Краткий исторический экскурс

Программные средства автоматизации схемотехнического проектирования (ACM) прошли большой путь развития. Можно выделить четыре поколения программ.

В большинстве программ первого поколения использовались метод переменных состояния и явные методы численного решения дифференциальный уравнений, для которых характерны ограничения на шаг интегрирования, что было обусловлено ограниченным объемом памяти существующих в то время ЭВМ.

Ко второму поколению относятся программы, в которых использовались неявные методы интегрирования. Поэтому они не имели ограничений на шаг интегрирования. Кроме того, в большинстве программ учитывалась разреженность матриц уравнений схемы, появились математические модели активных элементов в виде многополюсников.

Первые поколения программ имели ограниченные функциональные возможности. Прежде всего, существовали отдельные программы для моделирования аналоговых и цифровых устройств. Моделирование в большинстве случаев сводилось к расчету статического режима и переходных процессов.

К третьему поколению можно отнести пакеты программ, включающие моделирование аналоговых и цифровых устройств и обладающие широкими функциональными возможностями решения задач анализа (статистического, температурного и др.) и оптимизации параметров схем в едином вычислительном процессе.

Совершенствование программного обеспечения автоматизации схемотехнического проектирования идет по пути расширения функциональных возможностей и определяется развитием теории расчета схем и разработкой новых аппаратных средств вычислительной техники.

Современные системы автоматизации схемотехнического проектирования, относящиеся к четвертому поколению, представляют собой сложные программно-аппаратные комплексы, в состав которых входит методическое, программное, информационное, техническое и организационное обеспечение. Они вышли за пределы схемотехнического моделирования и позволяют реализовать сквозное проектирование аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств. Конечной продукцией систем сквозного проектирования являются готовые печатные платы и конструкторская документация.

Основные направления разработки программ схемотехнического моделирования. К вопросам автоматизации схемотехнического моделирования можно подойти двояко: с позиции объектов моделирования и с позиции возможностей схемотехнического моделирования с использованием вычислительных средств.

Первая позиция требует классификации электронных устройств, выявления особенностей математического описания схем и их программной реализации. Большое количество различных типов электронных устройств (аналоговые, импульсные и цифровые, линейные и нелинейные, с сосредоточенными и распределенными параметрами и т. д.) и их режимов работы, широкое многообразие воздействующих сигналов (гармонические, импульсные, модулированные, случайные и др.) обрекает на неудачу создание универсальных программ схемотехнического моделирования. Поэтому развитие ACM идет по пути разработки программ для отдельных групп электронных устройств.

Расчет радиочастотных схем выполняется в частотной области. Результатом расчета для усилителей являются амплитуднои фазочастотные характеристики. Имеются программы анализа устойчивости усилителей.

В меньшей степени разработаны программы расчета схем модуляторов и детекторов, в которых высокочастотный несущий сигнал изменяется, но амплитуде, частоте или фазе в соответствии с законом изменения низкочастотного информационного сигнала. Моделирование этих схем в частотной области состоит в определении спектра выходного сигнала по заданному спектру входного сигнала. Схемы с амплитудно-модулированными сигналами рассчитываются и во временных областях, поскольку программы моделирования позволяют выделить амплитудную огибающую.

Анализ видеочастотных схем, которые работают в режимах с одиночными и непрерывными (модулированными) импульсными сигналами, проводится во временной области. Исключение составляют схемы видеоусилителей, которые рассчитываются как во временной, так и в частотной области. Для моделирования схем импульсно-модулированных устройств разработаны специальные методы и программы.

Что касается схем с распределенными параметрами, которые описываются более сложными уравнениями в частных производных и численное решение которых требует больших затрат машинного времени, то для их моделирования разработаны специальные профаммы. Поэтому всегда, если возможно, схемы с распределенными параметрами представляют аппроксимирующими схемами с сосредоточенными параметрами, для моделирования которых имеется больший выбор программ ACM.

Вторая позиция основана на выбранном математическом аппарате для описания электронных схем и получила более широкое распространение. В большинстве известных в настоящее время программ схемотехнического моделирования основой для математического описания схем служит аппарат обыкновенных дифференциальных уравнений.

Параметры моделирования. Можно выделить две фуппы параметров, используемых при схемотехническом моделировании: параметры схемы и параметры технического задания на проектирование схемы. Параметры с х с м ы разделяются:

• • на внутренние параметры, к которым относятся параметры транзисторов, диодов, микросхем и других элементов (компонентов) схемы. Они подразделяются на электрофизические, топологические, электрические и режимные. Например, для МОП-транзистора концентрация примеси в подложке — электрофизический параметр, длина и ширина канала — топологические параметры, максимально допустимые напряжения и токи — режимные параметры;
• • на внешние или выходные параметры, к которым относятся входное сопротивление, коэффициент передачи и другие параметры, характеризующие быстродействие, помехоустойчивость, потребляемую мощность схемы и др. Выходные параметры и характеристики (частотные, переходные, амплитудные и др.) служат для оценки качественных показателей схемы (устройства).

К п, а р, а м е т р, а м технического задания относятся:

• • такие параметры внешней среды, как температура, давление, влажность и др.;
• • предельно допустимые режимные параметры, например напряжение питания и пределы его изменения, допустимые значения токов и напряжений в отдельных точках схемы;
• • предельные значения выходных параметров и характеристик схемы.

Техническое задание представляют как систему одноили двусторонних ограничений: А > Л_доп, А < Л_доп, Л_{доп min}< < Л < Л_{доп тах}, где Л_доп — параметры технического задания; Л — параметры проектируемой схемы.

При проектировании схем также используют:

• • понятия неуправляемых и управляемых параметров;
• • понятие варьируемых параметров (в задачах оптимизации), изменяя которые можно улучшить выходные параметры. Варьируемыми параметрами могут быть только управляемые параметры;
• • понятие базисных переменных (или базиса), относительно которых строится система уравнений схемы (например, токи элементов, узловые потенциалы, контурные токи). Различают следующие основные типы базисов: полный гибридный базис (образован токами и напряжениями всех элементов); полный однородный базис (образован только токами или только напряжениями элементов); сокращенный однородный базис (образован узловыми потенциалами или контурными токами); сокращенный гибридный базис (образован частью токов и частью напряжений элементов).

Задачи моделирования. К основным задачам моделирования (проектирования) относят [25]:

• • расчет схемы, целью которого является определение ее параметров и характеристик при неизменных значениях внутренних параметров схемы и постоянной структуре, например расчеты статического режима, переходного процесса, амплитуднои фазочастотных характеристик;
• • анализ схемы, в результате которого выявляют пределы изменения выходных и режимных параметров схемы при вариации ее внутренних параметров. К задачам анализа относятся статистический анализ, анализ чувствительности, допусковый, температурный анализ и др.;
• • параметрическая оптимизация, позволяющая определить оптимальные параметры схемы, которые соответствуют наилучшим в том или ином смысле выходным ее параметрам или характеристикам;
• • структурная оптимизация — определение наилучших значений заданных выходных параметров путем целенаправленного изменения первоначально заданной структуры схемы, т. е. связей между ее элементами. Примером структурной оптимизации может служить введение дополнительных положительных или отрицательных обратных связей;
• • параметрический синтез, который позволяет для заданной структуры схемы определить параметры ее элементов, обеспечивающие требуемое выполнение функций. Например, параметрический синтез позволяет двухкаскадную схему настроить на работу в режиме триггера, а не двухкаскадного усилителя. При параметрическом синтезе параметры элементов схемы определяются путем расчета соотношений, в которых уже учитываются способ функционирования схемы и условия ее работоспособности (а не в процессе последовательного изменения некоторых первоначальных значений, как при параметрической оптимизации). Синтез, в результате которого сразу создается не только работоспособная, но и оптимальная схема, называется оптимальным параметрическим синтезом. В общем же случае параметрический синтез можно рассматривать как процедуру определения начальной точки для последующей параметрической оптимизации;
• • структурный синтез, который можно рассматривать как процедуру определения исходной структуры для последующей структурной оптимизации. Все сказанное в отношении параметрических синтеза и оптимизации справедливо для структурных синтеза и оптимизации.

Отметим, что границы между задачами расчета и анализа весьма условны. Поэтому анализ чувствительности и статистический анализ часто относят к задачам расчета, а все задачи расчета называют одновариантным анализом. Наиболее сложными являются задачи параметрического и структурного синтеза.

Виды расчета и анализа схем. К основным видам расчета относятся:

• • расчет статического режима, который выполняется для определения начальной рабочей точки перед последующим расчетом переходных процессов и частотных характеристик. По его результатам определяются статические параметры схемы и строится карта режимов по постоянному току;
• • расчет частотных характеристик, позволяющий оценить полосу пропускания, избирательные свойства, частотные искажения и другие качественные показатели схемы;
• • расчет переходных процессов, который по виду протекающего процесса в различных точках схемы позволяет судить о работоспособности схемы и служит основой определения различных выходных динамических параметров;
• • расчет выходных параметров схемы, основанный на предшествующих результатах расчетов статического режима, частотных характеристик или переходных процессов.

В программах ACM предусматривается возможность выполнения следующих типовых видов анализа:

• • анализ параметрической чувствительности, позволяющий определить степень влияния изменения внутренних параметров схемы на ее выходные параметры. Помимо самостоятельного значения этот вид анализа играет вспомогательную роль в методах оптимизации, использующих производные;
• • статистический анализ, выполняемый обычно методом Монте-Карло, позволяет найти многие статистические характеристики схемы. Его результаты часто представляются в виде гистограмм выходных параметров. По ним определяется процент выхода годных схем, которые по всем выходным параметрам удовлетворяют техническому заданию. Для проведения статистического анализа в задании на проектирование схемы должны быть указаны тип статистического закона, виды и значения варьируемых внутренних параметров;
• • анализ на наихудший случай, который является одним из видов допускового анализа. При анализе выходные параметры схемы рассчитываются для наихудшего сочетания внутренних параметров;
• • анализ влияния внешней среды, при котором рассчитываются зависимости выходных параметров схемы от температуры, радиации и др. Типы требуемых зависимостей указываются в задании на анализ. Анализ выполняется в два этапа: сначала рассчитываются зависимости внутренних параметров схемы от параметров среды, а затем выходных параметров;
• • многовариантный анализ, при котором задано несколько различных комбинаций (вариантов) параметров элементов схемы. За один вычислительный шаг рассчитываются выходные параметры схемы, соответствующие каждому варианту. По результатам расчета (по сути дела, нескольких схем) выбирается наилучший вариант. Задачи анализа на наихудший случай, статистического анализа, анализа влияния внешней среды также могут быть сформулированы как задачи многовариантного анализа. Режим многовариантного анализа во многих случаях заменяет режим оптимизации.

Параметрическая оптимизация и структурный синтез схем. Опт и м и з, а ц и я схемы является завершающим этапом ее проектирования. На этом этапе необходимо:

• • выбрать критерий оптимальности и алгоритм оптимизации. Для этого используются имеющиеся в программе библиотеки, из которых выбираются наиболее подходящие, по мнению разработчика, критерии и алгоритмы оптимизации для проектируемой схемы;
• • задать ограничения на внутренние, режимные и выходные параметры схемы. Ограничения на внутренние параметры схемы определяются исходя из условий их физической реализуемости. Ограничения на режимные и выходные параметры могут быть заданы в виде технического задания либо формируются самим разработчиком на основе особенностей работы и возможностей схемы.

Программы оптимизации допускают варьирование десятками параметров. Время оптимизации зависит от выбора исходных параметров (начальной точки оптимизации), критерия оптимальности, алгоритма оптимизации, времени однократного расчета схемы. Процесс оптимизации состоит в многократном расчете схемы, протекает при активном участии разработчика и может занимать длительное время.

Структурный синтез электронных схем относится к наименее формализуемым и поэтому к наиболее сложным для постановки на ЭВМ задачам проектирования. Главная роль в структурном синтезе отводится человеку, его знаниям, опыту и интуиции. По этой же причине в процессе синтеза широко используются эвристические приемы, не имеющие строгого математического обоснования, но позволяющие получить результат, близкий к оптимальному, причем гораздо быстрее, чем строгими методами.

При проведении синтеза пользователь выбирает один наиболее подходящий, с его точки зрения, вариант структуры из множества вариантов, генерируемых ЭВМ. Можно выделить три способа генерирования вариантов:

• • способ перебора известных решений, при котором ЭВМ играет роль электронного справочника, выдавая варианты известных структур, хранящихся в ее памяти;
• • способ модифицированных структур, при котором в известной структуре схемы вводятся дополнительные отрицательные или положительные обратные связи и заменяются ее отдельные элементы, каскады, блоки различными известными фрагментами. В этом случае сохраняется макроструктура схемы (например, последовательность соединения фрагментов), но видоизменяется микроструктура фрагментов; в памяти ЭВМ хранятся разнообразные варианты различных фрагментов схем;
• • способ патентоспособных решений, при котором ЭВМ генерируются произвольные (в том числе ранее неизвестные) структуры.

Строгие методы структурного синтеза схем разработаны только для цифровых и линейных схем (фильтров). Для комбинационных схем по заданным таблицам истинности минимизируются логические уравнения, по которым составляется электрическая схема.