Размещено на http://www.allbest.ru/

КОНСПЕКТ ПЕРВЫХ ЛЕКЦИЙ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ “ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ“

Лектор потока БОГАТЫРЕВ Е.А.

По решению деканата радиотехнического факультета две дисциплины, а именно: “Автоматизация проектирования радиоэлектронных устройств” и ”Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств” - объединены в одну дисциплину под названием “Основы автоматизированного схемотехнического проектирования радиоэлектронных устройств”, которую мы и будем изучать с вами в этом семестре.

Изучение этой дисциплины включает в себя:

1) прослушивание курса лекций (общий объем 26 аудиторных часов, т.е. 13 лекций);

2) выполнение цикла лабораторных работ (всего 6-7 лабораторных работ) с последующей их защитой.

Курс лекций предполагает изучение общих вопросов автоматизированного проектирования (преимущественно схемотехнического), в том числе:

- изучение основных этапов схемотехнического проектирования и моделирования электронных схем, а также знакомство с программными пакетами, используемыми в современных САПР;

- изучение компьютерных моделей как пассивных, так и активных электронных компонентов;

- изучение алгоритмов расчетов электронных схем по постоянному току, в частотной и временной областях, а также ряд других вопросов.

В лабораторном практикуме, который состоит из семи лабораторных работ, использован современный пакет Micro-CAP7, предназначенный для схемотехнического проектирования (моделирования) и являющийся продуктом развития широко известного семейства прикладных программ PSPICE. Описания этих лабораторных работ с необходимыми методическими указаниями и пояснениями опубликованы в учебном пособии Е.А. Богатырева, Ю.А. Гребенко, М.Ю. Лишака “Схемотехническое моделирование радиоэлектронных устройств. Лабораторные работы №1-7”, которое опубликовано в Издательском доме МЭИ в 2007 году.

Тематика лабораторных работ:

1) ЛР 1 - Моделирование линейных пассивных цепей;

2) ЛР 2 - Измерение статических вольтамперных характеристик и динамических параметров транзисторов;

3)ЛР3 - Исследование частотных зависимостей малосигнальных Y-параметров;

4)ЛР4 - Моделирование резистивного усилителя;

5)ЛР5 - Моделирование резонансного усилителя;

6)ЛР6 - Моделирование радиосигналов.

7)ЛР7 - Синтез и исследование аналоговых пассивных фильтров.

Подчеркну, что перед выполнением каждой лабораторной работы нужно в обязательном порядке выполнить домашнюю подготовку по индивидуальному заданию.

Теперь об учебной литературе, рекомендуемой для изучения данного курса и выполнения цикла лабораторных работ:

1. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-CAP7. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003.

2. Назаров А.В. Автоматизация схемотехнического моделирования. / Под ред. Е.М. Старовойтовой. - М.: Изд-во МЭИ, 1994.

3. Ильин В.Н. и др. Автоматизация схемотехнического проектирования. - М.: Радио и связь, 1987.

4. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и PSPICE для схемотехнического моделирования. Вып.2. - Радио и связь, 1992.

5. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. Уч. для вузов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

6. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. Уч. пособие для вузов/ О.В. Алексеев, А.А. Головков, И.Ю. Пивоваров и др. Под ред. О.В. Алексеева - М.: Высшая школа, 2000.

7.Антипенский Р.В., Фадин А.Г. Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств. - М.: Техносфера, 2007.

По окончании курса вам предстоит сдавать зачет с оценкой, который предполагает не только оценку качества выполнения лабораторного практикума, но и проверку знаний, полученных на лекциях.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ

Вначале разберемся, что же является предметом изучения нашего лекционного курса, если исходить из его названия: “Основы автоматизированного схемотехнического проектирования радиоэлектронных устройств”.

В этом названии можно выделить следующие ключевые слова:

- радиоэлектронные устройства (РЭУ);

- автоматизированное схемотехническое проектирование.

Во-первых, что мы будем понимать под РЭУ? Вообще существует достаточно общее понятие - радиоэлектронное средство (РЭС).

По признаку функциональной сложности различают несколько уровней РЭС:

- радиоэлектронный узел;

- радиоэлектронное устройство;

- радиоэлектронный комплекс;

- радиоэлектронная система.

Наименьшей сложностью отличаются функциональные радиоэлектронные узлы. Примеры: генераторы, модуляторы, усилители, детекторы, триггеры, логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др. В их состав, в свою очередь, входят “строительные кирпичики” - электронные компоненты: транзисторы, полупроводниковые диоды, резисторы, конденсаторы, полупроводниковые структуры и т.п.

Более сложными являются радиоэлектронные устройства, которые представляют собой функционально законченную сборочную единицу, выполненную на несущей конструкции и реализующую функции передачи, приема и преобразования информации. Примеры: тракт СВЧ- или ВЧ-приемника, тракт НЧ, регистры, счетчики, дешифраторы, АЦП, ЦАП, сумматоры, микропроцессоры, микроконтроллеры и др.

И, наконец, самые сложные по выполняемым функциям - это радиоэлектронные комплексы и системы. Примеры: радиоизмерительные комплексы, радиоуправляемые системы, системы наведения, системы слежения и др.

Во-вторых, в чем заключается сущность процесса проектирования РЭС (пока не автоматизированного)? Она заключается в разработке конструкций и технологических процессов производства новых РЭС, которые должны с минимальными затратами и максимальной эффективностью выполнять предписанные им функции в требуемых условиях.

Следует подчеркнуть, что в результате проектирования создаются новые, более совершенные РЭС, которые отличаются от своих аналогов и прототипов использованием новых физических явлений и принципов функционирования, более совершенной элементной (компонентной) базы, улучшенных конструкций, прогрессивных технологий и т.п. Для этого недостаточно создать более совершенную аппаратуру, ее еще необходимо оптимизировать по широкому спектру показателей: функциональных, конструкторско-технологических, эксплуатационных и экономических. Очевидно, что при решении этой задачи разработчики сталкиваются с необходимостью проанализировать большое количество вариантов, причем по мере возрастания сложности разрабатываемой аппаратуры количество таких вариантов катастрофически возрастает. Эта ситуация получила название «тирании альтернатив» и приводила к затягиванию создания новых РЭС на долгие годы.

Все это дало мощный толчок для интенсивного развития новой технологии проектирования РЭС с применением математических методов и средств вычислительной техники, комплексной автоматизации проектных работ, что позволило заменить макетирование и натурное моделирование математическим моделированием с использованием методов многовариантного проектирования и оптимизации. Главным средством автоматизации проектирования являются персональные ЭВМ (компьютеры) и управляемые ими технические средства.

Теперь дадим определение термина «автоматизированное проектирование» в широком смысле этого слова:

это научно-техническое направление, которое заключается в применении сочетания достижений вычислительной математики, теории проектирования и средств вычислительной техники к задачам проектирования реальных объектов той или иной физической природы.

Подчеркнем, что в нашем курсе речь идет об автоматизированном проектировании, то есть компьютерном проектировании с участием человека. Автоматическое проектирование (без участия человека) в полном объеме от формулирования технического задания (ТЗ) до получения проектной технической документации на современном уровне развития в общем случае невозможно, разве только в случае очень простых проектов, так как это творческий процесс, доступный только человеку.

Поэтому сейчас принято говорить о проектировании как системной креативной (т.е. созидательной) человеческой деятельности. Эта деятельность, результат которой всегда зависит от личности, выполняющей этот проект, от ее интеллекта, профессионализма, опыта и, наконец, удачи!

Вот несколько примеров реальных объектов проектирования из области энергетики, радиотехники и электроники:

- проектирование высоковольтных электрических сетей, тепловых и атомных электростанций;

- проектирование радиотехнических систем и устройств, в том числе систем дистанционного экологического и энергетического мониторинга, сложных электронных схем;

- трассировка печатных плат и др.

Особенно интенсивное развитие автоматизированное проектирование получило в радиоэлектронике. Это объясняется следующими основными причинами:

Во-первых, необходимостью разработки сложных ИМС с высокой степенью интеграции - БИС (больших интегральных схем) и СБИС (сверхбольших ИМС), когда количество элементов (компонентов) достигает нескольких миллионов на одном кристалле. Например, в начале 2008 года компания INTEL анонсировала сверхминиатюрный процессор “Atom”. Ядро этой СБИС площадью 25 мм² вмещает в себя 47 миллионов транзисторов, при этом тактовая частота составляет примерно 2 ГГц.

Во-вторых, высокой экономической эффективностью методов автоматизированного проектирования ИМС, поскольку для них стоимость проектирования составляет значительную долю общих затрат на производство.

В настоящее время в теории АП применительно к радиоэлектронике оформилось пять функциональных уровней проектирования, образующих следующую иерархию:

- первый уровень - уровень автоматизированного структурного проектирования (АСтП);

- второй уровень - уровень автоматизированного функционально-логического проектирования (АФЛП);

- третий уровень - уровень автоматизированного схемотехнического проектирования (АСхП);

- четвертый уровень - уровень автоматизированного компонентного проектирования (АКП);

- пятый уровень - уровень автоматизированного конструкторско-технологического проектирования (АКТП).

Эти уровни различаются прежде всего сущностью решаемых задач и вытекающим отсюда различием математических аппаратов. Так на уровне АСтП занимаются в большей степени системотехническим проектированием; например, разработкой принципов построения радиоизмерительных и радиоуправляемых систем, а также систем и сетей телекоммуникаций, при этом широко применяются теория игр, теория массового обслуживания, математический аппарат численных методов, статистическое моделирование.

В АФЛП занимаются, например, разработкой на функционально-логическом уровне радиопередающих и радиоприемных устройств, а также цифровых автоматов различной функциональной сложности, при этом широко используются спектральный анализ, теория цифровых автоматов, логическая математика и численные методы моделирования и преобразования сигналов.

В АСхП разрабатывают сложные электронные устройства и узлы, для чего широко используют теорию электрических цепей с сосредоточенными параметрами наряду с численными методами решения обыкновенных дифференциальных уравнений.

В АКП разрабатываются новые пассивные и активные компоненты, в том числе устройства на распределенных структурах и с использованием новых физических принципов, например, устройства на ПАВ, на приборах с зарядовой связью и др. Для этого широко применяются методы математической физики и физики твердого тела, а также численные методы решения уравнений в частных производных.

Наконец, в АКТП занимаются конструкторско-технологическим проектированием; здесь используются математические аппараты теории принятия решений, направленных графов, а также многокритериальные подходы к конструированию.

В дальнейшем в нашем курсе будут в основном излагаться вопросы, связанные с третьим функциональным уровнем, то есть АСхП, и главным образом с компьютерным моделированием электрических схем. Заметим, что с пятым уровнем (АКТП) специалисты нашей кафедры ознакомят вас на старших курсах.

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ (САПР) В ОБЛАСТИ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Следует подчеркнуть, что процесс автоматизации проектирования прошел несколько этапов, прежде чем от решения частных задач проектирования разработчики РЭС получили возможность перейти к такому совершенному инструменту для выполнения системного проектирования как системы автоматизированного проектирования (САПР).

Основные принципиальные отличия САПР от методов автоматизации, решающих только частные задачи:

1)Возможность комплексного решения общей задачи проектирования, например, компьютерное моделирование сложной электронной схемы и далее - решение задачи размещения компонентов и трассировки печатной монтажной платы;

2)Реализация интерактивного режима проектирования, при котором осуществляется непрерывный процесс диалога “человек - машина (компьютер)”;

3)Возможность имитационного моделирования радиоэлектронных систем и комплексов в условиях работы, близких к реальным;

4)Значительное усложнение программного и информационного обеспечения проектирования, а также значительное усложнение технических средств систем автоматизированного проектирования (САПР).

Современные САПР представляют собой сложный комплекс математических, программных, технических и других средств. Поэтому в составе САПР принято выделять следующие основные виды обеспечения их функционирования (всего 7): математическое, лингвистическое (языковые средства), программное, информационное, техническое, организационное и методическое.

Дадим краткую характеристику каждого из перечисленных видов обеспечения, имея в виду радиотехнические приложения.

Математическое обеспечение включает в себя теорию, методы и алгоритмы для организации вычислений в САПР. Например, можно выделить следующие два типа алгоритмов:

1) алгоритмы решения общих задач вычислительной математики, а именно: решение систем линейных алгебраических уравнений, решение обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных и т.п.

2) алгоритмы решения статистических задач: вычисление статистических характеристик случайного процесса, построение гистограмм, аппроксимация гистограмм теоретическим законом и т.д.

Лингвистическое обеспечение включает языковые средства. Языки, используемые в САПР, можно разбить на две группы: языки программирования и языки проектирования (см. рис.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1

Вначале относительно языков программирования. Они предназначены для написания текстов программ. К ним относятся языки высокого уровня (Фортран, Паскаль, С++ и др.) и машинно-ориентированные языки - ассемблеры (или языки низкого уровня). Последние позволяют создавать наиболее эффективные программы с точки зрения вычислительных затрат (требуемых объемов памяти и времени счета). Их существенный недостаток: программист должен дойти до уровня машинных кодов. С языками типа ассемблер вас познакомили при изучении микропроцессоров, микроконтроллеров и сигнальных процессоров.

Языки проектирования (или входные языки) можно разделить на три группы: языки описания, моделирующие и диалоговые.

Язык описания, в свою очередь, состоит обычно из трех частей: описание объекта, описание задачи и описание директив проектирования. Например, описание объекта типа транзистора включает тип транзистора, тип его модели в программе (т.к. один и тот же транзистор можно моделировать разными схемами замещения), параметры этой модели, а также топологические связи транзистора, т.е. номера узлов его подключения, записанные в определенной последовательности (например, вначале номер узла базы, затем узла коллектора, затем - эмиттера).

В язык описания задачи входят описание рассчитываемых выходных параметров, описание условий анализа параметров (например, тип варьируемых внутренних параметров, шаг и диапазон варьирования и т.п.), описание алгоритмов расчета, анализа и оптимизации, описание задания на вывод результатов проектирования (например, что и в каком виде выводить: таблица, график, чертеж; параметры выходного документа: шаг печати, масштаб, диапазон и др.).

Язык описания директив проектирования. В простейшем случае он состоит из перечисления режимов, в которых должна последовательно работать САПР. Например, перечень таких директив при схемотехническом проектировании: «Статика», «Частотный анализ», «Временной анализ» и т.п.

Языки моделирования описывают не только структуру и параметры объекта проектирования, но и алгоритм его функционирования, т.е. связи между соседними объектами в сложной системе. Например, процесс передачи и преобразования сигнала от одного блока к другому (в радиоприемнике: от СМ к УПЧ). Как правило, языки моделирования применяются только на первом и втором функциональных уровнях проектирования: структурном и функционально-логическом. Напомню, что мы с вами будем более подробно обсуждать вопросы, связанные с третьим функциональным уровнем проектирования - уровнем автоматизированного схемотехнического проектирования (АСхП).

Наконец, языки диалога предназначены для организации эффективного взаимодействия пользователя и САПР в процессе проектирования. Приведем типичный фрагмент такого диалога:

ПЭВМ: Введите информацию о схеме.

Пользователь: (с помощью клавиатуры и дисплея вводит описание схемы).

ПЭВМ: Неправильно введена информация о транзисторе Т5.

Пользователь: (корректировка информации о транзисторе Т5).

ПЭВМ: Информация о схеме введена.

Выбрать режим: Статика

Динамика

Частотный анализ

Оптимизация

Печать

Пользователь: (выбирает, например, режим «Статика»).

ПЭВМ: Укажите параметры режима:

алгоритм…

точность…

максимальное число итераций

начальные условия…

Пользователь: (указывает параметры, после чего дает директиву на выполнение расчета: «Данные введены, выполнить режим») и т.д.

Информационное обеспечение САПР состоит из двух частей, которые включают в себя:

- сведения о типовых элементах РЭА и их параметрах, типовых материалах, типовых фрагментах электронных схем;

- способы, алгоритмы и программы, которые предназначены для упорядоченной записи, хранения, перемещения данных и их извлечения.

Первая часть понятна и особого обсуждения не требует.

Со второй частью информационного обеспечения связаны три важных понятия: база данных (БД), система управления базой данных (СУБД) и банк данных.

База данных - это совокупность массивов данных, организованных таким образом, чтобы обеспечить быстрый и удобный поиск любых данных по запросу или их перемещение и кодировку. Например, телефонный справочник с адресами абонентов в г. Москва.

Система управления базой данных (СУБД) - это совокупность языковых средств и программ, предназначенных для поиска нужных данных, их перемещения независимо от прикладных программ разных пользователей. Например, студенты нашего факультета разработали учебные версии баз данных «Цифровые БИС и СБИС», которая установлена в кафедральном дисплейном классе и работает под СУБД «Fox pro», а также “Современные АЦП и ЦАП” и “Современные интегральные операционные усилители напряжения и тока” (последние работают под СУБД “Access”).

В совокупности БД и СУБД образуют банк данных.

Программное обеспечение. В программное обеспечение входят тексты программ и документы, необходимые для их эксплуатации: инструкции для пользователя, текстовые программы для диагностики ошибок и сбоев и др. Сюда входят операционные системы, а также предметные программы. Примеры предметных программ САПР для схемотехнического проектирования: программы составления математических моделей радиотехнических устройств (РТУ), программы расчета переходных процессов и частотных характеристик, моделирования логических и цифровых схем и т.п.

Поскольку программное обеспечение занимает одно из центральных мест, то часто систему автоматизированного проектирования (САПР) называют еще пакетом прикладных программ.

Наконец, дадим краткую характеристику последним трем видам обеспечения: техническому, организационному и методическому, которые имеют очевидное содержание.

Техническое обеспечение. В состав технического обеспечения САПР входят компьютеры (в том числе специализированные - рабочие станции и серверы) и периферийное вспомогательное оборудование, которое обеспечивает удобство взаимодействия проектировщика и САПР. К числу периферийных средств относятся: устройства графического ввода, сканеры, принтеры, плоттеры (графопостроители).

Организационное обеспечение САПР - это совокупность правил, инструкций и документов, регламентирующих состав групп обслуживания САПР, их обязанности и взаимоотношения.

Методическое обеспечение САПР - это описания программ, баз данных, языков проектирования и различные инструкции по использованию всех видов обеспечения САПР.

Подчеркнем, что при дальнейшем изложении материала мы ограничимся рассмотрением вопросов, связанных с применением систем автоматизированного схемотехнического проектирования, причем, главным образом, для моделирования аналоговых, аналого-дискретных и аналого-цифровых устройств.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕКТАХ И ЗАДАЧАХ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ (МОДЕЛИРОВАНИЯ)

Вначале определим некоторые общие понятия, которые относятся к проектированию любых устройств независимо от их физической природы.

Введем понятие параметров элементов (или компонентов), параметров устройства и параметров окружающей среды.

Параметры элементов (или компонентов), из которых состоит проектируемое устройство, будем называть внутренними; параметры устройства, по которым оценивается его качество - выходными; параметры действующих на устройство внешних информационных сигналов - входными; параметры окружающей среды - внешними.

Пример (применительно к проектированию транзисторного усилителя): параметры самих транзисторов и пассивных элементов, входящих в состав этого усилителя - внутренние параметры; потребляемая мощность, коэффициент гармонических искажений - численные выходные параметры; АЧХ и ФЧХ - функциональные выходные параметры (выходные характеристики); частота и амплитуда входного сигнала - численные входные параметры; спектральная характеристика входного сигнала - функциональный входной параметр; температура окружающей среды - внешний параметр.

Основные задачи схемотехнического проектирования

Каждый из пяти функциональных уровней проектирования: АСтП, АФЛП, АСхП, АКП и АКТП - включает решение следующих задач: расчета, анализа, оптимизации, синтеза и выпуска технической документации. Эти задачи называют также проектными процедурами. Рассмотрим эти задачи на примере схемотехнического проектирования, которые имеют здесь следующее содержание.

Расчет - определение выходных параметров и характеристик устройств при неизменных значениях его внутренних параметров и постоянной структуре. Пример: расчет широкополосного усилителя, включая расчет режима по постоянному току, полосу пропускания, площадь усиления и т.п.

Анализ - определение изменения выходных параметров и характеристик устройства в зависимости от изменения его внутренних и входных параметров. В случае применения ПЭВМ задача расчета часто называется одновариантным анализом, а задача анализа - многовариантным анализом. Например, вариация (stepping) номиналов пассивных компонентов оценивает их влияние на функциональные выходные характеристики (АЧХ и ФЧХ) усилителя.

Оптимизация - определение наилучших в том или ином смысле значений выходных параметров и характеристик путем целенаправленного изменения внутренних параметров устройства (при параметрической оптимизации) или структуры устройства (при структурной оптимизации). При этом большое значение имеет опыт разработчика или используется специальный математический аппарат теории чувствительности.

Подчеркнем, что наиболее сложными процедурами являются задачи параметрического и структурного синтеза. В общем случае синтезом называется генерация исходного варианта устройства, включая его структуру (структурный синтез) и значения внутренних параметров (параметрический синтез). Указанная генерация может выполняться различными способами: выбором из уже известных устройств, построением на основе определенных теоретических соотношений, путем изобретательства, эвристического решения и др. Примеры: двойной RC-мост Вина, схема RC-генератора Сифорова, автогенератор по схеме Клаппа, трехточка Ричарда Ши и др. Полученное в результате синтеза устройство не обязательно должно быть наилучшим, но обязательно работоспособным, т.е. иметь практический смысл. Если же полученное устройство - наилучшее в каком-либо смысле, то такой синтез называется оптимальным. Подчеркнем, что задача синтеза - это весьма сложная задача и в большинстве случаев не может быть решена автоматически без участия и помощи специалиста-разработчика. В конце концов любой сложный алгоритм и соответствующая ему программа разрабатываются человеком.

Решение задачи разработки и выпуска технической документации необходимо для изготовления и последующей эксплуатации конкретного радиоэлектронного устройства. На этом этапе выполняется компоновка и размещение элементов и узлов, разводка печатных и проводных соединений, а также решаются задачи теплоотвода, электрической прочности, защиты от внешних воздействий и т.п. Затем проводится технологическая подготовка производства, которая предполагает разработку технологических процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом.

Типы объектов схемотехнического проектирования

Как правило, все РЭУ, проектируемые на ПЭВМ, разделяют на три типа: аналоговые, дискретные и цифровые.

К аналоговым относятся устройства, в которых используются аналоговые сигналы, или сигналы аналогичные, полностью подобные порождающему его физическому процессу. Эти сигналы являются непрерывными во времени. Примеры: сигнал гармонической формы, пилообразной, треугольной и др.

В дискретных устройствах используются дискретные сигналы, которые образуются из аналоговых путем дискретизации по времени.

К цифровым относят устройства, рабочие сигналы которых закодированы в виде чисел, обычно представляемых в двоичном коде цифрами 0 и 1 (триггеры, счетчики, регистры, микропроцессоры, микроконтроллеры и т.п.). Эти сигналы получают из аналоговых путем использования двух операций: дискретизации (получение выборок, отсчетов) и квантования.

Наконец, существуют промежуточные классы устройств: аналого-дискретные и аналого-цифровые.

В аналого-дискретных устройствах используют дискретный способ изменения параметров аналоговых устройств без явного дискретизатора. Например, электронные схемы на переключаемых МОП - конденсаторах.

К аналого-цифровым устройствам относятся разного типа преобразователи: аналого-цифровые (аналог - код, АЦП), цифро-аналоговые (код - аналог, ЦАП), спецвычислители, процессоры с аналоговыми устройствами ввода и вывода и др.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ АСхП РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Рассмотрим в несколько упрощенном виде процесс автоматизированного схемотехнического проектирования радиоэлектронных устройств. Он состоит из нескольких этапов (см. рис.2).

На первом этапе (1) сложное проектируемое устройство разбивается на функционально законченные блоки и вырабатываются частные технические задания (ТЗ) на каждый отдельный блок. ТЗ предусматривает описание внешних и внутренних параметров: входных и выходных сигналов, диапазона частот, потребляемой мощности, условий эксплуатации, предельных допусков на основные характеристики и т.п. На этом этапе очень многое зависит от личности разработчика-конструктора: от его знаний, интуиции, интеллекта и кругозора.

На втором этапе (2) после формулировки ТЗ на разрабатываемый блок составляется его принципиальная электрическая схема начального (нулевого) приближения. Это обычно делается разработчиком также на основании собственного опыта и опыта предыдущих разработок. Здесь же выбираются компоненты схем, как-то: транзисторы, диоды, ИМС, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и др., а также номинальные значения и допуски на параметры компонентов.

Далее на третьем этапе (3) выбирается система автоматизированного схемотехнического проектирования (моделирования), а в ней программа, которая наилучшим образом подойдет для анализа данной электронной схемы и позволит судить о соответствии ТЗ выбранной схеме. Подчас в выбранном пакете требуется не одна, а группа программ для проведения всех необходимых вычислений. Например, анализ по постоянному току, анализ во временной и частотной областях.

Затем принципиальная схема проектируемого блока подготавливается для проведения компьютерного анализа и вводится в память ПЭВМ текстовым или графическим способом (этап 4).

Рис.2. Основные этапы автоматизированного проектирования электронных схем

Далее на основании встроенной библиотеки моделей компонентов автоматически составляется математическая модель анализируемого устройства по введенной принципиальной схеме (этап 5).

На этапе 6 производится анализ математической модели электронной схемы в диалоговом режиме. Например, в случае анализа схемы аналогового устройства предполагается выполнение следующих видов расчетов:

- расчет схемы по постоянному току;

- расчет схемы в частотной области; например, вычисление АЧХ и ФЧХ, спектральной плотности шума;

- расчет во временной области; например, определение переходных и импульсных характеристик, проведение спектрального анализа.

Полученные в результате анализа характеристики схемы сравниваются с данными ТЗ и (или) с результатами испытаний макета (этапы 7 и 8).

На основании этого сравнения принимается решение о принятии или отклонении рассмотренного варианта проекта (этап 9). Такое решение проводится неформально, так как в некоторых случаях инженерное понимание сути дела позволяет пренебречь некоторым расхождением результатов компьютерного анализа с ТЗ. После принятия проекта разрабатывается техническая документация для последующего изготовления разработанного устройства и проведения испытаний (этап 11).

Если характеристики неудовлетворительны, то принципиальная схема и (или) модели компонентов должны быть изменены (этап 10).

Цикл анализа затем повторяется снова. Именно здесь, при проведении многовариантных расчетов, компьютерные программы анализа электронных схем особенно полезны: они дают возможность автоматически в течение короткого времени провести анализ многих вариантов. Модификация схемы может производиться также с помощью специальных программ оптимизации на ПЭВМ (этап 12), в которых широко применяются методы оптимизации проектных решений, основанных на решении задач математического (линейного и нелинейного) программирования. В этих задачах производится поиск минимума или максимума некоторой целевой функции, зависящей от многих переменных при наличии ограничений на эти переменные. При проектировании РЭУ эта целевая функция отображает качество работы, стоимость аппаратуры и иные характеристики, зависящие от параметров компонентов, оптимальные значения которых требуется найти в результате решения задачи. Ограничения же формулируются в виде системы соотношений, сужающих допустимую область изменения параметров компонентов при решении задачи оптимизации РЭУ.

По окончании оптимизации можно рассчитать чувствительность схемы, оценить влияние разброса параметров компонентов и получить другие важные характеристики. Таким образом, при таком процессе проектирования решаются задачи, связанные с расчетом, анализом и оптимизацией схемных решений.

Что касается задачи синтеза, то это весьма сложная задача, ее можно жестко алгоритмизировать только для некоторых частных случаев, например, существует методика классического синтеза пассивных и активных аналоговых и цифровых частотных фильтров, классического синтеза широкополосных согласующих устройств, синтеза цифровых автоматов. В других случаях обычно задача синтеза решается эвристическим путем, основываясь на предыдущем опыте, путем изобретательства.

Подчеркнем, что в процессе конструирования и разработки технологии также может потребоваться коррекция принципиальных схем, структуры системы и даже исходных данных. Поэтому процесс проектирования является не только многоэтапным, но и многократно корректируемым по мере его выполнения, т.е. процесс носит итерационный характер.

Отметим, что автоматизированное проектирование электронных схем с помощью ПЭВМ имеет ряд преимуществ перед традиционным способом проектирования “вручную” с последующей доводкой на физическом макете. Разработчик может использовать возможности ПЭВМ в нескольких областях. Во-первых, с помощью прикладных программ гораздо легче наблюдать эффект варьирования параметров схемы, чем с помощью сугубо экспериментальных исследований. Во-вторых, имеется возможность анализировать критические режимы работы устройства без физического разрушения его компонентов. В-третьих, программы анализа позволяют оценить работу схемы при наихудшем сочетании параметров, что трудно и не всегда возможно осуществить экспериментально. В-четвертых, программы дают возможность провести такие измерения на модели электронной схемы, которые трудно выполнить экспериментально в лаборатории. Особенно это утверждение справедливо для БИС и СБИС.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ И ЭЛЕКТРОННОЙ СХЕМЫ В ЦЕЛОМ

Электронная схема состоит из пассивных и активных компонентов, соединенных в соответствии с ее функциональным назначением. Способ соединения компонентов в схеме (или ее структура) называется топологией.

Понятие математической модели компонента и схемы

В общем случае под математической моделью реального объекта понимается любое математическое описание, отражающее с требуемой точностью поведение этого объекта в заданных (реальных) условиях.

Если объектом является компонент электронной схемы или целая схема, то математической моделью будем называть математическое описание связей между токами и напряжениями, возникающих в компоненте или схеме в статическом и динамическом (переходном) режимах работы.

Математическая модель компонента (ММК) обычно описывает функционирование данного компонента на макроуровне, т.е. отражаются только те свойства и закономерности компонента, которые характеризуют его взаимодействие с другими компонентами устройства. Такие модели оперируют с сосредоточенными параметрами и устанавливают связь между напряжениями на компонентах u(t) и токами i(t), протекающими через них.

ММК называют еще компонентными уравнениями [7]. Различают математические модели идеальных и реальных компонентов. Так, например, для идеальных пассивных компонентов такие уравнения имеют вид:

для идеального резистора

,

для идеального конденсатора

,

для идеальной катушки индуктивности

,

где R и G - сопротивление и проводимость резистора соответственно,

C - ёмкость конденсатора, L - индуктивность катушки.

Математическая модель идеального активного электронного компонента - усилительного прибора представляется схемой замещения с источником тока, управляемым напряжением.

Математические модели реальных компонентов должны учитывать их нелинейные, частотные и шумовые свойства, зависимость параметров от температуры и других факторов. Таким образом, математическими моделями реальных компонентов могут быть уравнения ВАХ или дифференциальные уравнения переходных процессов в компоненте. Например, ММК реального транзистора соответствует схема замещения, состоящая из линейных и нелинейных сопротивлений, нелинейных ёмкостей и нелинейных управляемых источников.

Программы моделирования, реализуемые в системах автоматизированного схемотехнического проектирования, содержат встроенные библиотеки ММК различных уровней сложности для реальных типовых компонентов.

Математическая модель схемы (ММС) - это обычно системы уравнений, описывающие статический или динамический режим, которые формируются на основе компонентных уравнений и характеризуют совместное функционирование компонентов, зависящее от конкретного способа их соединения - топологии схемы.

Объединение компонентных уравнений в ММС осуществляется с помощью так называемых топологических уравнений, которые составляются на основе законов Кирхгофа:

для любого узла схемы

n

? i_k(t) = 0 (первый закон Кирхгофа);

k=1

для любого контура

m

? u_i(t) = 0 (второй закон Кирхгофа).

i=1

Уравнения законов Кирхгофа инвариантны для сигналов, которые представлены функциями времени, изображениями по Лапласу или комплексными амплитудами.

Для формирования ММС аналогового радиоэлектронного устройства используется несколько методов, которые различаются составом независимых переменных и видом исходных топологических уравнений. К их числу относятся: табличный метод, метод узловых потенциалов и метод переменных состояния. Однако наиболее широкое распространение в САПР получил метод узловых потенциалов и его модификации. Метод узловых потенциалов позволяет формировать ММС в виде системы уравнений, которые составляются на основе первого закона Кирхгофа для внутренних узлов схемы.

Для формирования ММС цифровых радиоэлектронных устройств используются алгоритмы физического и логического моделирования. При физическом моделировании отдельные элементы, из которых состоит цифровое устройство (ЦУ), представляются их электрическими макромоделями, состоящими из базовых элементов теории цепей (пленочных резисторов и конденсаторов, диффузионных резисторов и конденсаторов, биполярного или МОП-транзистора, полупроводникового диода и т.д.). На основании системы этих макромоделей формируется полная электрическая модель ЦУ. Физические модели ЦУ позволяют наиболее полно представить работу устройства во времени с учетом реальных задержек срабатывания элементов. Эти модели целесообразно использовать на заключительном этапе проектирования РЭУ из-за больших затрат времени на моделирование, когда необходимо иметь данные об устройстве, которые нельзя получить с помощью более простых моделей.

При логическом моделировании каждый элемент ЦУ представляется упрощенной формальной моделью в виде логического соотношения, полученного с помощью булевой алгебры и описывающего логику его функционирования. При меньшей детализации работы в сравнении с физическими логические модели обладают во много раз большим быстродействием и позволяют решать ряд важных практических задач, в частности, проверять правильность логического функционирования ЦУ и сравнивать характеристики различных вариантов схемных решений.

Отметим, что в дальнейшем основное внимание будет уделено схемотехническому моделированию аналоговых и аналого-цифровых устройств.

А теперь вернемся к обсуждению вопросов, связанных с математическими моделями реальных электронных компонентов, причем договоримся обозначать их также аббревиатурой ММК.

Вопросы классификации математических моделей реальных электронных компонентов и их параметров

Все параметры этих моделей делятся на два класса: внешние и внутренние.

Каждый из этих классов подразделяется на два подкласса: первичные и вторичные параметры.

Первичные внешние параметры моделей - токи и напряжения.

Вторичные внешние (их иногда называют выходными, или схемными) - параметры, вычисляемые на основе токов и напряжений, как-то: длительности фронтов, импульсов и задержек, рассеиваемые и потребляемые мощности, неравномерности частотных характеристик, характерные значения токов и напряжений в отдельных узлах схемы.

Первичные внутренние параметры - это электрофизические и конструктивно-технологические параметры; например, размеры отдельных областей компонентов, контактная разность потенциалов, подвижность носителей заряда, характеристики полупроводниковых материалов (ширина запрещенной зоны, температурные коэффициенты и др.)

Вторичные внутренние (или электрические) - параметры, которые могут быть определены на основе только электрических измерений на выводах компонента: входные и выходные сопротивления, коэффициенты усиления и т.д.

Следует подчеркнуть, что, исходя из задач конкретного этапа проектирования, математическая модель реального компонента должна отвечать самым различным требованиям. Эти требования в своем большинстве являются противоречивыми, и удачное компромиссное удовлетворение этих требований в одних задачах может оказаться далеким от оптимальности в других. По этой причине для одного и того же компонента или устройства часто приходится иметь не одну, а несколько моделей. В связи с этим классификация моделей РЭУ должна выполняться по множеству признаков, чтобы охватить все возможные случаи.

По названным причинам рассмотрим классификацию ММК (реальных компонентов) более подробно. Обычно их различают по шести признакам:

по характеру отображаемых процессов,

по способу представления модели,

по характеру зависимостей, используемых для моделирования,

по диапазону рабочих сигналов,

по диапазону рабочих частот,

по количеству параметров модели.

По характеру отображаемых процессов модели делятся на статические (на постоянном токе) и динамические.

По способу представления различают модели аналитические, графические и табличные.

Аналитические модели компонентов представляются обычно в виде уравнений вольтамперных характеристик (ВАХ) или в форме дифференциальных уравнений переходных процессов. Дифференциальные уравнения характеризуют инерционность компонента.

Графические модели могут быть заданы в виде графиков ВАХ, а также в виде схем замещения (или эквивалентных схем). Часто исключение реактивных элементов из динамической схемы замещения превращает ее в статическую. Такие схемы замещения называют сепарабельными. Пример: эквивалентная схема Эберса-Молла для биполярных транзисторов.

Табличные модели задаются в виде цифровых таблиц; им обычно соответствуют графики экспериментальных ВАХ, для которых трудно найти аналитическое выражение.

Практически любую модель (аналитическую, графическую и табличную) можно оформить в виде компьютерной подпрограммы, которая называется цифровой моделью.

По характеру зависимостей, используемых для моделирования, модели делятся на два больших класса: линейные и нелинейные.

По диапазону рабочих сигналов различают модели для малого (малосигнальные) и большого сигналов. Обычно малосигнальные модели - это линейные, поскольку они получаются при рассмотрении малых отклонений токов и напряжений от стационарной рабочей точки. Модели для большого сигнала, как правило, являются нелинейными.

По диапазону рабочих частот различают низкочастотные и высокочастотные модели. В низкочастотных моделях инерционность компонентов на высоких частотах не учитывается. В высокочастотных моделях инерционность учтена либо дифференциальным уравнением, описывающим переходной процесс внутри компонента, либо введением дополнительных внешних ёмкостей.

По количеству параметров в модели компонента выделяют:

- простые, которые характеризуются малым количеством параметров, часть из которых можно непосредственно указать на схеме; например, R4 10k, C10 5nF, хотя полная модель резистора или конденсатора может содержать больший перечень параметров (9…10);

- сложные, которые характеризуются большим количеством параметров. Они заносятся в библиотеку моделей (например, модель биполярного транзистора имеет 52 параметра).

Подчеркнем, что основное требование к модели - адекватность (полное соответствие) реальному объекту. Оно определяет точность проводимых расчетов.

Однако требование к точности модели зависит от типа схемы. Например, одни и те же активные компоненты работают в схемах дифференциального усилителя и в схемах логических транзисторных ключей. Но их модели должны быть различными. Например, разными должны быть модели биполярного транзистора, поскольку в дифференциальном усилителе режим насыщения принципиально не используется, а логический транзисторный ключ использует именно этот режим.

Поэтому целесообразно для одного и того же компонента иметь набор встроенных моделей различной сложности и точности. Например, для биполярного транзистора известны зарядовая модель Гуммеля - Пуна, нелинейная высокочастотная модель Эберса - Молла, линейные модели - Т-образная и гибридная П-образная.

Такой набор нужен не только для отдельных компонентов, но и для типовых функциональных узлов. Например, для операционного усилителя, компаратора, АЦП, ЦАП, триггера, ЗУ и др. Упрощенные модели таких типовых ФУ получили название «макромоделей».

Современные программные пакеты, используемые в системах автоматизированного схемотехнического проектирования (моделирования)

автоматизированный схемотехнический радиоэлектронный

Вначале о требованиях к структуре таких пакетов. Современный пакет прикладных программ должен обеспечить проведение разнообразных расчетов РЭУ широкого назначения.

Анализ нелинейных схем (необязательно чисто аналоговых) включает в себя решение следующих задач:

- расчет режима по постоянному току при отключенных источниках переменного сигнала,

- расчет переходных процессов под действием источников переменного периодического сигнала,

- отыскание периодических решений при действии периодического сигнала,

- отыскание периодических решений автоколебательных систем в отсутствии внешних сигналов,

- спектральный анализ периодических решений,

- расчет чувствительности, учет статистического разброса параметров, анализ наихудшего случая,

- параметрическая оптимизация.

Анализ линейных аналоговых схем включает в себя решение следующих задач:

- расчет комплексного коэффициента усиления (или передаточной функции), входных и выходных сопротивлений (проводимостей),

- расчет уровня внутренних шумов,

- исследование устойчивости,

- построение переходного процесса при гармоническом и произвольном внешнем воздействии,

- расчет чувствительности, учет статистического разброса параметров, рассмотрение наихудшего сочетания параметров,

- параметрическая оптимизация.

Предусматривается взаимодействие программ анализа линейных и нелинейных схем: исходная схема описывается как нелинейная, затем рассчитывается режим по постоянному току и в окрестности найденной рабочей точки программно производится линеаризация характеристик, после этого проводится анализ линейного режима.

Аналого-цифровые (АЦП, ЦАП, компараторы, таймеры) и чисто цифровые устройства (включая цифровые устройства на ПЛИС) моделируются в режиме расчета переходных процессов, т.е. во временной области. Однако другие режимы также доступны. Например, в режиме Dynamic DC (анализ по постоянному току) временные задержки сигналов в цифровых устройствах игнорируются и рассчитываются только выходные логические уровни (логическая “1” и логический “0”) в стационарном режиме.

Кроме того в режиме AC (расчет частотных характеристик: АЧХ и ФЧХ) цифровые компоненты не участвуют в анализе малосигнальных частотных характеристик. Но для аналоговых частей АЦ- и ЦА- интерфейсов составляются линеаризованные схемы замещения их входных и выходных комплексных сопротивлений.

Краткая историческая справка

Ведущей компанией на рынке сквозного автоматизированного схемотехнического проектирования аналоговой, аналого-цифровой и цифровой радиоэлектронной аппаратуры на платформе персональных компьютеров до недавнего времени являлась корпорация Microsim.

Первая программа схемотехнического моделирования SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) была разработана специалистами этой компании в начале 70-х годов прошлого столетия в Калифорнийском университете (г. Беркли).

Она оказалась настолько удачной, что с тех пор интенсивно развивается, и де-факто стала эталонной программой моделирования чисто аналоговых устройств.

Модификация этой программы под названием PSPICE, первая версия которой для IBM PC была создана в 1984 году, стала основой всех разработанных САПР для схемотехнического моделирования (проектирования).

Далее компанией Microsim в 1990 году на основе общего вычислительного ядра PSPICE был создан программный пакет Design Center в среде Windows. Он позволял реализовать не только текстовый, но и графический ввод электрических принципиальных схем, а также проектирование не только аналоговых, но и аналого-цифровых (компараторы, АЦП, ЦАП) и чисто цифровых устройств (вентили, триггеры, счетчики, запоминающие устройства и т.п.).

Последующие версии Design Center 6.0, 6.1 и 6.2 (1994 - 96г.г.) были дополнены программами для проектирования программируемых логических матриц (ПЛМ) и разработки топологии печатных плат.

Начиная с 1996 г, корпорация Microsim стала разрабатывать новое поколение САПР для схемотехнического моделирования под названием Design Lab 8.0 (1997г), которая уже имела ряд дополнительных возможностей, в том числе:

- возможность моделирования программируемых логических ИС (ПЛИС) фирмы Xilinx,

- синтез аналоговых и аналого-дискретных фильтров на переключаемых конденсаторах,

- возможность создания новых моделей компонентов,

- повышенную надежность алгоритмов расчета переходных процессов.

Наконец, в начале 1998г. произошло объединение корпораций Microsim и OrCAD, которое стимулировало развитие их ведущих проектов Design Lab и OrCAD. Новая фирма получила название OrCAD.

В марте 2000г. эта объединенная фирма выпустила очередную версию OrCAD 9.2, которая позволяет производить моделирование аналоговых, аналого-цифровых и цифровых устройств, параметрическую оптимизацию, а также эффективную разработку топологии и трассировки печатных плат, т.е. сквозное проектирование.

В лабораторном практикуме нашего курса широко используется система схемотехнического проектирования (моделирования) типа Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) компании Spectrum Software, конкретно версия 7. Этот пакет прикладных программ также в значительной степени развивался на основе вычислительного ядра SPICE.