Лекция № 2. Принципы аналогового схемотехнического моделирования
Виды и типы анализа. Расширенные виды анализа. Модели элементов. Их параметры. Задание на моделирование. Список соединений. Язык Spice
Принципы аналогового схемотехнического моделирования
Все аналоговые интегральные схемы независимо от их классификации состоят из известных схемных структур, которые выполняют в приборе конкретные функции. Структуры унифицированных узлов не являются совершенно новыми схемами, а представляют собой хорошо известные схемные конфигурации, разработка которых основывается на тех преимуществах и ограничениях, которые порождаются процессом производства интегральных схем.
С учетом степени новизны разрабатываемых изделий различают следующие задачи проектирования:
Модернизация существующих РЭУ за счет изменения параметров структуры и конструкции, обеспечивающая сравнительно небольшое (до нескольких десятков процентов) улучшение одного или нескольких показателей качества для решения тех же или новых задач.
Существенная модернизация, предполагающая значительное (в несколько раз) улучшение показателей качества.
Создание новых РЭУ, основанных на ранее не применявшихся принципах действия, для резкого (на несколько порядков) увеличения показателей качества при решении тех же или существенно новых задач.
По содержанию решаемых задач процесс проектирования можно разбить на следующие четыре этапа:
Системотехническое проектирование, при котором выбираются и формулируются цели проектирования, обосновываются исходные данные и определяются принципы построения системы. При этом формируется структура проектируемого объекта, его составных частей (функционально завершенных блоков), определяются энергетические и информационные связи между составными частями. В результате формируются частные технические задания на проектирование отдельных составных частей объекта.
Схемотехническое (функциональное) проектирование РЭУ, имеющее целью аппаратурную реализацию составных частей устройства. При этом выбор элементной базы, принципиальной схемы, структурный и параметрический синтез радиоэлектронных схем (оптимизация параметров) производятся с расчетом обеспечения наилучшего функционирования (и эффективного производства). При выборе элементной базы и синтезе радиоэлектронных схем необходимо учитывать конструкторско-технологические требования.
Техническое проектирование (конструирование), решающее задачи компоновки и размещения элементов и узлов, выполнения печатных и проводных соединений, а также задачи теплоотвода, электрической прочности, зашиты от внешних воздействий и т. п. На этом этапе разрабатывается техническая документация для изготовления и эксплуатации РЭУ.
Технологическая подготовка производства, предполагающая разработку технологических процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом.
Схемотехническое проектирование, как и другие перечисленные этапы, сводится к формированию описаний проектируемого РЭУ и состоит из отдельных проектных процедур, реализуемых с помощью пакетов прикладных программ автоматизированного проектирования и заканчивающихся частным проектным решением. Типичными для схемотехнического проектирования РЭУ проектными процедурами являются анализ и синтез их описаний на различных уровнях рассмотрения, т.е. в совокупности составляет этап схемотехнического моделирования.
Процедура синтеза заключается в создании проектного решения (описания) по заданным требованиям, свойствам и ограничениям. Например, широко используются при проектировании РЭУ процедуры синтеза электронных схем по их заданным характеристикам в частотной или временной области. При этом проектирование рассматривается как последовательное решение двух задач: выбора структурной схемы, называемого структурным синтезом, и определения параметров ее элементов (обеспечивающих требуемые характеристики), называемого параметрическим синтезом.
Процедура анализа состоит в определении свойств заданного описания РЭУ. Примером такой процедуры может служить расчет частотных или переходных характеристик электронных схем, определение реакции схемы на заданное воздействие и др. Анализ позволяет оценить степень удовлетворения проектного решения заданным требованиям и его пригодность.
Процедуры синтеза и анализа в процессе проектирования РЭУ тесно связаны между собой, поскольку обе они направлены на создание приемлемого или оптимального проектного решения.
Типичной проектной процедурой является оптимизация, которая приводит к оптимальному (по определенному критерию) проектному решению. Например, широко используется оптимизация параметров электронных схем с целью наилучшего приближения частотных характеристик к заданным. Процедура оптимизации состоит в многократном анализе при целевом изменении параметров схемы до удовлетворительного приближения к заданным характеристикам. В сущности, оптимизация обеспечивает создание или синтез проектного решения с поэтапным анализом или оценкой характеристик.
Основная задача схемотехнического моделирования – подтвердить соответствие схемотехники и выбранных параметров элементов спецификации модулей. Основными средствами для моделирования схем являются программы на базе программы Spice (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Схемотехническое моделирование
Необходимые программные средства определяются выбранной методологией проектирования (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Программные средства для схемотехнического моделирования
Системное моделирование |
Программа моделирования, поддерживающая языки высокого уровня |
Ииследование архитектуры |
Схемотехнический редактор |
Схемотехническое моделирование |
Программа моделирования |
Топология |
Топологический редактор |
Верификация |
Программа верификации |
Схемотехническое моделирование является основным инструментом проверки правильности работы функциональных модулей. В его основе лежат математические модели работы реальных физических устройств. Эти модели встраиваются в программу моделирования, которая позволяет на их основе рассчитывать рабочие характеристики схемы на основе базовых законов в области электротехники. Практически качество моделирования электрической схемы зависит от трех компонентов (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Компоненты качества моделирования электрической схемы
Виды и типы анализа
Программы моделирования позволяют выполнять анализ по постоянному и переменному току, анализ переходных процессов, многовариантный анализ, оптимизацию, статистический анализ, анализ шумовых свойств цепи. Средства для моделирования радиочастотных схем обычно выполняются как отдельные программные продукты и позволяют выполнять анализ статического режима, установившегося режима для малого сигнала, установившегося режима при анализе шума, установившегося режима для модулированных сигналов, расчет S-параметров для малого и большого сигнала, анализ устойчивости, оптимизацию, поведенческое моделирование с использованием языка Verilog-A.
Основными и обязательными видами анализа при проектировании аналоговых схем являются:
Анализ по постоянному току (DC), позволяющий проверить правильность установки рабочих точек элементов схемы и их зависимость от изменения условий окружающей среды.
Анализ по переменному току (AC), позволяющий проверить амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики схемы и таким образом проверить правильность передаточной функции схемы и ее стабильность в частотной области.
Анализ переходных процессов или временной анализ (Transient), позволяющий определить правильность работы схемы в выбранном промежутке времени.
Работы на схемотехническом уровне (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Виды и типы схемотехнического анализа
Расширенные виды анализа
Спектральный анализ. Одним из видов расширенного анализа в аналоговых устройствах является представление спектра аналогового сигнала. Эта процедура является задачей разложения непрерывной функции в ряд Фурье.
Анализ чувствительности. Данный тип анализа позволяет определить влияние входных параметров на чувствительность выходных параметров проектируемых устройств. В результате устанавливается соотношение между параметрами на входе и выходе, которое записывается в выходной файл, представляется в виде формата ASCII.
Анализ Монте-Карло. В САПР статистический анализ осуществляется численным методом — методом Монте-Карло (статистических испытаний). В соответствии с этим методом выполняются N статистических испытаний, каждое статистическое испытание представляет собой одновариантный анализ, выполняемый при случайных значениях параметров-аргументов. Эти случайные значения выбирают в соответствии с заданными законами распределения аргументов xi. Полученные в каждом испытании значения выходных параметров накапливают, после N испытаний обрабатывают, что дает следующие результаты:
- гистограммы выходных параметров;
- оценки математических ожиданий и дисперсий выходных параметров;
- оценки коэффициентов корреляции и регрессии между избранными выходными и внутренними параметрами, которые, в частности, можно использовать для оценки коэффициентов чувствительности.
Методологию моделирования Монте-Карло в Cadence (например, в среде «Spectre») можно объяснить на примере проектирования схем, в составе которых есть резисторы, параметры которых имеют отклонения от номинального в случайной последовательности.
Задание на моделирование. Список соединений. Язык Spice
Для моделирования электрических схем используются различные языки описания схем. Наиболее распространенными являются алгоритмы Spice, разработанные в конце 70-х годов в университете Беркли (США, шт.Калифорния). При моделировании устройств на электрическом уровне широко используются алгоритмы Spice (Simulation Program witch Integrated Circuit Emhasis). На их основе создан ряд коммерческих программ для ПК: HSpice (фирмы MetoSoftware), Pspice (MicroSim), ISSpice (Intusoft), Micro-Cap (Spectrum Software), Analog Workbench (Cadence), Saber (Analogy), Dr.Spice и ViewSpice (Deutsch Research).
Широкое развитие получили программы PSpice, Dr.Spice, Micro-Cap. Первые версии Pspice вплоть до 4.03 имеют возможность только текстового ввода схем. Начиная с версии 5.1 (Design Center) и выше (8.0 - Design Lab), обеспечивается возможность графического ввода принципиальных схем. Программа Design Lab входит как составная часть в пакет OrCAD9.x, а программа Dr.Spice - в пакет AccelEDA14.0, H-Spice – в пакет САПР Cadence, образуя мощные системы сквозного проектирования аппаратуры.
Программы Spice имеют встроенные математические модели типовых компонентов: биполярные транзисторы, МОП-транзисторы, полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом, арсенид-галлиевый полевой транзистор, диоды, резисторы, конденсаторы, индуктивности, независимые источники напряжения и тока, линии задержки, ключи, управляемые источники, операционные усилители, компараторы.
При электрическом моделировании программы обеспечивают возможность создания макромоделей (иерархических блоков) любой степени вложенности фрагментов цепи или отдельных устройств, состоящих из типовых компонентов. Использование макромоделей не только уменьшает размеры электрических схем, но и сокращает время вычислений.
В spice-программе элементы схемы разделяются на активные и пассивные. Список параметров - это совокупность языков, терминов, определений, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.
Характерные черты описания элементов схем:
1) Каждому элементу принципиальной схемы соответствует одно или два предложения.
2) В предложении указываются следующие сведения:
- идентификатор вида элемента (или наименование используемой для элемента математической модели);
- порядковый номер элемента в схеме;
- номера узлов включения элемента в схему;
- численные значения параметров.