Автоколебательная схема мультивибратора строится на основе двух инвертирующих логических элементов, соединенных перекрестной цепью положительной обратной связи через дифференцирующие цепи (рисунок 3.15).

При высоком уровне напряжения на выходе элемента DD1.1 через его выходное сопротивление и резисторы R1 и R1’ происходит заряд конденсатора С1. Ток заряда создает экспоненциально спадающее напряжение на резисторах R1 + R1’, т.е. на входе DD1.2. Пока это напряжение выше порога отпирания DD1.2, на его выходе будет низкий логический уровень. В это же время конденсатор C2 разряжается через низкое выходное сопротивление DD1.2 и резистор R2, создавая на входе DD1.1 отрицательный экспоненциальный импульс (рисунок 3.16).

 10

Рисунок 3.15                                                                 Рисунок 3.16

Регенеративное опрокидывание схемы происходит, когда напряжение на входе DD1.2 достигает порога срабатывания. После этого роли элементов схемы меняются местами. Длительность рассматриваемого полупериода определяется следующим образом:

t1  τ1  ln(U1/UП) = C1(R1+R1’)  ln(U1/UП) , (3.16)

где U1 – максимальное напряжение на выходе логического элемента. Его величина зависит от технологии изготовления и серии микросхем, использованных для построения мультивибратора. Обычно для микросхем, изготовленных по технологии ТТЛШ U1составляет от 2,4 до 4,2 В, а величина порога срабатывания UП – 1,2…1,4 В.

.

Мультивибратором называется электронное импульсное устройство, имеющее два устойчивых или квазиустойчивых состояния и предназначенное для формирования импульсных сигналов. В цифровой технике высокому и низкому уровню приписывается смысл логических состояний ВКЛ и ВЫКЛ или цифр двоичной арифметики 1 и 0. Возможность генерирования логических сигналов позволяет применять мультивибраторы в цифровых устройствах в качестве источников синхроимпульсов, формирователей временных интервалов заданной длительности и т.п. Работа мультивибратора может быть описана с помощью временных диаграмм, логических формул, таблиц истинности или графов. Для построения мультивибраторов используются элементы, способные инвертировать логический сигнал такие как транзисторные ключи, логические элементы и другие. Различают ждущие мультивибраторы или формирователи, генерирующие импульсы заданной длительности синхронно с внешними сигналами, и автоколебательные, генерирующие последовательность импульсов с заданными частотой и длительностью.

.

При последовательном включении двух транзисторных ключей входной сигнал инвертируется дважды, т.е., в результате, не меняет своего логического состояния. На рисунке 2.2 показано каскадное включение двух транзисторных ключей.

Рисунок 2.2

Сигнал на выходе Q соответствует сигналу на входе.Таким образом, на входе и выходе присутствует одинаковый логический сигнал. Это позволяет, не опасаясь конфликта, соединить вход и выход схемы (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3

Схема представляет собой двухкаскадный усилитель постоянного тока, охваченный сильной положительной обратной связью. Оба каскада работают в режиме ключей, управляя первый вторым и второй – первым. Устройство может находиться в устойчивом состоянии неограниченное время. Если в точке Q присутствует уровень логической единицы, то в точке — логический ноль и наоборот. Установка в требуемое состояние может быть произведена подачей управляющего сигнала на базу соответствующего транзистора. Полученное устройство представляет собой один из наиболее распространенных и простых видов триггеров – RS-триггер на биполярных транзисторах с коллекторно-базовыми связями. Его традиционная схема представлена на рисунке 2.4.

Управляющий сигнал на входе S (SET) устанавливает триггер в единичное состояние (Q = 1), аналогичный сигнал на входе R (RESET) сбрасывает триггер в нулевое состояние (Q = 0).

Рисунок 2.4

На рисунке 2.5 приведены временные диаграммы напряжений на входах и выходах RS-триггера.

Из рисунка видно, что управляющий сигнал на входе S реализуется в виде импульса низкого уровня (S = 0), обеспечивающего условия для запирания транзистора VT1. При его воздействии триггер формирует на главном выходе Q высокий уровень Q = 1 и низкий уровень = 0 на инверсном выходе. Повторное воздействие отрицательного импульса на вход S не меняет состояния триггера: Q = 1. Для смены состояния триггера необходима подача аналогичного сигнала на вход R (R = 0).

Рисунок 2.5

Триггер переходит из одного состояния равновесия в другое, если управляющее напряжение на его входе Uвх достигает некоторого порогового значения Uп, действующего в течение времени τminсмены состояний в триггере. Значения Uп и τminсовместно определяют чувствительность триггера.

Рассмотрим подробно переходные процессы в схеме с раздельным запуском по базам, протекающие при каждом переключении и представленные на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6

Пусть транзистор VT1 открыт и насыщен, VT2 — закрыт. Значения токов и напряжений для данного состояния равновесия на рисунке 2.6 показаны при t < t0 напряжения на конденсаторах равны соответственно UC1 ≈ UК2 ≈ EП и UC2 ≈ UК1 ≈ 0. При подаче на базу открытого транзистора VT1 в момент t0 запускающего импульса тока отрицательной полярности с амплитудой Im > IбC в триггере возникает переходной процесс, который можно разбить на три основных этапа:

1) длительность задержки фронта импульса на выходе триггера tзад = tр+tп = t2– t0,

где tр = t1  t0 – время рассасывания заряда,

tп = t2  t1 – время подготовки к опрокидыванию схемы;

2) опрокидывание ( регенерации ) триггера длительностью tоп = t3  t2

3) установление нового состояния равновесия длительностью tу = t5  t3

Если входы RS-триггера объединить, как показано но рисунке 2.7, получим схему с общим (счетным) входом — схему Т-триггера.

Т-триггер со счетным запуском по базам реализуется с помощью тех же элементов, что и RS-триггер, но запуск Т-триггера производится отрицательным импульсом, поступающим на базы транзисторов VT1 и VT2 с общей клеммы “Вход C” через разделительный конденсатор Cр и диодные ключи VD1 и VD2.

 7

Рисунок 2.7

При запуске схемы с помощью последовательности одинаковых импульсов, поступающих на Т-вход, триггер переключается каждым из импульсов. При этом частота формируемых на выходе импульсов вдвое ниже частоты входных, т.е. Т-триггер можно рассматривать как делитель на два частоты входной последовательности.

Для счетного запуска используются обычные дифференцирующие RC-цепочки с отсекающими диодами. При прохождении через них отрицательный запускающий импульс обостряется и укорачивается, что позволяет ускорить процесс рассасывания избыточных носителей в базе запираемого транзистора.

Цепи счетного запуска должны обеспечивать надежное распределение переключающих импульсов между транзисторными ключами в зависимости от состояния схемы. Переключение триггера в этой схеме зависит от амплитуды запускающего импульса Uзап. Пусть VT1 открыт и насыщен, VT2 – закрыт. Диоды VD1 и VD2 закрыты, но их запирающие потенциалы существенно различаются: небольшое базовое напряжение насыщения Uбн транзистора VT1 держит VD1 близким к открытому состоянию, а —Uб базы VT2 надежно запирает VD2.

Если Uвх по модулю меньше запирающего напряжения Uб, то отрицательный импульс проходит только на базу открытого транзистора, вызывает его запирание и развитие регенеративного процесса. Если же амплитуда запускающего импульса достаточно велика, то базовые напряжения оказываются недостаточными для управления .диодными ключами и внешний импульс попадет на оба транзистора.

Вследствие это VT2 будет закрыт, а VT1 удержан на время действия импульса tи в закрытом состоянии. При этом не обеспечивается опрокидывание триггера (дальнейшее отпирание VT2 и запирание VT1).

Схема Т-триггера с управляемым счетным запуском по базам реализуется с помощью дополнительных резисторов Rупр1 и Rупр2, объединяющихся с коллекторами диодов и транзисторов рисунок 2.8.

Это позволяет при запуске триггера управлять диодными ключами VD1 и VD2 напряжением с выходов триггера, что делает запуск более надежным при любой амплитуде |Uзап|<+Eп.

.

Триггером называется логическое устройство, имеющее два устойчивых состояния, в одно из которых оно может быть установлено под воздействием внешних управляющих сигналов и оставаться в этом состоянии после их окончания неограниченное время до следующего управляющего воздействия. В цифровой технике высокому и низкому уровню приписывается смысл логических состояний ВКЛ и ВЫКЛ или цифр двоичной арифметики 1 и 0. Свойство длительно сохранять логическое состояние позволяет применять триггер как ячейку двоичной электронной памяти и строить на ее основе целую серию цифровых устройств: регистров, счетчиков, цифровых процессоров различной сложности. Работа триггера может быть описана с помощью временных диаграмм, логических формул, таблиц истинности или графов. Для построения триггеров используются элементы, способные инвертировать логический сигнал, такие как транзисторные ключи, логические элементы и другие.

Как было показано выше, транзисторный ключ выполняет логическую функцию инверсии сигнала, поступающего на его вход. На рисунке 2.1 показана схема ключа на биполярном транзисторе.

 схема ключа на биполярном транзисторе

схема ключа на биполярном транзисторе

 

Логический сигнал, поступающий на вход A, определяет режим работы транзистора VT1. Единичный уровень обеспечивает наличие тока базы транзистора, переводя его в режим насыщения.

Открытое состояние транзистора приводит к тому, что на его коллекторе (выходе Q) будет сформирован сигнал низкого уровня. Нулевой уровень сигнала на входе A приведет к тому, что, за счет источника –Eсм, база-эмиттерный переход транзистора окажется запертым и транзистор перейдет в режим отсечки. Закрытое состояние транзистора приводит к тому, что на его коллекторе (выходе Q) будет сформирован сигнал высокого уровня. 

.

Компания Altium, ведущий мировой разработчик программного обеспечения для проектирования электронных устройств и компания Нанокад , авторизованный дистрибьютор на территории РФ, приглашают вашу компанию принять участие в одном из самых значимых мероприятий в радиоэлектронной отрасли России, проводимых этой осенью.

Форум — это прекрасная возможность знакомства и живого общения производителей и САПР-пользователей.

Приглашение

.

Проверка и создание модели
Проведение проверки SPICE моделей является необходимой и важной частью проектирования схем. От точности введенных параметров зависит правильность и корректность работы проектируемой схемы. В данной работе рассматривается процесс проверки компонентов – составление схем, анализ, сравнение SPICE-моделей (далее – моделей) с ТУ.

Создание модели в программе Microcap
На основании данных, взятых из ТУ(технических условий), а также проведенных лабораторных измерений создадим SPICE модель транзистора 2Т633А. Начнем с открытия нового файла библиотеки моделей по команде File>New, в появившемся окне выбираем MDL (Рисунок 1), затем следует нажать кнопку ОК. Создастся файл данных мо­дели MDL1.MDL. Затем следует нажать кнопку Add Part и выбрать из раскрывающего списка нужный тип компонента – NPN (Рисунок 2).

SPICE

Рисунок 1. Окно выбора MDL
После этого открыва­ется окно, в котором курсор первоначально нахо­дится в первом текстовом поле, Т1. После этого необходимо набрать в тек­стовом поле Т1 имя моделируемого компонента, в нашем случае это 2T633A. Следует отметить, что имя компонента следует вводить только латинскими буквами. В следующие поля можно ввести произвольные комментарии (вот здесь можно использовать и символы кириллицы).На первом экране в таблицу данных заносят значения тока коллектора Iс и напряжения база-эмиттер Vbe в режиме насыщения.
Нажимаем Ctrl+I и Ctrl+T –инициализация и оптимизация.

SPICE
Рисунок 2. Выбор типа компонента

При вбивании в таблицу значений на выходе получаем коэффициенты, которые получаются благодаря решению математических выражений, заложенных в программу создания SPICE моделей (их мы всегда может определить по значениям в правом нижнем углу, они автоматически генерируются при внесении значений в таблицу), в нашем случае – MicroCap. (Все формулы, использующиеся в расчетах, можно найти в книге «Программа схемотехнического моделирования. MicroCap 8». М.А.Амелина, С.А.Амелин ).

SPICE

SPICE

Рисунок 3,4. Параметры биполярного транзистора на выходе создания SPICE моделей и их физический смысл
В ТУ обычно даются параметры статического коэффициента передачи по току, напряжения насыщения коллектор – эмиттер, барьерная емкость перехода коллектор – база и время накопления заряда. Лабораторные измерения (дополнительные справочные) проводят для параметров функции тока коллектора от напряжения база – эмиттер, функции выходной проводимости от тока коллектора, функции барьерной емкости перехода эмиттер — база.

SPICE

Рисунок 5. Окно задания параметров тока коллектора и напряжения база – эмиттер

SPICE

Рисунок 6. Задание параметров выходной проводимости от тока коллектора

SPICE

Рисунок 7. Задание параметров статистического коэффициента передачи по тока от тока коллектора

SPICE

Рисунок 8. Задание параметров напряжения насыщения (коллектор – эмиттер) от тока коллектора

SPICE

Рисунок 9. Задание параметров барьерной емкости перехода коллектор — база

SPICE

Рисунок 10. Задание параметров емкости перехода эмиттер-база

SPICE

Рисунок 11. Задание параметров времени накопления заряда от тока коллектора

SPICE

Рисунок 12. Задание параметров площади усиления от тока коллектора
Полученные результаты: ****** 2T633ex.LIB * Date 05.09.2013 Time 15:56:42******** NIEMI
.MODEL 2T633A_ex_ NPN (BF=146.955639437064 BR=122.914730396943m
+ CJC=5.605819540309p CJE=2p FC=500.000002167803m IKF=373.441714455758m
+ IKR=139.15748203652m IS=9.868837373215f ISC=1.402657863122p
+ ISE=768.705298486744f ITF=9.366345833763m MJC=311.147697765699m MJE=500m
+ NC=2.000000002364 NE=1.477809628129 NF=627.628388083092m RE=1.999999999998
+ TF=209.388709132481p TR=10n VAF=100 VJC=700.332151113368m VTF=9.999999935768
+ XTF=500.002251875648m)
При том, что параметры, приведенные в транзисторе MPS 3866 (аналог транзистора 2Т633А): .MODEL MPS3866 NPN (IS=40.6F NF=1 BF=130 VAF=98.6 IKF=0.24 ISE=40.3P NE=2 BR=4 NR=1 VAR=14 IKR=0.36 RE=0.129 RB=0.515 RC=51.5M XTB=1.5 CJE=48.4P VJE=1.1 MJE=0.5 CJC=15.6P VJC=0.3 MJC=0.3 TF=318P TR=221N)
Физический смысл параметров приведен выше.
P.S.: При знании всех необходимых параметров можно создать SPICE моделей без использования соответствующих программ моделирования компонентов.
Проверка электрических моделей
Так как при проверке выходных характеристик зарубежного аналога 2Т633А относительная погрешность составила 13,3% от данных в технических условиях, составим схему проверки ее с созданным транзистором. Схема представлена на рисунке 13.

SPICE

Рисунок 13. Схема проверки транзисторов
R1, R6, R3, R5 – резисторы для уменьшения влияния транзисторов друг на друга;
R7 – внутреннее сопротивление источника.
Полученный результат при моделировании – рисунок 14. Синим показана ВАХ спроектированного транзистора, красным – ВАХ MPS 3866.

SPICE

Рисунок 14. ВАХ двух транзисторов

Схемы для проверки модели
Схема для исследования входных характеристик биполярного транзистора

SPICE

Рисунок 15. Исследование входных характеристик
Окно задания параметров построения входных характеристик

SPICE

Рисунок 16. Задание параметров

Схема для исследования выходных характеристик биполярного транзистора

SPICE

Рисунок 17. Схема для исследования выходных характеристик БТ

SPICE
Рисунок 18. Окно задания параметров построения выходных характеристик

Создание SPICE моделей в Altium Designer
Создаем библиотеку компонентов File > New > Library > Schematic Library, затем после создания УГО (условно – графического обозначения элемента) в правом нижнем углу выбираем Add > Simulation (Рисунок 5), в появившемся окне выбираем нужный элемент. В нашем случае – биполярный транзистор, нажимаем Create в появившемся окне (Рисунок 6) следуем настройкам, задаем имена, выбираем полноту SPICE модели (Рисунок 7).

SPICE

Рисунок 5. Выбор задания SPICE модели компонента

SPICE

Рисунок 6. Окно задания параметров биполярного транзистора

SPICE

Рисунок 7. Панель выбора вводимых параметров модели
Использованные источники:
1. Галев А.В. «Расчет параметров модели диода и биполярного транзистора по результатам лабораторных исследований», Москва 2013
2. М.А.Амелина, С.А.Амелин «Программа схемотехнического моделирования. MicroCap 8». Москва, «Горячая линия – телеком» , 2007
3. Сабунин А.Е. «Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств», Москва, Солон-пресс, 2009
.


Введение
На сегодняшний день существует большое количество САПР, позволяющее разрабатывать, проектировать и моделировать электронные схемы. В данной статье (докладе, отчете) приведены основные плюсы пакетов программ Microcap, Altium Designer и P-cad 2006 и рассмотрена их совместная работа.
Плюсы замены моделирования макетированием
На сегодняшний день не нужно говорить о полезности персональных компьютеров при моделировании радиоэлектронных цепей, в которых существует возможность сборки необходимых макетов для дальнейшего анализа. Из неоспоримых плюсов является то, что САПР дают полную и наглядную информацию о протекающих в схемах процессах. Удобная и быстрая замена компонентов, источников сигналов, подборка нужных элементов одним кликом – все это ускоряет и упрощает процесс разработки, делает его «живым» и актуальным для дальнейшей оптимизации. Собрание элементной базы, базы схем – является злободневным вопросом в современных отечественных компаниях по разработке радиоэлектронных средств. Скорейший глобальный уход от методов макетирования и приход к моделированию схем сделает большей рывок в развитии проектирования и тестирования, составления технических условий, создания datasheet’ов и SPICE моделей элементов.
Плюсы:

  1. 1. Простота и легкость проектирования
  2. 2. Наглядность
  3. 3. Ускорение технологического и конструкторского процесса
  4. 4. Простота чтения и «включения» нового сотрудника в работу над проектом
  5. 5. Экономическая выгода – отсутствие затрат на создание макета схемы, покупки составляющих
  6. 6. Моральное устаревание макетирования
  7. 7. Обмен документацией с другими фирмами, отделами

Обоснование выбора САПР

Altium Designer. Работа над всеми частями проекта ведётся в единой управляющей оболочке Design Explorer, что позволяет разработчику контролировать целостность проекта на всех этапах проектирования. Таким образом, изменения, внесённые на любом этапе разработки, автоматически передаются на все связанные стадии проекта. В дополнение к мощным средствам разработки, Altium Designer имеет широкие возможности импорта и экспорта сторонних систем проектирования и поддерживает практически все стандартные форматы выходных файлов. Плюсы во всех отношениях,  включая трассировку шин, дифференциальных пар, автоматический своппинг пинов и так далее. Удобная интерактивная трассировка. Помимо разработки плат в нем можно разрабатывать и отлаживать проекты на FPGA, анализировать электронные схемы и многое другое.
P-CAD 2006. Довольно распространенная в российских компаниях программа с уже существующими библиотеками на отечественные элементы, поддерживает возможность осуществления разводки печатных плат, цифрового, аналого-цифрового проектирования (Protel Advanced Sim), обеспечивает возможность выполнять анализ по самым различным параметрам(постоянному току, частоте, спектральным характеристикам, шуму, температуре, переходным процессам), а также статический анализ методом Монте-Карло, расчет передаточной функции, нулей и полюсов.
MicroCap DEMO. Интуитивно понятная и довольно простая в изучении программа по моделированию электрических схем. Поддерживает возможность создания собственных библиотек компонентов (подобная функция существует и в Altium Designer), моделирование по любому из выбранных параметров.

Основные проблемы

На сегодняшний момент практически во всех российских компаниях и предприятиях по разработке и моделированию аппаратуры остро стоит вопрос о пополнении «виртуальной» базы радиоэлектронных компонентов – будь то Footprint’ы (посадочные места), 3D- модели – модели внешнего вида, кои можно из справочных данных на элемент(datasheet), но основная проблема состоит в создании SPICE моделей – электрических моделей.
Всего существует несколько вариантов их создания:

  • 1. Использования модели зарубежного аналога компонента
  • 2. Создание собственной модели в программе Model в Microcap, либо во встроенной программе Altium Designer’a используя ТЗ(технические задания), справочную литературу и харектериограф.

В данной статье рассматривается вопрос создание библиотек элементов SPICE, работающие как в Microcap, так и в AD, создание footprint’ов, 3D- моделей в Altium Designer, создание и моделирование схемы, разводка печатной платы, рассматривается возможность написания VHDL-моделей.
VHDL модели и их основное преймущество представляет собой:
Эксплутанщионщик радиоаппаратуры аппаратуры, найдя в комплекте документации HDL-описание устройства и тестирующей программы, на их базе может осуществлять модернизацию схем, может использовать HDL – модели при поиске неисправностей в схеме и доработке контрольных тестов.
Эффективно решаются задачи тренинга в сфере проектирования и эксплуатации радиоэлектронного оборудования.
Позволяет упростить стыковку продуктов различных фирм, обмен библиотеками компонент, и проектов, модернизацию отдельных подсистем САПР.

Имитационное проектирование.

Этим методом можно решить большое количество задач:

  1. 1. Анализ и оценка материалов структур ЦС (цифровых схем) и МО (математического обеспечения), рассматриваемого как система массового обслуживания с точки зрения производительности, быстродействия, времени обслуживания заявок.
  2. 2. Проверка алгоритмов отдельных устройств.
  3. 3. Помогает проверять схемы с учетом задержек в проводах, анализировать и синтезировать тесты контроля и т.п.
  4. 4. Расчет электрических схем компонентов, анализ переходных процессов и исследование влияния разброса параметров электронных компонент.

В ходе моделирования можно выделить ряд этапов:

  • 1. Определение границ исследуемой системы, методы их решения.
  • 2. Подготовка исходных данных
  • 3. Формализация моделируемого процесса и построение его математической модели
  • 4. Построение моделирующего алгоритма
  • 5. Создание теста, отладка и верификация модели
  • 6. Реализация экспериментов на модели
  • 7. Оптимизация модели и при необходимости постановка новых экспериментов на ней
  • 8. Анализ конечных результатов и их документирование

.

«P-CAD. Проектирование и конструирование электронных устройств (Уваров)(2004)(LQ).djvu» 

«P-CAD. Технология проектирования печатных плат (Стешенко)(2003).djvu»

«P-CAD 2002 и SPECCTRA. Разработка печатных плат. (Уваров)(2003).djvu»

«P-CAD 2004 (Лопаткин)(2006).djvu»

«P-CAD 2006. Схемотехника и проектирование печатных плат. Самоучитель. Книга + видеокурс.djvu»

Скачать файл
.