- •Кафедра электронных приборов (ЭП)
- •Ю.Р. Саликаев
- •Математические модели и САПР элеКТрОнныХ приборов и устройств
- •содержание
- •1. Введение
- •1.1. Цель и предмет автоматизации проектирования (АП)
- •1.2. История развития САПР
- •1.3. Основные особенности построения САПР
- •1.4. Аспекты и иерархические уровни проектирования
- •2. Процесс проектирования
- •2.1. Стадии и этапы проектирования
- •2.2. Принципы итерационности проектирования, совместимости, типизации и развития
- •2.3. Нисходящее и восходящее проектирование
- •2.4. Внешнее и внутреннее проектирование
- •2.5. Типовые маршруты и процедуры проектирования
- •2.6. Подходы к верификации
- •2.7. Классификация проектных процедур
- •2.8. Принципы построения маршрутов проектирования
- •2.9. Примеры маршрутов проектирования
- •2.10. Режимы проектирования в САПР
- •3. КЛАССИФИКАЦИЯ САПР
- •Таблица 1.1
- •Классификационные группировки САПР по типу объекта
- •Наименование
- •Таблица 1.2
- •Классификационные группировки САПР по разновидности
- •Наименование
- •Таблица 1.3
- •Классификационные группировки САПР по сложности объекта
- •Наименование
- •Число составных частей
- •Таблица 1.4
- •Классификационные группировки САПР по уровню автоматизации
- •Наименование
- •Таблица 1.5
- •Классификационные группировки САПР по комплексности
- •Наименование
- •Таблица 1.6
- •Классификационные группировки САПР по характеру
- •Наименование
- •Таблица 1.7
- •Классификационные группировки САПР по количеству выпускаемых
- •Наименование
- •Таблица 1.8
- •Классификационные группировки САПР по числу уровней
- •Наименование
- •Рис. 2. Классификация группы САПР
- •Виды обеспечений
- •Подсистема «А»
- •Подсистема «Б»
- •Подсистема «Н»
- •3.1. Состав и структура САПР
- •3.2. Математическое обеспечение (МО) САПР
- •3.3. Техническое обеспечение (ТО) САПР
- •3.3.1. Состав ТС САПР
- •3.3.2. Уровни ТО САПР
- •3.4. Программное обеспечение (ПО) САПР
- •3.4.1. Свойства ПО САПР
- •3.4.2. Структура ПО САПР
- •Рис. 4. Структура общесистемного ПО САПР
- •3.4.3. Подходы к созданию общесистемного ПО
- •3.4.4. Специализированное ПО САПР. Частота использования программ
- •3.4.5. Показатели качества программ проектирования
- •3.4.6. Пакеты прикладных программ (ППП), программные системы и комплексы
- •3.4.7. Основные принципы проектирования ПО САПР
- •3.5. Лингвистическое обеспечение САПР
- •3.5.1. Языки программирования
- •3.5.2. Языки проектирования
- •3.5.3. Языковые процессоры
- •3.5.4. Структура трансляторов
- •3.6. Информационное обеспечение САПР
- •3.6.1. Состав ИФ
- •3.6.2. Способы ведения ИФ
- •3.6.3. Базы знаний (БЗ)
- •3.7. Методическое обеспечение САПР
- •3.8. Организационное обеспечение САПР
- •4.1. Требования к математическим моделям
- •4.2. Классификация ММ
- •Структурные, функциональные
- •4.2.1. Функциональные ММ. Непрерывные ММ
- •4.2.2. Дискретные математические модели
- •4.2.3. Методика получения ММ элементов
- •4.3. Многовариантный анализ
- •5.1. Формы представления моделей элементов схем
- •5.2. Математические модели компонентов базовых эквивалентных схем
- •5.3. Понятие о многополюсниках
- •5.4. Зависимые источники
- •В матричной форме уравнения имеют вид
- •Далее рассмотрим два важных вопроса, касающихся преобразования моделей электрических схем.
- •5.5. Преобразования Тевенина и Нортона
- •5.6. Нормирование элементов схемы
- •5.7. Формирование уравнений на основе метода узловых потенциалов
- •5.8. Модели компонентов электронных схем
- •5.8.1. Подходы к синтезу моделей
- •5.8.2. Модель диода с барьером Шоттки
- •5.8.3. Модель диода на p-n-переходе
- •5.8.4. Модель диода для приращений
- •Рис. 22. Модель диода для приращений
- •5.8.5. Одномерная модель биполярного транзистора
- •5.8.6. Схемные модели биполярного транзистора
- •Рис.24. Инжекционный вариант модели Эберса-Молла
- •Рис. 25. Передаточный вариант модели Эберса-Молла
- •Введя обозначение
- •Рис.26. Нелинейная гибридная П-модель Эберса-Молла
- •Рис. 27. Общая модель Эберса-Молла
- •Рис. 28. Представление уравнения (97) схемой с двумя управляемыми
- •источниками тока
- •5.8.7. Схемные модели полевого транзистора
- •Рис. 31. Модель полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
- •Типичные значения ее параметров даны в таблице 5.1.
- •5.9. Макромодели
- •Рис. 35. Макромодель 1-го уровня для ОУ
- •5.9.1. Блочный метод макромоделирования
- •5.9.2. Идентификация параметров моделей элементов электронных схем
- •5.9.3. Макромодель операционного усилителя
- •Оно содержит нелинейный источник тока, управляемый напряжением, благодаря чему максимальный ток через конденсатор не превышает Im . Поэтому скорость изменения напряжения на конденсаторе ограничена:
- •скорости нарастания напряжения
- •6. МО ПРОЦЕДУР СИНТЕЗА ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ
- •6.1. Классификация процедур структурного синтеза
- •6.2. Решение задач структурного синтеза. Дедуктивные системы
- •Рис. 42. Пример соответствующих друг другу описаний в задачах
- •6.3. Подходы к постановке задач параметрической оптимизации
- •6.4. Постановка задач оптимизации при внутреннем проектировании
- •Рис. 44. Оптимальное совмещение областей работоспособности
- •6.5. Постановка задач оптимизации при внешнем проектировании
- •6.6. Содержание методов оптимизации в САПР
- •6.7. Методы безусловной оптимизации
- •6.7.1. Методы нулевого порядка
- •Рис. 46. Овражная функция
- •Рис. 47. Траектория поиска по методу конфигураций
- •6.7.2. Методы первого порядка
- •6.8. Методы условной оптимизации
- •Рис. 49. Целевая функция в методе внешней точки
- •6.9. Методы дискретной оптимизации
- •литература
2.ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2.1.Стадии и этапы проектирования
Проектированиe делится на стадии, этапы и процедуры. При проектировании сложных объектов выделяют стадии научно-исследовательских работ (НИР), опытно-конструкторских работ (ОКР), технического проекта, рабочего проекта, испытаний опытного образца.
Стадию НИР во многих случаях можно разделить на стадии предпроектных исследований, технического задания, технического предложения. На этих стадиях последовательно изучаются потребности в получении новых изделий с заданным назначением, исследуются физические, информационные, конструктивные и технологические принципы построения изделий и возможности реализации этих принципов, прогнозируются возможные значения характеристик и параметров объектов. Результатом НИР является формулировка технического задания (ТЗ) на разработку нового объекта.
На стадии ОКР разрабатывается эскизный проект изделия, проверяются, конкретизируются и корректируются принципы и положения, установленные на стадии НИР.
На стадии технического проекта принимаются подробные технические решения и прорабатываются все части проекта.
17
На стадии рабочего проекта создается полный комплект конструкторскотехнологической документации, достаточный для изготовления объекта.
На стадии испытаний опытного образца (или пробной партии при крупносерийном производстве) получают результаты, позволяющие выявить возможные ошибки и недоработки производства изделий.
Проектирование разделяется также на этапы. Этап проектирования – это условно выделенная часть проектирования, сводящаяся к выполнению одной или нескольких проектных процедур, объединенных по признаку принадлежности получаемых проектных решений к одному иерархическому уровню и (или) аспекту описаний. Проектная процедура – часть проектирования, заканчивающаяся получением проектного решения. Примерами проектных процедур служат синтез функциональной схемы устройства, оптимизация параметров функционального узла, трассировка межсоединений на печатной плате и т.п.
2.2. Принципы итерационности проектирования, совместимости, типизации и развития
Принцип итерационности проектирования. При разработке сложных объектов в условиях многоэтапного иерархического проектирования выработать рациональные проектные решения путем однократного прохождения необходимых этапов и уровней удается далеко не всегда. Поэтому чаще всего проектирование ведут как итерационный процесс с возвратом к предшествующим этапам и уровням. Это же относится и к процедурам оптимизации проектных решений.
Принцип совместимости обеспечивает совместное функционирование составных частей САПР и сохраняет открытую систему в целом.
Принцип типизации ориентирует на преимущественное создание и
18
использование типовых и унифицированных элементов САПР.
Типизация проектных решений целесообразна при их многократном использовании. Для разработки уникальных объектов типовые решения (ТР) используют в ограниченном объеме (в большей или меньшей степени) при наличии соответствующих возможностей.
Унификация методологии проектирования предполагает выбор и разработку методов, обеспечивающих достаточно эффективно проектирование объектов соответствующего класса (группы). Унификация средств проектирования предполагает разработку проектных процедур, выполняемых непосредственно проектировщиком либо с использованием технических и программных средств, для проектирования объектов соответствующего класса (группы).
Глубокая типизация проектных решений и методологии средств проектирования лежат в основе рационализации проектирования, позволяя сокращать объем и сроки разработки. Для повышения эффективности и рационализации процесса проектирования типизация используется совместно с оптимизацией и автоматизацией.
В пределах имеющихся в распоряжении проектировщиков материалов эффективность проектируемых объектов в наибольшей степени определяется оптимальностью принимаемых решений. Оптимизация предполагает принятие таких решений, которые в наибольшей степени соответствуют требованиям, являющимся критериальными, и удовлетворяют требования, используемые в качестве ограничений.
Типизация и оптимизация не дают существенного эффекта без автоматизации проектных работ, т.е. внедрения автоматизированного (автоматического) проектирования, определяемого по ГОСТ 22487–77 как проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также
19
представления описаний на различных языках осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ (без участия человека). Автоматизируют процедуры ввода и вывода различных данных, поиска, разработки, принятия, оценки, контроля и хранения проектных решений, компоновки, редактирования и вывода (изготовления) проектной документации, информационно-справочного обслуживания. В автоматизированный (частично автоматический) режим выполнения может быть переведено до 90 % всех проектных работ. Только небольшая часть в основном творческих процессов не может быть автоматизирована. Это поиск и принятие оригинальных решений, принятие решений (по выбору вариантов, направленности процесса проектирования и т.п.) в неформализуемых ситуациях, решение наиболее сложных вопросов по согласованию решений. Но и эти работы могут быть значительно интенсифицированы за счет автоматизации информационно-справочного обслуживания.
Принцип развития обеспечивает пополнение, совершенствование и обновление составных частей САПР, а также взаимодействие и расширение взаимосвязи с автоматизированными системами различного уровня и функционального назначения.
2.3. Нисходящее и восходящее проектирование
Если решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней, то проектирование называют нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные с низшими иерархическими уровнями, проектирование называют восходящим.
У каждого из этих двух видов проектирования имеются преимущества и недостатки. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда ее элементы еще не определены и, следовательно, сведения о их возможностях и свойствах носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы, и,
20