Архангелский ПСпице и Десигн Центер Ч1 1996
.pdf
МИФИ |
|
Московский государственный инженерно-физический институт |
|
|
(технический университет) |
||
|
УЧЕБНО - МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ И ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
НА ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРАХ ЧАСТЬ 1
СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
АРХАНГЕЛЬСКИЙ А. Я.
PSPICE И DESIGN CENTER
ЧАСТЬ 1
СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
МОДЕЛИ ЭЛЕМЕНТОВ
МАКРОМОДЕЛИРОВАНИЕ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ
__________________________________________________________________________________________
_
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
_________________________________________________________
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ И ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
НА ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРАХ ЧАСТЬ 1
СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
А. Я. АРХАНГЕЛЬСКИЙ
PSpice и Design Center
Ч а с т ь 1
СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.
МОДЕЛИ ЭЛЕМЕНТОВ.
МАКРОМОДЕЛИРОВАНИЕ
Рекомендовано к изданию редсоветом института в качестве учебного пособия
Москва 1996
УДК 621.382.82.001
А
Архангельский А.Я. PSpice и Design Center. В 2-х ч. Часть 1. Схемотехническое моделирование. Модели элементов. Макромодели-рование. Учебное пособие. М.:
МИФИ, 1996, 236 с.
Пособие является частью учебно-методического комплекса “Методика автоматизированного проектирования интегральных схем и электронной аппаратуры на персональных компьютерах. Часть 1. Схемотехническое проектирование”. В учебном пособии рассмотрена методика схемотехнического моделирования с помощью пакетов программ PSpice и Design Center различных версий: от PSpice 4 до Design Center 6.0 и 6.2.
В первой части пособия приведены сведения о входном языке, о различных видах анализа, об основных моделях элементов. Подробно рассмотрены способы построения макромоделей аналоговых электронных устройств. Дана методика решения различных задач схемотехнического проектирования. Изложение методики проектирования опирается на справочный материал, содержащийся в справочном пособии, входящем в комплекс.
Во второй части пособия будет рассмотрено моделирование цифровых и аналогоцифровых устройств. Будет дано описание ряда вспомогательных программ, входящих в PSpice и Design Center: графического постпроцессора PROBE, программы идентификации параметров моделей PARTS, графического ввода схем с помощью редактора SCHEMATICS и редакторов других пакетов (P-CAD и OrCAD).
Пособие предназначено для студентов радиотехнических и других смежных специальностей (электроника, микроэлектроника, вычислительная техника, автоматика и т.п.), связанных с разработкой электронной аппаратуры, средств автоматики и вычислительной техники. Может быть полезно также для аспирантов, инженеров и исследователей соответствующих специальностей.
Рецензент проф. МАИ, зав.каф. САПР В.Н. Ильин.
ISBN 5-7262-0010-1 |
© А.Я. Архангельский, 1996 |
|
|
А2304030000 − 012 без объявл. |
© Московский государственный |
инженерно-физический институт |
|
1К 9(03) − 96 |
(технический университет), 1996 |
С О Д Е Р Ж А Н И Е
Введение ............................................................................................ |
5 |
|
1. Функциональные возможности и структура PSpice .............. |
9 |
|
1. |
Общее описание моделирующей программы .......................... |
9 |
1. |
|
|
1. |
Структура пакета PSpice и основные информационные файлы |
|
2. ..................................................................................... |
11 |
|
1. |
Запуск программ на счет ......................................................... |
17 |
3. |
|
|
2. Описание схемы на входном языке программы PSpice ...... |
26 |
|
2. |
Синтаксис входного языка ...................................................... |
26 |
1. |
|
|
2. |
Подготовка схемы к расчету .................................................... |
28 |
2. |
2.2.1. Подготовка эскиза принципиальной схемы |
28 |
|
||
|
2.2.2. Обозначения узлов ...................................................... |
30 |
|
2.2.3. Обозначения элементов .............................................. |
31 |
|
2.2.4. Выбор моделей элементов и задание их параметров .. |
31 |
|
2.2.5. Использование подсхем .............................................. |
33 |
2. |
Описание элементов схемы .................................................... |
35 |
3. |
2.3.1. Операторы описания элементов и моделей |
35 |
|
||
|
2.3.2. Пассивные двухполюсники R, C, L ............................... |
36 |
|
2.3.3. Пассивные многополюсники К и Т ............................... |
37 |
|
2.3.4. Полупроводниковые приборы ...................................... |
38 |
|
2.3.5. Независимые источники напряжения и тока ................ |
39 |
|
2.3.6. Зависимые источники напряжения и тока (простые формы |
|
|
описания) ......................................................... |
40 |
|
2.3.7. Глобальные параметры ................................................ |
42 |
|
2.3.8. Математические выражения ........................................ |
43 |
|
2.3.9. Зависимые источники напряжения и тока (дополнительные |
|
|
формы описания) ............................. |
45 |
2. |
Подсхемы ................................................................................ |
49 |
4. |
|
|
2. |
Библиотеки ............................................................................. |
51 |
5. |
|
|
3. Виды анализа в PSpice ............................................................... |
55 |
|
3. |
Описание переменных в информации об анализе ................... |
55 |
1. |
|
|
3. |
Расчет по постоянному току .................................................... |
57 |
2. |
3.2.1. Метод расчета, его точность и сходимость |
57 |
|
||
|
3.2.2. Расчет рабочей точки .................................................. |
61 |
|
3.2.3. Задание начальных условий ........................................ |
64 |
6 |
|
ВВЕДЕНИЕ |
|
|
|
3.2.4. DC анализ .................................................................... |
68 |
|
|
3.2.5. Проблемы сходимости вычислений ............................. |
72 |
|
3. |
Малосигнальный анализ .......................................................... |
76 |
|
3. |
3.3.1. Частотный анализ |
77 |
|
|
||
|
|
3.3.2. Расчет передаточных функций по постоянному току .... |
78 |
|
|
3.3.3. Анализ чувствительности по постоянному току............. |
81 |
|
|
3.3.4. Анализ шумов .............................................................. |
85 |
|
3. |
Расчет переходных процессов ................................................ |
88 |
|
4. |
|
|
|
3. |
Анализ Фурье .......................................................................... |
95 |
|
5. |
|
|
|
3. |
Расчет разброса параметров .................................................. |
98 |
|
6. |
3.6.1. Общие сведения о разбросе параметров и методах его |
|
|
|
|
|
|
|
расчета ................................................................. |
98 |
|
|
3.6.2. Описание разброса параметров компонентов в PSpice |
104 |
|
|
3.6.3. Детерминированные методы и расчет наихудшего случая |
110 |
|
|
.......................................................................... |
|
|
|
3.6.4. Статистический расчет по методу Монте-Карло .......... |
122 |
|
3. |
Многовариантный анализ ........................................................ |
129 |
|
7. |
|
|
|
3. |
Операторы выдачи результатов расчета .................................. |
133 |
|
8. |
|
|
|
3. |
Задание опций ........................................................................ |
137 |
|
9. |
|
|
|
4. Модели элементов ....................................................................... |
141 |
|
|
4. |
Модель диода ......................................................................... |
141 |
|
1. |
|
|
|
4. |
Модель биполярного транзистора ........................................... |
145 |
|
2. |
4.2.1. Эквивалентная схема модели |
145 |
|
|
||
|
|
4.2.2. Погрешности и область адекватности модели ............. |
153 |
|
4. |
Полевые и МДП транзисторы .................................................. |
156 |
|
3. |
|
|
|
4. |
Резисторы, конденсаторы, индуктивности, межсоединения .... |
162 |
|
4. |
|
|
|
4. |
Дроссели, трансформаторы .................................................... |
168 |
|
5. |
|
|
|
4. |
Модели источников сигналов .................................................. |
172 |
|
6. |
|
|
|
5. Макромоделирование .................................................................. |
173 |
|
|
5. |
Назначение и принципы построения макромоделей ................ |
173 |
|
1. |
|
|
|
5. |
Моделирование нелинейных двухполюсников ......................... |
175 |
|
2. |
|
|
|
5. |
Моделирование линейных многополюсников .......................... |
183 |
|
3. |
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ |
7 |
5. |
Макромодель операционного усилителя программы PARTS .... |
188 |
4. |
|
|
5. |
Макромодель компаратора напряжения программы PARTS ..... |
192 |
5. |
|
|
5. |
Формальные макромодели аналоговых устройств ................... |
196 |
6. |
5.6.1. Структура макромоделей |
196 |
|
||
|
5.6.2. Входные и выходные характеристики .......................... |
197 |
|
5.6.3. Линейные искажения ................................................... |
203 |
|
5.6.4. Нелинейные искажения ............................................... |
209 |
5. |
Макромодели электронных ключей и реле .............................. |
217 |
7. |
|
|
5. |
Моделирование радиационных эффектов ............................... |
221 |
8. |
|
|
5. |
Моделирование тепловых процессов ...................................... |
226 |
9. |
|
|
Литература .......................................................................................... |
233 |
|
8 |
ВВЕДЕНИЕ |
В В Е Д Е Н И Е
Пакет программ PSpice фирмы MicroSim Corp. (США) является самым популярным в мире пакетом, используемым на персональных компьютерах для схемотехнического моделирования электронной аппаратуры. Основная моделирующая программа пакета относится к семейству SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Первая программа этого семейства, получившая широкое распространение, - SPICE-2, созданная в Калифорнийском университете Беркли в начале 70-х годов. Она довольно быстро стала завоевывать популярность, тесня своих не очень многочисленных в то время конкурентов, прежде всего программу NAP-2. К достоинствам SPICE-2, обеспечившим ее успех, можно отнести хорошие (точные) модели компонентов и высокую скорость моделирования при удовлетворительной надежности.
С конца 70-х годов за усовершенствование SPICE наряду с разработчиками ее первой версии взялись многие фирмы - разработчики систем автоматизации проектирования (САПР) интегральных схем. Были созданы PSpice (MicroSim), PRESISE (Electrical Engineering Software), H- SPICE (Meta-Software), MSPICE (Mentor Graphics), CSPICE (Intergraph) и
др. Совершенствовались модели, модифицировались алгоритмы, изменялся язык, на котором писались программы (сначала - Фортран, позднее - Си), расширялись функциональные возможности и техническая база (сейчас программы этого семейства используются практически на любых типах ЭВМ). В 1986 г. в Университете Беркли создан новый вариант программы - SPICE-3 и на ее основе фирмами также разработан ряд программ: SPICET (Analog Design Tools), LSPICE (Silicon Compiler Systems) и др. Так как каждая из фирм, выпустивших программы на основе SPICE, продолжает их совершенствовать и разрабатывать новые версии, семейство этих программ растет. SPICE стала своеобразным эталоном программ схемотехнического моделирования, так что все программы этого типа (даже совершенно оригинальные, никак не связанные со SPICE) стали называть спайсо-подобными.
Популярность различных версий SPICE привела к тому, что производители полупроводниковых приборов и интегральных схем прилагают к выпускаемой ими продукции параметры моделей и макромодели для SPICE. Поэтому SPICE имеет в настоящее время огромные библиотеки моделей, что позволяет рассчитывать самые разнообразные схемы на компонентах всех ведущих фирм мира. И те, кто пытается выйти на западный рынок со своими разработками аналоговых схем, должны приложить к ним макромодели для SPICE - иначе с ними не
ВВЕДЕНИЕ |
9 |
будут разговаривать. Научные публикации по схемотехнике также нередко сопровождаются текстами описаний соответствующих схем для SPICE.
Справедливости ради надо отметить, что наряду с программами на основе SPICE используются и другие программы этого класса, например Micro Cap (Spectrum Software) - удобная в пользовании, но менее мощная, чем SPICE, или SABER (Analogy) - мощный пакет, превосходящий в некоторых отношениях программы семейства SPICE по быстродействию и возможностям. И все-таки SPICE сохраняет свою популярность. Поэтому большинство разработанных в мире САПР или непосредственно включают в себя программы семейства SPICE, или предусматривают трансляцию своих данных во входной язык SPICE. Разработано также много программ, обслуживающих SPICE, в частности экспертных систем, помогающих пользователю в моделировании. И даже оригинальные моделирующие программы вынуждены считаться с популярностью SPICE и брать за основу входной язык и форматы выходных данных SPICE.
Пакет PSpice наиболее распространенный из программ семейства SPICE для персональных компьютеров. Первая версия этой программы создана в 1984 г. и с тех пор PSpice постоянно развивается. В состав PSpice наряду с моделирующей программой входит графический постпроцессор Probe, позволяющий обрабатывать результаты расчета в графической форме. Включены в PSpice также программа идентификации параметров моделей элементов Parts, редактор входных воздействий StmEd и ряд других программ. Начиная с версии 3, введена возможность, помимо схемотехнического моделирования, осуществления расчета некоторых классов аналого-цифровых схем с помощью внешних программ логического моделирования. С четвертой версии стало возможно в рамках самой программы PSpice проводить расчет не очень сложных цифровых и аналого-цифровых схем. Эти возможности существенно расширены в версии 5. В 1990 г. появилась первая версия пакета нового поколения Design Center, основанного на 5-й версии PSpice. В 1994 г. выпущена следующая его версия Design Center 6.0. Design Center помимо традиционных для PSpice программ имеет также графический препроцессор Schematics, позволяющий рисовать принципиальные схемы, и программу синтеза фильтров: аналоговых и на переключаемых конденсаторах. Существенно расширены возможности моделирования цифровых схем.
В 1995 г. появилась версия Design Center 6.2. Это уже интегрированный программный комплекс, позволяющий проектировать сложные аналоговые, цифровые и аналого-цифровые устройства. В него наряду с моделирующей программой PSpice входит программа логического моделирования PLogic, а также программы: PLSyn - синтез программируемых логических устройств и автоматический выбор
10 |
ВВЕДЕНИЕ |
элементной базы; PSpice Optimizer - интерактивная параметрическая оптимизация схем; Polaris - программа анализа топологии печатных плат, позволяющая с помощью моделирующих программ учесть паразитные параметры, перекрестные помехи, отражения, задержки; Filter Synthesys - интерактивный синтез и анализ активных и пассивных фильтров; PCBoard
-проектирование печатных плат. В настоящее время PSpice и Design Center могут работать практически на любых персональных компьютерах и рабочих станциях.
Все сказанное не оставляет сомнений, что обучение методам схемотехничекого моделирования целесообразно проводить на основе одной из версий PSpice. Помимо своей популярности PSpice подходит для этих целей еще и потому, что предъявляет минимальные требования к вычислительной технике и может использоваться даже на самых слабых PC XT/AT. Фактически единственное предъявляемое требование - наличие математического сопроцессора. В данном учебном пособии, как и во всем учебно-методическом комплексе, рассматриваются параллельно две версии
-PSpice 4 и PSpice 5, а также их дальнейшее развитие - система Design Center версий 5.4 и 6.0. Design Center во многом удобнее, чем PSpice,
особенно в варианте, предназначенном для работы в среде Windows. Design Center имеет еще и то преимущество, что демонстрационная версия (Evaluation Version) этой системы не требует решения сложных вопросов, связанных с лицензированием, и в то же время ее мощности хватает для расчета несложных схем в процессе обучения. Однако актуальность более ранних версий с точки зрения обучения сохраняется. Это связано с тем, что, хотя наиболее ранняя из рассматриваемых версий - PSpice 4 слабее последующих, но она требует наименьших затрат памяти, что с учетом ограниченных возможностей технических средств в ряде вузов может быть решающим фактором. С другой стороны, при использовании некоторых современных версий Design Center в учебных локальных сетях на слабых персональных компьютерах возникают определенные сложности. Таким образом, в зависимости от имеющихся технических возможностей обучение может проводится на разных версиях программ. А с точки зрения овладения пакетом PSpice все версии примерно одинаковы, кроме, конечно, наличия в Design Center графического препроцессора, который рассматривается отдельно. Таким образом, научившись работать на одной версии, пользователь не испытает сложностей в переходе на другую, более совершенную.
Варианты версий, указываемые после точки, например PSpice 4.3, PSpice 4.3a и т.п., мало отличаются друг от друга. Поэтому в дальнейшем изложении этими незначительными отличиями пренебрегается. Если в изложении какого-либо вопроса не указывается конкретная версия, значит имеются ввиду все версии.