5.9. Макромодели

Модели, описанные выше, относятся к одиночным полупроводниковым элементам. В большинстве применений эти элементы соединяются для выполнения определенных функций. Примерами функциональных блоков являются операционные усилители (ОУ), логические элементы, модуляторы, демодуляторы и т.д. Хотя функциональные блоки могут быть проанализированы на уровне компонентов, это неудобно на практике. Типичный ОУ содержит 20-30 транзисторов в дополнение к резисторам и конденсаторам. Использование 11элементной модели Эберса-Молла для транзистора приведет к 220 элементам при описании ОУ на компонентном уровне. Если необходимо анализировать цепи со многими ОУ, то можно столкнуться с проблемой большой размерности уравнений. Другая трудность при таком подходе заключается в том, проектировщик редко имеет доступ к внутренней структуре усилителей и параметрам транзисторов. Поэтому предпочтительнее использовать макромодели, когда анализируемая цепь состоит из стандартных функциональных блоков.

Исходными данными для получения макромоделей являются полные модели узлов на уровне моделей компонентов на уровне электрических свойств, поэтому основная задача макромоделирования заключается в создании формальной методики, позволяющей получить требуемую макромодель из полной модели. Макромодели описывают устройства на уровне выходных характеристик и могут разрабатываться на основе физических свойств устройства, результатов эксперимента или данных предоставляемых изготовителем. Макромодель можно представить в виде простой эквивалентной цепи, системы уравнений или просто таблицы значений. Желательно иметь несколько моделей различной степени точности и сложности. Выделяют три уровня макромоделей:

3.Макромодели 1-го уровня отображают только функциональнологическое назначение моделируемого узла, без учета его схемотехнических особенностей.

Rвых

Набор универсальных макроэлементов позволит формализовать разработку макромоделей 2-го уровня.

Типовые базовые элементы отражают типовые структурные части моделируемых узлов (входные и выходные каскады и пр.). В первом приближении базовые элементы должны соответствовать минимальной сложности их структуры. Набор моделей базовых элементов в сочетании с макроэлементами позволит формализовать разработку наиболее точных моделей 3-го уровня.

Rвых

Рис. 36. Макроэлемент И-НЕ

5.9.2.Идентификация параметров моделей элементов электронных схем

Основные способы определения параметров это расчетный и экспериментальный.

Расчетный способ основан на непосредственном расчете параметров по известным аналитическим формулам и выражениям, например, параметры модели транзистора рассчитываются на основе электрофизических параметров полупроводника и данных о геометрических размерах топологии транзистора.

Экспериментальный способ предполагает проведение серий экспериментов (измерительных или машинных) для определения параметров моделей элемента. Эксперименты бывают 2-х типов: когда определяются внутренние параметры модели элемента непосредственно (в явном виде); когда определяются выходные параметры моделируемого элемента с целью дальнейшего расчета внутренних параметров модели.

При прямом измерении параметры модели определяются в установленных для данного элемента режимах и требуют своей измерительной аппаратуры. При большом числе параметров процесс измерения представляет собой длительную и трудоемкую процедуру.

При оптимизационных методах требуется разработка соответствующего программного обеспечения, с помощью которого определяются такие значения внутренних параметров исследуемой модели элемента, которые обеспечивают наилучшее совпадение результатов моделирования с эталонными параметрами. Они определяются с помощью более точных моделей этого элемента на других уровнях проектирования. Особую сложность представляет разработка оптимизационных методов, т.к. оптимизация проводится в пространстве многих переменных, а целевая функция не имеет аналитического представления. В качестве целевой функции F используется среднеквадратическое отклонение: