СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

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.

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.

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;

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.

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:

- 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:

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 радиоэлектронныекомплексы 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;

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.

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.

Вопросы классификации математических моделей

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 зависимостей, используемых для моделирования,

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, R 4 10 k, C 10 5 nF, 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».

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

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)

R _xxx_<+ узел >_<- узел >_ [ имя модели ] _< значение >

Описание конденсаторов ( упрощенный вариант)

C _xxx_<+ узел >_<- узел >_[ имя модели ] _< значение >

Директива для описания модели конденсатора:

Описание биполярного транзистора ( упрощенный вариант)

Q _xxx_ < узел коллектора >_ < узел базы >_ < узел эмиттера > _< имя модели >

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

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.

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

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

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 ТС 1 и ТС 2 не используются, то описание таково

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

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

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:

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

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

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

Перечень этих параметров приведен в таблице 2.

Тогда для примера директиву, с помощью которой вводится модель CMOD для конденсатора С 7, можно записать таким образом: