Основы автоматизированного схемотехнического проектирования радиоэлектронных устройств

Первая версия этой программы (наиболее простая) МС-1 была создана в сентябре 1982года. Она позволяла осуществить графический ввод линейных и нелинейных схем только аналоговых устройств и их моделирование, а так- же получить динамическое отображение графиков характеристик в процессе моделирования.

Используемая нами в учебном процессе версия МС-7 (2001 года) обладает следующими основными характеристиками:

1. наличие графического редактора принципиальных схем,

2. возможность проведения параметрической оптимизации в режимах расчета устройств по постоянному току, а также во временной и частотной областях,

3. средства синтеза пассивных и активных аналоговых фильтров,

4. большая библиотека компонентов, включающая в себя наиболее популярные цифровые ИС и аналоговые компоненты типа диодов, БТ, ПТ, магнитных сердечников, СВЧ-линий передач с потерями, датчиков Холла и др.,

5. обеспечение интерфейса с программами разработки печатных плат OrCAD, P-CAD и др.,

6. многовариантный анализ при вариации параметров, статистический анализ по методу Монте-Карло и другие характеристики.

Для пакета МС-7 имеются студенческая (демонстрационная) и профессиональная версии. Например, первая предназначена для моделирования простейших схем, содержащих не более 50 компонентов или 100 связей (число узлов + число индуктивностей + число источников сигналов). Кроме того, возможности демоверсии ограничены: в ней отсутствует программа MODEL составления математических моделей компонентов по экспериментальным данным, недоступна команда доставления списка соединений схемы для их передачи в системы разработки печатных плат, ограничены возможности средств синтеза аналоговых фильтров, построения трехмерных графиков и ряда других.

В профессиональной версии МС-7 максимальный объем схемы увеличен до 10 тысяч узлов, но ее стоимость гораздо выше. Отметим, что моделирование в студенческой версии выполняется в несколько раз медленнее, чем в профессиональной.

Студенческую версию можно получить по Интернету, обратившись на сайт www.spectrum-soft.com (дистрибутив демоверсии занимает 3,9 Мб). Пакет Micro-Cap7 выпускается для платформ IBM, NEC и Macintosh.

В настоящее время специалисты этой компании разработали новые версии семейства: Micro-Cap 8 и 9. Эти версии используются на нашей кафедре при подготовке бакалаврских и дипломных работ.

Из других систем автоматизированного схемотехнического моделирования следует выделить:

? Electronics Workbench, версия 5.0 (см. сайт www.interactiv.com)- в отличие от других систем на экране дисплея изображаются измерительные приборы (осциллографы, вольтметры и др.) с органами управления, максимально приближенными к реальности. Пользователь освобождается от изучения довольно абстрактных правил составления заданий на моделирование. Достаточно на схему поместить двухканальный осциллограф и генератор сигналов - и программа сама сообщит, что нужно анализировать переходные процессы. Если же на схеме разместить анализатор спектра, то будет сначала рассчитан режим по постоянному току, выполнена линеаризация нелинейных компонентов и затем произведен расчет характеристик схемы в частотной области. Диапазон анализируемых частот, коэффициент усиления и характер оцифровки данных (в линейном или логарифмическом масштабе) устанавливаются на лицевой панели с помощью мыши. Однако практика показывает, что точность расчетов, получаемой с помощью такого пакета, к сожалению, невелика.

? Protel DXP (на сайте www.protel.com) - интенсивно развивающаяся система сквозного проектирования аналоговых и цифровых электронных устройств, которая разработана фирмой Protel International (новое название Altium).

? Microwave Office 2002 (на сайте www.mwoffice.com) - позволяет моделировать СВЧ устройства, заданные как в виде принципиальных, так и в виде функциональных схем. Здесь моделирование стационарных режимов нелинейных устройств выполняется методом гармонического баланса, а в случае слабо нелинейных устройств используются функциональные ряды Вольтерры-Винера. Можно проводить также анализ шумов и синтез топологии микрополосковых линий.

Следует отметить, что для проектирования сложных радиоэлектронных устройств и систем на уровне функционально-логического проектирования используют следующие программные пакеты:

? System VIEW фирмы Elanix (www.elanix.com) - предназначен для системотехнического моделирования систем аналоговой, цифровой и аналого-цифровой обработки сигналов, систем связи, систем автоматического регулирования и управления и др. Он представляет собой “конструктор”, позволяющий из стандартных “кубиков-черных ящиков” (как-то: усилителей, перемножителей, модуляторов, демодуляторов, генераторов, источников различных сигналов и др.) создавать функциональные схемы устройств и выполнять моделирование при воздействии на них различных сигналов и помех.

? ADS (Advanced Design System) фирмы Agilent - это пакет, предназначенный для моделирования с целью анализа характеристик современных радиосистем, содержащих блоки аналоговой и цифровой обработки сигналов различного функционального назначения.

Необходимо также упомянуть о существовании современных интегрированных САПР для проектирования сверхбольших ИМС (СБИС), например, СБИС типа систем на одном кристалле - “system on chip”.Такие СБИС содержат до 10⁶ и более электронных компонентов на одном кристалле. Они выполняются по совмещенной BiCMOS-технологии и содержат, как правило, три части: аналоговую, аналого-цифровую (АЦП и ЦАП) и цифровую (на процессорах цифровой обработки сигналов). Эти САПР состоят из большого числа программ, различающихся ориентацией на различные проектные процедуры и разные типы схем. Наиболее известными разработчиками интегрированных САПР являются фирмы Synopsys, Cadence Design Systems, Mentor Graphics.

Отметим, что в дальнейшем изложение лекционного материала будет проводиться в основном применительно к версиям программного пакета МС-7, который активно используется в учебном процессе на радиотехническом факультете МЭИ.

СПОСОБЫ ВВОДА ОПИСАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО РЭУ

Вернемся к нашей структурной схеме, отражающей основные этапы автоматизированного проектирования электронных схем. Вспомним содержание первых этапов:

разработка технического задания (ТЗ) -> выбор схемы (точнее разработка принципиальной схемы) -> выбор программного пакета и программ анализа -> ввод принципиальной схемы проектируемого устройства.

Содержание первых трех этапов мы обсудили. На очереди этап ввода принципиальной схемы. Рассмотрим на конкретном примере, как эта операция осуществляется в системах АСхП (моделирования) для определенности типа Micro-Cap 7. Пусть требуется осуществить ввод электрической схемы простейшего однотранзисторного широкополосного усилителя, изображенного на рис.3.

Рис.3. Электрическая схема однотранзисторного широкополосного усилителя

Вначале автоматически вводятся обозначения узлов 1…7, причем узел, соединенный с общей шиной (нулевой узел), не обозначается.

В пакете прикладных программ МС-7 используются два варианта описания проектируемого устройства:

во-первых, в виде текстового описания этого устройства в формате SPICE;

во-вторых, в виде чертежа его принципиальной схемы - графический ввод схемы.

Последний вариант наиболее удобен для пользователя. И в том, и в другом варианте широко используется понятие модели компонента (в данном случае резистора, конденсатора, БТ, источника входного сигнала V1, источника питания - аккумулятора V2).

Отметим, что при составлении принципиальной схемы часть параметров моделей компонентов задаются в виде их атрибутов и указываются непосредственно на схеме. Такие модели будем называть моделями в формате схем.

Остальные параметры моделей, в том числе моделей всех полупроводниковых приборов, операционных усилителей, линий передач и компонентов цифровых устройств задаются в текстовом окне с помощью определенных директив.

Приведем для конкретности упрощенное, но двоякое описание для R, C, биполярного транзистора (БТ), источника входного сигнала и батареи (аккумулятора), используемых в этой схеме усилителя. Полное описание моделей таких компонентов будет рассмотрено в следующем разделе.

Описание резисторов (упрощенный вариант)

Текстовый ввод (формат SPICE):

R_xxx_<+узел>_<-узел>_ [имя модели] _<значение>

Например:

R1_1_2_2500

R5_6_0_RTEMP_1k

Графический ввод (формат схем):

Атрибут PART: < имя > например, R5

Атрибут VALUE : <значение> например, 1k

Атрибут MODEL: [имя модели] например, RTEMP

Директива для описания модели резистора:

.MODEL_RTEMP_RES (параметры модели)

Описание конденсаторов (упрощенный вариант)

Текстовый ввод (формат SPICE):

C_xxx_<+узел>_<-узел>_[ имя модели] _<значение>

Например:

C4_7_0_56 pF

C2_6_0_CMOD_10U

Графический ввод (формат схем):

Атрибут PART: < имя > например, С2

Атрибут VALUE: < значение> например, 10U

Атрибут MODEL: [имя модели] например, CMOD

Директива для описания модели конденсатора:

.MODEL_CMOD_ CAP(параметры модели).

Описание биполярного транзистора (упрощенный вариант)

Текстовый ввод (формат SPICE):

Q_xxx_ <узел коллектора>_ <узел базы>_ <узел эмиттера> _<имя модели>

Например:

Q1_5_3_6_KT315B

Графический ввод (формат схем):

Атрибут PART: < имя > например, Q1

Атрибут MODEL: [имя модели] например, KT315B

Директива для описания модели транзистора:

.MODEL_KT315B_NPN [(параметры модели)].

Описание источника входного сигнала:

Графический ввод (формат схем):

Атрибут PART: < имя > например, V1

Атрибут MODEL: [имя модели] например, VSIN

После этого активизируются окна, в которые вводится информация о значениях параметров данного источника: частоты, амплитуды, постоянного смещения, внутреннего сопротивления, начальной фазы и т.п.

Описание батареи:

Графический ввод (формат схем):

Атрибут PART: < имя > например, V2

Атрибут VALUE: < значение> например, 6V

После ввода электрической схемы (текстового или графического) составляется математическая модель устройства в целом. При этом используются встроенные модели или составленные пользователем для произвольных компонентов по специальной методике, а далее производится анализ модели устройства. Этот анализ, как правило, является многовариантным.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПАКЕТОВ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ТИПА PSPICE

Модели пассивных компонентов электронных устройств

Ранее уже отмечалось, что модели, впервые использованные в пакете P-SPICE, широко применялись и применяются в современных пакетах схемотехнического проектирования, в частности Design Center, Design Lab, Or CAD 9.2 и наконец, семейства Micro-Cap.

В перечень пассивных компонентов обычно включают резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, линии передачи, высокочастотные трансформаторы, взаимные индуктивности, полупроводниковые диоды с р-n переходом, диоды с барьером Шоттки, стабилитроны и другие компоненты. Рассмотрим модели некоторых из них.

Резистор

Приведем примеры полного описания резистора в формате SPICE и формате схем.

Формат SPICE (текстовый ввод)

R_xxx_<+узел>_<-узел>_[имя модели] _<значение>_ [ТС=<ТС1> [,<ТС2>]],

где TC - температурный коэффициент.

Здесь xxx - произвольная алфавитно-цифровая последовательность общей длиной не более 7 символов, которая пишется слитно с символом R и вместе с ним образует имя компонента. Например, если модель и температурные коэффициенты ТС1 и ТС2 не используются, то описание таково R14_4_0_2k.

Если модель не используется, но приводятся соответствующие температурные коэффициенты: линейный коэффициент ТС1=.001°С -¹ и квадратичный ТС2= 1Е-5° С ^-2, то описание таково

R16_1_2_4.2Е4_ТС=.001, 1Е-5.

Наконец, если указывается имя модели, то

R9_6_1_ RТЕМР_5k.

Формат схем (при графическом вводе):

Атрибут PART: < имя компонента > например, R9

Атрибут VALUE: < значение > например, 5k

Атрибут MODEL: [имя модели] например, RТЕМР

- SLIDER_MIN - минимальное относительное значение сопротивления, изменяемого в режиме Dynamic DC с помощью движкового регулятора;

- SLIDER_MAX - максимальное относительное значение сопротивления, изменяемого в режиме Dynamic DC с помощью движкового регулятора.

Отметим, что параметр <значение> может быть как положительным, так и отрицательным, но не равным 0.

Полная модель резистора в системе схемотехнического моделирования (проектирования) Micro-Cap7 содержит 9 параметров. Перечень этих параметров приведен в таблице 1.

Таблица 1. Параметры модели резистора

Обозначение	Параметр	Размерность	Значение по умолчанию
R	Масштабный множитель сопротивления	-	1
TC1	Линейный температурный коэффициент сопротивления	0С-1	0
TC2	Квадратичный температурный коэффициент сопротивления	0С-2	0
TCE	Экспоненциальный температурный коэффициент сопротивления	% / 0С	0
NM	Масштабный коэффициент спектральной плотности шума	-	1
T_MEASURED	Температура измерения	0С	-
T_ABS	Абсолютная температура		-
T_REL_GLOB-AL	Относительная температура	0С	-
T_REL_LOCAL	Разность между температурами устройства и модели-прототипа	0С	-

Тогда для примера директиву, с помощью которой вводится модель

RТЕМР для резистора R9, можно записать таким образом:

. MODEL_RТЕМР_RES (R=3_DEV=5%_TC1=0.01),

где DEV - коррелированный технологический разброс номинала (допуск).

Заметим, что число параметров, которые нужно указать в модели, определяет разработчик, исходя из поставленной перед ним задачи.

При такой записи модели результирующее сопротивление резистора определяется выражением

<значение>*R*TF*MF,

где R - масштабный множитель сопротивления резистора (по умолчанию 1), в нашем случае 3;

TF=1 + TC1*(T - TNOM) + TC2(T - TNOM)²,

(если в директиве .MODEL отсутствует параметр TCE (TNOM = 27°С), как в нашем случае) и TF = 1.01^{TCE(T - TNOM)} (если в этой директиве параметр ТСЕ указан);

MF = 1± <разброс номинала сопротивления в %, DEV или LOT>/100.

Здесь LOT - некоррелированный технологический разброс номинала (допуск).

Спектральная плотность теплового тока резистора как шумящего компонента рассчитывается по формуле Найквиста:

S_i = 4kT/<сопротивление> * NM,

где k - постоянная Больцмана,

T - абсолютная температура,

NM - параметр модели.

Для резисторов с отрицательным сопротивлением в этой формуле берется абсолютное значение сопротивления.

Конденсатор

Приведем примеры полного описания конденсатора в формате SPICE и формате схем.

Формат SPICE (при текстовом вводе)

C_xxx_<+узел>_<-узел>_ [имя модели] _<значение> _ [IC=<начальное значение напряжения >]

Например, если не используется модель и начальное значение напряжения отсутствует, то описание конденсатора таково:

C5_15_0_56 pF.

Если не используется модель, но приводится соответствующее начальное значение напряжения:

C6_3_9_0.5 n_ IC = 1.5V.

Если указывается модель, но не указывается начальное значение напряжения, то:

C7_4_6_CMOD_10U.

Формат схем (при графическом вводе):

Атрибут PART: <имя> например, С7

Атрибут VALUE: < значение > например, 10U

Атрибут MODEL: [имя модели] например, CMOD.

Полная модель конденсатора в системе схемотехнического моделирования (проектирования) Micro-Cap 7 содержит также 9 параметров.

Перечень этих параметров приведен в таблице 2.

Таблица 2. Параметры модели конденсатора

Обозначение	Параметр	Размерность	Значение по умолчанию
С	Масштабный множитель емкости	-	1
VC1	Линейный коэффициент напряжения	B-1	0
VC2	Квадратичный коэффициент напряжения	B-2	0
TC1	Линейный температурный коэффициент емкости	0С-1	0
TC2	Квадратичный температурный коэффициент емкости	0С-2	0
T_MEASURED	Температура измерения	0С	-
T_ABS	Абсолютная температура		-
T_REL_GLOB-AL	Относительная температура	0С	-
T_REL_LOCAL	Разность между температурами устройства и модели-прототипа	0С	-

Тогда для примера директиву, с помощью которой вводится модель CMOD для конденсатора С7, можно записать таким образом:

.MODEL_CMOD_ CAP (C = 2.5 _ TC1 = 0.01 _ VC1 = 0.2),

где С - масштабный коэффициент емкости (в нашем случае 2,5; по умолчанию 1;);

TC 1 - линейный температурный коэффициент емкости, ;

VC 1 - линейный коэффициент напряжения, .

При такой записи модели полное, результирующее значение емкости конденсатора С 7 определяется выражением:

Здесь V - напряжение на конденсаторе при расчете переходных процессов.

При расчете частотных характеристик в частотной области (режим AC) емкость считается постоянной величиной, определяемой в рабочей точке по постоянному току.

Подчеркнем, что поскольку модель конденсатора не учитывает его потери на переменном токе, то она является нешумящей.

Аналогичным образом с учетом специфики описываются модели других пассивных компонентов: индуктивностей, линий передачи, трансформаторов, взаимных индуктивностей и др. [1].

Размещено на Allbest.ru