Spice-модель компонентов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

В начале выполнения работы была поставлена цель создать spice-модели компонентов для моделирования схемы в среде Altium Designer.

При моделировании необходима подробная документация на элемент, так как результат моделирования зависит параметров, которые задают свойства материалов.

На часть элементов указанной схемы есть готовые spice-модели, которые предоставляет разработчик компонентов. Для моделирования схемы были определены параметры полупроводниковых приборов, индуктивных элементов и некоторых цифровых компонентов.



Содержание

Введение

1. Подготовка данных

1.1 Подготовка исходных данных

1.2 Элементы

1.2.1 Резистор

1.2.2 Конденсатор

1.2.3 Индуктивность

1.2.4 Взаимная индуктивность

1.2.5 Диод (Diode) и стабилитрон (Zener)

2. Определение параметров

2.1 Определение параметров диода.

2.2 Определение параметров транзистора.

2.3 Определение spice-модели цифровых компонентов.

Заключение

Литература

Приложение



Введение

До недавнего времени вычислительные методы крайне незначительно использовались для расчетов в процессе проектирования электронных схем. Квалифицированный инженер мог синтезировать простые схемы, пользуясь минимумом вычислений. Он, создавал макет электронной схемы, производил измерения, вносил изменения и в результате получал конечный вариант схемы.

За последнее время ситуация значительно изменилась. Персональные ЭВМ стали доступными, так что малые фирмы и даже индивидуальные пользователи могут себе позволить их иметь. Несомненно, что в этой связи вычислительные методы будут иметь все большее значение. Рассмотрев эту проблему под другим углом зрения, можно констатировать, что технический прогресс сделал возможным проектирование больших функциональных блоков, содержащих в одной схеме тысячи взаимосвязанных транзисторов. Очевидно что, разработка таких схем невозможна при экспериментальной отладке на макете. Кроме прогресса в развитии ЭВМ на все аспекты схемотехнического моделирования и проектирования сильное воздействие оказали четыре главных новшества в численных методах: операции с разреженными матрицами, линейные многошаговые методы решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, метод сопряженной модели для вычисления чувствительности и использование нелинейного программирования в задачах оптимизации.

В последнее время стало доступным большое количество систем схемотехнического моделирования, использующих одно или несколько из перечисленных новшеств. Большинство из них довольно дорогие и практически недоступны широкому пользователю в России, а студенческие версии либо сильно ограничены, либо требуют значительных ресурсов компьютера.

Одной из систем, позволяющих эффективно решать задачи схемотехнического моделирования, является система Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанная в Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley.

Эта система, предназначена для моделирования нелинейных электрических схем в статическом режиме (DC), временной (transient) и частотной областях (AC). Моделируемая схема может содержать резисторы, конденсаторы, индуктивности независимые источники напряжения и тока, пять типов зависимых источников, длинные линии, ключи и пять типов полупроводниковых приборов: диоды, биполярные транзисторы (BJT), полевые транзисторы (JFET), арсенид-галлиевые транзисторы (MESFET) и МОП-транзисторы (MOSFET).

Однако широкое использование системы Spice затруднено тем, что она создана для операционной системы UNIX, и не обладает, ставшим уже привычным для пользователя ОС Windows, графическим интерфейсом.



1. Подготовка данных

1.1 Подготовка исходных данных

spice модель полупроводниковый цифровой

Подготовка исходных данных для расчета производится в соответствии с описанием входного языка системы Spice. В системе схемотехнического моделирования Spice исходные данные для расчета делятся на три раздела:

а) Инструкции, описывающие топологию электрической схемы и значения элементов.

б) Инструкции, описывающие параметры моделей элементов схемы.

в) Инструкции, описывающие задание на расчет, включающие вид расчета и его параметры.

Первая инструкция в исходных данных является заголовком рассчитываемой схемы, а последняя инструкция - ".END" указывает на окончание описания схемы. Порядок следования инструкций в исходных данных произвольный, за исключением строк, являющихся продолжением инструкций, которые должны следовать строго за началом инструкции.

Инструкции, описывающие элементы схемы включают имя элемента, узлы схемы к которым он подключен и параметры, определяющие электрические характеристики элемента. Первая буква в имени элемента определяет его тип. Например, имена R1, ROUT, RSE в инструкциях, описывающих элементы, показывают, что эти инструкции описывают элементы типа резистор. Подробно инструкции, описывающие различные элементы схем будут приведены ниже.

Поля в инструкциях могут разделяться пробелами, знаком запятая ",", знаком равно "=" и левой "(" и правой ")" скобками. Инструкции могут записываться на нескольких строках. В этом случае в строке продолжения первым символом записывается знак "+". Нумерация узлов при описании топологии схемы осуществляется в произвольном порядке, однако узел "земля", относительно которого будут отсчитываться потенциалы остальных узлов, должен иметь номер "0". Каждый узел должен быть гальванически связан с "землей".

К основным видам расчета относятся:

а) расчет в статическом режиме (DC), т.е. определение напряжений, токов, мощностей в момент, когда все переходные процессы в схеме установились;

б) расчет переходных процессов (Transient), т.е. определение напряжений, токов, мощностей как функций времени в диапазоне от t = 0 до t = Ткон;

в) расчет частотных характеристик (AC), т.е. определение АЧХ, ФЧХ, ЛАЧХ в диапазоне частот от f = Fнач до f = Fкон. При этом схема моделируется в режиме малого сигнала.

Большую роль при выполнении подготовки исходных данных играет правильная постановка задачи расчета, которая отражает компромисс между желанием разработчика схемы и возможностями системы схемотехнического моделирования Spice.

1.2 Элементы

Система Spice может моделировать электрические схемы, содержащие резисторы, конденсаторы, индуктивности независимые источники напряжения и тока, пять типов зависимых источников, длинные линии, ключи и пять типов полупроводниковых приборов: диоды, биполярные транзисторы (BJT), полевые транзисторы (JFET), арсенид - галлиевые транзисторы (MESFET) и МОП - транзисторы (MOSFET).

1.2.1 Резистор

Инструкция для описания резистора:

RXXXXXXX N1 N2 VALUE

N1 и N2 - узлы включения резистора в схеме.

VALUE - сопротивление резистора в Омах, может быть как положительным, так и отрицательным, но не может быть нулевым.

1.2.2 Конденсатор

Инструкция для описания конденсатора:

CXXXXXXX N+ N- VALUE <IC=INCOND>

N+ и N- положительный и отрицательный узлы включения конденсатора соответственно.

VALUE - емкость конденсатора в Фарадах.

IC - значение напряжения на конденсаторе (в Вольтах) в момент времени t=0, действует только если в инструкции TRAN установлен флаг UIC.

1.2.3 Индуктивность

Инструкция для описания индуктивности:

LYYYYYYY N+ N- VALUE <IC=INCOND>

N+ и N- положительный и отрицательный узлы включения индуктивности соответственно.

VALUE - значение индуктивности в Генри.

IC - значение тока в индуктивности (в Амперах) в момент времени t=0, действует только если в инструкции TRAN установлен флаг UIC.

1.2.4 Взаимная индуктивность

Инструкция для описания взаимной индуктивности:



KXXXXXXX LYYYYYYY LZZZZZZZ VALUE

LYYYYYYY и LZZZZZZZ - имена взаимных индуктивностей.

VALUE коэффициент связи K, который может изменяться от 0 до 1.

1.2.5 Диод (Diode) и стабилитрон (Zener)

Формат схем МС

Атрибут PART: <имя>

Атрибут VALUE: [Area] [OFF] [IC=<Vd>]

Атрибут MODEL: [имя модели]

Параметр Area задает коэффициент кратности для учета подключения нескольких параллельных диодов (параметры модели диода умножаются или делятся на эту величину). Параметр IC задает начальное напряжение на диоде Vd при расчете переходных процессов, если на панели Transient Analysis Limits выключена опция Operating Point. Включение ключевого слова OFF исключает диод из схемы при проведении первой итерации расчета режима по постоянному току.

Модель диода задается директивой MODEL <имя модели> 0[(параметры модели)]

Приведем пример модели диода Д104А: .model D104A D (IS=5.81Е-12 RS=8.1 N=1.15 TT=8.28NS CJO=41.2PF VJ=0.71 M=0.33 FC=0.5 EG=1.11 XTI=3)

Математическая модель диода задается параметрами, перечисленными в табл. 1.



Таблица 1. Параметры модели диода

Обозначение	Параметр	Значение по умолчанию	Единица измерения
Level	Тип модели: 1 -- SPICE2G, 2 -- PSpice	1	--
IS	Ток насыщения при температуре 27°С	10-14	А
RS	Объемное сопротивление	0	Ом
N	Коэффициент эмиссии (неидеальности)	1	--
ISR	Параметр тока рекомбинации	0	А
NR	Коэффициент эмиссии (неидеальности)для тока ISR	2
IKF	Предельный ток при высоком уровне инжекции		А
TT	Время переноса заряда	0	с
CJO	Барьерная емкость при нулевом смещении	0	Ф
VJ	Контактная разность потенциалов	1	В
M	Коэффициент плавности p-n перехода (1/2 --для резкого, 1/3 -- плавного)	0,5	--
EG	Ширина запрещенной зоны	1,11	эВ
FC	Коэффициент нелинейности барьерной емкости прямосмещенного перехода	0,5	--
BV	Обратное напряжение пробоя (положительная величина)		В
IBV	Начальный ток пробоя, соответствующий напряжению BV (положительная величина)	10-10	А
NBV	Коэффициент неидеальности на участке пробоя	1	--
IBVL	Начальный ток пробоя низкого уровня	0	А
NBVL	Коэффициент неидеальности на участке пробоя низкого уровня	1	--
XTI	Температурный коэффициент тока насыщения IS	3	--
TIKF	Линейный температурный коэффициент IKF	0	C-1
TBV1	Линейный температурный коэффициент BV	0	C-1
TBV2	Квадратичный температурный коэффициент BV	0	C-1
TRS1	Линейный температурный коэффициент RS	0	C-1
TRS2	Квадратичный температурный коэффициент RS	0	C-2
KF	Коэффициент фликкер-шума	0	--
AF	Показатель степени в формуле фликкер-шума	1	--
RL	Сопротивление утечки перехода		Ом
T_MEASURED	Температура измерений	--	C
T_ABS	Абсолютная температура	--	C
T_REL_GLOBAL	Относительная температура	--	C
T_REL_LOCL	Разность между температурой диода и модели-прототипа	--	C



С уравнениями, по которым производится расчет при моделировании диодов и прочих полупроводниковых приборов при необходимости можно ознакомиться в [4, 6].

Рис. 1. Окно задания параметров диода Рис. 2. Модель диода

Стабилитроны имеют ту же модель, что и диоды. При выборе стабилитрона необходимо обращать внимание на параметр модели BV -- напряжение обратного пробоя, фактически оно же и является напряжением стабилизации при обратном включении диода. См. примеры моделирования схемные файлы DIODE & ZENER из каталога COMPONENTS\PASSIVE COMP.

Диоды выбираются с помощью следующих путей в меню COMPONENTS/Analog Primitives/Passive Components/Diode, COMPONENTS/Analog Library/DIODE (далее в подменю нужный тип диода). Стабилитроны -- COMPONENTS/Analog Primitives/Passive Components/ZENER, COMPONENTS/Analog Library/Diode/ZENER.



2. Определение параметров

2.1 Определние параметров диода

Для определения параметров моделей диода было использовано САПР Microwave Office, так как в этой программе возможно определить наибольшее число параметров которые приведены на рисунке.

Рис 3. Параметры диода в MWO



Идентификация параметров происходит по справочным данным, которые предоставляет изготовитель в документации на элемент. Для моделирования необходимо построить схему снятия вольт-амперных характеристик и подключить к программе файл со справочными данными. На графике необходимо отобразить две характеристики для экспериментальной и подстраиваемой модели.

Рис4. Схема для снятия ВАХ диода

После оптимизации значения характеристик будут совпадать и программа определит искомые параметры элемента.



Рис. 5. ВАХ диода после подстройки значений

В формате spice модель диода выглядит следующим образом:

.model 2D803AC9 D (Is=0.00417320696989924m Rs=0.00970840355989861 N=3.36233928910005 Xti=0.149201186151771 Bv=93454.467891107 Ibv=0.291430890691074m

+ Cjo=125792976.565639p M=0.0623015057189436 Fc=0.0634667940847039)

2.2 Определение параметров транзистора

Для расчета параметров моделей полупроводниковых компонентов, а также магнитных сердечников, можно воспользоваться программой Model в среде MicroCap. На рисунке представлен интерфейс программы.

Рис 6. Интерфейс программы Model

В отличие от предыдущего случая, здесь не надо производить процесс подстройки, но для более точной модели придется задать больше справочных данных. После идентификации данных в программе строится график и определяются spice-параметры модели. Таким образом были получены модели транзисторов, которые необходимы для моделирования схемы. Для транзистора 2T3117A представлена spice-модель

.MODEL 2T3117A NPN (IS=501.657F

+ BF=282.144 NF=1.16176 VAF=100

+ IKF=1.05431 ISE=20.5297F

+ NE=1.36131 BR=2 IKR=988.851

+ ISC=1.181988E-017 RE=543.714M

+ RC=1.00912U CJE=39.2628P

+ VJE=700M MJE=499.227M

+ CJC=31.2633P VJC=699.997M

+ MJC=499.832M TF=493.812P

+ XTF=499.971M VTF=10

+ ITF=9.69242M TR=176.624N)



2.3 Определение spice-модели цифровых компонентов

Модель цифрового компонента состоит из двух частей: интерфейсной модели (I/O model) и временной модели (timing model). Временная модель определяет задержки распространения цифровых состояний и ограничения снизу на длительности действия цифровых сигналов. Интерфейсная модель определяет сопротивления, эквивалентные схемы и времена переключения аналого-цифрового интерфейса. На рисунке представлена структура компонента 7410 (3ИНЕ)

Рис. 7. Структура компонента 7410



Для моделирования схемы необходимо создать модель на цифровой компонент, который содержит шесть триггеров Шмитта-инверторов. Для этого примера существуют стандартные временная и интерфейсная модели. Для создания подсхемы необходимо добавить шесть триггеров, задать землю и питание компонента, правильно указать все выводы микросхемы. Текст подсхемы в формате Spice приведён ниже.

Рис 8. Микросхема 1594тл2т

.SUBCKT SCHMITT A1 Y1 A2 Y2 A3 Y3 DGND Y4 A4 Y5 A5 Y6 A6 DPWR

+ optional: DPWR=$G_DPWR DGND=$G_DGND

+ params: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0

*

U1 inv DPWR DGND

+ A1 Y1

+ DLY_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

U2 inv DPWR DGND

+ A2 Y2

+ DLY_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

U3 inv DPWR DGND

+ A3 Y3

+ DLY_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

U4 inv DPWR DGND

+ A4 Y4

+ DLY_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

U5 inv DPWR DGND

+ A5 Y5

+ DLY_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

U6 inv DPWR DGND

+ A6 Y6

*

+ DLY_14 IO_STD_ST MNTYMXDLY={MNTYMXDLY} IO_LEVEL={IO_LEVEL}

.model DLY_14 ugate (tplhTY=15ns tplhMX=22ns tphlTY=15ns tphlMX=22ns)

.model IO_STD_ST uio (

+ DRVH=130 DRVL=130

+ ATOD1="ATOD_STD_ST" ATOD2="ATOD_STD_ST"

+ ATOD3="ATOD_STD_ST" ATOD4="ATOD_STD_ST"

+ DTOA1="DTOA_STD" DTOA2="DTOA_STD"

+ DTOA3="DTOA_STD" DTOA4="DTOA_STD"

+ TSWHL1=3.310ns TSWHL2=3.310ns

+ TSWHL3=3.310ns TSWHL4=3.310ns

+ TSWLH1=2.115ns TSWLH2=2.115ns

+ TSWLH3=2.115ns TSWLH4=2.115ns

+ DIGPOWER="DIGIFPWR")

.ENDS SCHMITT



Заключение

В результате работы были созданы библиотеки компонентов в САПР Altium Designer для моделирования схемы усилителя. Компоненты схемы описываются с помощью моделей, составленных на языке Spice. Сложность моделирования заключается в том, что при создании моделей необходимо учитывать большое количество параметров, которые известны только изготовителю компонента. Поэтому при создании требуется подробная документация на элемент. Также результат моделирования зависит от выбора метода расчета. В результате работы параметры моделей были определены через дополнительные программные пакеты. Результат работы будет известен после процесса моделирования.



Литература

1. В.В. Фриск. Основы теории цепей. Использование макета Microwave Office для моделирования электрических цепей на персональном компьютере.

2. М.А. Амелина, С.А. Амелин. Программа схемотехнического моделирования MicroCAP. Версии 9, 10.

3. С.Р. Тумаковский. Spice - первое знакомство.



Приложение

Научно-технические достижения последних лет прямо или косвенно связаны с успехами полупроводниковой промышленности.

На протяжении двух последних десятилетий возможности моделирования постоянно отставали от темпов развития технологии и растущих потребностей полупроводниковой промышленности.

Появление новых моделей порождало новые проблемы верификации, достоверности, точности, стандартизации, обучения.

Качество технологии проектирования характеризуется количеством циклов устранения ошибок, допущенных при проектировании, процентом параметрического брака в изготовленных изделиях, размером кристалла, техническими параметрами изделия. Требования к качеству проектирования постоянно возрастают. Это вызвано не только естественными требованиями рыночной конкуренции, но также применением полупроводников в областях, связанных с жизнеобеспечением человека, с искусственными органами, с космической и военной техникой.

Одновременно с проблемой достоверности моделей существует проблема быстродействия средств моделирования, которая приводит к необходимости использовать предельно упрощенные модели транзисторов и приближенные методы моделирования электронных цепей. Используемые в настоящее время модели и методы рождены в результате борьбы противоречий между их точностью, достоверностью и вычислительной эффективностью.

Для получения экономичной компактной модели используют упрощающие допущения, которые неизбежно приводят к потере достоверности моделирования и возрастанию неопределенности в знании области ее допустимого применения.

Максимальной точностью и достоверностью обладают классические программы схемотехнического моделирования (SPICE-подобные программы), которые основаны на машинном составлении системы обыкновенных дифференциальных уравнений электрической цепи и их решении без применения упрощающих предположений. В них используются численные методы Рунге-Кутта или метод Гира для интегрирования системы дифференциальных уравнений, метод Ньютона-Рафсона для линеаризации системы нелинейных алгебраических уравнений и метод Гаусса или LU-разложение для решения системы линейных алгебраических уравнений. Модификации этих методов направлены на улучшение сходимости или вычислительной эффективности без упрощения исходной задачи.

Для увеличения скорости моделирования SPICE-подобных программ при минимальном снижении достоверности используются методы, которые первоначально были разработаны для логического моделирования (методы ускоренного моделирования, «fast-SPICE simulation»). К ним относится моделирование только активной части цепи, т.е. путей распространения сигнала, учет временной неактивности (латентности) подсхем, применение табличных моделей активных элементов, применение различного временного шага и различных численных методов для разных подсхем, применение макромоделей и сочетание различных методов моделирования на разных уровнях иерархии проекта СБИС (гибридное электро-логическое моделирование), моделирование на дискретной сетке переменных, применение кусочно-линейных моделей элементов, экспоненциальная подгонка, учет изоморфизма подсхем и др.

Сочетание указанных приемов позволяет увеличить скорость моделирования в 10-100 раз и во столько же раз увеличить предельную размерность моделируемой цепи. Главной характеристикой таких программ является предельный размер электрической цепи, которую они позволяют моделировать за приемлемое время.

Недостатком методов ускоренного моделирования является снижение достоверности полученного результата. Так, использование свойства латентности подсхем приводит к необходимости принятия допущения о неактивности подсхем, поскольку строго говоря, подсхема бывает пассивной только функционально, но не электрически: ведь паразитные выбросы на шинах питания и земли, а также межсоединений, воздействуют на подсхему независимо от ее функциональной латентности (бездействия). Аналогично встает вопрос о критериях наступления события при событийном управлении процессом моделирования.

Фундаментальной причиной снижения достоверности при использовании методов ускоренного моделирования является то, что для получения достоверных критериев упрощения исходной задачи нужно сначала получить ее точное решение. В описанных же случаях такого решения априори нет. То есть все величины, на основании которых принимается решение о латентности, наступлении события или шаге сетки, и т.п., являются исходно неточными. По этой причине наряду с понятием точности при описании свойств программ моделирования используют понятие достоверности. Достоверность понимают как вероятность того, что результат моделирования имеет ожидаемую точность. Достоверность в данном случае не связана со стохастической природой объекта исследования.

Несмотря на то, что SPICE-подобные системы моделирования имеют наибольшую точность, потребность в ее дальнейшем увеличении существует с момента создания программы SPICE и до наших дней.

Большинство программ моделирования основаны на алгоритмах и даже используют исходные тексты программы SPICE-2G6 Калифорнийского университета в Беркли и имеют сохранившийся с тех пор и ставший стандартом де-факто входной язык описания схем. Отсюда и произошел термин «SPICE-подобные» средства схемотехнического моделирования, который применяется в тех случаях, когда необходимо подчеркнуть, что в программе не используются упрощающие предположения, снижающие достоверность результата, как, например, в системах «ускоренного» моделирования.

Все коммерческие программы находятся в состоянии непрерывной модернизации и адаптации к нуждам клиентов, поэтому их характеристики изменяются постоянно, хотя по существу различаются незначительно. Основное различие состоит в доверии к качеству продукта и в качестве технической поддержки. Наиболее распространенными средствами точного (SPICE-подобного) моделирования являются программы Eldo фирмы Mentor Graphics, HSPICE фирмы Synopsys, Inc., SmartSpice (Silvaco International), Spectre и PSpice (Cadence Design Systems).

Существует также множество других программ моделирования, с менее известными брендами: SEQUEL (Indian Institute of Technology), AIM-Spice (AIM-Software), DrSpice (Deutsch Research), Ngspice (ngspice.sourceforge.net), AVOSpice (AVOCAD), LTspice (Linear Technology), WinSpice (www.winspice.com), mentalSPICE (www.mental.com), IsSpice из пакета ICAP (Intusoft), CircuitMaker (Protel International) и др.

В SPICE-подобных средствах моделирования сохраняются те же численные методы, что и в оригинальной программе SPICE. Модификации делаются, в основном, для расширения области сходимости. Улучшение быстродействия и предельной размерности цепи достигается за счет более эффективного использования памяти, оптимизации кода, применения методов декомпозиции (моделирования по частям), многопотокового исполнения программы на многоядерных процессорах и многопроцессорных компьютерах, за счет учета разреженности матриц, оптимального вычисления токов сложных моделей транзисторов, которое занимает до 80% по данным Cadence (www.cadence.com) и до 30% по данным [405] от общего времени моделирования. Используют также группирование цепей в сильно связанные, которые решаются методом Ньютона-Рафсона и слабосвязанные, которые решаются методом «одношаговой релаксации» (www.mentorg.com).

Перечисленные приемы позволяют уменьшить время моделирования до 10 раз по сравнению с оригинальной программой SPICE и увеличить предельную размерность моделируемой цепи до нескольких сотен тысяч транзисторов для 32-битных процессоров и до нескольких миллионов транзисторов для 64-битных. Дополнительное ускорение моделирования можно получить на многопроцессорных компьютерах.

Одной из новых проблем моделирования является необходимость учета огромного числа паразитных элементов. Наиболее остро эта проблема встает при пониженном напряжении питания, когда увеличивается роль помех по сравнению с напряжением питания, а также в радиочастотных, глубоко субмикронных и нанометровых СБИС, динамика которых определяется не активными приборами, а пассивными линиями связи и паразитными элементами.

К паразитным элементам относятся емкости, индуктивности и сопротивления шин питания и земли, цепей синхронизации, линий связи, распределенное сопротивление подложки, а также взаимные индуктивности и перекрестные емкости. Количество паразитных элементов может в 100 раз превышать количество функциональных элементов СБИС (www.cadence.com). Моделирование таких цепей с помощью классической программы SPICE крайне неэффективно, поскольку с ростом размерности матрицы трудоемкость LiZ-факторизации приближается к 0(га3), где з -- количество узлов в цепи, вместо среднего значения з = 1,1... 1,5 для цепи без паразитных элементов. Кроме того, классическая программа SPICE не использует свойство линейности и структуру матрицы паразитных элементов. Учет структуры матрицы может дать ускорение до 103 раз по сравнению со SPICE.

Для моделирования паразитных элементов используют символьные методы, иерархическую декомпозицию цепи, основанную на теории графов, методы подпространств Крылова, методы релаксации формы сигнала. При этом паразитные элементы группируют в отдельную линейную подсхему, которая анализируется независимо от нелинейной части цепи и впоследствии сшивается с ней итерационными методами.

Наряду с применением специализированных методов решения систем уравнений, описывающих паразитные элементы, используют методы редукции (сокращения размерности) системы уравнений. Для этого используют сингулярное разложение матрицы (SVD) и макромоделирование (теорему об эквивалентном генераторе). В процессе редукции системы контролируют сохранение устойчивости цепи. Однако методы редукции нельзя отнести к точным, поскольку при их осуществлении используется параметр допустимой погрешности редукции.

Отдельную задачу при топологических нормах менее 0,1 мкм и частотах выше 1 ГГц представляет моделирование длинных линий передачи, когда их невозможно заменить сосредоточенной RC-цепью. Распределенные линии передачи описываются системой линейных уравнений с S-параметрами.

В связи с тем, что для моделирования радиочастотных цепей используются методы, существенно отличающиеся от методов классической программы SPICE [406] (метод пристрелки и метод гармонического баланса), такие программы представляют собой отдельные коммерческие продукты (SmartSpice RF, HSpice RF и др.).

Возникшая около 10 лет назад технология микроэлектромеханических систем (MEMS) [181] побудила многие компании включить в SPICE-подобные программы средства моделирования и этих систем. Такие программы позволяют анализировать проект, содержащий одновременно электрические, механические и гидравлические элементы, а также блоки систем автоматического управления.

Программы для проектирования СБИС традиционно использовались на рабочих станциях Sun или HP, однако в последние годы большинство фирм быстро адаптировали свои программные средства к IBM PC-совместимым компьютерам, которые функционируют под ОС Windows, Linux и Solaris.

Общей тенденцией в развитии средств моделирования является их тесная интеграция с программами, выполняющими графический ввод электрической схемы, отображение и обработку результатов моделирования, проектирование топологии СБИС или печатной платы, экстракцию паразитных параметров топологии, идентификацию параметров моделей и макромоделей, приборно-технологическое моделирование и синтез макромоделей. Наметилась также тенденция к открытости и стандартизации моделей, языков описания схемы и форматов обмена данными между программами разных производителей. Это позволило использовать средства проектирования, составленные из компонентов, разработанных конкурирующими фирмами. Современные средства проектирования во многом следуют идеологии открытых систем.

Программы схемотехнического моделирования могут использоваться совместно с программами моделирования тепловых процессов, с программами приборно-технологического моделирования, с программами моделирования систем (например Simulink из пакета MATLAB) и с реальными компонентами систем и цепей. Такая связь выполняется с помощью итерационных алгоритмов сшивания решений, полученных в разнородных программно-технических системах.

Программы схемотехнического моделирования используют языки описания схемы SPICE, HSpice, AHDL, VHDL-AMS, Verilog-A и Verilog-AMS. Однако конечный пользователь чаще применяет графический ввод электрической схемы, не требующий обращения к символьным языкам.

Следует подчеркнуть, что многие фирмы скрывают суть используемых алгоритмов и не приводят методику оценки погрешности моделирования, ограничиваясь декларацией коммерчески привлекательных показателей. Однако отсутствие критики увеличивает непредсказуемость результата и, фактически, достоверность моделирования определяется не техническими свойствами программы, а доверием к фирме, ее репутацией, историей, авторитетом команды разработчиков. В этом отношении важны попытки разработать стандарты для оценки качества моделирующих средств, которые, однако, сталкиваются с проблемами быстрого старения стандартов по сравнению с процессами адаптации программ к бурно растущим потребностям рынка САПР.

Моделирование тепловых процессов

Тепловые процессы обычно моделируются с использованием их подобия электрическим процессам [65, 456, 457]. Для этого уравнение теплопроводности преобразуют в дискретную форму методом конечных разностей или конечных элементов, затем, используя теорию подобия [438], составляют эквивалентную электрическую цепь и моделируют ее с помощью SPICE-подобной программы.

Однако такой способ моделирования требует достаточно больших вычислительных ресурсов и поэтому не всегда может быть использован в составе САПР. Для схемотехнического моделирования с учетом разогрева элементов электрической цепи используют упрощенные электротепловые модели, состоящие из обычной компактной модели и тепловой модели (например, в виде RC-цепи), приближенно отражающей динамику изменения температуры транзистора [456, 457]. В результате электрического моделирования становятся известными токи и напряжения электрической цепи, которые позволяют вычислить мощность (Pi и Р2 на рис. 2.45), выделяемую транзисторами, которая является входной величиной тепловой модели (рис. 2.45 б). С помощью тепловой модели рассчитывается значение температуры (Фй и Ф<й на рис. 2.45), которое, в свою очередь, является входной величиной электрической модели. Таким образом, электрическая и тепловая модели образуют контур с обратной связью, моделирование которого возможно выполнить только итерационным методом.

При совместном моделировании динамики тепловых и электрических процессов возникает проблема жесткости, связанная с большим (на несколько порядков) различием постоянных времени электрической и тепловой цепи [346]. Второй проблемой является обеспечение сходимости итерационного процесса [65].

Размещено на Allbest.ru

...