Создание spice модели. SPICE как метод моделирования цифровых узлов. Варианты реализации символа нового компонента

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Введение

1. Подготовка данных

1.2 Элементы

1.2.1 Резистор

1.2.2 Конденсатор

1.2.3 Индуктивность

1.2.4 Взаимная индуктивность

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

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

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:

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

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

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

U2 inv DPWR DGND

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

U3 inv DPWR DGND

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

U4 inv DPWR DGND

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

U5 inv DPWR DGND

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

U6 inv DPWR DGND

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")

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.

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 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.

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 (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) 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.

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 . Для этого уравнение теплопроводности преобразуют в дискретную форму методом конечных разностей или конечных элементов, затем, используя теорию подобия , 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 . 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 . Второй проблемой является обеспечение сходимости итерационного процесса .

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Понятие моделей источников цифровых сигналов. Программы схемотехнического моделирования цифровых устройств. Настройка параметров моделирования. Определение максимального быстродействия. Модели цифровых компонентов, основные методы их разработки.

курсовая работа , добавлен 12.11.2014


Характеристика основных компонентов для исследования цифровых схем. Порядок работы с системой моделирования. Особенности структуры компонентов моделирования цифровых схем, исследование платы на безопасность, разработка интерфейсной части и алгоритмов.

курсовая работа , добавлен 12.07.2013


Технические характеристики цифрового компаратора. Описание цифровых и аналоговых компонентов: микросхем, датчиков, индикаторов, активных компонентов, их условные обозначения и принцип работы. Алгоритм работы устройства, структурная и принципиальная схемы.

курсовая работа , добавлен 29.04.2014


Приближенный расчёт электрических параметров двухвходовой КМОП-схемы дешифратора. Определение значений компонентов топологического чертежа схемы. Проведение схемотехнического анализа с помощью программы T-Spice, с соблюдением заданных технических условий.

курсовая работа , добавлен 01.07.2013


Технология сквозного проектирования. Разработка принципиальной электронной схемы устройства. Обоснование выбора цифровых электронных компонентов. Трёхмерное моделирование: разработка модели корпуса, 3D-печать. Разработка программы микроконтроллера.

дипломная работа , добавлен 22.08.2017


Технологический маршрут производства полупроводниковых компонентов. Изготовление полупроводниковых пластин. Установка кристаллов в кристаллодержатели. Сборка и герметизация полупроводниковых приборов. Проверка качества и электрических характеристик.

курсовая работа , добавлен 24.11.2013


Классификация цифровых приборов. Модели цифровых сигналов. Методы амплитудной, фазовой и частотной модуляции. Методика измерения характеристики преобразования АЦП. Синтез структурной, функциональной и принципиальной схемы генератора тестовых сигналов.

дипломная работа , добавлен 19.01.2013


Краткое описание РЭС. Создание файла принципиальной электрической схемы. Проектирование библиотеки элементов. Формирование 3D-модели ПП и Gerber-файлов. Создание печатной платы. Проверка правильности электрических соединений. Компиляция проекта.

курсовая работа , добавлен 17.05.2014


Разработка системы загрузки компонентов бетонной смеси, которая обеспечивает автоматическую подачу сигнала при загрузке компонентов и подачу компонентов бетонной смеси в заданном порядке. Описание контактной и бесконтактной схем. Расчет блока питания.

курсовая работа , добавлен 28.12.2014


Области применения измерительных процедур. Измерение ошибок в системах связи, на аналоговых и цифровых интерфейсах. Инсталляция s-соединений с базовой скоростью. Настройка компонентов синхронных систем. Тестирование сигнализации и коммуникационных путей.

Программа моделирования схем SPICE в процессе моделирование работы схем обеспечивает и моделирование работы диодов. Модели диодов основаны на характеристиках отдельных устройств, описанных в технических описаниях на конкретные продукты, и характеристиках технологических процессов, которые не указаны в описаниях на устройства. Некоторая информация, взятая из технического описания на 1N4004, приведена на рисунке ниже.

Определение диода начинается с имени элемента диода, которое должно начинаться с " d " плюс необязательные символы. Примеры имен элементов диодов: d1 , d2 , dtest , da , db , d101 . Два номера узлов определяют подключение анода и катода, соответственно, к другим компонентам. За номерами узлов следует имя модели, ссылаясь на последующий оператор " .model ".

Строка оператора модели начинается с " .model ", за которым следует название модели, соответствующее одному или нескольким определениям диода. Затем " d " указывает, что работа диода должна моделироваться. Остальная часть объявления модели представляет собой список дополнительных параметров диода в виде ParameterName=ParameterValue . В примере 1 такие параметры не используются. В примере 2 определены несколько параметров. Список параметров диодов приведен в таблице ниже.

Основная форма: d[имя] [анод] [катод] [название_модели] .model ([название_модели] d . . .) Пример1: d1 1 2 mod1 .model mod1 d Пример2: D2 1 2 Da1N4004 .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 M=0.333 N=2)

Самый простой подход для получения SPICE модели такой же, как и для получения технического описания: посмотрите на сайте производителя. В таблице ниже приведены параметры модели для некоторых диодов. Во втором случае можно создать SPICE модель по тем параметрам, которые указаны в техническом описании. Третий случай, который здесь не рассматривается, - это измерение параметров реального устройства. Затем вычислить, сравнить и подогнать параметры SPICE модели к результатам измерений.

Если параметры диода не указаны, как в первом примере выше, применяются параметры по умолчанию, взятые из таблиц выше и ниже. Это модели по умолчанию диодов в интегральных микросхемах. Они безусловно подходят для предварительной работы и с дискретными устройствами. Для более важной работы используйте SPICE модели, поставляемые производителем, поставщиками ПО SPICE и другими источниками.

В противном случае введите некоторые из параметров, приведенных в техническом описании. Сначала выберите значение для SPICE параметра N между 1 и 2. Это необходимо для диодного уравнения (n). Массобрио в книге “Semiconductor Device Modeling with SPICE” рекомендует «... n, коэффициент эмиссии обычно равен примерно 2». В таблице выше мы видим, что силовые выпрямительные диоды 1N3891 (12 А) и 10A04 (10 А) используют примерно 2. Первые четыре строки в таблице не актуальны, поскольку они представляют собой диод Шоттки, диод Шоттки, германиевый диод и кремниевый диод для малых сигналов, соответственно. Ток насыщения, IS, выводится из диодного уравнения, значения (V D , I D) на графике выше, и N=2 (n в диодном уравнении).

I D = I S (e V D /nV T - 1)

V T = 26 мВ (при температуре 25°C)

V D = 0,925 В (при 1 А на графике)

1 А = I S (e (0,925 В)/(2)(26 мВ) - 1)

Числовые значения IS=18.8n и N=2 приведены в последней строке таблицы выше для сравнения с моделью производителя 1N4004, что значительно отличается. По умолчанию RS установлено в значение 0. Это будет оценено позже. N, IS и RS являются важными статическими параметрами по постоянному току.

Рашид в книге “SPICE for Power Electronics and Electric Power” предлагает, чтобы TT, t D , время перехода, было аппроксимировано из восстанавливаемого заряда Q RR , параметра из технического описания (в нашем случае недоступного) и I F , прямого тока.

I D = I S (e V D /nV T - 1) t D = Q RR /I F

Мы принимаем TT=0 из-за отсутствия Q RR . Хотя было бы разумно взять TT, как у аналогичного выпрямительного диода 10A04, 4.32u. TT диода 1N3891 не подходит, так как выпрямителем с быстрым восстановлением. CJO, емкость перехода при нулевом смещении оценивается по графику зависимости C J от V R , который приведен выше. Емкость при ближайшем на графике к нулю напряжении составляет 30 пФ при 1 В. Если моделировать отклик на высокоскоростные переходы, как в импульсных источниках питания, то в модели должны быть учтены параметры TT и CJO.

Коэффициент плавности перехода M связан с профилем легирования перехода. Он не содержится в техническом описании устройств. Мы выбираем M = 0.333, что соответствует линейной плавности перехода. Мощные выпрямительные диоды в таблице выше используют более низкие значения M.

Мы берем значения по умолчанию для VJ и EG. Многие другие диоды используют VJ=0.6, что показано в таблице выше. Однако выпрямительный диод 10A04 использует значение по умолчанию, которое мы будем использовать для нашей модели 1N4004 (1N4001 тех. описание в таблице выше). Используйте значение по умолчанию EG=1.11 для кремниевых и выпрямительных диодов. В таблице выше приведены значения для диодов Шоттки и германия. Возьмите XTI=3, стандартный температурный коэффициент IS для кремниевых устройств. Для XTI диодов Шоттки смотрите таблицу выше.

Выдержка из технического описания, показанная на рисунке выше, приводит I R = 5 мкА и V R = 400 В, соответствующие IBV=5u и BV=400, соответственно. Параметры SPICE модели 1n4004, полученные из технического описания, перечислены в последней строке таблицы выше для сравнения с моделью производителя, указанной выше. BV необходим только в том случае, если моделирование производится при обратном напряжении, превышающем обратное напряжение пробоя диода, как в случае со стабилитронами. IBV, обратный ток пробоя, часто опускается, но может быть введен, если приведен и BV.

На рисунке ниже показана схема для сравнения модели производителя, модели, полученной из технического описания, и модели по умолчанию, использующей параметры по умолчанию. Для измерения токов через диоды необходимы три фиктивных источника 0 V. Источник 1 V изменяет своё выходное напряжение от 0 до 1,4 В с шагом 0,2 мВ. Смотрите инструкцию.DC в списке соединений в таблице ниже. DI1N4004 - это модель производителя, а Da1N4004 - модель, созданная нами.

Параметры списка соединений SPICE: (D1) DI1N4004 модель производителя, (D2) Da1N40004 модель, полученная из технического описания, (D3) модель по умолчанию:

*SPICE circuit <03468.eps> from XCircuit v3.20 D1 1 5 DI1N4004 V1 5 0 0 D2 1 3 Da1N4004 V2 3 0 0 D3 1 4 Default V3 4 0 0 V4 1 0 1 .DC V4 0 1400mV 0.2m .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 +M=0.333 N=2.0 TT=0) .MODEL DI1N4004 D (IS=76.9n RS=42.0m BV=400 IBV=5.00u CJO=39.8p +M=0.333 N=1.45 TT=4.32u) .MODEL Default D .end

Мы сравниваем три модели на рисунке ниже и данные графиков в таблице ниже. VD - это напряжение, подаваемое на диод для сравнения токов модели производителя, нашей расчетной модели и модели диода по умолчанию. Последний столбец "1N4004 график" - это данные из вольт-амперной характеристики из технического описания, которая приведена на рисунке выше, и с которой наши результаты должны совпадать. Сравнение токов трех моделей с последним столбцом показывает, что модель по умолчанию хороша при низких токах; модель производителя хороша при больших токах; а наша рассчитанная по техническому описанию модель лучше всего при токах до 1 А. Точка на 1 А почти идеальна, поскольку расчет IS основан на напряжении диода при 1 А. Наша модель сильно завышает значения тока выше 1 А.

Решение заключается в том, чтобы увеличить RS со значения по умолчанию, которое равно RS=0. Изменение RS от 0 до 8m в модели по техническому описанию приводит к тому, что кривая пересекает 10 А (здесь не показано) при том же напряжении, что и модель производителя. Увеличение RS до 28.6m смещает кривую дальше вправо, как показано на рисунке ниже. Это приводит к более точному соответствию нашей модели с графиком из технического описания (рисунок выше). В таблице ниже показано, что ток 1.224470e+01 А соответствует графику при 12 А. Однако ток при 0.925 В ухудшился с 1.096870e+00 до 7.318536e-01.

Предлагаемое упражнение для читателя: уменьшить N так, чтобы ток при VD = 0,925 В был восстановлен до 1 А. Это может увеличить ток (12,2 А) при VD = 1,4 В, требуя увеличения RS для уменьшения тока до 12 А.

Стабилитрон. Существует два подхода к моделированию стабилитрона: установка в инструкции модели параметра BV на напряжение стабилитрона или моделирование стабилитрона с подсхемой, содержащей диодный фиксатор уровня, установленный на напряжение стабилитрона. Пример первого подхода устанавливает напряжение пробоя BV в значение 15 для модели стабилитрона 1n4469 на 15 В (IBV необязательно):

Model D1N4469 D (BV=15 IBV=17m)

Второй подход моделирует стабилитрон с подсхемой. Фиксатор уровня D1 и VZ на рисунке ниже моделируют напряжение обратного пробоя 15 В стабилитрона 1N4477A. Диод DR учитывает в подсхеме проводимость стабилитрона при прямом смещении.

Туннельный диод. Туннельный диод может быть смоделирован с помощью SPICE подсхемы и пары полевых (JFET) транзисторов.

Диод Ганна. Диод Ганна также может быть смоделирован парой полевых транзисторов.

Подведем итоги

• Диоды описываются в SPICE с помощью инструкции компонента диода, относящейся к выражению.model . Инструкция.model содержит параметры, описывающие диод. Если параметры не указаны, модель использует значения по умолчанию.
• Статические параметры по постоянному току включают в себя N, IS и RS. Параметры обратного пробоя: BV, IBV.
• Для точного динамического моделирования требуются TT и CJO.
• Рекомендуется использовать модели, предоставляемые производителем.

Рисунок 3: AC анализ участка в градусах

Передачи постоянного тока характерно график показывает напряжение на выходе, слева направо, начиная за 0В до 5В и показывает входное напряжение, сверху донизу, от -0,15 до 0,15 В. Каждый раз, когда я смотрю сюжет, как это я получаю ностальгический, вспоминая те дни, когда я хотел перевернуть переключатели на передней панели PDP-8 и программ нагрузки загрузки с бумажной ленты. Но это уже другая история. Этот сюжет, конечно, не фантазия, по сегодняшним меркам, но это не передать необходимую информацию.

Рисунок 4: AC анализ Земельный участок в радианы

Вместо того, чтобы выбрать одну переменную для отображения в строке № 10 я выбрал все переменные для отображения. Это показывает, выходной импеданс составляет около.

А входное сопротивление составляет около

В строке 20 я провел анализ Фурье от напряжения во временной области, чтобы найти содержание гармоник искаженной синусоидальной волны. Мне пришлось указать на основной частоте 5 МГц в качестве, так же, как был дан в исходном файле, а узел напряжения анализ Фурье следует проверить. Как и следовало ожидать от сжатого форму синусоидальной волны выхода, коэффициент гармонических искажений (THD) достаточно высок.

Рисунок 5: AC анализ участка как функция величины

Если вы будете иметь проблемы с SPICE, скорее всего, он будет с цепью Вы не можете анализировать.Хорошей новостью является то, что SPICE3 улучшается в этом отношении, и у вас есть некоторый контроль над тем, как численные решения определяются. Когда SPICE рассчитывает узловых напряжений и токов отделение, он использует пороги допустимой ошибки, чтобы определить, когда имитация достигает своего ответа, то есть, когда он достигает численную сходимость. Трех параметров управления пороги могут быть установлены на. Заявление варианты и называются ABSTOL, VNTOL и RELTOL. ABSTOL самый маленький ток вы хотите принять SPICE. Увеличение ABSTOL от значения по умолчанию 12pA может помочь моделирование сходятся. VNTOL является наименьшим напряжением, что вы хотите, чтобы принять SPICE. Увеличение VNTOL от значения по умолчанию 10В может помочь моделирование сходятся.RELTOL это соотношение численного ответа найдены в ходе нынешнего итераций для численного ответа, найденные во время последней итерации. Увеличение RELTOL может помочь постоянного анализа сходятся, но увеличение RELTOL также может привести к проблемам переходных анализа. Если вы получите предупреждение от SPICE говорят "временной шаг слишком мал", RELTOL, вероятно, слишком велико.

Параметры ITL1 через ITL6 контроль количества итераций для выполнения перед SPICE сдается, и методы контроля используются для достижения конвергенции.

Очевидно, что точность результатов моделирования может быть лучше, чем сближение порогов использовали во время анализа.Если вам не нужно, чтобы расслабиться пороги, это не будет представлять проблему, так как допуски на значения компонентов и изменения в компонент производительности стоит представить гораздо больше расхождение между номинальным моделирование производительности и реальной измерять производительность.

Рисунок 6: синусоида входного и выходного напряжения

Резюме

Эта статья является далеко не исчерпывающей. SPICE может сделать для вас и как использовать его на полную катушку преимущество. SPICE является одновременно распространенным и полезным для инженеров, и было так на протяжении почти 30 лет. Если вы не используете SPICE, я надеюсь, что вы поймали по крайней мере, взглянуть на хлеб инженера и сливочное масло.

Язык и система SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) были созданы более двадцати лет назад в Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley. Язык предназначен для описания электрических цепей разной сложности, и он используется для расчета схем во временной и частотной областях, а также в статическом режиме. Эти типы расчетов используются в инженерной практике наиболее часто. При проведении моделирования все элементы схемы заменяются их математическими моделями. Таким образом, SPICE-модели являются полными.

Язык SPICE и системы на его основе используются во многих САПР; существуют разные их модификации. Например, в системе OrCAD 9.2 используется программа PSPICE. Заметим, что в системе OrCAD предусмотрен расчет логических устройств на основе булевой алгебры. Помимо PSPICE существуют и другие программы WinSPICE (некоммерческая программа, распространяется свободно), HSPICE, XSPICE и др. Языки, используемые во всех системах, имеют незначительные отличия и дополнения по сравнению с изначальной версией SPICE.

Язык SPICE может быть использован для моделирования цифровых узлов с использованием только электрических сигналов. Это подразумевает использование полных SPICE-моделей микросхем. Основная сложность, возникающая при полном моделировании внутренней электрической схемы микросхемы при автоматизированном проектировании, связана с размерностью вычислительной задачи и высоким порядком систем уравнений, описывающих цифровой узел. Уже для микросхем средней степени интеграции объем вычислений становится неоправданно большим.

Одним из методов, позволяющих существенно сократить размерность задачи, является использование макромоделей. Однако их удается построить только для очень ограниченного класса цифровых элементов - триггеров и логических элементов.

Еще одной трудностью, возникающей на пути полного схемотехнического моделирования цифрового узла на основе SPICE-моделей составляющих его элементов, является отсутствие в свободном доступе принципиальных электрических схем, тем более с номиналами пассивных и характеристиками активных элементов. Напротив, большинство крупных фирм старается сохранить эту информацию в тайне (особенно для новых разработок) В технической документации на микросхемы они лишь иногда приводят структурную схему, которая не дает практически ничего для составления SPICE-моделей.

Поэтому в настоящее время производители микросхем практически прекратили распространение их SPICE-моделей. Все большее развитие получает новый подход к моделированию микросхемы, основанный на IBIS-описании.