Введение в схемотехническое моделирование

Возможности компьютерного моделирования. Неоспоримым достоинством компьютерного схемотехнического моделирования является возможность тождественного отображения процессов, протекающих в реальных устройствах.

Благодаря этому снимается большинство ограничений на сложность схем проектируемых устройств. Моделирование проводится с учетом нелинейностей характеристик элементов схем, разброса параметров и их изменения под влиянием различных дестабилизирующих факторов. Достигаемая точность компьютерного моделирования уменьшает затраты, связанные с дополнительной настройкой и регулировкой схемы после ее изготовления, что особенно важно при разработке интегральных схем.

Помимо этого компьютерное моделирование позволяет:

  • • рассмотреть предельные режимы, физическая реализация которых опасна из-за возможного выхода устройства из строя;
  • • определить параметры, которые нельзя непосредственно измерить из-за недоступности точек измерения (например, в интегральных схемах);
  • • быстро получить статистические характеристики устройства и прогнозировать их изменение, например при старении компонентов.

Основные направления моделирования. Использование компьютерного моделирования при проектировании электронных устройств (совместно с развитием вычислительной техники) оказало большое влияние на развитии теории моделей элементов схем, выделив три самостоятельных направления:

  • • направление точных физических моделей элементов схем, наиболее полно отображающих процессы в реальных элементах. Такие модели необходимы при проектировании и разработке полупроводниковых приборов, поскольку только с их помощью можно наиболее точно рассчитать диффузионный профиль базы, геометрические, электрофизические и другие параметры элемента;
  • • направление макромоделей в виде отдельных типовых схем, параметры которых можно легко измерить или вычислить. Это направление обусловлено двумя причинами:
    • — большинство внутренних параметров физических моделей практически невозможно достаточно точно измерить с помощью современных средств измерительной техники,
    • — для получения высокой точности физическая модель должна строиться на базе фундаментальных уравнений физики твердого тела (дрейфа, диффузии, Пуассона и др.), численное решение которых связано с большими вычислительными затратами. Большая насыщенность современных интегральных схем транзисторами (и диодами) исключает возможность использования физических моделей для их расчета;
  • • направление, обусловленное потребностями автоматизации проектирования. Оно состоит в разработке способов представления уравнений моделей с позиций вычислительной математики. В частности, представление уравнений реактивных элементов формулами численного дифференцирования и интегрирования, а безынерционных нелинейных элементов — двучленными отрезками ряда Тейлора позволило существенно повысить эффективность программ схемотехнического моделирования.

Основные этапы схемотехнического моделирования. Для разработчика электронной аппаратуры важно иметь представление о принципе действия и функциональных возможностях программы. Процесс схемотехнического моделирования можно представить как совокупность отдельных этапов:

  • описание задания на моделирование исходной схемы. В современных программах предусмотрено две возможности описания: в виде текстового файла или схемы моделируемого устройства. Задание вводится в компьютерную память и запоминается в соответствующих массивах;
  • обработка описания схемы трансляторами входного языка. На этом этапе проверяется правильность составления описания с выдачей на печать сообщений об ошибках (диагностика ошибок), осуществляется перекомпоновка данных о схеме из исходной формы в новую форму, удобную для работы программы. Эта новая форма называется внутренним форматом данных;
  • составление математической модели схемы (ММС) на основе внутреннего формата и представление ее в памяти соответствующими массивами числовых данных. Модель задается в виде векторов и матриц, входящих в состав исходных уравнений. Формирование модели осуществляется на основе топологии (например, узлов включения элементов в схему) и описания элементов схемы, а также воздействующих сигналов. Процесс составления ММС состоит в последовательном обращении к подпрограммам моделирования элементов схемы и определении вклада каждого элемента в общую модель схемы;
  • расчет модели схемы на основе реализованного в программе численного алгоритма. При расчете учитываются указанные пользователем в задании директивы (время расчета, точность, количество точек или шаг и т.д.). Результаты расчета (токи, напряжения) запоминаются в соответствующих массивах, а затем обрабатываются с целью вычисления выходных параметров (например, параметров частотных характеристик, длительностей фронтов и неравномерности вершин импульсов);
  • обработка и представление результатов расчета. На этом этапе полученные результаты с помощью специальной программы обрабатываются и выводятся в удобной для пользователя текстовой и (или) графической форме.

Рассмотренная моделирующая программа входит в состав пакета программ схемотехнического проектирования и используется на каждом шаге анализа или оптимизации.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >