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29. Modell-Parameter parametrisieren

Die Beispielschaltung (Stromverstärkungsfaktor ändern)
Strommessung mit der universellen Spannungsquelle VSRC
Das Simulationsprofil der Beispielschaltung
Das Ergebnis im Probefenster
Stromverstärkungsfaktor des Transistormodells parametrisieren
Alternative Methode zur Veränderung eines Modell-Parameters
Simulation einer Stromspiegelschaltung

Im Abschnitt "Die parametrische Analyse" haben Sie erfahren, wenn Sie die Werte passiver Bauteile mit Hilfe der parametrischen Analyse schrittweise verändern können. Hier erfahren Sie, wie Sie einzelne Modell-Parameter mit dem gleichen oder einem alternativen Verfahren verändern können.

Die Beispielschaltung (Stromverstärkungsfaktor ändern)

Im Beispiel soll der Stromverstärkungsfaktor (B oder Beta) eines bipolaren Transistors verändert werden. Als Grundlage dient die nachfolgend abgebildete Schaltung:


Die Schaltung zur Feststellung des Stromverstärkungsfaktors (die Schaltung befindet sich unter bf1 oder bf1.zip).

Der Stromverstärkungsfaktor ist definiert als der Kollektorstrom dividiert durch den Basisstrom. Ein DC-Sweep verändert den Strom der IDC-Quelle I1 und damit den Basisstrom. Zum Messen des Kollektorstroms dient ungewöhnlicherweise eine Spannungsquelle vom Typ VSRC, welche in der Bibliothek source.olb zu finden ist.

Strommessung mit der universellen Spannungsquelle VSRC

Die universelle Spannungsquelle VSRC (in der source.olb) können Sie auch als Strommesser benutzen. Damit die Spannungsquelle selbst keine Spannung abgibt, müssen Sie DC auf  Null setzen. Dadurch liefert diese ideale Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand von 0 Ohm keine Spannung mehr und verhält sich wie ein  idealer Strommesser. Wenn Sie nun den Bezeichner (Part Reference) wie im Beispiel mit "Kollektorstrom" benennen (statt z.B. V2), können Sie in Probe mit der Variable I(Kollektorstrom) den Strom ablesen.

Vergleichen Sie in diesem Zusammenhang die Angaben der Polung des IDC- und VSRC-Symbols mit der Stromrichtung.

Das Simulationsprofil der Beispielschaltung

Der DC-Sweep soll dafür sorgen, dass die Stromquelle I1 linear von 0,001 mA bis 1 mA in mit einer Schrittweite von 0,01 mA variiert.


Die Einstellungen für den DC-Sweep.

Außerdem sollten Sie es sich zur Angewohnheit machen, in der Registerkarte "Probe Window" des Simulationsprofils unter "Show" immer "Last plot" zu aktivieren, damit die Sie nach jeder neuen Simulation immer die vorhergehende Darstellungsweise im Probefenster erhalten.

Das Ergebnis im Probefenster

Nach erfolgter Simulation erhalten Sie den Kollektorstrom in Abhängigkeit des Basisstroms (grüne Kurve). Zusätzlich ist noch der Stromverstärkungsfaktor in Abhängigkeit des Basisstroms dargestellt (rote Kurve).


Das Simulationsergebnis im Probe-Fenster. Finden Sie zur Übung heraus, bei welchem Kollektorstrom der Stromverstärkungsfaktor maximal ist.

I(Kollektorstrom) ist hier der Strom durch die auf 0 Volt gesetzte VSRC-Spannungsquelle, welche den Bezeichner (Part Reference) "Kollektorstrom" erhalten hat.

Stromverstärkungsfaktor des Transistormodells parametrisieren

Rufen Sie dazu wie bereits im Abschnitt "Modelle mit dem Modell-Editor verändern" beschrieben, den Modell-Editor direkt aus dem Schaltbild heraus auf:


Modell-Editor aufrufen: Transistorsymbol mit linkem Mausklick aktivieren, mit rechtem Mausklick kleines Pop-Up-Fenster öffnen. Dort mit linker Maustaste auf  "Edit PSpice Model" klicken.

Darauf öffnet sich der Modell-Editor, in welchem das Modell des betreffenden Transistors erscheint:


Der Modell-Editor zeigt das Modell des Transistors 2N3904.

Hauptverantwortlich für den Stromverstärkungsfaktor ist der Modell-Parameter "BF". Damit wir im Zuge einer parametrischen Analyse den Wert von BF schrittweise verändern lassen können, ersetzen Sie im Modell die Bezeichnung

Bf=416.4

durch

Bf={beta}

Achten Sie dabei, dass der Platzhalter oder Parameter-Name "beta" in geschweifte Klammer (Tasten-Kombinationen AltGr+7 und AltGr+0) zu setzen ist. Danach sollten Sie noch die Implementation des Modells ändern und die die LIB-Datei abspeichern. Leider ist der Wert des Parameters BF nicht mit dem Stromverstärkungsfaktor Beta identisch.

Die Bedeutung der einzelnen Modell-Parameter und die Modellbeschreibung des bipolaren Transistors finden Sie im PSpice Reference Manual (pspcref.pdf) auf den Seiten 203 bis 374 beschrieben.

Um eine parametrische Analyse ausführen zu können, müssen Sie noch das Symbol "Param" bzw. "Parameters" (special.olb) in Ihr Schaltbild einsetzen und den Nominalwert von BF eintragen:


Das Symbol Parameters mit dem Nominalwert von BF im Übungsbeispiel (das vorbereitete Beispiel befindet sich unter bf2 oder in bf2.zip).

Danach müssen Sie nur noch im sekundären Simulationsprofil die Daten für die parametrische Simulation eintragen:


Tragen Sie für die parametrische Analyse unter den Parameter-Namen (Parameter name) "beta" als globalen Parameter (Global parameter) ein. Die Werte des Parameters sollen sich linear zwischen 200 und 800 mit einer Schrittweite von 100 verändern.

Nach der Simulation (F11) erhalten Sie dann das nachfolgende Diagramm in Probe:


Das Probe-Fenster nach der parametrischen Analyse: Die jeweiligen Werte des Parameters BF erfahren Sie, wenn Sie mit der linken Maustaste auf die einzelnen Graphen klicken Eine vorbereite Simulation für kleine Kollektorströme finden Sie unter bfk bzw. bfk.zip.

Ein weiteres, vorbereitetes Experiment (Stromlaufplan) zeigt die Kollektorströme in Abhängigkeit von der Basis-Emitter-Spannung (Diagramm) (ube bzw. ube.zip).


Alternative Methode zur Veränderung eines Modell-Parameters

Die eben beschriebene Methode ist mit dem Umstand verbunden, dass Sie immer einen Eingriff in das Modell vornehmen müssen, wenn Sie einen Modell-Parameter schrittweise verändern lassen möchten. Es gibt deshalb ein Verfahren, dass ohne Modell-Editor und Modellveränderungen auskommt. Sie müssen dazu nur ein sekundäres Simulationsprofil ausfüllen, wie es nachfolgend abgebildet ist:


Das Simulationsprofil für die alternative Methode (ein vorbereitetes Beispiel finden Sie unter bf3 bzw. bf3.zip).

Achten Sie darauf, dass Sie unter "Options" "Secondary Sweep" auswählen. Unter "Parametric Sweep" würde die parametrische Simulation bei manchen Programm-Versionen nicht funktionieren. Außerdem müssen Sie nun für die "Sweep variable" "Model parameter" auswählen. Unter "Model type" wählen Sie aus einer Liste "npn" aus, da es sich um einen NPN-Transistor handelt. Unter "Model name" tragen Sie die Implementation (hier Q2N3904) des Modells ein. Unter "Parameter name" tragen Sie schließlich denjenigen Modellparameter ein, den Sie verändern lassen möchten (also bf). Die Angaben unter "Sweep type" übernehmen Sie von der vorhergehenden Simulation.

Die Simulation zeigt dann in Probe ein ähnliches Ergebnis:


Im Vergleich zur echten parametrischen Analyse fehlt eine farbliche Unterscheidung der einzelnen Graphen. Zudem können Sie nicht die jeweiligen Werte des Parameters erfahren, wenn Sie dazu die einzelnen Graphen mit der rechten Maustaste anklicken.

Mit diesem Verfahren können Sie nicht gezielt den Parameter eines einzigen Transistors verändern. Sie würden alle Transistoren des gleichen Typs, die das gleiche Modell  mit der gleichen Implementation verwenden, gleichzeitig verändern.

Simulation einer Stromspiegelschaltung

Bei einer Stromspiegelschaltung wäre es interessant zu untersuchen, wie sich unterschiedliche Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren, welche bedingt durch die Exemplarstreuungen auftreten, auf den Ausgangsstrom auswirken:


Stromspiegel: Zur Veränderung der Stromverstärkungsfaktors dient eine parametrische Simulation (vorbereitete Schaltung unter speg bzw. speg.zip)

Es stehen zwei Simulationsprofile zur Auswahl: Mit dem Profil "a-idc" können Sie den Stromverstärkungsfaktor des Transistors Q2 verändern. Den Stromverstärkungsfaktor von Q1 ändern Sie mit dem Profil "a-icd2". Damit dies auch so gelingt, hat jeder der beiden Transistoren ein eigenes Modell mit einer eigenen Implementation erhalten.

Für die Strommessung des Kollektorstroms von Q2 kommt wieder die Spannungsquelle VSRC zum Einsatz, welche hier den Bezeichner "IAUS" erhalten hat. Gleichzeitig liefert Sie noch eine Gleich-Spannung (DC) von 3 Volt ab. Damit ein positiver Strom gemessen wird, musste der negative Pol der VSRC-Quelle mit dem Kollektor verbunden werden. Um trotzdem am Kollektor eine positive Gleichspannung zu erhalten, wurde unter DC ein negativer Wert eingetragen.

Das Ergebnis der parametrischen Simulation sieht wie folgt aus:


Der Ausgangsstrom in Abhängigkeit vom Eingangsstrom bei gleichzeitiger Veränderung des Stromverstärkungsfaktors eines einzigen Transistors.

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