Моделирование электронных схем использует математические модели для воспроизведения поведения реального электронного устройства или схемы. Программное обеспечение для моделирования позволяет моделировать работу схемы и является бесценным инструментом анализа. Благодаря возможности высокоточного моделирования многие колледжи и университеты используют этот тип программного обеспечения для преподавания программ по электронике и инженерии электроники . Программное обеспечение для моделирования электроники привлекает пользователей, интегрируя их в процесс обучения. Эти виды взаимодействия активно привлекают учащихся к анализу, синтезу, организации и оценке контента и приводят к тому, что учащиеся создают свои собственные знания. [1]
Моделирование поведения схемы перед ее фактическим созданием может значительно повысить эффективность проектирования, сообщая о дефектных конструкциях как таковые и обеспечивая понимание поведения схем электронных схем. В частности, для интегральных схем инструментарий ( фотошаблоны ) дорог, макетные платы непрактичны, а исследование поведения внутренних сигналов крайне сложно. Таким образом, почти все проектирование ИС в значительной степени основано на моделировании. Самый известный аналоговый симулятор – SPICE. Вероятно, самые известные цифровые симуляторы основаны на Verilog и VHDL .
Некоторые симуляторы электроники включают в себя редактор схем , механизм моделирования и экранное отображение формы сигнала (см. рис. 1), что позволяет разработчикам быстро модифицировать моделируемую схему и видеть, какое влияние эти изменения оказывают на выходные данные. Они также обычно содержат обширные библиотеки моделей и устройств. Эти модели обычно включают модели транзисторов , предназначенные для микросхем , такие как BSIM, общие компоненты, такие как резисторы , конденсаторы , катушки индуктивности и трансформаторы , определяемые пользователем модели (например, управляемые источники тока и напряжения или модели в Verilog-A или VHDL-AMS ). Для проектирования печатных плат (PCB) также требуются определенные модели, такие как линии передачи для трасс и модели IBIS для управления и приема электроники.
Несмотря на то, что существуют строго аналоговые [2] симуляторы электронных схем, популярные симуляторы часто включают в себя возможности как аналогового, так и событийно-ориентированного цифрового моделирования [3] и известны как симуляторы смешанного режима или симуляторы смешанных сигналов , если они могут моделировать оба одновременно. [4] Весь анализ смешанных сигналов может быть реализован на основе одной интегрированной схемы. Все цифровые модели в смешанных симуляторах обеспечивают точную спецификацию времени распространения и задержек нарастания/спада.
Алгоритм , управляемый событиями , предоставляемый симуляторами смешанного режима, является универсальным и поддерживает нецифровые типы данных. Например, элементы могут использовать действительные или целочисленные значения для имитации функций DSP или фильтров выборочных данных. Поскольку алгоритм, управляемый событиями, работает быстрее, чем стандартное матричное решение SPICE, время моделирования значительно сокращается для схем, которые используют модели, управляемые событиями, вместо аналоговых моделей. [5]
Моделирование в смешанном режиме осуществляется на трех уровнях; (а) с примитивными цифровыми элементами, использующими модели синхронизации и встроенный симулятор цифровой логики с 12 или 16 состояниями, (б) с моделями подсхем, использующими реальную транзисторную топологию интегральной схемы , и, наконец, (в) с In- строковые логические выражения.
Точные представления используются в основном при анализе проблем с линиями передачи и целостностью сигнала , когда необходима тщательная проверка характеристик ввода-вывода микросхемы. Выражения логической логики — это функции без задержек, которые используются для обеспечения эффективной логической обработки сигналов в аналоговой среде. Эти два метода моделирования используют SPICE для решения проблемы, тогда как третий метод, цифровые примитивы, использует возможности смешанного режима. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и целевое применение. Фактически, многие модели моделирования (особенно те, которые используют АЦП) требуют комбинации всех трех подходов. Ни один подход сам по себе не является достаточным.
Другой тип моделирования, используемый в основном для силовой электроники, представляет собой кусочно-линейные [6] алгоритмы. Эти алгоритмы используют аналоговое (линейное) моделирование до тех пор, пока силовой электронный переключатель не изменит свое состояние. В это время рассчитывается новая аналоговая модель, которая будет использоваться в следующем периоде моделирования. Эта методология значительно повышает скорость и стабильность моделирования. [7]
Изменения в процессе возникают при изготовлении конструкции , и симуляторы схем часто не учитывают эти изменения. Эти изменения могут быть небольшими, но вместе взятые могут существенно изменить выходную мощность чипа.
Изменение температуры также можно смоделировать для моделирования работы схемы в различных температурных диапазонах. [8]
Распространенным методом моделирования систем линейных цепей является использование матриц проводимости или Y-матриц. Этот метод включает в себя моделирование отдельных линейных компонентов в виде матрицы допусков портов N, вставку матрицы Y компонента в матрицу допусков узлов схемы , установку оконечных устройств портов в узлах, содержащих порты, исключение портов без узлов посредством сокращения Крона , преобразование окончательной матрицы Y в матрицу S или Z по мере необходимости и извлечение желаемых измерений из матрицы Y, Z и/или S.
Фильтр Чебышева пятого порядка, сопротивление 50 Ом, неравномерность полосы пропускания 1 дБ и частота среза 1 ГГц, разработанный с использованием топологии Чебышева Кауара и последующего масштабирования импеданса и частоты, создает элементы, показанные в таблице и на схеме Micro-cap ниже.
В таблице выше представлен список идеальных элементов для моделирования, а также узлы для моделирования. Затем каждый элемент, не являющийся портом, должен быть преобразован в модель параметров Y 2X2 для каждой моделируемой частоты. Для этого примера выбрана частота 1 ГГц.
Элементы, подключенные к узлу 0, заземляющему узлу, не требуют расчета соответствующих Y12 или Y21 и показаны в таблице как «н/д».
Следует помнить, что хотя идеальные модальные модели индуктора и конденсатора состоят из очень простых моделей 2x2, где Y11 = Y22 = -Y12 = -Y21, большинство элементов реального мира не могут быть смоделированы так просто. Например, для линий передачи и реальных моделей индукторов и конденсаторов Y11 != -Y12, а для некоторых более сложных пассивных асимметричных элементов Y11 != Y22. Для многих активных линейных устройств, таких как операционные усилители , Y12 != Y21. Поэтому в примере в этом разделе используются независимые Y11, Y12, Y21 и Y22 для иллюстрации процессов моделирования, применимых к более сложным устройствам реального мира.
Каждый параметр элемента Y вставляется в матрицу узловых допусков путем суммирования их по узлам, к которым они прикреплены, в соответствии с приведенными ниже правилами. [9]
Если второй узел не 0, то есть не земля:
В таблице ниже показаны параметры элемента Чебышева 2x2 Y, суммированные в соответствующих местах.
Для моделирования фильтра на частоте 1 ГГц или любой другой частоте параметры элемента Y необходимо преобразовать в числовые значения с использованием моделей параметров Y, соответствующих установленному элементу. Для идеальных катушек индуктивности и конденсаторов достаточно известных Y11 = Y22 = -Y12 = -Y21 = для катушек индуктивности и Y11 = Y22 = -Y12 = -Y21 = для конденсаторов. Числовое преобразование показано в таблице ниже.
Поскольку порты подключены только к узлу 1 и узлу 4, узлы 2 и 3 необходимо удалить посредством сокращения Kron . В таблице ниже показана уменьшенная матрица параметров Y моделирования примера фильтра Чебышева после исключения узлов 2 и 4. Узлы сокращенной таблицы перенумерованы на 1 и 2.
Поскольку частотная характеристика Чебышева наблюдается из матрицы S-параметров, а именно |S12|, следующим шагом является преобразование матрицы Y-параметров в матрицу S-параметров, используя хорошо известные преобразования Y-матрицы в S-матрицу с импедансом порта в качестве характеристики. импеданс (или характеристический адмиттанс) для каждого узла.
Параметры моделирования S также позволяют выполнять полезную обработку после моделирования для таких вещей, как групповая задержка и фазовая задержка .
Поскольку ожидается, что частотная характеристика Чебышева будет наблюдаться в |S12| В качестве отклика с равной пульсацией 1 дБ в диапазоне от 0 до 1 ГГц комплексные записи S-параметров необходимо преобразовать в соответствующие величины, используя стандарт .
На этом этапе может оказаться полезным выполнить несколько быстрых проверок достоверности. Поскольку в примере требования к конструкции фильтра Чебышева предусмотрено ослабление -1 дБ на частоте среза 1 ГГц, |S12| на частоте 1 ГГц ожидается -1 дБ. Более того, поскольку все элементы моделирования не содержат потерь, хорошо известное соотношение |S 11 | 2 +|С 12 | 2 = 1 [10] применяется на всех частотах, включая 1 ГГц.
Последней проверкой на достоверность этого примера является моделирование частотной характеристики фильтра Чебышева во всем полезном диапазоне, который в данном случае будет принят равным от 100 МГц до 5 ГГц. Этот диапазон должен позволять просматривать равномерную пульсацию |S12| полосы пропускания от 0 до -1 дБ, несколько крутая полоса заграждения |S12| спад на частоте 1 ГГц и равномерная пульсация |S12| при ожидаемых пиковых значениях 20log10(0,4535...) = -6,86825 дБ.
Поскольку все выходные данные моделирования соответствуют ожидаемым результатам, симуляция примера фильтра Чебышева подтверждается как правильная.
Поскольку параметры S требуют завершения на всех моделируемых узлах, моделирование значения параметра S для незавершенных узлов, таких как внутренние узлы сети, технически не поддерживается. Однако размещение резистивного завершения на незавершенных узлах, достаточно большого, чтобы не вносить какой-либо существенной ошибки, которая могла бы привести к завершению узлов, достаточно для точного моделирования узла. Например, два внутренних узла, которые были исключены выше, в качестве альтернативы могли иметь подключенный к ним порт 1e+09 Ом, поэтому вместо использования редукции Крона для исключения узлов можно было бы точно смоделировать узлы с чрезмерно большими резистивными портами.
Если входной источник в сеть представляет собой идеальный источник напряжения без сопротивления, приведенный выше пример можно заставить работать, включив сопротивление порта, достаточно маленькое, чтобы не вносить каких-либо значимых ошибок. Например, порт с сопротивлением 1e-09 в сети, которая заканчивается в другом месте на 50 Ом, будет моделировать идеальный источник с достаточной точностью.
Поскольку приведенный выше пример моделирует параметры S, необходимо еще одно преобразование для получения передаточной функции из параметров S. Преобразование — это . [10]
Концепции:
ЛПВП:
Списки:
Программное обеспечение:
{{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка ){{cite book}}: Обслуживание CS1: дата и год ( ссылка ) Обслуживание CS1: местоположение ( ссылка )