一個(gè) 8 引腳集成電路，包含一個(gè)低功耗、低噪聲運(yùn)算放大器。它專(zhuān)為放大器、高通和低通濾波器、極低頻帶通濾波器和模擬加法器等通用應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并且可以配置為單位增益緩沖器。

* CONNECTIONS: NON-INVERTING INPUT

* | INVERTING INPUT

* | | POSITIVE POWER SUPPLY

* | | | NEGATIVE POWER SUPPLY

* | | | | OUTPUT

* | | | | |

* | | | | |

*.SUBCKT OPAMP 1 2 3 4 5

* …netlist…

*.ENDS OPAMP

.SUBCKT TL081_MC 1 2 3 4 5

*

c1 11 12 2.887E-12

c2 6 7 11.50E-12

dc 5 53 dx

de 54 5 dx

dlp 90 91 dx

dln 92 90 dx

dp 4 3 dx

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

fb 7 99 poly(5) vb vc ve vlp vln 0 11.94E6

+ -10E6 10E6 10E6 -10E6

ga 6 0 11 12 251.3E-6

gcm 0 6 10 99 2.513E-9

iss 3 10 dc 130.0E-6

hlim 90 0 vlim 1K

j1 11 2 10 jx

j2 12 1 10 jx

r2 6 9 100.0E3

rd1 4 11 3.979E3

rd2 4 12 3.979E3

ro1 8 5 35

ro2 7 99 35

rp 3 4 21.43E3

rss 10 99 1.538E6

vb 9 0 dc 0

vc 3 53 dc 1.6

ve 54 4 dc 1.6

vlim 7 8 dc 0

vlp 91 0 dc 20

vln 0 92 dc 20

.model dx D(Is=800.0E-18)

.model jx PJF(Is=15.00E-12 Beta=485.9E-6

+ Vto=-1)

.ends與原生模型一樣，只需選擇整個(gè)列表并將其粘貼到電氣圖上即可。QSPICE 無(wú)法知道組件的性質(zhì)，因此它將以一個(gè)簡(jiǎn)單的矩形顯示，如圖 4 所示。值得注意的是，軟件會(huì)自動(dòng)在組件的屬性中插入“X”符號(hào)，證明它是一個(gè)子電路。因此，要了解組件端子的含義和功能，必須查閱模型的第一部分。

* CONNECTIONS: NON-INVERTING INPUT

* | INVERTING INPUT

* | | POSITIVE POWER SUPPLY

* | | | NEGATIVE POWER SUPPLY

* | | | | OUTPUT

* | | | | |

* | | | | |

*.SUBCKT OPAMP 1 2 3 4 5

該文件的開(kāi)頭很容易解釋運(yùn)算放大器五個(gè)端子的作用，如下所示：

· 1：同相輸入

· 2：反相輸入

· 3：電源正極

· 4：負(fù)電源

· 5：輸出

您可以使用鼠標(biāo)將端子的紅點(diǎn)移動(dòng)到相應(yīng)的側(cè)面，從而稍微改善組件的外觀。絕對(duì)不能更改端子的名稱(chēng)，否則模型將不再起作用。該圖顯示了小型電壓放大器的電路圖，其增益約為五倍，由電阻器 R3 和 R1 之間的比率決定。

圖4：運(yùn)放TL081的輸入與相關(guān)反相放大器電路

修正 OPAMP 電氣符號(hào)

之前的電路工作得很好，但用矩形表示運(yùn)算放大器這一事實(shí)是不可接受的?，F(xiàn)在讓我們看看如何用三角形(一種適合表示運(yùn)算放大器的幾何形狀)替換矩形符號(hào)。要執(zhí)行的第一個(gè)操作是使用鼠標(biāo)或鍵盤(pán)訪問(wèn)文件、新符號(hào)菜單。圖形編輯器將打開(kāi)，您只需復(fù)制和粘貼電氣圖 (X1) 的運(yùn)算放大器組件即可。圖 5 清楚地顯示了要遵循的不同步驟。因此，使用“Delete”鍵刪除黃色矩形，然后使用鼠標(biāo)右鍵創(chuàng)建一個(gè)三角形。新三角形的尺寸必須允許正確定位運(yùn)算放大器端子。因此，移動(dòng)設(shè)計(jì)的各個(gè)元素，直到創(chuàng)建正確而優(yōu)雅的形狀。此時(shí)，使用 [CTRL][C] 鍵復(fù)制完成的工作，然后按 [CTRL][V] 鍵將其粘貼到主圖上。還需要消除舊的運(yùn)算放大器符號(hào)。最后，必須恢復(fù)電路連接?？梢院翢o(wú)問(wèn)題地進(jìn)行模擬，獲得相同的結(jié)果，但存在正確的電氣符號(hào)。該程序可用于任何其他外部電子元件。

圖5 修正導(dǎo)入元件圖形符號(hào)的步驟

結(jié)論

與市場(chǎng)上其他仿真器相比，QSPICE 導(dǎo)入程序是最佳且最簡(jiǎn)單的程序之一。它的易用性和基于模型描述的自動(dòng)組件識(shí)別效率使其成為電子設(shè)計(jì)愛(ài)好者的不二之選。然而，謹(jǐn)慎行事是明智的，因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)上的 SPICE 模型偶爾會(huì)出現(xiàn)缺陷，這可能會(huì)影響模擬的準(zhǔn)確性甚至成功。因此，建議仔細(xì)檢查模型，并在必要時(shí)進(jìn)行任何更正，以確保模擬的一致性和有效性。優(yōu)化設(shè)計(jì)體驗(yàn)的另一個(gè)有價(jià)值的技巧是創(chuàng)建文本庫(kù)。這個(gè)自定義庫(kù)應(yīng)該編譯并填充常用的模板和組件，確?？焖僭L問(wèn)和提高管理電路元件的效率。創(chuàng)建和維護(hù)一個(gè)組織良好的庫(kù)可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，使用戶(hù)能夠更加專(zhuān)注于工作的準(zhǔn)確性。