CC BY
16ISSN 1814-1196 Научный вестник НГТУ том 68, № 3, 2017, с. 76-94
http://journals.nstu.ru/vestnik Science Bulletin of the NSTU Vol. 68, No. 3, 2017, pp. 76-94
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ MODELLING OF PROCESSES
И УСТРОЙСТВ AND DEVICES
УДК 621.3.038
Методология моделирования транзисторных оптопар 3ОТ122
*
с учетом температурной зависимости
Д.В. ОЗЕРКИН1, С.А. РУСАНОВСКИЙ2
1 634050, РФ, г. Томск, пр. Ленина, 40, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, кандидат технических наук, доцент. Е-mail: ozerkin.denis@yandex.ru
634050, РФ, г. Томск, пр. Кирова, 56в, НПЦ «Полюс», генеральный директор, кандидат технических наук. Е-mail: rusa10@yandex.ru
Характерной особенностью электронной компонентной базы, применяемой в бортовой космической аппаратуре, является широкий температурный диапазон функционирования (от -60 °С до 125 °С). Математические модели, которые адекватно описывают поведение прототипов при комнатной температуре, становятся непригодными для моделирования процессов в экстремальных условиях эксплуатации. Возникает задача по разработке математических моделей электронной компонентной базы специального применения, адекватно описывающих поведение прототипов в широком температурном диапазоне. В номенклатуре электронной компонентной базы, применяемой в отечественной бортовой космической радиоаппаратуре, достаточно распространены транзисторные оптопары 3ОТ122. Для исследования была отобрана партия из пяти однотипных транзисторных оптопар 3ОТ122А производства АО «Оптрон». В статье рассмотрены методологические вопросы SPICE-моделирования указанных транзисторных оптопар с учетом температурной зависимости. Показано, что образцы транзисторных оптопар 3ОТ122А одной партии поставки отличаются технологическим разбросом параметров. Этот факт затрудняет использование классической методологии синтеза SPICE-моделей по справочным данным, поскольку адекватность полученных моделей по отношению к своим прототипам неудовлетворительна. Авторами предложена оригинальная методология синтеза транзисторных оптопар, основанная на измерении электрических параметров образцов при разных температурах. Результаты измерения в конечном итоге преобразуются в вектор, состоящий из 11 параметров. При этом синтез множества подобных транзисторных оптопар из семейства 3ОТ122 будет заключаться в отыскании коэффициентов этого вектора. Для одного из образцов транзисторной оптопары проведена апробация разработанной методологии. Итогом явилась синтезированная SPICE-модель с невязкой результатов экспериментальных измерений и результатов моделирования не превышающих 2 %.
Ключевые слова: бортовая космическая радиоэлектронная аппаратура, транзисторная оптопара, температурная стабильность, вольт-амперная характеристика, выходное остаточное напряжение, квадратичная аппроксимация, SPICE модель, OrCAD
DOI: 10.17212/1814-1196-2017-3-76-94
Статья получена 10 апреля 2017 г.
ВВЕДЕНИЕ
Разработанные к настоящему времени математические модели электронной компонентной базы (ЭКБ) широкого применения дают удовлетворительное совпадение температурных зависимостей параметров с соответствующими параметрами прототипов при температуре среды, близкой к лабораторной (комнатной). Совсем иначе складывается ситуация для ЭКБ военного и/или космического применения [1, 2]. Одна из характерных особенностей такой ЭКБ - широкий температурный диапазон функционирования (от -60 °С до 125 °С). Как следствие, происходит значительное изменение параметров ЭКБ относительно своего номинального значения. При этом математическая модель, которая адекватно описывала поведение прототипа при комнатной температуре, становится непригодной для моделирования процессов в экстремальных условиях эксплуатации. Становится актуальной задача разработки математических моделей ЭКБ специального применения, адекватно описывающих поведение прототипов в широком температурном диапазоне.
Вопросы моделирования транзисторных оптопар (оптронов) находили отражение в отечественной и зарубежной печати. Так, в работе M.F. Deve-ney [3] разработаны модели с термозависимыми параметрами для оптронов, изготовленных из дискретных компонентов. В качестве прототипа рассматривались сборка, состоящая из источника фотонов (лазерный диод либо све-тоизлучающий диод) и фотодиода на основе соединения Ga-Al-As. В результате автором получена простая SPICE-модель для оптрона дискретного исполнения. Модель может быть использована для точного моделирования работы оптронов, состоящих из разных типов источников и приемников, в температурном диапазоне от -55 до 75 °С. Моделирование температурных зависимостей интегральных оптронов в статье не затронуто.
В отечественной работе А.Е. Милешкина [4] рассматриваются методы полиномиальной интерполяции функции зависимости параметров оптронов, а также составления эквивалентной схемы замещения с управляемыми источниками тока. Автор статьи разработал модели фоторезисторных оптронов применительно к популярному программному комплексу NI MultiSim. Вопросы моделирования фототранзисторных оптронов в работе не рассматривались.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В номенклатуре ЭКБ, применяемой в отечественной бортовой космической радиоаппаратуре, достаточно распространены транзисторные оптопары 3ОТ 122 (рис. 1). Оптопары выпускаются в металлостеклянном корпусе и предназначены для коммутации цепей постоянного тока. Излучатель оптопа-ры представляет собой мезаэпитаксиальный диод на основе твердого раствора Ga-Al-As; приемником служит кремниевый планарный n-p-n составной фототранзистор [5, 6].
В настоящей работе предложена методология моделирования транзисторных оптопар интегрального исполнения с температурной зависимостью параметров, ориентированная на SPICE-подобные симуляторы (Cadence OrCAD). Оригинальная методология является развитием принципов и спосо-
бов, отработанных авторами в [7, 8]. Для исследования была отобрана партия из пяти однотипных транзисторных оптопар 3ОТ122А производства АО «Оп-трон» [9], изготовленных по аАО.339.200 ТУ. Акционерное общество «Оп-трон» - одно из старейших предприятий отечественной электронной промышленности, созданное в 1956 году.
Рис. 1. Оптопара транзисторная 3ОТ122А:
а - конструктивные данные; б - электрическая схема
Предприятие специализируется на выпуске широкого класса оптоэлек-тронных приборов, ультрастабильных, аттестуемых, прецизионных стабилитронов, р-г-п СВЧ-диодов, диодов общего назначения и других электронных компонентов, а также производит средства и системы отображения информации, системы управления двигателями постоянного и переменного тока, системы управления водоснабжением, водоотведением, кондиционированием.
б
а
2. ПОЛУЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОБРАЗЦОВ-ПРОТОТИПОВ 3ОТ122А
Первая часть методологии моделирования направлена на получение экспериментальных зависимостей параметров для образцов-прототипов 3ОТ122А. Для измерений использовалась экспериментальная установка, структурная схема которой представлена на рис. 2.
Основа экспериментальной установки - комплекс для температурных испытаний ТЬегшо81хеаш ТР04310А. Комплекс ТР04310А специально разработан для быстрых, качественных и точных испытаний печатных плат, электронных компонентов и модулей [10]. Принцип работы комплекса построен на температурном воздействии сжатого воздуха с большим расходом на испытываемый образец (микросхему или печатную плату). Остальная неиспы-тываемая поверхность объекта накрывается защитным термоизолирующим
полотном (держатель термоизолирующий). Большой расход воздуха и давление позволяют комплексу менять температуру на образце за считанные секунды в очень широком диапазоне. Этот диапазон температур шире, чем у любых стандартных климатических камер. Главным преимуществом комплекса ТР04310А является очень высокая точность контроля температуры (± 0,1 °С), этот параметр превышает показатели самых качественных климатических камер.
Держатель
термоизолирующий
Объект
Блок управления
Воздуховод Кондиционер Компрессор
Комплекс для температурных испытаний ТИегт^геат ТР04310А
Тестер статических параметров ИС Т-4502
Пневматическая связь Электрическая связь
Рис. 2. Структурная схема измерительной установки
Измерения электрических параметров образцов при разных температурах осуществляются тестером статических параметров интегральных схем Т-4502 [11]. Тестер предназначен для контроля, измерения и классификации цифровых интегральных и гибридных схем с количеством выводов до 64, обеспечивает контроль и задание напряжений от 0 до ±55 В, контроль токов от 0 до ±150 мкА, задание тока до ±500 мА.
Результаты измерений представлены в графическом виде (рис. 3-7). Каждая координатная плоскость соответствует определенному виду измерений и содержит семейство характеристик пяти испытуемых образцов.
1,28
ее
Ц
11,24
и
К -
Б
0
1
Г1 с
X
ее
1,20
1,16
а /
6 //
г/// б //
в<
0 10 15
Входной ток, мА
Рис. 3. Семейство входных вольт-амперных характеристик:
а - образец 1; б - образец 2; в - образец 3; г - образец 4; д - образец 5
Проведем качественный анализ результатов измерения. Входные вольт-амперные характеристики (рис. 3) для оптопар традиционно строятся в системе иВХ = Д!ВХ). Для каждого образца взято по четыре экспериментальных значения входного тока. Можно наблюдать ярко выраженную нелинейную зависимость входного напряжения от входного тока. Разброс входного напряжения при неизменном входном токе для различных образцов составляет около 0,05 В.
Для удобства последующего синтеза математической модели транзисторной оптопары предлагается иное представление температурной зависимости входного напряжения, отличающееся от классического (рис. 4). Пусть исходная рабочая точка каждого испытуемого образца имеет координаты 1ВХ = 5 мА; ?окр.0 = 25 °С. Взяты три отсчета температуры среды ГОКрл = = -60 °С; Т0КР.0 = 25 °С; ТОКР.2 = 70 °С. Разность напряжения вычислена как АЦвх.у = (Цвх.у - иВХ.0/)|/вх = 5мА, где г - номер отсчета температуры среды; ] - номер испытуемого образца. В результате можно наблюдать в относительном масштабе слабую нелинейную зависимость входного напряжения от температуры. Семейство характеристик имеет общую точку пересечения при Токр.0/ = 25 °С; АЦвх.0;- = 0 В.
Температура, °С
Рис. 4. Температурная зависимость входного напряжения, построенная относительно базовой рабочей точки
1вх = 5 мА; Токр = 25 °С:
а - образец 1; б - образец 2; в - образец 3; г - образец 4; д - образец 5
Зависимость выходного остаточного напряжения от выходного тока измерена для двух значений входного тока 1ВХ = 5 мА и 1ВХ = 10 мА (рис. 5). Характеристики выходного остаточного напряжения имеют нелинейный, монотонно возрастающий характер. Для образцов 1 и 5 наблюдается нестабильность выходного остаточного напряжения при малых значениях выходного тока. Образцы 2, 3 и 4 обладают хорошей стабильностью выходной характеристики.
Основываясь на зависимости выходного остаточного напряжения от выходного тока, построенной при различных значениях входного тока, можно построить иную функциональную зависимость транзисторной оптопары -сопротивление прямой передачи (рис. 6). Если зафиксировать значение выходного тока (пусть /Вых = 15 мА), то тогда сопротивлением прямой передачи
будет функция одного аргумента Ппр.п - / (/вх , 1вых ^I —СОш1 — Р (/вх ), и она может быть представлена в двумерной системе координат:
п — ивых Лпр.п _ /
*вх
^ЬК —СОП81
Семейство характеристик прямой передачи имеет линейный характер, так как построено по двум точкам (/вх = 5 мА и /вх = 10 мА).
! 0.8
I 0,7
9 0,6
1вх=5мА <
Твх=1 ОмА
-
10
15
20
Выходной ток. мА
т 0.85
' 0.75
0.65
1вх=5мА,
Ъх=10мЛ
10
15
Выходной ток. в
:. мА
20
И 0.9
1-0.Е
о 0,7
1вх=5мА
1вх=10мА
10
15
20
Выходной ток. мА
г
Я 0.8
Ц0.6
к
Й 0,4 О
! 0.2
1вх=5мА
1вх=10ыА
10 15 20
рз
Выходной ток, мА д
Рис. 5. Зависимость выходного остаточного напряжения от выходного тока:
а - образец 1; б - образец 2; в - образец 3; г - образец 4; д - образец 5
б
а
200
5 О
§ £ 150
ч Ч й » 13 р, Н и
о с
& « 100 ° §
и I
6
50
В '
10
Входной ток, мА Рис. 6. Сопротивление прямой передачи:
а - образец 1; б - образец 2; в - образец 3; г - образец 4; д - образец 5
На основе зависимости выходного остаточного напряжения от выходного тока (рис. 5) можно построить новое семейство характеристик - относительно базовой рабочей точки. Такое представление (рис. 7) удобно для последующего синтеза математической модели.
0,05г
т
I
*
к р.
= -
Я
О и
о
X X
о н в
-0,05;
-0,1ь
б\ а\\ ' - ч'ч в -
10 15
Выходной ток, мА
20
Рис. 7. Семейство выходных вольт-амперных характеристик, построенных относительно базовой рабочей точки 1вх = 5 мА; 1вых = 15 мА:
а - образец 1; б - образец 2; в - образец 3; г - образец 4; д - образец 5
Пусть исходная рабочая точка (/ВЫХ.о, ^вых.о) каждого испытуемого образца имеет координату /ВЫХ.о = 15 мА при 1ВХ = 5 мА. Разность выходного остаточного напряжения вычислена как д^вых.у = (^вых.у - ^вых.о;)|/вх=5ма, где 1 - номер отсчета выходного тока (1 е {5мА; 10мА; 15мА; 20мА}); / - номер испытуемого образца. В результате можно наблюдать в относительном масштабе слабую нелинейную зависимость выходного остаточного напряжения от выходного тока. Семейство характеристик имеет общую точку пересечения при /выхо/ = 15 мА; Д^хо/ = 0 В.
3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТРАНЗИСТОРНОЙ ОПТОПАРЫ 3ОТ122А
Для очерчивания границ применимости будущей математической модели предлагается структурная схема (рис. 8), состоящая из двух основных блоков: каскада излучателя и каскада фотоприемника. Внутреннее наполнение каскадов соответствует наблюдаемым процессам на предыдущем этапе исследования. Входной сигнал (входной ток 1ВХ) поступает на датчик тока РЛ1, который выделяет его величину и знак. Затем сигнал преобразуется с помощью функционального источника напряжения 01, управляемого входным током. Закон функционального преобразования определяется экспериментальной зависимостью иВХ = Д!ВХ) из рис. 3. Суммирующее устройство и1 учитывает характер входной вольт-амперной характеристики (ВАХ), обусловленный как нелинейностью при комнатной температуре и ВХ = Т(!Вх), так и аддитивными тепловыми процессами АиВХ = ДТСР), наблюдаемыми на рис. 4. Суммарный нелинейный сигнал - входное термозависимое напряжение иВх = и Вх + АиВх.
Датчик тока РЛ1 каскада излучателя связан с источником напряжения 03, управляемого током и находящегося в каскаде фотоприемника. Закон функционального преобразования в 03 определяется как произведение сопротивления прямой передачи (рис. 6) на входной ток: и ВЫХ = У(ЛПРл)^/ВХ. Датчик тока РЛ2 каскада фотоприемника выделяет величину и знак выходного тока /ВЫХ. Эта информация служит для работы генератора нелинейности выходной ВАХ 04. Закон функционального преобразования в 04 определяется по экспериментальной зависимости на рис. 7 и носит аддитивный характер АиВЫХ = Д1ВЫХ). Суммирующее устройство и2 учитывает основную и аддитивную (нелинейную) составляющую выходного напряжения: иВЫХ = = и ВЫХ + АиВЫХ. Суммарный нелинейный сигнал поступает в инерционное звено Z1, которое формирует определенное значение постоянной времени т при работе в импульсном режиме. На выходе инерционного звена - выходное напряжение иВЫХ транзисторной оптопары, обладающее следующими совокупными свойствами:
1) функциональная зависимость от входного тока;
2) аддитивная составляющая нелинейности выходного каскада;
3) инерционность выходного каскада во временной области.
Рис. 8. Структуризация модели транзисторной оптопары 3 ОТ 122А
Структурная проработка транзисторной оптопары (рис. 8) позволяет предложить компактную математическую модель. Проведенный качественный анализ нелинейностей экспериментальных зависимостей (рис. 3-7) говорит о том, что математическая модель может базироваться на полиномах второго порядка.
Пусть входное напряжение транзисторной оптопары есть функция двух аргументов - входного тока 1ВХ и температуры окружающей среды T:
Ubx = /:(/вх, T). (1)
Произведем декомпозицию функции (1) путем фиксации одного из аргументов - температуры - на определенном уровне. Тогда получим частную функцию U ВХ = Fi(IBX), зависящую только от входного тока и аппроксимируемую полиномом второго порядка:
UВХ = Л (вХ, T)It=25 °C = F1 (IBX ) = a1 • 7ВХ + a2 •IВХ + a3 . (2)
Аддитивная составляющая нелинейности входной ВАХ ЛиВХ, зависящая от температуры окружающей среды, есть разность функций (1) и (2), вычисленная при фиксированном значении входного тока 1ВХ:
ЛиВХ = /2 (T) = /1 (IBX, T)L =const - F1 (ВХ )L =const = b1 •T2 + b2 •T + Ь3 .(3)
ВХ ВХ
Суммарный сигнал входного напряжения иВХ есть композиция функций (2) и (3) или сумма двух полиномов:
U ВХ = U ВХ +ЛиВХ = a1 • IВ Х + a 2 • IВХ + a3 + b1 • T2 + b2 • T + b3. (4)
Сопротивление прямой передачи есть функция двух аргументов - входного тока 1ВХ и выходного тока 1ВЫХ:
^ПР.П = /3(1ВХ, 1вых). (5)
Произведем декомпозицию функции (5) путем фиксации одного из аргументов - выходного тока - на определенном уровне. Получим частную функцию F3(IBX), зависящую только от входного тока и аппроксимируемую полиномом первого порядка:
ЯдР.П = f3 (1 ВХ, 1ВЫХ )| 1ВЫХ =const = F3 (IBX ) = c1 • IBX + c2. (6)
Линейность полинома обусловлена тем, что семейство характеристик на рис. 6 было построено по двум точкам. В общем случае полином (6) может иметь более высокий порядок.
Напряжение прямой передачи есть произведение функции (6) на входной ток IBX:
UПР.П = ^ПР.П • IBX = F3 (IBX ) • IBX = (c1 • IBX + c2) • IBX = c1 • ^BX + c2 • IBX . (7)
Выходное остаточное напряжение UBbiX есть функция двух аргументов -выходного тока !ВЫХ и входного тока IBX:
UBbIX = /4(IBЫX, Ibx). (8)
Произведем декомпозицию функции (8) путем фиксации одного из аргументов - входного тока - на определенном уровне. Получим частную функцию F4(/BbiX), зависящую только от выходного тока:
UBbIX = f4 (^ВЫХ,^ВХ )| 1ВХ=const = F4 (^ВЫХ ) . (9)
Аддитивная составляющая нелинейности выходной ВАХ АиВЫХ, зависящая от особенностей каскада фотоприемника, есть разность функций (9), вычисленных при текущих значениях аргумента /ВЫХ относительно фиксированного значения (/ВЫХ = const):
AUBbIX = f5 (1ВЫХ ) = F4 (1ВЫХ ) " F4 (1ВЫХ ^/ВЫХ=const =
= d1• /Вых + d 2 • /вых + d 3. (10)
Суммарный сигнал выходного напряжения иВЫХ есть композиция функций (7) и (10) или сумма двух полиномов:
UВЫХ = UПР.П + АиВЫХ = c1 • 7Вх + c2 •1ВХ + d1 •1ВыХ + d2 •1 ВЫХ + d3. (11)
Таким образом, уравнения (4) и (11) отражают два искомых сигнала -входное и выходное напряжение транзисторной оптопары. Многообразие конкретных реализаций математической модели транзисторной оптопары может быть задано вектором М, содержащим значения коэффициентов полиномов в уравнениях (4) и (11):
M = {a1, a2, a3, Ъ1, Ъ2, Ъ3, c1, c2, d1, d2, d3}. (12)
Предположим, что переходный процесс в транзисторной оптопаре заканчивается за время t ~ 3т, когда первоначальное значение импульса выходного напряжения изменяется по модулю на порядок. Инерционное звено Z1 на рис. 8 представим в виде апериодического звена первого порядка (в виде LR-цепи). Роль резистора в такой цепи выполняет активное сопротивление нагрузки RH. Зная время переходных процессов t и сопротивление нагрузки RH, можно определить основные характеристики инерционного звена: постоянную времени т и индуктивность L:
t
т = —, L = tRh. 3
На основе структурной схемы (рис. 8) и с учетом математических моделей (4) и (11) разработана модель (рис. 9), пригодная для SPICE-симулято-ров [12]. Номера внешних выводов макромодели соответствуют номерам выводов прототипа: 4, 5 - входы транзисторной оптопары; 11, 12 - выходы транзисторной оптопары. К выходам подключается активное сопротивление нагрузки RH. Макромодель содержит шесть элементов. Датчик тока представляет собой последовательное соединение универсального источника напряжения V1 с нулевым собственным значением напряжения и резистором R1. Заметим, что некоторые версии SPICE допускают представление датчика тока лишь из одного резистора. Источник напряжения, управляемый током G1, зависит от входного тока и от температуры окружающей среды. Функциональная зависимость источника G1 определяется уравнением (4). Коэффици-
енты полиномов записаны как параметры в виде {т} и {Ьг}. Переменная Т воспринимается 8Р1СЕ-симуляторами как глобальная (резервированная) переменная, обозначающая температуру.
Рис. 9. Макромодель транзисторной оптопары 3ОТ122А
Источник напряжения, управляемый током 02, зависит от произведения сопротивления прямой передачи на входной ток, а также от аддитивной нелинейности каскада фотоприемника. Функциональная зависимость источника 02 определяется уравнением (11). Коэффициенты полиномов записаны аналогично предыдущему выражению. Датчик тока У2 выделяет величину выходного тока, которая используется в функциональной зависимости источника 02. Инерционное звено представляет собой /Л-цепь, состоящую из индуктивности Ы и внешнего (по отношению к макромодели) сопротивления нагрузки ЯН.
4. ТЕСТОВОЕ ИСПЫТАНИЕ МАКРОМОДЕЛИ
Тестовое испытание разработанной макромодели проведем на примере образца № 1 транзисторной оптопары 3 ОТ 122 А. Экспериментальные зависимости полученных ранее характеристик (рис. 3-7) аппроксимируются полиномиальной зависимостью второго порядка. Матричное представление имеет вид
у = Ха + г,
где X - матрица экспериментальных значений; г - случайная ошибка; а - искомые коэффициенты полинома.
Вектор оценок у и вектор остатков е регрессии соответственно равны:
У = Ха,
е = У - У = У - Ха. Сумма квадратов остатков регрессии будет равна
В = ете = (у - Ха)г(у - Ха).
Дифференцируя эту функцию по вектору параметров а и приравняв производные к нулю, получим систему уравнений
(ХТХ)а = ХТу.
Для полинома второго порядка имеем коэффициенты
а =
(ХТ х )"1
ХТ у .
(13)
Подставив в (13) экспериментальные значения для образца 1 (рис 3, 4), получим коэффициенты полинома в уравнении (4):
А = (ХТ х) ХТ иВх
В
( Х )
Хт Аи ВХ =
а1 = -339,047, а2 = 8,993, а3 = 1,213;
Ь1 = 2,313-10-6, Ь2 = -1,93110-3, Ь3 = 0,047;
Итоговое уравнение (4) для образца имеет вид
и ВХ = -339,0471ВХ + 8,993/ВХ +1,213 +
+ 2,313 • 10-6Т2 -1,931-10-3Т + 0,047.
Подставив в (13) экспериментальные значения для образца (рис. 6 и 7), получим коэффициенты полинома в уравнении (11):
С = (ХТ Х ) 1ХТ я ПР.
Гс1 = -16 320,
с2 = 238;
Б = (ХТ Х) 1ХТ и
ВЫХ
^ = -200, й 2 = 12,72, й 3 = -0,143.
Итоговое уравнение (11) для образца имеет вид
и
ВЫХ
= -16 320-I
ВХ
2381ВХ -2001
ВЫХ
12,721 вых -0,143.
Согласно справочной информации [5, 6], время нарастания импульса выходного тока при 1ВХ = 5мА, иКОМ = 10 В, ЯН = 100 Ом составляет 6 мкс. Тогда постоянная времени
г 6-10-6
1 3
= 2 -10-6 мкс.
Величина индуктивности инерционного звена
L = xRh = 2Т0~6100 = 2-10~4 Гн.
Дальнейшее моделирование происходит в схемотехническом модуле PSpice AD, входящем в программный комплекс Cadence OrCAD [13, 14]. На поле чертежа в схемном редакторе OrCAD Capture макромодель транзисторной оптопары представлена в виде условного графического обозначения четырехполюсника U1 (рис. 10). Нагрузкой служит активное сопротивление RH = 100 Ом. Ко входу четырехполюсника подключен универсальный источник тока I1, форма сигнала которого и числовые значения представлены на рис. 11. Универсальный источник тока обеспечивает сигнал во всех видах анализа: по постоянному току, в частотной и временной областях.
Рис. 10. Схема включения транзисторной оптопары 3 ОТ 122А
Рис. 11. Входной сигнал:
начальное значение тока I1 = 1 мА; импульсное значение тока I2 = 5 мА; время до начала переднего фронта TD = 10 мкс; время нарастания импульса TR = 0,1 мкс; время спада импульса TF = 0,1 мкс; ширина импульса PW = 100 мкс; период повторения PER = 0,2 мс
Тестовое схемотехническое моделирование сначала проводится по постоянному току (режим DC Sweep). Источник тока принимает четыре фиксированных значения: 2 мА, 5 мА, 10 мА, 15 мА. При это температура окружа-
ющей среды принимает три фиксированных значения: -60 °С, 27 °С, 70 °С. Набор фиксированных значений подобран так, чтобы быть идентичным условиям ранее проведенных экспериментальных исследований (рис. 3, 4).
Для удобства восприятия результаты экспериментальных исследований и результаты моделирования сведены на одну общую координатную плоскость (рис. 12). С качественной точки зрения можно видеть хорошее совпадение характеристик при ТОКР = 27 °С, ТОКР = 70 °С и удовлетворительное при ТОКР = -60 °С. Количественная оценка проведена методом наименьших квадратов (см. таблицу).
Рис. 12. Сравнительный анализ входных ВАХ для образца:
х - экспериментальные данные; А - данные моделирования
/вх=5мА^
7вх=ЮмА
5 10 15 20
Выходной ток, мА
Рис. 13. Сравнительный анализ выходных ВАХ для образца:
х - экспериментальные данные; А - данные моделирования
Моделирование эффекта изменения выходного тока (рис. 13) происходит за счет варьирования масштабным коэффициентом сопротивления нагрузки. Условия схемотехнического моделирования выглядят так:
- диапазон варьирования масштабного коэффициента ЛН = 0,3.. .2;
- шаг варьирования масштабного коэффициента ЛН = 0,1;
- набор фиксированных значений входного тока /ВХ = 5 мА, 10 мА. Можно наблюдать практически полное совпадение экспериментальных
значений и результатов моделирования, за исключением точки /ВЫХ = 5 мА при /ВХ = 5 мА. Количественная оценка приведена в таблице.
Невязка экспериментальных значений и результатов моделирования
Невязка входной ВАХ, % Невязка выходной ВАХ, % *
7ОКР = -60 °С ^ОКР = 27 °С 7ОКР = 70 °С 1вх = 5 мА /ВХ = 10 мА
2 0,8 1 0,3 0,7
* За исключением точки 1ВЫХ = 5 мА при 1ВХ = 5 мА
Моделирование во временной области происходит в режиме Time Domain (Transient). Условия моделирования:
- момент начала анализа ¿НАЧ = 200 мкс;
- момент окончания анализа ¿КОН = 240 мкс;
- максимальный шаг приращения времени Atmax = 0,02 мкс.
со
к
<L>
8 и в. с
я
к
«
о ш ч о
X
m
/^бмкс
-S- Г*1
1 к **
; /
/ /
■
s
— г'
о"
1
-i.
Время, мкс
Рис. 14. Время нарастания импульса выходного напряжения для образца
Результаты моделирования во временной области (рис. 14) показывают, что за время ^ = 6 мкс (при постоянной времени т = 2 мкс) уровень выходного напряжения достигает 0,93 итах. Это хорошо согласуется с классическими представлениями о числовой взаимосвязи параметров переходного процесса в инерционных звеньях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы.
Предложенная методология моделирования транзисторных оптопар 3 ОТ 122 с учетом температурной зависимости позволяет имитировать входные и выходные ВАХ с высокой точностью. Невязка результатов экспериментальных измерений и результатов моделирования для испытуемого образца составляет от 0,3 до 2 % (см. таблицу).
Применение классической методологии синтеза SPICE-моделей [15], по справочным данным, приводит к неадекватным моделям по отношению к реальным образцам ЭРИ. Для различных образцов, идентичных по наименованию транзисторных оптопар, наблюдается технологический разброс параметров, который в справочных данных либо не отражается, либо отражен в усредненном виде.
Достоинство представленной методологии моделирования транзисторных оптопар 3 ОТ 122 состоит в том, что окончательный результат - это вектор параметров математической модели (12). Следовательно, синтез множества подобных транзисторных оптопар семейства 3 ОТ 122 будет заключаться в отыскании коэффициентов для вектора (12).
Упрощение предложенной макромодели транзисторной оптопары заключается в том, что величины времени нарастания tHP и времени спада ten импульса равны и фиксированы (tHP = ten = const). Недостатком предложенной макромодели транзисторной оптопары следует признать отсутствие имитации выходного тока утечки /Ут.вых (величина /Ут.вых ~ 100 нА).
Перспективным способом усовершенствования предложенной макромодели транзисторной оптопары является введение эффектов: температурной зависимости выходного тока утечки /Ут.вых = fT0KP), а также зависимости времени спада и времени нарастания импульса от сопротивления резистора «база-эмиттер» ten = .ДЯбз) и tHP = .ДДбз).
Предложенная методология моделирования транзисторной оптопары 3 ОТ 122 может быть распространена на другие семейства транзисторных оптопар отечественного и зарубежного производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р 56526-2015. Требования надежности и безопасности космических систем, комплексов и автоматических космических аппаратов единичного (мелкосерийного) изготовления с длительными сроками активного существования [Электронный ресурс]. - URL: http://standartgost.ru/g/ГОeТ_P_56526-2015 (дата обращения: 29.09.2017).
2. ГОСТ Р 56514-2015. Нормы прочности автоматических космических аппаратов [Электронный ресурс]. - URL: https://standartgost.ru/g/ГОeТ_P_56514-2015 (дата обращения: 29.09.2017).
3. Deveney M.F. Temperature tracking SPICE macro-model for laser and LED driven opto-coupler assemblies // IEEE Proceedings of the 35th Midwest Symposium on Circuits and Systems. -1992. - Vol. 2. - P. 1556-1559.
4. Милешкин А.Е. Построение математических макромоделей компонентов фоторези-сторных оптронов // Теория и практика современной науки. - 2016. - № 6-1 (12). - с. 882-886.
5. Полупроводниковые диоды. Диоды высокочастотные. Диоды импульсные. Оптоэлек-тронные приборы: справочник / А.Б. Гитцевич и др.; под ред. А.В. Голомедова. - М.: КУбК-а, 1997. - 592 с.
6. Иванов В.И., АксеновА.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 448 с.
7. Озеркин Д.В., Русановский С.А. Методология моделирования температурной стабильности резисторных блоков Б19К в SPICE-подобных симуляторах // Доклады ТУСУР. - 2017. -№ 2. - С. 49-54.
8. Озеркин Д.В., Русановский С.А., Бондаренко В.О. Автоматизация проектирования SPICE-моделей резисторных блоков Б19К с позиции температурной стабильности // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2017. - Т. 13, № 4. - С. 32-40.
9. Официальный сайт АО «Оптрон» [Электронный ресурс]. - URL: http://www.optron.ru (дата обращения: 29.09.2017).
10. TP04310A. Mobile Temperature System for testing components, hybrids, parts, modules, subassemblies and printed circuit boards at precise temperature [Electronic resource]. - URL: https://www.atecorp.com/ATECorp/media/pdfs/data-sheets/Temptronic-TP04310A_Datasheet.pdf (accessed 29.09.2017).
11. Испытательное и измерительное оборудование ОАО «ИТЦ-НПО ПМ» [Electronic resource]. - URL: http://ttc-npopm.ru/oborudovanie-ispytatelnoe-izmeritelnoe?page=2 (дата обращения: 29.09.2017).
12. NagelL.W., PedersonL.W. SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). -Berkeley: University of California, 1973. - 65 p.
13. OrCAD Capture Tutorial [Electronic resource]. - URL: http://www.orcad.com/resources/ orcad-tutorials (accessed 29.09.2017).
14. PSpice Tutorials [Electronic resource]. - URL: http://www.uta.edu/ee/hw/pspice/ (accessed 29.09.2017).
15. Златин И. Создание и редактирование моделей в OrCAD 15.7 (программа Model Editor) // Компоненты и технологии. - 2007. - № 7. - С. 149-154.
Озеркин Денис Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Основное направление научных исследований -температурная стабильность радиоэлектронных средств. Имеет более 40 публикаций, в том числе пять учебных пособий. E-mail: ozerkin.denis@yandex.ru
Русановский Сергей Александрович, кандидат технических наук, генеральный директор НПЦ «Полюс. Основное направление исследований - SPICE-моделирование бортовой космической радиоаппаратуры. Имеет 10 публикаций. E-mail: rusa10@ yandex.ru
The 30T122 transistor optocoupler modeling methodology with temperature dependence
D.V. OZERKIN1, S.A. RUSANOVSKIY2
1 Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Lenin Prospekt, Tomsk, 634050, Russian Federation, PhD (Eng.), associate professor. Е-mail: ozerkin.denis@yandex.ru Polus, JSC, 56v, Kirov Prospekt, Tomsk, 634050, Russian Federation, general manager, PhD (Eng.). Е-mail: rusa10@yandex.ru
A characteristic feature of the electronic component base used in on-board space equipment is a wide temperature range of operation (from -60 °C to 125 °C). Mathematical models that adequately describe the behavior of prototypes at room temperature become unsuitable for modeling processes under extreme operating conditions. The task arises to develop mathemati-
*
Received 10 April 2017.
cal models of the special-purpose electronic component base that adequately describe the behavior of prototypes over a wide temperature range. In the nomenclature of the electronic component base used in domestic on-board space radio equipment, 3ОТ122transistor optocouplers are quite common. A batch of five identical 3ОТ122А transistor optocouplers manufactured by the Optron JSC was selected for the study. In the article, methodological issues of SPICE-modeling of these transistor optocouplers are considered taking into account temperature dependence. It is shown that the samples of 3ОТ122А transistor optocouplers of one delivery batch are characterized by a technological spread of parameters. This fact makes it difficult to use the classical methodology for the synthesis of SPICE models based on reference data, since the adequacy of the models obtained with respect to their prototypes is unsatisfactory. The authors propose an original methodology for the synthesis of transistor optocouplers based on measuring electrical parameters of the samples at different temperatures. The measurement results are ultimately converted into a vector consisting of 11 parameters. In this case, the synthesis of a set of similar transistor optocouplers from the 3ОТ122 family will be the search for this vector coefficients. For one of the samples of the transistor optocoupler, the approbation of the developed methodology was carried out. The result was a synthesized SPICE model with a 2%discrepancy between experimental measurements and modeling data.
Keywords: on-board space radio-electronic equipment; transistor optocouple;, temperature stability; current-voltage characteristic; output residual voltage; quadratic approximation; SPICE model; OrCAD
DOI: 10.17212/1814-1196-2017-3-76-94
REFERENCES
1. GOST R 56526-2015. Trebovaniya nadezhnosti i bezopasnosti kosmicheskikh sistem, kom-pleksov i avtomaticheskikh kosmicheskikh apparatov edinichnogo (melkoseriinogo) izgotovleniya s dlitel'nymi srokami aktivnogo sushchestvovaniya [State Standard R 56526-2015. Reliability and safety requirements for space systems, complexes and unmanned spacecrafts of unique (small series) production with long life of active operation]. Available at: http://standartgost.ru/g7GOST_R_56526-2015 (accessed 29.09.2017).
2. GOST R 56514-2015. Normy prochnosti avtomaticheskikh kosmicheskikh apparatov [State Standard R 56514-2015. Strength standards for automated spacecrafts]. Available at: https://standartgost.ru/g/ГОСТ_Р_56514-2015 (accessed 29.09.2017).
3. Deveney M.F. Temperature tracking SPICE macro-model for laser and LED driven optocoupler assemblies. IEEE Proceedings of the 35th Midwest Symposium on Circuits and Systems, 1992, vol. 2, pp. 1556-1559.
4. Mileshkin A.E. Postroenie matematicheskikh makromodelei komponentov fotorezistornykh optronov [Construction of mathematical macromodels components of the optocouplers with photoresistor]. Teoriya i praktika sovremennoy nauki - Theory and practice of modern science, 2016, no. 61 (12), pp. 882-886.
5. Golomedov A.V., ed. Poluprovodnikovye diody. Diody vysokochastotnye. Diody impul'snye. Optoelektronnye pribory: spravochnik [Semiconductor diodes. High-frequency diodes. Impulse diodes. Optoelectronic devices: handbook]. Moscow, KUbK-a Publ., 1997. 592 p.
6. Ivanov V.I., Aksenov A.I., Yushin A.M. Poluprovodnikovye optoelektronnye pribory: spravochnik [Semiconductor optoelectronic devices: handbook]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1988. 448 p.
7. Ozerkin D.V., Rusanovskii S.A. Metodologiya modelirovaniya temperaturnoi stabil'nosti re-zistornykh blokov B19K v SPICE-podobnykh simulyatorakh [Methodology for modeling the temperature stability of the B19K resistor blocks in SPICE simulators]. Doklady Tomskogo gosudarstven-nogo universiteta sistem upravleniya i radioelektroniki - Proceedings of Tomsk State University of Control Systems andRadioelectronics, 2017, no. 2, pp. 49-54.
8. Ozerkin D.V., Rusanovskii S.A., Bondarenko V.O. Avtomatizatsiya proektirovaniya SPICE-modelei rezistornykh blokov B19K s pozitsii temperaturnoi stabil'nosti [SPICE model automata
designing of B19R resistance blocks from the position of temperature stability]. Vestnik Voronezh-skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta - The Bulletin of Voronezh State Technical University, 2017, vol. 13, no. 4, pp. 32-40.
9. Ofitsial'nyi sait AO "Optron" [JSC "Optron" official site]. Available at: http://www.optron.ru (accessed 29.09.2017).
10. TP04310A. Mobile Temperature System for testing components, hybrids, parts, modules, subassemblies and printed circuit boards at precise temperature. Available at: https://www.atecorp.com/ATECorp/media/pdfs/data-sheets/Temptronic-P04310A_Datasheet.pdf (accessed 29.09.2017).
11. Ispytatel'noe i izmeritel'noe oborudovanie OAO "ITTs-NPO PM" [JSC "ITTS-NPO PM" testing and measuring equipment]. Available at: http://ttc-npopm.ru/oborudovanie-ispytatelnoe-izmeritelnoe?page=2 (accessed 29.09.2017).
12. Nagel L.W., Pederson L.W. SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Berkeley, University of California, 1973. 65 p.
13. OrCAD Capture Tutorial. Available at: http://www.orcad.com/resources/orcad-tutorials (accessed 29.09.2017).
14. PSpice Tutorials. Available at: http://www.uta.edu/ee/hw/pspice/ (accessed 29.09.2017).
15. Zlatin I. Sozdanie i redaktirovanie modelei v OrCAD 15.7 (programma Model Editor) [Creating and editing models in OrCAD 15.7 (Model Editor Program)]. Komponenty i tekhnologiii -Components & Technologies, 2007, no. 7, pp. 149-154.
ISSN 1814-1196, http://journals.nstu.ru/vestnik Science Bulletin of the NSTU Vol. 68, No 3, 2017, pp. 76-94
