2.1 Определние параметров диода.
Для определения параметров моделей диода было использовано САПР Microwave Office, так как в этой программе возможно определить наибольшее число параметров которые приведены на рисунке.
рис 3. Параметры диода в MWO
Идентификация параметров происходит по справочным данным, которые предоставляет изготовитель в документации на элемент. Для моделирования необходимо построить схему снятия вольт-амперных характеристик и подключить к программе файл со справочными данными. На графике необходимо отобразить две характеристики для экспериментальной и подстраиваемой модели.
Рис4. Схема для снятия ВАХ диода
После оптимизации значения характеристик будут совпадать и программа определит искомые параметры элемента.
Рис. 5. ВАХ диода после подстройки значений
В формате spice модель диода выглядит следующим образом:
.model 2D803AC9 D (Is=0.00417320696989924m Rs=0.00970840355989861 N=3.36233928910005 Xti=0.149201186151771 Bv=93454.467891107 Ibv=0.291430890691074m
+ Cjo=125792976.565639p M=0.0623015057189436 Fc=0.0634667940847039)
2.2 Определение параметров транзистора.
Для расчета параметров моделей полупроводниковых компонентов, а также магнитных сердечников, можно воспользоваться программой Model в среде MicroCap. На рисунке представлен интерфейс программы.
Рис 6. Интерфейс программы Model
В отличие от предыдущего случая, здесь не надо производить процесс подстройки, но для более точной модели придется задать больше справочных данных. После идентификации данных в программе строится график и определяются spice-параметры модели. Таким образом были получены модели транзисторов, которые необходимы для моделирования схемы. Для транзистора 2T3117A представлена spice-модель
.MODEL 2T3117A NPN (IS=501.657F
+ BF=282.144 NF=1.16176 VAF=100
+ IKF=1.05431 ISE=20.5297F
+ NE=1.36131 BR=2 IKR=988.851
+ ISC=1.181988E-017 RE=543.714M
+ RC=1.00912U CJE=39.2628P
+ VJE=700M MJE=499.227M
+ CJC=31.2633P VJC=699.997M
+ MJC=499.832M TF=493.812P
+ XTF=499.971M VTF=10
+ ITF=9.69242M TR=176.624N)
2.3 Определение spice-модели цифровых компонентов.
Модель цифрового компонента состоит из двух частей: интерфейсной модели (I/O model) и временной модели (timing model). Временная модель определяет задержки распространения цифровых состояний и ограничения снизу на длительности действия цифровых сигналов. Интерфейсная модель определяет сопротивления, эквивалентные схемы и времена переключения аналого-цифрового интерфейса. На рисунке представлена структура компонента 7410 (3ИНЕ)
Рис. 7. Структура компонента 7410
Для моделирования схемы необходимо создать модель на цифровой компонент, который содержит шесть триггеров Шмитта-инверторов. Для этого примера существуют стандартные временная и интерфейсная модели. Для создания подсхемы необходимо добавить шесть триггеров, задать землю и питание компонента, правильно указать все выводы микросхемы. Текст подсхемы в формате Spice привиден ниже.
Рис 8. Микросхема 1594тл2т
.SUBCKT SCHMITT A1 Y1 A2 Y2 A3 Y3 DGND Y4 A4 Y5 A5 Y6 A6 DPWR
+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND
+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0
*
U1 inv DPWR DGND
+ A1 Y1
+ DLY_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}
U2 inv DPWR DGND
+ A2 Y2
+ DLY_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}
U3 inv DPWR DGND
+ A3 Y3
+ DLY_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}
U4 inv DPWR DGND
+ A4 Y4
+ DLY_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}
U5 inv DPWR DGND
+ A5 Y5
+ DLY_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}
U6 inv DPWR DGND
+ A6 Y6
*
+ DLY_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}
.model DLY_14 ugate (tplhTY=15ns tplhMX=22ns tphlTY=15ns tphlMX=22ns)
.model IO_STD_ST uio (
+ DRVH=130 DRVL=130
+ ATOD1="ATOD_STD_ST" ATOD2="ATOD_STD_ST"
+ ATOD3="ATOD_STD_ST" ATOD4="ATOD_STD_ST"
+ DTOA1="DTOA_STD" DTOA2="DTOA_STD"
+ DTOA3="DTOA_STD" DTOA4="DTOA_STD"
+ TSWHL1=3.310ns TSWHL2=3.310ns
+ TSWHL3=3.310ns TSWHL4=3.310ns
+ TSWLH1=2.115ns TSWLH2=2.115ns
+ TSWLH3=2.115ns TSWLH4=2.115ns
+ DIGPOWER="DIGIFPWR")
.ENDS SCHMITT
Заключение
В результате работы были созданы библиотеки компонентов в САПР Altium Designer для моделирования схемы усилителя. Компоненты схемы описываются с помощью моделей, составленных на языке Spice. Сложность моделирования заключается в том, что при создании моделей необходимо учитывать большое количество параметров, которые известны только изготовителю компонента. Поэтому при создании требуется подробная документация на элемент. Также результат моделирования зависит от выбора метода расчета. В результате работы параметры моделей были определены через дополнительные программные пакеты. Результат работы будет известен после процесса моделирования.
Литература
В.В. Фриск. Основы теории цепей. Использование макета Microwave Office для моделирования электрических цепей на персональном компьютере.
М.А. Амелина, С.А. Амелин. Программа схемотехнического моделирования MicroCAP. Версии 9, 10.
С.Р. Тумаковский. Spice – первое знакомсто.
Научно-технические достижения последних лет прямо или косвенно связаны с успехами полупроводниковой промышленности.
На протяжении двух последних десятилетий возможности моделирования постоянно отставали от темпов развития технологии и растущих потребностей полупроводниковой промышленности.
Появление новых моделей порождало новые проблемы верификации, достоверности, точности, стандартизации, обучения.
Качество технологии проектирования характеризуется количеством циклов устранения ошибок, допущенных при проектировании, процентом параметрического брака в изготовленных изделиях, размером кристалла, техническими параметрами изделия. Требования к качеству проектирования постоянно возрастают. Это вызвано не только естественными требованиями рыночной конкуренции, но также применением полупроводников в областях, связанных с жизнеобеспечением человека, с искусственными органами, с космической и военной техникой.
Одновременно с проблемой достоверности моделей существует проблема быстродействия средств моделирования, которая приводит к необходимости использовать предельно упрощенные модели транзисторов и приближенные методы моделирования электронных цепей. Используемые в настоящее время модели и методы рождены в результате борьбы противоречий между их точностью, достоверностью и вычислительной эффективностью.
Для получения экономичной компактной модели используют упрощающие допущения, которые неизбежно приводят к потере достоверности моделирования и возрастанию неопределенности в знании области ее допустимого применения.
Максимальной точностью и достоверностью обладают классические программы схемотехнического моделирования (SPICE-подобные программы), которые основаны на машинном составлении системы обыкновенных дифференциальных уравнений электрической цепи и их решении без применения упрощающих предположений. В них используются численные методы Рунге-Кутта или метод Гира для интегрирования системы дифференциальных уравнений, метод Ньютона-Рафсона для линеаризации системы нелинейных алгебраических уравнений и метод Гаусса или LU-разложение для решения системы линейных алгебраических уравнений. Модификации этих методов направлены на улучшение сходимости или вычислительной эффективности без упрощения исходной задачи.
Для увеличения скорости моделирования SPICE-подобных программ при минимальном снижении достоверности используются методы, которые первоначально были разработаны для логического моделирования (методы ускоренного моделирования, «fast-SPICE simulation»). К ним относится моделирование только активной части цепи, т.е. путей распространения сигнала, учет временной неактивности (латентности) подсхем, применение табличных моделей активных элементов, применение различного временного шага и различных численных методов для разных подсхем, применение макромоделей и сочетание различных методов моделирования на разных уровнях иерархии проекта СБИС (гибридное электро-логическое моделирование), моделирование на дискретной сетке переменных, применение кусочно-линейных моделей элементов, экспоненциальная подгонка, учет изоморфизма подсхем и др.
Сочетание указанных приемов позволяет увеличить скорость моделирования в 10-100 раз и во столько же раз увеличить предельную размерность моделируемой цепи. Главной характеристикой таких программ является предельный размер электрической цепи, которую они позволяют моделировать за приемлемое время.
Недостатком методов ускоренного моделирования является снижение достоверности полученного результата. Так, использование свойства латентности подсхем приводит к необходимости принятия допущения о неактивности подсхем, поскольку строго говоря, подсхема бывает пассивной только функционально, но не электрически: ведь паразитные выбросы на шинах питания и земли, а также межсоединений, воздействуют на подсхему независимо от ее функциональной латентности (бездействия). Аналогично встает вопрос о критериях наступления события при событийном управлении процессом моделирования.
Фундаментальной причиной снижения достоверности при использовании методов ускоренного моделирования является то, что для получения достоверных критериев упрощения исходной задачи нужно сначала получить ее точное решение. В описанных же случаях такого решения априори нет. То есть все величины, на основании которых принимается решение о латентности, наступлении события или шаге сетки, и т.п., являются исходно неточными. По этой причине наряду с понятием точности при описании свойств программ моделирования используют понятие достоверности. Достоверность понимают как вероятность того, что результат моделирования имеет ожидаемую точность. Достоверность в данном случае не связана со стохастической природой объекта исследования.
Несмотря на то, что SPICE-подобные системы моделирования имеют наибольшую точность, потребность в ее дальнейшем увеличении существует с момента создания программы SPICE и до наших дней.
Большинство программ моделирования основаны на алгоритмах и даже используют исходные тексты программы SPICE-2G6 Калифорнийского университета в Беркли и имеют сохранившийся с тех пор и ставший стандартом де-факто входной язык описания схем. Отсюда и произошел термин «SPICE-подобные» средства схемотехнического моделирования, который применяется в тех случаях, когда необходимо подчеркнуть, что в программе не используются упрощающие предположения, снижающие достоверность результата, как, например, в системах «ускоренного» моделирования.
Все коммерческие программы находятся в состоянии непрерывной модернизации и адаптации к нуждам клиентов, поэтому их характеристики изменяются постоянно, хотя по существу различаются незначительно. Основное различие состоит в доверии к качеству продукта и в качестве технической поддержки. Наиболее распространенными средствами точного (SPICE-подобного) моделирования являются программы Eldo фирмы Mentor Graphics, HSPICE фирмы Synopsys, Inc., SmartSpice (Silvaco International), Spectre и PSpice (Cadence Design Systems).
Существует также множество других программ моделирования, с менее известными брендами: SEQUEL (Indian Institute of Technology), AIM-Spice (AIM-Software), DrSpice (Deutsch Research), Ngspice (ngspice.sourceforge.net), AVOSpice (AVOCAD), LTspice (Linear Technology), WinSpice (www.winspice.com), mentalSPICE (www.mental.com), IsSpice из пакета ICAP (Intusoft), CircuitMaker (Protel International) и др.
В SPICE-подобных средствах моделирования сохраняются те же численные методы, что и в оригинальной программе SPICE. Модификации делаются, в основном, для расширения области сходимости. Улучшение быстродействия и предельной размерности цепи достигается за счет более эффективного использования памяти, оптимизации кода, применения методов декомпозиции (моделирования по частям), многопотокового исполнения программы на многоядерных процессорах и многопроцессорных компьютерах, за счет учета разреженности матриц, оптимального вычисления токов сложных моделей транзисторов, которое занимает до 80% по данным Cadence (www.cadence.com) и до 30% по данным [405] от общего времени моделирования. Используют также группирование цепей в сильно связанные, которые решаются методом Ньютона-Рафсона и слабосвязанные, которые решаются методом «одношаговой релаксации» (www.mentorg.com).
Перечисленные приемы позволяют уменьшить время моделирования до 10 раз по сравнению с оригинальной программой SPICE и увеличить предельную размерность моделируемой цепи до нескольких сотен тысяч транзисторов для 32-битных процессоров и до нескольких миллионов транзисторов для 64-битных. Дополнительное ускорение моделирования можно получить на многопроцессорных компьютерах.
Одной из новых проблем моделирования является необходимость учета огромного числа паразитных элементов. Наиболее остро эта проблема встает при пониженном напряжении питания, когда увеличивается роль помех по сравнению с напряжением питания, а также в радиочастотных, глубоко субмикронных и нанометровых СБИС, динамика которых определяется не активными приборами, а пассивными линиями связи и паразитными элементами.
К паразитным элементам относятся емкости, индуктивности и сопротивления шин питания и земли, цепей синхронизации, линий связи, распределенное сопротивление подложки, а также взаимные индуктивности и перекрестные емкости. Количество паразитных элементов может в 100 раз превышать количество функциональных элементов СБИС (www.cadence.com). Моделирование таких цепей с помощью классической программы SPICE крайне неэффективно, поскольку с ростом размерности матрицы трудоемкость LiZ-факторизации приближается к 0(га3), где η — количество узлов в цепи, вместо среднего значения η = 1,1... 1,5 для цепи без паразитных элементов. Кроме того, классическая программа SPICE не использует свойство линейности и структуру матрицы паразитных элементов. Учет структуры матрицы может дать ускорение до 103 раз по сравнению со SPICE.
Для моделирования паразитных элементов используют символьные методы , иерархическую декомпозицию цепи, основанную на теории графов, методы подпространств Крылова, методы релаксации формы сигнала. При этом паразитные элементы группируют в отдельную линейную подсхему, которая анализируется независимо от нелинейной части цепи и впоследствии сшивается с ней итерационными методами.
Наряду с применением специализированных методов решения систем уравнений, описывающих паразитные элементы, используют методы редукции (сокращения размерности) системы уравнений. Для этого используют сингулярное разложение матрицы (SVD) и макромоделирование (теорему об эквивалентном генераторе). В процессе редукции системы контролируют сохранение устойчивости цепи. Однако методы редукции нельзя отнести к точным, поскольку при их осуществлении используется параметр допустимой погрешности редукции.
Отдельную задачу при топологических нормах менее 0,1 мкм и частотах выше 1 ГГц представляет моделирование длинных линий передачи, когда их невозможно заменить сосредоточенной RC-цепью. Распределенные линии передачи описываются системой линейных уравнений с S-параметрами.
В связи с тем, что для моделирования радиочастотных цепей используются методы, существенно отличающиеся от методов классической программы SPICE [406] (метод пристрелки и метод гармонического баланса), такие программы представляют собой отдельные коммерческие продукты (SmartSpice RF, HSpice RF и др.).
Возникшая около 10 лет назад технология микроэлектромеханических систем (MEMS) [181] побудила многие компании включить в SPICE-подобные программы средства моделирования и этих систем. Такие программы позволяют анализировать проект, содержащий одновременно электрические, механические и гидравлические элементы, а также блоки систем автоматического управления.
Программы для проектирования СБИС традиционно использовались на рабочих станциях Sun или HP, однако в последние годы большинство фирм быстро адаптировали свои программные средства к IBM PC-совместимым компьютерам, которые функционируют под ОС Windows, Linux и Solaris.
Общей тенденцией в развитии средств моделирования является их тесная интеграция с программами, выполняющими графический ввод электрической схемы, отображение и обработку результатов моделирования, проектирование топологии СБИС или печатной платы, экстракцию паразитных параметров топологии, идентификацию параметров моделей и макромоделей, приборно-технологическое моделирование и синтез макромоделей. Наметилась также тенденция к открытости и стандартизации моделей, языков описания схемы и форматов обмена данными между программами разных производителей. Это позволило использовать средства проектирования, составленные из компонентов, разработанных конкурирующими фирмами. Современные средства проектирования во многом следуют идеологии открытых систем.
Программы схемотехнического моделирования могут использоваться совместно с программами моделирования тепловых процессов, с программами приборно-технологического моделирования, с программами моделирования систем (например Simulink из пакета MATLAB) и с реальными компонентами систем и цепей. Такая связь выполняется с помощью итерационных алгоритмов сшивания решений, полученных в разнородных программно-технических системах.
Программы схемотехнического моделирования используют языки описания схемы SPICE, HSpice, AHDL, VHDL-AMS, Verilog-A и Verilog-AMS. Однако конечный пользователь чаще применяет графический ввод электрической схемы, не требующий обращения к символьным языкам.
Следует подчеркнуть, что многие фирмы скрывают суть используемых алгоритмов и не приводят методику оценки погрешности моделирования, ограничиваясь декларацией коммерчески привлекательных показателей. Однако отсутствие критики увеличивает непредсказуемость результата и, фактически, достоверность моделирования определяется не техническими свойствами программы, а доверием к фирме, ее репутацией, историей, авторитетом команды разработчиков. В этом отношении важны попытки разработать стандарты для оценки качества моделирующих средств, которые, однако, сталкиваются с проблемами быстрого старения стандартов по сравнению с процессами адаптации программ к бурно растущим потребностям рынка САПР.