光电耦合器模型

第四章 构建模拟行为模型本文将以光电耦合器来讲述如何通过模拟行为模型来构建模型库和符号库。光电耦合器（Optocopler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器是一种把电子信号转换为光学信号，然后又回复电子信号的半导体器件。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多，用途最广的光电器件之一。4.1 建立模型光电耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接受及信号的放大。来自上一级的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定的光，被光探测器接受而产生光电流，再进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。光耦合器的最简单形式为一个发光二极管复合一个光敏晶体管。基于这种考虑来建立模型。由于一个器件模型要反映器件全局的特性，所以模型由如下几部分组成，为了调用方便，可以把它定义成子电路的形式，并把它生成符号库。图 41 光电耦合器模型图本模型采用NEC公司的PS2622光电耦合器。模型的具体形式如图41 所示：DLED: 模拟光电耦合器的发光二极管（LED）GPEG: 产生要求的CTR（电流转换率）特性曲线，包含CTR曲线拟合表达式QDETECT：模拟光耦合器件的光敏晶体管图42 二极管正向电流正向电压曲线具体步骤：1.通过用户手册获取发光二极管的正向电流正向电压曲线，如图4-2示：2创建发光二极管模型二极管模型可以通过Model Editor生成，Model Editor 是随同PSpice一起出现在Cadence软件包中的一个程序。它的主要功能是可以查看、编辑PSpice所提供的模型库中各种模型的文本定义;在PSpice进行电路模拟过程中，可以随时调用它来修改器件模型参数;提取一个实际器件的模型参数，并建立相应模型，使之能够在电路模拟时被使用（该器件类型必须是Model Editor所支持的类型才能提取其参数）。新建一个DLED模型，从开始cadence PSD 15.0PSpice Accessoriesmodel editor进入Model Editor 的运行环境，在Model Editor环境下点击Model菜单中的New选项，即可进入模型提取界面。1）从主菜单的Model菜单中选择New，立即会出现一个对话框，在Model文本框输入DLED，然后点击From文本框中的黑三角按钮就会打开一个下拉式菜单。列出了Model Editor所支持的模型类型。选择Diode。2）完成这一步，点击ok进入参数提取界面，按照图43和44输入正向电流和结电容。 图43 二极管正向电流图44 二极管结电容3.)通过ViewEditor Model提取DLED的参数。并保存。.MODEL DLED D(IS=15.438E-18,N=1.3191,RS=1.7521,IKF=1.7804,CJO=70.00E-12,M=.3333,VJ=.75, ISR=100.00E-12, BV=100, IBV=100.00E-6, TT=5.0000E-9)提取CTR曲线表达式。图45正向电流电流转移率曲线1）.通过用户使用手册获取正向电流电流转移率曲线，如图45所示：2）取点后的数据表4-1所示：表41 正向电流转移曲线取点数据表正向电流（mA）1.0电流转移率（%）20405060657075808895正向电流（mA）234567899.510电流转移率（%）120140155168175180185187185180续表：正向电流（mA）15202530354045505560电流转移率（%）17513012010095. 0.55正向电流（mA）657075808385889296100电流转移率（%）484543403938363433303）从图中可以看出，曲线分为两部分，以8mA为界限，采用函数Y= A*exp (B+Cx)利用曲线拟合工具得到如下形式IF I8Ma 时 0.465832*exp(-1.70391-4.509543*V(T)这个表达式可以用GTABLE元件来表示Gpcg C B TABLE ;Photodetector (IC vs IF) / Q1 BF+ If(V(T)8m,+ (V(T)1.61722627*exp(4.36489543-81.9441523*V(T)*REL_CTR/700),+ (V(T)0.465832*exp(-1.70391-4.509543*V(T)*REL_CTR/700)+ (0,0) (10,10)在EXP下输入if8mA,V(T)1.61722627*exp(4.36489543-81.9441523*V(T)*REL_CTR/700),+ (V(T)0.465832*exp(-1.70391-4.509543*V(T)*REL_CTR/700)其中REL_CTR为全局变量。四创建光敏晶体管模型 该模型的主要要求是集电极电流（IC）的工作区。不同的IC所对应的正向直流电流放大倍数hFE，可以通过如下的设置提取。在Model Editor窗口中点击Model下的NEW选项，输入模型名QDTECT, 模型类型选Bipolar Transistor,管子极性选NPN管。点击OK进入双极晶体管模型参数提取界面，如图46所示：图 46 双极晶体管模型参数提取界面主要是在正向直流电流放大倍数(Forward DC )中提取参数，主要提取BF（正向电流放大系数最大值）、ISE（基极-发射极漏饱和电流）、NE（基极-发射极漏发射系数）、IKF（正向膝点电流）和NK(大电流下滑指数)、XTB（BF和BR的温度系数），要求测试的数据：不同集电极电流（IC）所对应的正向直流电流放大倍数hFE。在Forward DC Beta栏中输入如图47所示的数据。图 47 正向直流电流放大倍数提取界面这样提取的模型参数不够精确，本文采用资料提供的模型参数来创建光敏晶体管.model Qdtect NPN （IS=2.857P BF=700 NF=1.1786653 BR=20+TF=1.15564N TR=4.56886n CJE=16.315P CJC=21.1189P VAF=100 ISS=0+CJS=44.5657p ISC=120p）4.2 模 拟 验 证建立的模型还需要通过测试电路来加以检验，只有满足要求方可使用。下面将通过两个测试电路来测试CTR曲线和正向曲线。建立如下的测试电路图图48测 试 电 路 图（一）通过这个测试电路，设置DC扫描分析可以测试该器件的CTR曲线，获得如图49结果：图49 光电耦合器CTR曲线图410测 试 电 路 图（二）建立图410，测试该光电耦合器的正向曲线。通过这个测试电路可以测试该器件的CTR曲线和正向曲线，具体测量节点C的电压和QDTECT的C极的电流，获得如图411的结果：图411 光电耦合器正向曲线在这里有一点值的注意：只设置参数就模拟，将会在生成网表时产生下面错误提示信息：“G_GPEG N00646 B TABLE IfG_GPEG N00646 B TABLE If(V(T)8m,+(V(T)_1_617*exp(4.36-81.944*V(T)*REL_CTR/700),(V(T)_0_465*exp(-1.703-4.509*V(T)*REL_CTR/700)+ -$ERROR - Bad Expression”从上面可以看出，原来的“”和“.”被“_”取代，并提示“ERROR - Bad Expression”，这实际上是PSpice软件本身在生成网表时发生了错误。具体解决办法：回到capture绘图界面，选择执行PSpice/Create Netlist命令。产生该电路的连接网表。在Capture项目管理器中可以看一个以.Net为扩展名的输出文件，将其打开，把“_”改回为原来的“”和“.”并保存。更改后的结果为： “G_GPEG N00646 B TABLE If +(V(T)8m,(V(T)1.617*exp(4.36-81.944*V(T)*REL_CTR/700), +(V(T)0.465*exp(-1.703-4.509*V(T)*REL_CTR/700)”再进行模拟，将会得到预期的结果。4.3构建模型库和符号库为了方便其他用户或在别的设计中使用，而做成一个具有模型文件和器件符号的器件，然后把它添加到PSpice的模型库中，这样就可以方便调用了。自建模型库，必须先自建子电路。PSpice允许用户自建子电路，自建子电路模型是指用户自己根据一定的设计要求，调用PSpice元件和器件定义的，并以子电路形式保存的模型。子电路的大小或复杂性没有限制，子电路中还可以嵌套其它子电路。子电路一旦定义好，它可看作是以X为关键字开头的器件，这样就可以被用户任意调用进行电路设计和模拟。提高了设计效率，减少了重复劳动。同时，对于一些较大的电路系统可以由几个不同功能的子电路组成，系统结构很直观，既便于显示，又便于分工。子电路的语句描述描述子电路模型的一组语句格式为：.SUBCKT NODE1 NODE2 .ENDS 即子电路的描述以.SUBCKT为开始语句，以.ENDS为终止语句（注意这两条语句的起始部分均为一个小数点），在这两条语句之间是按照PSpice规定的格式采用多条语句描述的子电路结构电连接网表，包括描述器件模型的.MODEL语句，但是不可以出现控制语句。起始语句中的为子电路名，由用户自行确定。NODE1,NODE2为子电路的引出端编号。子电路电连接网表描述部分可以包括子电路，即在一个子电路的描述语句.SUBCKT和.ENDS之间可调用另外一个子电路; 但是子电路定义不可以嵌套，即在.SUBCKT和.ENDS之间不可以再出现.SUBCKT语句。根据子电路内部是否还包括有其他子电路，自建子电路模型的情况分为两类：一类是子电路中不包括子电路，另一类是子电路中还嵌套有子电路。二电连接网表子电路模型描述语句中，大部分是描述子电路结构和元器件参数的电连接网表描述语句。实际上，在PSpice版本5以前，用户调用PSpice软件时必须按照规定的格式，编制一个文本形式的电连接网表文件，向PSpice提供待模拟分析的电路结构和元器件参数，以及模拟分析要求。从PSpice版本5以后，用户调用PSpice软件进行电路模拟时，只要以绘制电路图的方式提供电路结构和元器件参数，既直观又方便，无需了解电连接网表的描述格式。但是软件内部在模拟分析之前，还是要首先将电路图转变为电连接网表文件，只是这一过程由软件自动进行，无需用户参与。当然，如果需要，用户也可以查阅电连接网表文件。电连接网表是以文本的方式描述电路拓扑结构和元器件参数信息，包括元器件名称，连接的节点名，模型名称或参数值。该模型不是很复杂，因而不是很长，在此将其全部列出。* source OCD_D1 N08497 D DLED R_R3 N00646 N04946 100 I_I1 0 N08497 DC 0Adc X_H1 N09385 0 R 0 SCHEMATIC1_H1 V_Vsense D K 0VdcV_V1 N04946 0 5VdcR_R1 R T 10k C_C1 0 T 14.7389p R_R4 K N09385 0.00001 R_R2 0 B 1G G_GPEG N00646 B TABLE If+ (V(T)8m, (V(T)1.617*exp(4.36-81.944*V(T)*REL_CTR/700),+ (V(T)0.465*exp(-1.703-4.509*V(T)*REL_CTR/700)+ ( (0,0) (10,10) )Q_Q1 N00646 B 0 QDTECT R_R8 0 K 0.000001 R_R5 0 0 100 .PARAM REL_CTR=1.subckt SCHEMATIC1_H1 1 2 3 4 H_H1 3 4 VH_H1 1VH_H1 1 2 0V.ends SCHEMATIC1_H1三建立子电路模型的基本步骤子电路分为两种，一种为不包含子电路类型，另一种为包含子电路类型，两种子电路模型的建立，只是前面的步骤略有不同，下面将不同之处分开来讲述。相同之处用本文中光电耦合器模型进行讲解。通过查看不包含子电路这种类型的电路的网表可以得知电路中的NPN晶体管、PNP晶体管以及二极管等有源器件，在电路网表中并未给出其参数值，只是给出了该器件的模型名，所以在建立这类子电路模型时，不但要定义电路连接关系，而且要定义这些器件的模型说明。而对于电容、电阻这些无源元件则不必定义，因为其值在电路网表中已经给出。建立不包含子电路的子电路模型的步骤为：1在Capture中绘制电路图（如图412改进恒流源电路），选择执行PSpice/Create Netlist命令，产生该电路的连接网表。在Capture项目管理器中可以看一个以.Net为扩展名的输出文件，这就是生成的电路电连接网表文件。图412 改进恒流源电路对于图410所示的电路，其电路连接网表如下:* source A.EXTERNAL OUTPUT In.EXTERNAL OUTPUT Drive.EXTERNAL OUTPUT OutQ_Q1A N00082 OUT In DH3467CDQ_Q1B N00082 N00082 DRIVE DH3467CDQ_Q1C DRIVE N00082 OUT DH3467CD2. 生成子电路模型描述在通常的文本编辑环境下， 例如新建一个文本文挡，把电路连接网表和电路中涉及的所有器件模型拷贝到.SUBCKT和.ENDS之间。并给出子电路名称和作为输入输出端的子电路引出端名，完善.SUBCKT语句。.SUBCKT Concurrent DRIVE IN OUTQ_Q1A N00082 OUT In DH3467CDQ_Q1B N00082 N00082 DRIVE DH3467CDQ_Q1C DRIVE N00082 OUT DH3467CD.ENDS 3. 将子电路模型添加到PSpice的模型库中在文本编辑状态下，把上述子电路模型描述以Concurrent.lib格式保存(可通过文件重命名实现)。这时系统自动产生一个Concurrent的库文件，里面有一个Concurrent模型描述，类型为.SUBCKT。注意，模型文件必须以.lib为扩展名，而且要以文本文档格式保存，否则PSpice中的模型编辑模块Model Editor无法识别该模型文件。4. 建立代表子电路的器件符号调用PSpice中的模型编辑模块Model Editor，打开新生成的.lib文件，选择执行File/Export to capture part library命令，即产生相应的器件符号，如图413所示。该器件符号可以像其它器件一样在电路设计中被调用。当然，也可以自建该器件符号。图413 改进恒流源下面以光电耦合器电路为例说明如何为内部包含有子电路的电路建立子电路模型的步骤。具体步骤：生成电连接网表。与不含子电路的电路生成网表方法相同。由于该电路中包括有SCHEMATIC1_H1子电路，生成的电连接网表中将出现下述格式的子电路调用语句：XUUU NODE1 NODE2 其中X是关键字，XUUU相当于一个器件名，代表调用一个子电路。NODE1NODE2为电路中与该子电路引出端相连接的电路节点号，为被调用的子电路名，该名称必须与子电路模型定义语句中的名称相同。例如X_H1 K 0 R 0 SCHEMATIC1_H1就是调用了SCHEMATIC1_H1子电路，由于这些被调用的子电路模型对应的电路结构网表和模型参数并未在光电耦合器电路网表中说明，所以在建立该滤波器的子电路模型时必须对电路中调用的子电路作进一步的说明。具体子电路语句：.SUBCKT OPTOCOUPLER A K B C ED_D1 A D DLED X_H1 N09385 0 R 0 SCHEMATIC1_H1 V_Vsense D K 0VdR_R1 R T 10k C_C1 0 T 14.7389p R_R4 K N09385 0.00001G_GPEG C B TABLE If+ (V(T)8m, (V(T)1.617*exp(4.36-81.944*V(T)*REL_CTR/700),+ (V(T)0.465*exp(-1.703-4.509*V(T)*REL_CTR/700)+ ( (0,0) (10,10) )Q_Q1 C B E QDTECT .PARAM REL_CTR=1.MODEL DLED D(IS=15.438E-18 N=1.3191 RS=1.7521 IKF=1.7804 +CJO=70.000E-12 M=.3333 VJ=.75 ISR=100.00E-12 BV=100 IBV=100.00E-6+ TT=5.0000E-9 ).MODEL Qdtect NPN（IS=2.8570E-12 BF=700 NF=1.1787 VAF=100 BR=20 VAR=100 ISC=120.00E-12 CJE=16.315E-12 CJC=21.119E-12TF=1.1556E-9 XTF=10 VTF=10 ITF=1 TR=4.5689E-9).ENDS.subckt SCHEMATIC1_H1 1 2 3 4H_H1 3 4 VH_H1 1VH_H1 1 2 0V.ends SCHEMATIC1_H13. 将子电路模型添加到PSpice的模型库中, 与不含子电路的电路添