Виды и типы анализа

Принципы аналогового схемотехнического моделирования

Развитие средств схемотехнического моделирования

При оценке средств моделирования обычно выделяют два основных требования - производительность и достоверность получаемых результатов. Первое обусловлено необходимостью проектировать все более сложные изделия в коммерчески приемлемые сроки. Второе - необходимостью безошибочного проектирования, поскольку каждая ошибка разработчика может обойтись в сотни тысяч долларов.

Базовые математические методы и алгоритмы, используемые при автоматизации расчета электрических схем, были разработаны сравнительно давно. Однако поиск новых подходов в этой области идет постоянно при тесном взаимодействии разработчиков САПР и специалистов в области численного моделирования. На ранних этапах развития схемотехнического моделирования основными критериями были экономия машинной памяти и сокращение временных затрат. Со временем мощности вычислительных средств выросли, а стоимость оперативной памяти сильно упала. Однако размеры проектируемых схем также увеличились, и требования к САПР по сути
остались прежними. Но изменились приоритеты. Сегодня на первый план, несомненно, вышла задача повышения производительности программ моделирования. Для ее решения в основном используются две группы методов: учет структурных особенностей проектируемых схем и использование упрощенных моделей элементов. Благодаря учету структурных особенностей схем можно значительно повысить скорость моделирования и снизить объем необходимой оперативной памяти, но только для отдельных специальных типов схем, например схем памяти. Использование упрощенных моделей элементов в программах так называемого "FastSpice" быстрого схемотехнического моделирования (NanoSim, UltraSim, HSim) позволяет существенно сократить время моделирования, но приводит к снижению точности получаемых результатов из-за более грубых моделей.

Еще одно направление повышения производительности моделирования - создание специализированных аппаратных вычислителей, в которых наиболее трудоемкие вычисления реализованы на аппаратном уровне. Основная проблема аппаратного подхода - дороговизна, отсутствие универсальности, а также быстрый рост производительности вычислительных систем общего назначения, в результате чего специализированные аппаратные комплексы быстро устаревают. Например, с появлением многоядерных микропроцессоров рост производительности персональных компьютеров (ПК) начал превышать рост производительности рабочих станций. При этом цена ПК в разы и даже десятки раз ниже стоимости сопоставимой по характеристикам рабочей станции. Если алгоритмы и программное обеспечение позволяют распараллелить процесс вычислений с учетом особенностей многоядерной архитектуры, то производительность программ моделирования на ПК может быть существенно увеличена.

Лекция № 3. Аналоговое схемотехническое моделирование. Виды и типы анализа

Число аналоговых интегральных схем, применяемых для вы­полнения многочисленных операций по обработке сигналов, по­стоянно растет. В соответствии с областью их применения все аналоговые интегральные схемы можно разбить на два боль­ших класса. Первый класс содержит аналоговые интегральные устройства, созданные для весьма специфических применений. Самую большую группу в этом классе составляют аналоговые устройства для систем связи, такие, как видеоусилители, демо­дуляторы сигналов цветности и стереомодуляторы. Примером некоторых других устройств этого класса, не относящихся к си­стемам связи, являются регуляторы напряжения, линейные воз­будители и приемники и чувствительные усилители.

Второй основной класс включает все аналоговые интеграль­ные устройства, предназначенные для самых разнообразных применений. Самую большую группу этого класса составляют операционные усилители; сюда же входят компараторы напря­жения, аналоговые перемножители, цепи фазовой автоподстрой­ки частоты и интегральные усилители мощности.

Все аналоговые интегральные схемы независимо от их клас­сификации состоят из известных схемных структур, которые выполняют в приборе конкретные функции. Структуры унифи­цированных узлов не являются совершенно новыми схемами, а представляют собой хорошо известные схемные конфигура­ции, разработка которых основывается на тех преимуществах и ограничениях, которые порождаются процессом производства интегральных схем.

С учетом степени новизны разрабатываемых изделий различают следующие задачи проектирования:

Модернизация существующих РЭУ за счет изменения его параметров структуры и конструкции, обеспечивающая сравнительно небольшое (до нескольких десятков процентов) улучшение одного или нескольких по­казателей качества для решения тех же или новых задач.

Существенная модернизация, предполагающая значи­тельное (в несколько раз) улучшение показателей качества.

Создание новых РЭУ, основанных на ранее не при­менявшихся принципах действия, для резкого (на не­сколько порядков) увеличения показателей качества при решении тех же или существенно новых задач.

С точки зрения последовательности выполнения раз­личают основные стадии проектирования:

Предварительное проектирование, результатом ко­торого являются технические предложения. Эта стадия в наибольшей степени насыщена элементами научного поиска, теоретическими расчетами, экспери­ментальными исследованиями. Они завершаются обычно созданием лабораторных макетов.

Эскизное проектирование, результатом которого является эскизный проект - на этой стадии усилия разработ­чиков во многом направлены на поиски эффективных конструкторских решений. Она также связана с большим объемом теоретических изысканий, сложных расчетов и заканчивается созданием экспериментального образца проектируемого изделия и его тщательными эксперимен­тальными исследованиями (натурным моделированием).

Техническое проектирование, при котором выпол­няется тщательная проработка всех схемных, конструктор­ских и технологических решений. На стадии техническо­го проектирования создается техническая документация на разрабатываемую аппаратуру и процессы ее производ­ства.

Итогом является технический проект, содержащий необходимую документацию и опытный образец изделий, прошедший всесторонние испытания в реальных услови­ях эксплуатации. При этом следует подчеркнуть чрезвы­чайную важность и трудоемкость создания технической документации, на основе которой происходит дальнейшее единичное, серийное или массовое производство РЭУ.

По содержанию решаемых задач процесс проектирова­ния можно разбить на следующие четыре этапа:

Системотехническое проектирование, при котором выбираются и формулируются цели проектирования, обос­новываются исходные данные и определяются принципы построения системы. При этом формируется структура проектируемого объекта, его составных частей (функцио­нально завершенных блоков), определяются энергетичес­кие и информационные связи между составными частями. В результате формируются частные технические задания на проектирование отдельных составных частей объекта.

Схемотехническое (функциональное) проектирование РЭУ, имеющее целью аппаратурную реализацию состав­ных частей устройства. При этом выбор элементной базы, принципиальной схемы, структурный и параметрический синтез радиоэлектронных схем (оптимизация параметров) производятся с расчетом обеспечения наилучшего функцио­нирования (и эффективного производства). При выборе эле­ментной базы и синтезе радиоэлектронных схем необходимо учитывать конструкторско-технологические требования.

Техническое проектирование (конструирование), ре­шающее задачи компоновки и размещения элементов и узлов, выполнения печатных и проводных соединений, а также задачи теплоотвода, электрической прочности, зашиты от внешних воздействий и т. п. На этом этапе разрабатывается техническая докумен­тация для изготовления и эксплуатации РЭУ.

Технологическая подготовка производства, предпола­гающая разработку технологических процессов изготов­ления отдельных блоков и всей системы в целом.

Схемотехническое проектирование, как и другие пере­численные этапы, сводится к формированию описаний проектируемого РЭУ и состоит из отдельных проектных процедур, реализуемых с помощью пакетов прикладных программ автоматизированного проектирования и закан­чивающихся частным проектным решением. Типичными для схемотехнического проектирования РЭУ проектными процедурами являются анализ и синтез их описаний на различных уровнях рассмотрения.

Процедура синтеза заключается в создании проектного решения (описания) по заданным требованиям, свойствам и ограничениям. Например, широко используются при про­ектировании РЭУ процедуры синтеза электронных схем по их заданным характеристикам в частотной или временной области. При этом проектирование рассматривается как последовательное решение двух задач: выбора структурной схемы, называемого структурным синтезом, и определения параметров ее элементов (обеспечивающих требуемые ха­рактеристики), называемого параметрическим синтезом.

Процедура анализа состоит в определении свойств за­данного описания РЭУ. Примером такой процедуры мо­жет служить расчет частотных или переходных характе­ристик электронных схем, определение реакции схемы на заданное воздействие и др. Анализ позволяет оценить степень удовлетворения проектного решения заданным требованиям и его пригодность.

Процедуры синтеза и анализа в процессе проектиро­вания РЭУ тесно связаны между собой, поскольку обе они направлены на создание приемлемого или оптимального проектного решения.

Типичной проектной процедурой является оптимиза­ция, которая приводит к оптимальному (по определенно­му критерию) проектному решению. Например, широко используется оптимизация параметров электронных схем с целью наилучшего приближения частотных характерис­тик к заданным. Процедура оптимизации состоит в мно­гократном анализе при целевом изменении параметров схемы до удовлетворительного приближения к заданным характеристикам. В сущности, оптимизация обеспечива­ет создание или синтез проектного решения с поэтапным анализом или оценкой характеристик.

Основная задача схемотехнического моделирования - подтвердить соответствия схемотехники и выбранных параметров элементов спецификации модулей. Основными средствами для моделирования схем являются программы на базе программы Spice (рис.3.1).

Рис.3.1. Схемотехническое моделирование

Необходимые программные средства определяются выбранной методологией проектирования. Основным отличием схемотехнического уровня проектирования ИМС от схемотехнического проектировании на дискретных элементах и устройствах является привязка к технологическому процессу. Все элементы ИМС формируются в едином технологическом цикле. Это означает, что вся доступная элементная база определяется основным документом, который производитель предоставляет разработчику - спецификацией процесса.

Независимо от типа процесса, влияние технологического процесса на схемотехническое проектирование можно определить двумя противоположными категориями:

а) возможности, которые предоставляются разработчику по составу элементной базы и способом изменения рабочих характеристик элементов через варьирование их геометрических параметров;

б) ограничения, накладываемые на предельные режимы эксплуатации и базовые характеристики элементов, меняющие режимы их работы. Разброс параметров и допустимые отклонения параметров от типовых, связанные с технологическими уходами.

Необходимо помнить два основных положения, характеризующих схемотехнический уровень проектирования:

В отличие от проектирования схемы на дискретных элементах и устройствах, где, как правило, элементная база подбирается под разработанную схему, при проектировании на схемотехническом уровне ИМС очень часто приходится подбирать схемотехническое решение под имеющуюся элементную базу.

Схемотехнический уровень проектирования является переходом от идеализированного представления работы ИМС или функционального блока к реальному физическому представлению.

Эти положения определяют дополнительное качество схемотехнического уровня проектирования как стадии дополнительной проверки архитектурного уровня.

Схемотехническое моделирование является основным инструментом проверки правильности работы функциональных модулей. В его основе лежат математические модели работы реальных физических устройств. Эти модели встраиваются в программу моделирования, которая позволяет на их основе рассчитывать рабочие характеристики схемы на основе базовых законов в области электротехники. Практически качество моделирования электрической схемы зависит от трех компонентов (рис.3.2).

Рис.3.2. Компоненты качества моделирования электрической схемы

Несмотря на то, что на сегодняшний день существует несколько моделей, описывающих физику работы базовых элементов ИМС, фактически стандартными для производителей ИМС являются:

- BSIM3.1 - берклиевская модель МОП транзистора с длиной канала свыше 0.18 мкм

- BSIM4.1 - берклиевская модель МОП транзистора с длиной канала ниже 0.18 мкм

- BSIMSOIPD - берклиевская модель МОП транзистора, выполненного по технологии «кремний на изоляторе»

- EGP - расширенная модель Гумеля - Пуна для биполярных транзисторов

Основным предпочтением эти модели пользуются среди производителей по следующей причине: все параметры для этих моделей могут быть получены исходя из технологических параметров или по результатам измерений на тестовых пластинах.

Программы моделирования позволяют выполнять анализ по постоянному и переменному току, анализ переходных процессов, многовариантный анализ, оптимизацию, статистический анализ, анализ шумовых свойств цепи. Средства для моделирования радиочастотных схем обычно выполняются как отдельные программные продукты и позволяют выполнять анализ статического режима, установившегося режима для малого сигнала, установившегося режима при анализе шума, установившегося режима для модулированных сигналов, расчет S-параметров для малого и большого сигнала, анализ устойчивости, оптимизацию, поведенческое моделирование с использованием языка Verilog-A.

Основными и обязательными видами анализа при проектировании аналоговых схем являются:

Анализ по постоянному току (DC), позволяющий проверить правильность установки рабочих точек элементов схемы и их зависимость от изменения условий окружающей среды.

Анализ по переменному току (AC), позволяющий проверить амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики схемы и таким образом проверить правильность передаточной функции схемы и ее стабильность в частотной области.

Анализ переходных процессов или временной анализ (Transient), позволяющий определить правильность работы схемы в выбранном промежутке времени.

Работы на схемотехническом уровне (рис.3.3).

Рис.3.3. Виды и типы схемотехнического анализа