welcome_spice

Московский Государственный Институт Электроники и Математики (технический университет)

С.Р. ТУМКОВСКИЙ

SPICE - ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО

Учебное пособие

МОСКВА 2001

3

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.

С другой стороны, в нашей стране очень быстрыми темпами развивается индустрия Интернет. Доступ к мировым информационным ресурсам стал практически свободным. По оценкам экспертов количество пользователей Интернет в России к концу 2001 года превысит 8 миллионов человек.

Следствием подобной ситуации и стала разработка клиент серверной версии системы Spice, получившей название "Сервер Spice". Обладая меньшими по сравнению с локальными версиями систем схемотехнического моделирования графическими возможностями, она, тем не менее, позволяет решать основные задачи, возникающие при разработке электронных схем. При этом «Сервер Spice» значительно проще в использовании, поскольку ориентирован на стандартный WEB-интерфейс, ставший привычным для огромного количества пользователей. Он может быть использован и новичками, и профессионалами.

Для работы с сервером (http://spice.distudy.ru) на локальном компьютере необходим только броузер, позволяющий запускать Java – апплеты.

4

Настоящее пособие является лишь первым знакомством с системой Spice и не охватывает всех аспектов применения этой системы для решения инженерных задач в процессе проектирования, однако, приведенные в нем примеры моделирования электронных схем с помощью системы Spice, иллюстрируют основные ее возможности при решении инженерных задач. Читатель может знакомиться с этим документом и обращаться к серверу Spice (http://spice.mitme.ru) для самостоятельного выполнения приведенных примеров.

Схемотехническое моделирование

Для того чтобы дать читателю некоторое представление о схемотехническом моделировании и проектировании приведем пример. Он служит исключительно для иллюстративных целей [8].

Предположим нам необходимо спроектировать стабилизатор напряжения, удовлетворяющий характеристикам:

•Входное напряжение - 18 В.

•Выходное напряжение - 12 В.

•Ток нагрузки - 1 А.

•Время установления выходного напряжения - 10 мс.

Наша следующая задача заключается в выборе структуры схемы и элементной базы стабилизатора напряжения. Это может быть сделано различными способами [5,10,11], в том числе и с применением специальных программ синтеза. Допустим, что с этой задачей мы справились, и, нас устраивает схема, приведенная на рис. 1.

Рис.1. Электрическая схема стабилизатора напряжения

Далее нам необходимо провести схемотехническое моделирование полученной электрической схемы.

Задача схемотехнического моделирования состоит обычно в определении формы и параметров сигналов тока и напряжения, возникающих в различных точках моделируемой схемы, что в конечном итоге позволяет создать электрическую схему, удовлетворяющую заданным выходным характеристикам и электрическим режимам работы радиоэлементов.

Схемотехническое моделирование разбивается на этапы, выполнение которых направлено на решение сформулированной задачи.

Рассмотрим содержание этапов подробнее.

1. Разбиение электрической схемы на функциональные узлы. Проектирование схем, как правило, ведется по функционально-узловому принципу, поэтому и схемотехническое моделирование логично построить таким же образом. При этом электрическая схема каждого функционального узла дополняется источниками входных сигналов и сопротивлением нагрузки. Здесь необходимо помнить, что такой подход к

5

моделированию автоматически приводит к принятию допущения об однонаправленности распространения электрических сигналов в схеме.

Впрактическом смысле это означает, что функциональные узлы схемы не влияют на работу друг друга.

Внашем случае, выполнение этого этапа сводится к дополнению электрической схемы стабилизатора напряжения источником входного сигнала Е = 18В, сопротивлением нагрузки Rн = 12 Ом и замене переменного резистора R5 его моделью, состоящей из двух резисторов.

2. Подготовка исходных данных для расчета. Подготовка исходных данных для расчета производится в соответствии с документацией на систему схемотехнического моделирования.

Как правило, исходные данные для расчета делятся на два раздела:

•описательная информация об элементах и их межсоединениях в электрической схеме;

•задание на расчет, включающее вид расчета и описывающее его параметры.

Косновным видам расчета относятся:

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

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

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

Большую роль при выполнении этого этапа играет правильная постановка задачи расчета, которая отражает компромисс между желанием разработчика и возможностями системы схемотехнического моделирования.

Сформулируем постановку задачи для расчета стабилизатора напряжения. Исходными данными для моделирования стабилизатора напряжения является

электрическая схема (рис. 1.). В результате моделирования требуется получить напряжения коллектор-эмиттер, токи коллектора и мощности транзисторов T1 и T2 в статическом режиме при минимальном, максимальном и номинальном значениях входного напряжения, а также графики переходных процессов:

•выходного напряжения стабилизатора при включении питания;

•токов коллекторов и мощностей транзисторов T1 и T2 при включении питания. Интерес к расчету этих характеристик связан с двумя факторами. Во-первых, в

техническом задании регламентируются время установления выходного напряжения при включении стабилизатора. Эта характеристика должна составлять не более 18 мс.

Во-вторых, и необходимо проверить, соответствуют ли режимы работы транзисторов Т1 и Т2, допускаемыми техническим условиям.

3. Расчет электрических характеристик функционального узла. Этот этап полностью выполняется ЭВМ, контролируется оператором.

Воснове выполнения этого этапа лежит математическая топологическая модель электрической схемы, сформированная на основе моделей элементов и схемы их соединений. На основе топологической модели узла строится его аналитическая модель, которая представляет собой систему уравнений. Существуют два основных метода перехода от топологической модели схемы к ее аналитической модели - это метод переменных состояния и метод узловых потенциалов. Основные достоинства и недостатки этих методов подробно рассмотрены в литературе. Мы же лишь констатируем, что в большинстве используемых на сегодняшний день подсистемах схемотехнического моделирования, в том числе и системе Spice, применяется метод узловых потенциалов и его модификации.

Впроцессе выполнения этого этапа возможно получение сообщений об ошибках, которые делятся на две большие группы: синтаксические ошибки и логические ошибки.

6

К синтаксическим - относятся ошибки, появившиеся из-за нарушения правил языка описания схемы или задания на расчет. К логическим - относятся ошибки, появившиеся из-за нарушения логики описания электрической схемы, например неправильная нумерация узлов электрической схемы.

В результате выполнения этого этапа пользователь получает расчетные значения характеристик в виде таблиц и графиков.

Результаты расчета стабилизатора напряжения приведены ниже.

Рис.2. Результаты расчета стабилизатора напряжения

4. Анализ полученных результатов расчета электрических характеристик.

Анализ полученных результатов расчета проводится по двум позициям.

1.Качественная оценка адекватности математической модели схемы проектируемой схеме.

2.Количественная оценка полученных результатов расчета и соответствие их требованиям технического задания.

В результате анализа по первой позиции разработчик должен выяснить, правильно ли математическая модель схемы отражает его представления о проектируемой схеме. И если неправильно, то разобраться, почему это произошло. Основные причины неправильного поведения математической модели, расположенные по убыванию частоты их появления, следующие:

•наличие логических ошибок в описании моделируемой схемы (например, у транзистора перепутаны узлы включения коллектора и эмиттера);

•неправильное применение моделей компонентов электрической схемы (например, операционный усилитель, работающий в режиме компаратора, смоделирован линейной моделью);

•математическое обеспечение системы не пригодно для моделирования рассматриваемой схемы.

7

Врезультате анализа по второй позиции, необходимо полученные выходные характеристики проверить на соответствие требованиям, регламентированным в техническом задании на проектируемую схему и в технических условиях на применяемую элементную базу. В случае неудовлетворения хотя бы одного из этих требований, необходимо скорректировать электрическую схему (изменить значения параметров ее элементов или сделать структурные изменения схемы) и провести повторное моделирование.

Внашем случае на основании результатов расчета, можно сделать вывод, что разработанный вариант схемы линейного стабилизатора удовлетворяет требованиям ТЗ, поскольку его выходное напряжение равно значению, заданному в техническом задании. В то же время режимы работы транзисторов Т1 иТ2 не превышают регламентируемых в ТУ значений.

На рис. 2 представлен график зависимости выходного напряжения от времени, из которого можно сделать вывод о соответствии времени включения стабилизатора требованию ТЗ.

Таким образом, схемотехническое моделирование позволило нам без создания макета проектируемого стабилизатора напряжения получить его характеристики и сопоставить их с требованиями технического задания.

Подготовка исходных данных

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:

•Инструкции, описывающие топологию электрической схемы и значения элементов.

•Инструкции, описывающие параметры моделей элементов схемы.

•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 «+».

В табл. 1 приведены допустимые в инструкциях масштабные множители.

Таблица 1.

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».

8

К основным видам расчета относятся:

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

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

•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.

Элементы

Как отмечалось выше, 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).

Однако мы приведем здесь только те элементы и инструкции языка системы Spice, предназначенные для их описания, которые встречаются в приведенных ниже примерах. Исчерпывающее описание элементов и их моделей можно найти в [2].

Резистор

Инструкция для описания резистора:

RXXXXXXX N1 N2 VALUE

Примеры:

R1 1 2 100

RC1 12 17 1K

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.

Конденсатор

Инструкция для описания конденсатора:

CXXXXXXX N+ N- VALUE <IC=INCOND>

Примеры:

CBYP 13 0 1UF

COSC 17 23 10U IC=3V

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.

9

Индуктивность

Инструкция для описания индуктивности:

LYYYYYYY N+ N- VALUE <IC=INCOND>

Примеры:

LLINK 42 69 1UH

LSHUNT 23 51 10U IC=15.7MA

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.

Взаимная индуктивность

Инструкция для описания взаимной индуктивности:

KXXXXXXX LYYYYYYY LZZZZZZZ VALUE

Примеры:

K43 LAA LBB 0.999

KXFRMR L1 L2 0.87

LYYYYYYY и LZZZZZZZ - имена взаимных индуктивностей. VALUE коэффициент связи K, который может изменяться от 0 до 1.

Независимые источники напряжения и тока

Инструкция для описания независимых источников:

VXXXXXXX N+ N- <<DC> DC/TRAN VALUE> <AC <ACMAG <ACPHASE>>>

IYYYYYYY N+ N- <<DC> DC/TRAN VALUE> <AC <ACMAG <ACPHASE>>>

Примеры:

VCC 10 0 DC 6

VIN 13 2 0.001 AC 1 SIN(0 1 1MEG)

VMEAS 12 9

N+ и N- положительный и отрицательный узлы включения соответственно. DC– значение источника в расчете статического режима.

TRAN – функция, описывающая источник во временной области.

ACMAG - значение амплитуды и ACPHASE – значение фазы источника в при расчете в частотной области.

Импульсная функция

Формат:

PULSE(V1 V2 TD TR TF PW PER)

Пример:

VIN 3 0 PULSE(-1 1 2NS 2NS 2NS 50NS 100NS)

Таблица 2.

10