Лекция

Тема: заключение. Перспективы развития радио-

электронных устройств и методов их анализа

и проектирования

41.1. Значение курса «Основы схемотехники»

Курс «Основы схемотехники» имеет большое значение в подготовке инженеров широкого профиля ввиду его особого положения, так как этот курс связывает дисциплины базовой подготовки с профилирующими курсами специальностей.

По существу

- это инженерный, самостоятельный, общетехнический,

и с дугой стороны

- это специальный курс,

так как он является базовым для специальных технических дисциплин. Эффективное изучение и хорошее освоение многочисленных и разнотипных усилителей, различной аппаратуры возможно лишь при предварительном изучении общих основ теории и принципов построения усилительных устройств и аналоговых электронных устройств, построенных на их основе, а также цифровых устройств различного назначения с учетом всего многообразия современной элементной базы и схемных решений.

41.2. Перспективы развития радиоэлектронных устройств

Основным направлением развития всей электроники является:

1. микроминиатюризация,

2. более широкое применение принципов и изделий микроэлектроники, что обеспечивает:

- повышение надежности,

- расширение функциональных возможностей устройств;

3. наблюдается тенденция повышения степени интеграции микросхем и их функциональной законченности;

4. увеличивается ассортимент серийных аналоговых интегральных схем;

5. ведутся работы по созданию полупроводниковых интегральных аналогов реактивностей, обладающих повышенными рабочими частотами и стабильностью;

6. по мере развития программного обеспечения расширяется применение автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств;

7) все больше внимание обращается на уменьшение энерго-потребления и массогабаритных показателей устройств.

41.3. Математическое моделирование как метод анализа и проектирования радиоэлектронных устройств/1/

Для создания электронного устройства, обладающего высокими технико-экономическими показателями, при­ходится рассматривать различные варианты его схемотех­нической реализации и выполнять множество самых раз­нообразных расчетов. Например, может потребоваться определение токов и напряжений схемы, расчет амплитуд­но-частотной характеристики, вычисление входного со­противления.

В настоящее время наиболее эффективным способом получения самой разнообразной информации, характери­зующей разрабатываемое электронное устройство, являет­ся математическое моделирование с использованием ЗВМ.

Особенно важную роль математическое моделирование играет в электронике. Здесь наиболее существенными яв­ляются следующие обстоятельства:

- большая сложность и большое разнообразие элект­ронных устройств; традиционные методы анализа и синтеза и тем более интуитивные представления о работе устройств часто оказываются бесполезными;

- особое значение электроники в современном мире, которое заставляет направлять большие усилия на ее развитие; так как это развитие возможно только при постоянном совершенствовании математического моделирования электронных схем, ему уделяется особое внимание и на него выделяются значительные силы и средства;

- необходимость резкого сокращения сроков разра­ботки и внедрения новых электронных устройств, что невозможно без математического моделирова­ния; например, в настоящее время на подготовку опытного образца электронного устройства с момента выдачи технического задания может отводиться 2—3 недели;

- сравнительно хорошая изученность физических процессов, происходящих в электронных приборах и устройствах, и наличие развитой теории, что яв­ляется благодатной почвой для математического моделирования; ясность задачи моделирования электронных схем, прозрачность проблемы описа­ния устройств электроники средствами математики стимулирует применение математического модели­рования.

41.4. Влияние развития математического моделирования на характер труда разработчика электронных устройств

Для продуктивной работы по созданию устройств элек­троники важно осознать, что достижения математического моделирования электронных схем в очень сильной степе­ни изменили характер работы современного специалиста. Теперь эффективность его деятельности непосредственно зависит от уровня подготовки в области моделирования. Уже можно утверждать, что без овладения основами ма­тематического моделирования практически нельзя наде­яться на получение результатов, составляющих конкурен­цию результатам работы тех специалистов, которые хорошо освоили моделирование.

В то же время важно рассмотреть вопрос о том, что может дать математическое моделирование и чего оно, по крайней мере, в настоящее время, дать не может.

Математическое моделирование берет на себя многие прежние обязанности разработчика электронных схем, но при этом возлагает на него новые обязанности, что мож­но считать вполне справедливой платой за новые, исклю­чительно полезные возможности.

Существует заблуждение, в соответствии с которым использование математического моделирования освобож­дает от необходимости глубоко изучать особенности по­строения конкретных электронных схем, а также проис­ходящих в них процессов. Возможно, это заблуждение возникло потому, что математическое моделирование в высшей степени полезно для уяснения самых сложных вопросов, возникающих при изучении электронных схем, и поэтому во многих случаях быстро компенсирует про­белы в начальной подготовке. Но это не оправдывает заб­луждение, а говорит только о том, что математическое моделирование следует использовать все более широко и на все более ранних этапах изучения электроники. Что же касается самих знаний в области электроники, то они, безусловно, необходимы для плодотворной работы с ис­пользованием пакетов схемотехнического моделирования.

Современный этап математического моделирования характерен тем, что практически все ключевые решения при создании электронной схемы принимает разработчик, а не система моделирования. Поэтому недопонимание тех или иных особенностей электронной схемы приводит к выбору неоптимальных вариантов схемы, значений пара­метров элементов, а также режимов работы. При этом су­ществует опасность, что моделирование не выявит все ха­рактерные режимы работы схемы, в том числе и опасные, так как именно разработчик определяет начальные усло­вия моделирования. Нужно осознать, что основная фун­кция моделирующей программы состоит в получении численных значений тех или иных переменных, опреде­ляемых по достаточно жестким алгоритмам. Моделирова­ние не снимает с разработчика обязанности качественной интеллектуальной оценки и самой схемы, и происходящих в ней процессов.

На разработчике лежит вся ответственность за оконча­тельный выбор конкретной схемы даже в случае автома­тизированного структурного синтеза типовых устройств. Он должен или непосредственно устанавливать, или из­менять параметры элементов схемы, или определять це­левую функцию для параметрического синтеза. Успешно решать эти задачи можно только при глубоком понима­нии работы устройства. Необходимым является знание основных количественных соотношений, характеризую­щих электронную схему и являющихся основой для выбо­ра начальных значений параметров элементов, а также направления и степени изменения этих параметров.

Приступая к математическому моделированию, следу­ет уяснить, что необходимым условием для получения положительных результатов являются знания в области математических моделей элементов и методов вычисле­ний, реализованных в моделирующих программах. Важ­но с самого начала понять, что результаты моделирования некоторой электронной схемы определяются не только ее характерными особенностями, но и особенностями ис­пользуемых математических моделей и алгоритмов. Здесь будет, кстати, вспомнить тот факт, что и при эксперимен­тальном исследовании реальных электронных устройств результаты зависят и от особенностей организации экспе­римента, и от параметров измерительных приборов. Точ­но так же, как неправильная настройка эксперименталь­ной установки и использование не соответствующих цели эксперимента испытуемых образцов и приборов являют­ся причинами ошибочных экспериментальных результа­тов, неправильные применение математических моделей, настройка и использование вычислительных алгоритмов приводят к получению ошибочных результатов моделиро­вания.

Современные подходы к математическому моделиро­ванию электронных схем характерны использованием до­статочно малого числа универсальных эффективных ме­тодов, основанных на последних достижениях прикладной математики и электроники. Эти методы позволяют выпол­нять анализ и расчет различных электронных схем едино­образно, с использованием единых исходных позиций. Но данные методы, отличающиеся глубиной реализуемых идей, достаточно сложны. Их усвоение требует глубокой всесторонней проработки.

Дополнительные обязанности разработчика электронных схем по выбору, созданию и корректировке математических моделей, настройке моделирующих про­грамм и по контролю их работы многократно компенси­руются возможностями быстро и с высокой точностью вы­полнять самые сложные расчеты, абсолютно невозможные при использовании прежних подходов.