Современная электроника №7/2020

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 66 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2020 выходов (см. табл. 3) имеет зависи- мость от напряжения питания. Нагру- зочная способность по току для выхо- дов (см. табл. 4) имеет зависимость от напряжения питания. Сведения из таблиц 3 и 4 предоставляют инфор- мацию о предельных вольт-амперных характеристиках (ВАХ) выходов микро- схемы в зависимости от напряжения питания. Для имитации указанных характе- ристик удобно применить источни- ки тока, управляемые напряжением. Микросхема имеет выходы активно- го типа. Это значит, что схема заме- щения такого выхода должна иметь два «плеча»: верхнее плечо имитирует P-канальный транзистор, исток кото- рого соединён с цепью питания поло- жительной полярности; нижнее плечо имитирует N-канальный транзистор, исток которого соединён с цепью пита- ния отрицательной полярности. Обозначим нагрузочную характе- ристику выхода как I вых и представим как линейную независимую суперпо- зициюфункций, зависящих от напря- жения на выходе, напряжения питания и требуемого логического состояния. Для верхнего плеча функция выходно- го тока принимает вид: I вых_вп ( U вых , U пит ) = f ( U пит – U вых ) × g ( U пит ) × Log 1 . Для нижне- го плеча: I вых_вп ( U вых , U пит , Log 0) = f ( U вых ) × g ( U пит ) × Log 0. Функции f и g – неко- торые произвольные линейно незави- симые функции, которые определяют зависимость от напряжения на выходе и напряжения питания. Функции Log 0 и Log 1 определяют требуемое логическое состояние выхода ( Log 0 = 1, если выход должен принять состояние логический «0», и Log 0 = 0 – для логической «1»; Log 1=1, если выход должен принять состояние логическая «1», и Log 1 = 0 для – логического «0»). Имея подоб- ное представление, можно подобрать функции f и g такими, чтобы функция выходного тока соответствовала фак- тической выходной характеристике микросхемы наилучшим образом. Для точной идентификации функций f и g необходимо обладать массивом экспе- риментальных данных. Так как в теку- щем случае разработка модели ведётся только по сведениям из спецификации, представляющей предельные допусти- мые значения величин, и чрезвычай- но высокая точность результата не тре- буется, достаточно попасть в порядок величины выходного тока, то функции f и g допустимо аппроксимировать поли- номами первой или второй степени. Из принятых определений для I вых_вп и I вых_нп видно, что функция g является общей для верхнего и нижнего плеч. При этом плечи по своим ВАХ долж- ны быть симметричны. Таким обра- зом, функцию g удобно реализовать в Altium Mixed Sim в форме зависимого источника напряжения, выраженного кусочно-линейной функцией. Значе- ния функции g при этом будут описы- вать безразмерную величину – неко- торый коэффициент, зависящий от напряжения питания. Для идентифи- кации функции g удобно проводить измерение выходного тока при фикси- рованном напряжении выхода и изме- няемом напряжении питания. Идентификациюфункций f и g будем выполнять следующим способом, при этом функцию f , имеющую размер- ность тока, будем для простоты изло- жений рассматривать для нижнего пле- ча (плечи имеют симметричные ВАХ): 1. идентифицируемфункцию f тока вы- хода для напряжения питания 5 В в диапазоне от 0 до 2,5 В напряжения выхода с помощью аппроксимации полиномом второй степени; 2. вычислим на основе полученного полинома промежуточные значения для напряжений выхода 0,5 и 1,5 В, одинаковых для напряжений пита- ния 10 и 15 В; 3. перейдём для функции f от напряже- ний к проводимости, что упростит построение схемы замещения; 4. выполним интерполяцию для извест- ных разных напряжений питания и одинаковых напряжений выхода для того, чтобы экстраполировать про- водимость для предельных значений напряжения питания 3 и 18 В; 5. вычислим значения функции g как отношение проводимости для на- пряжений питания 3, 5, 10, 15 и 18 В к значению проводимости для 5 В, что допустимо сделать, так как про- водимость имеет прямую пропорци- ональность с протекающим током. На основании предположения, что ток выхода для напряжения выхода 0 В должен иметь ток 0 А, для напря- жения питания 5 В получаем три точ- ки на вольт-амперной характеристи- Рис. 4. Зависимость тока выхода от напряжения выхода Таблица 3. Зависимость предельного выходного напряжения от напряжения питания Характеристика Напряжение питания, В Напряжение выхода, В Vol («0») 5 0,05 Vol («0») 10 0,05 Vol («0») 15 0,05 Voh («1») 5 4,95 Voh («1») 10 9,95 Voh («1») 15 14,95 Таблица 4. Зависимость предельного выходного тока от напряжения питания Характеристика Напряжение питания, В Ток выхода, А Iol («0», Vol=0,4 В) 5 0,51 × 10 –3 Iol («0», Vol=0,5 В) 10 1,3 × 10 –3 Iol («0», Vol=1,5 В) 15 3,4 × 10 –3 Ioh («1», Voh=2,5 В) 5 –2,4 × 10 –3 Ioh («1», Voh=4,6 В) 5 –0,51 × 10 –3 Ioh («1», Voh=9,5 В) 10 –1,3 × 10 –3 Ioh («1», Voh=13,5 В) 15 –3,4 × 10 –3 y (0 – 0,4) = 0,001275x R 2 = 1 0,0035 0,0025 0,0015 0,0005 0 0 1 2 3 0,5 1,5 Напряжение выхода, В ВАХ от 0 до 0,4 В ВАХ от 0 до 2,5 В Линейная аппроксимация ВАХ от 0 до 0,4 В Линейная аппроксимация ВАХ от 0,4 до 2,5 В Квадратичная аппроксимация ВАХ от 0 до 2,5 В ВАХ от 0,4 до 2,5 В 2,5 0,003 0,002 0,001 Ток выхода, А y (0 – 2,5) = 0,0009x + 0,00015 R 2 = 1 y (0,4 – 2,5) = 0,00015x 2 + 0,00134x R 2 = 1