1

Proiectare Asistata de Calculator

Conf.dr.ing. Ovidiu Pop

2

Structura cursului

Analize:• Analiza DC• Analiza AC• Analiza tranzitorie• Analiza parametrica• Analiza statistica

Modelarea dispozitivelor semiconductoare:•Diode•BJT•MOS•Amplificatoare operationale

3

Nota:

Laborator:

•Examen partial: L1 (sapt. 6)

•Examen final: L2 (sapt.13)

•Note laborator NL

•Nota N=0.2*NL+0.4*L1+0.4*L2 ; L1,L2,NL>4

•Recuperari+marire nota test: sapt 14

4

Proiectare Asistata de Calculator

Obiectivele cursului

 La sfarsitul acestui curs ar trebui sa fiti capabil sa proiectati diferite tipuri de circuite electronice analogice, digitale si analogice-digitale mixte prin folosirea corespunzatoare a modulelor de Proiectare Electronica Asistata de Calculator (ECAD), sau mai exact ar trebui sa acumulati cunostinte si abilitati pentru a aplica:

  Metodologia Proiectarii Electronice Asistata de Calculator Proiectare schematica Proiectarea circuitelor analogice si optimizare Modelarea Dispozitivelor Semiconductoare: dioda, BJT, JFET, MOSFET,

MESFET Macromodelarea FET/Bipolar si OpAmp Proiectarea circuitelor digitale si analogice-digitale mixte

5

Metodologia Proiectarii Electronice Asistata de Calculator

OBIECTIVE generale:

La sfarsitul acestui modul ar trebui sa fiti capabili sa aplicati metodologia proiectarii circuitelor electronice si sa proiectati un circuit analogic sau digital pornind de la specificarile date:

OBIECTIVE specifice: Identificarea analizei Pspice standard

-Analiza DC-Analiza AC (raspuns de frecventa) -Analiza tranzitorie

Planificarea si efectuarea simularii folosind PSpice A/D Analiza rezultatelor simularii folosind graficele post-processor PROBE

6

Cunostinte Minime necesare pentru promovarea examenului:

•Editarea circuitelor electrice

•Categoriile de analize primare si secundare

•Setarile analizelor

•Simulare de circuite

•Interpretarea rezultatelor

7

Proiectare Asistata de CalculatorPAC

Referinte bibliografice

1. “Proiectare asistata de calculator”, Ovidiu Pop, Ed. Mediamira, Cluj-Napoca, 2007

2. “ECAD Course in Distance Education” Elena Skoikova, Ana Rusu- CDROM, 1999

3. SPICE –Manualul Utilizatorului4. “The SPICE Book “ Andrei Vladimirescu, J. Willey & Sons, 1994

8

Proiectare Asistata de CalculatorPAC

CAD = Computer Aided Drafting , Computer Aided DesignECAD= Electronic Computer Aided DesignCAE= Computer Aided EngineeringSPICE= Simulation Program with Integrated Circuit EmphasisPSPICE=Personal Computer SPICECAI= Computer Aided InstructionCAM= Computer Aided ManufacturingCAP= Computer Aided PlanningCAQ= Computer Aided Quality ControlVLSI IC= Very Large Scale Integration , Integrated CircuitPLD= Programable Logic DeviceASIC= Application Specific Integrated CircuitsSoC= System On ChipEDAE= Electronic Design Automation Environment

Glosar

9

INTRODUCERE IN TEHNICILE DE SIMULARE A CIRCUITELOR

1.      MotivareDe ce sa simulam circuitele?

– Tehnica de proiectare a anilor 1950 si 1960:Construirea circuitelor din elemente discreteExperimente prin construire de montaje, masurare, reglare

– Mai tarziu: IC-uri cu densitatea de integrare in crestere:Placa de montaj cu elemente discreteNumai placi de cipuri accesibile masurariiPresiunea time-to-market

10

DE CE SA FOLOSIM SPICE?

Circuitele actuale necesita de asemenea echipament scump cum sunt sursele de curent, generatoarele de semnal si osciloscoapele. Poate fi dificil sa construiesti fizic fiecare circuit in parte.

Realizarea practica a unui circuit necesita un anumit timp si, in unele cazuri ofera doar o simpla idee despre functionarea lui, pe cand, SPICE iti furnizeaza informatii legate de functionarea circuitului in cateva minute. SPICE poate fi placa de montaj “virtuala”.

 

11

– modificarea rapida a schemei– reducerea costurilor– testarea de idei noi (‘dry lab’)– posibilitatea de schimbari rapide– considerarea “efectelor parazite” ( cu modelele

potrivite)– functionarea circutului in conditii critice (zgomot,

incalzire etc)

Ce castigam prin simulare?

12

      Istoric

Anii 1950: dezvoltarea cunostintelor fundamentale: Descrierea retelei Teoria grafurilor Formularea ecuatiilor

Anii 1960: primele rezolvari/modele/integrari algoritmice:-“Prima Generatie de Simultoare de Programe” (ECAP I in

1965, la IBM) putea rezolva doar bucati de retele lineare si scopul lor a fost practic limitat.

Metoda potentialelor la noduri nu se poate aplica pentru retele ce contin condensatoare si surse cu rezistenta interna mare

Forma ecuatiilor nu este optima pentru calcule numerice

Anii 1970: Aplicatia Analizei Nodale (AN), Analiza Nodala Modificata (ANM), Analiza Tabloului Imprastiat(ATI);

imbunatatiri algoritmice (formule de integrare), dezvoltarea modelelor semiconductoare

13

      Istorie

1971: CANCER, SPICE1, SPICE2 (distributie libera)- Universitatea din Berkeley“A doua generatie de programe de simulare”- Avansata in tehnica numerica a

condus spre sfarsitul anilor 1960 la dezvoltarea programelor de analiza neliniara, precum SPICE1, initial numit CANCER (in 1971) la Universitatea din Berkeley, California.Anii 1980: SPICE devine unealta standard de simulare

dezvoltarea versiunilor PC (1983:PSPICE) versiuni comerciale cu o mai buna interfata a utilizatorului,suport model,o mai buna

stabilitate si acuratete integrarea in mediul proiectarii CAE

- dezvoltarea celei “de-a treia generatii tehnice” pentru simularea la scara inalta a circuitelor. Eforturile a trei decenii s-au cristalizat in doua simulatoare de circuit acum cel mai des folosite, SPICE2 si ASTAP, numit acum ASXAnii 1990: - o multime de versiuni comerciale bazate pe SPICE2/ SPICE3

- dezvoltarea algoritmilor pentru circuite foarte mari - versiuni pentru sisteme multiprocesoare/supercomputere - dezvoltarea simulatoarelor cu semnale mixte

Anii 2000: o multime de module integrate CAD/CAE pentru circuitele VLSI submicron

14

      Stadiul actual

Simulatoare de uz general

SPICE family : SPICE2G.6, HSPICE, PSPICE10.5 (din OrCAD, acum Cadence), IsSPICE(IntoSoft), AIM-Spice3.2, MicroCapV, ElectronicWorkBench,…ELDO (mod mixt) (Anacad, acum MentorGraphics)SABER ( nivel mixt) (Analogie)

Spectre (Cadence)

Simulatoare pentru Scopuri SpecialeRF si Microwave (Spectre RF – Cadence, MDS- HP EESoft, Serenade-AnSoft)Steady State (Proiectarea oscilatoarelor)Analiza SimbolicaSimulatoare cu Domeniu Mixt ( Electro-Termic, Electro-Mecanic,…)Analiza InterconectataIntregimea Semnalului

Simulatoare Experimentale ( Universitate, Institut de Cercetare) –unele pot deveni produse  Software Educational

RSPICE, OPTIMA

15

INTRODUCERE IN SIMULAREA PE CALCULATOR

Inginerii invata in cursurile electronice de specialitate sa faca aproximari sigure pentru a prezice PSF pentru circuite mici.

Analiza comportarii circuitelor electrice implica solutii simultane ale unui numar de ecuatii.

Cea mai usoara problema este aceea de a gasi punctul static de functionare (DC) a unui circuit liniar, ceea ce implica rezolvarea unui set de ecuatii derivate din legile lui Kirchhoff si ecuatiile constitutive.(BCEs).

Pentru un circuit mic cu elemente liniare, descris prin dependentele liniare tensiune-curent, solutia DC exacta se poate determina prin calcule manuale.

1. Scopul Simularii pe Calculator al Circuitelor Electrice

16

Pentru circuite liniare mai mari, solutia DC si in special solutiile domeniului frecventa sau domeniului timp sunt foarte complexe.  

Analiza circuitelor care contin elemente descrise ca fiind o relatie neliniara intre curent si tensiune adauga inca un nivel de complexitate.

17

Alt nivel de complexitate este adaugat cand este nevoie sa prezica comportamentul in timp sau frecventa a unui circuit electric.

Ecuatiile neliniare devin ecuatii integro-diferentiale, care pot fi rezolvate manual numai prin modelari cum sunt cele de semnal mic sau alte restrictii de limitare.

18

2. Ce este SPICE?

SPICE este un program ce are ca scop general simularea de circuite pentru un regim DC neliniar, tranzitoriu neliniar si analiza AC neliniara.

Dupa cum s-a subliniat mai sus, rezolva ecuatiile retelelor pentru tensiunea in noduri. Programul este la fel de potrivit atat pentru a rezolva circuitele electrice liniare cat si pe cele neliniare.

19

2. Ce este SPICE?

Circuitele pot contine:

rezistoare, capacitoare, bobine surse independente de tensiune si curent, surse dependente de tensiune si curent, linii de transmisie, cele mai comune dispozitive semiconductoare:

diode, tranzistoare cu legaturi bipolare (BJT), tranzistoare cu efect junction-field (JET), tranzistoare cu efectul de camp metal-oxid-semiconductor (MOSFET), metal-semiconductor FETs GaAs (MESFETs); dispozitive speciale si circuite integrate.

Orice program ce are ca scop general simularea circuitelor trebuie sa afiseze urmatoarele trei solutii de baza: punctul static de functionare (OP), raspunsul in frecventa (AC) si raspunsul tranzitoriu.

20

Analiza DC a programului calculeaza punctul static de functionare al circuitului cu capacitoarele deconectate si inductoarele scurt-circuitate. SPICE foloseste trasee pentru a rezolva ecuatiile retelelor neliniare; nelinearitatile se datoreaza in principal caracteristicilor neliniare curent-tensiune (I-V) ale dispozitivelor semiconductoare.

Analiza AC calculeaza valorile complexe ale tensiunilor in nod ale unui circuit linear ca si o functie de frecventa a unui semnal sinusoidal aplicat la intrare. Pentru circuite nelineare, cum sunt circuitele cu tranzistoare, acest tip de analiza necesita modelul de semnal mic; amplitudinea sursei excitante se presupune a fi mica in comparatie cu tensiunea termica pentru BJT (Vin << Vth= 25mV, pentru distorsiuni mici). Numai sub aceasta prezumtie circuitul nelinear poate fi inlocuit de echivalentul liniarizat in jurul punctului static de functionare.

21

Analiza tranzitorie calculeaza tensiunea la fiecare nod al circuitului ca si o functie de timp. Aceasta este analiza de semnal mare: nici o restrictie nu este pusa pe amplitudinea semnalului de intrare. Astfel caracteristicile nelineare ale dispozitivelor semiconductoare sunt luate in considerare.

Mai multe tipuri de analiza, asociate cu cele trei moduri de simulare de baza, sunt disponibile in (P)SPICE.

22

Algoritmi de Simulare

Solutia procesului implementat in SPICE pentru solutiile domeniului timp este aratata in Fig. 1.

In general programul rezolva prima data pentru un punct static de functionare stabil. Solutia incepe cu o presupunere initiala a punctului static de functionare, care este urmat de itinerarii succesive pentru rezolvarea ecuatiilor DC nelineare.Procesul repetat este reprezentat de spirala interioara in Fig. 1. Solutia spre care converge procesul reprezinta fie valoarea PSF, fie solutia tranzitorie initiala. Aceasta este solutia la momentul de timp zero.

23

Algoritmi de Simulare

Procesul se repeta pentru fiecare moment de timp la care ecuatiile circuitului sunt rezolvate in analiza tranzitorie.

Solutia domeniului timp foloseste integrarea numerica pentru a transforma multimile de ecuatii diferentiale normale (ODE) intr-o multime de ecuatii algebrice nelineare.

Analiza domeniului timp este inlocuita de o secventa de solutii quasi-statice.

24

Algoritmi de Simulare

25

Algoritmi de Simulare

Un simulator de circuit este definit de urmatoarele secvente de algoritmi specifici:

(a) o metoda de integrare numerica implicita care transforma ecuatiile diferentiale neliniare in ecuatii algebrice neliniare (ODE);

(b) liniarizarea acestora printr-un algoritm repetat modificat Newton-Raphson

(c) eliminarea gausiana si tehnicile de matrici care rezolva ecuatiile liniare.

26

4. PSPICE

Valorile numerice precise sunt scrise in notatia numerelor flotante standard.

PSpice presupune unitatile lipsa pentru valorile componentelor numerice descrise si cantitati electrice. Oricum, valorile pot fi scalate urmarind numarul in scala de sufixe potrivita, ca in Tabelul 1.

Valorile numerice pot fi reprezentate indirect si de parametrii (PARAM) Valorile numerice si parametrii pot fi folositi impreuna pentru a forma expresii aritmetice. PSpice poate incorpora functii intrinseci (ABS, SQRT, EXP, LOG, LOG10, PWR, SIN, COS, TAN, ATAN, TABLE, LIMIT) si functii (FUNC).

  4.1. Valori numerice si expresii

27

Tabel 1. Scala sufixelor pentru valori numerice

28

Nucleul descrierii circuitelor il reprezinta descrierea elementelor si modelelor/macromodelelor.

Exprimarea unui element (in netlist file) contine informatii de legatura (topologia circuitului din scheme) si, fie clar, fie facand referinta la un model/subcircuit (dintr-o biblioteca de modele), valoarea elementului definit.

Expunerile modelului (MODEL)/macromodelului (SUBCKT) sunt necesare pentru a defini parametrii elementelor complexe: toate dispozitivele semiconductoarelor si multe ICs.

Elemente, Modele si Noduri

29

 

30

31

Conventii

Urmatoarele conventii trebuie observate in definitiile circuitelor: ·     Un circuit trebuie sa contina intotdeauna un nod legat la masa, care

trebuie sa fie intotdeauna 0. ·        Fiecare nod din circuit trebuie sa aiba cel putin doua elemente

conectate la acesta, singurele exceptii sunt nodurile liniilor de transmisie neterminate.

·       Fiecare nod din circuit trebuie sa aiba o legatura DC la masa. In CC, condensatoarele reprezinta circuite deschise si bobinele reprezinta scurtcircuite. Aceasta cerinta previne aparitia nodurilor flotante, pentru care programul nu poate gasi puncte statice de functionare.

32

·   Deoarece SPICE2G.6 standard foloseste analize nodale modificate pentru a rezolva atat nodurile de tensiune cat si curentii prin ramuri, cum ar fi sursele de tensiune si inductorii, trebuie subliniate doua restrictii :

circuitul nu poate contine o bucla de circuit numai cu surse de tensiune sau inductori

nu poate contine o ramura numai cu surse de curent sau condensatoare.

33

Orice incalcare a restrictiilor anterioare determina aparitia unui mesaj de eroare si oprirea programului SPICE. Posibilele mesaje de eroare si actiuni corective sunt:

In timpul decodarii informatiei, PSpice verifica topologia circuitului. Una dintre verificarile facute este aceea de a asigura ca nu exista noduri flotante. Daca exista asemenea noduri, PSpice va indica o eroare pe monitor si fisierul output va contine un mesaj similar cu urmatorul:

EROARE: Nodul X este flotant. Aceasta inseamna ca nu exista legatura DC la pamant de la nodul x.

·        Cele doua capete ale liniei de transmisie nu au o conexiune DC intre

ele: in exemplul urmator nodul 5 are o conexiune cu nodul 0 (masa):

T1 5 0 4 8 Z0=75 td=20ns

1. “Nodurile flotante”

34

        Sursele controlate de tensiune nu au conexiune DC cu nodurile lor de control, deci aceste surse nu conduc curent de la nodurile lor de control. In exemplele urmatoare nodul 5 are conexiune la masa:

EGAIN 5 0 4 8 100GA 5 0 4 8 0.8

Cele doua parti ale capacitorului nu au conexiune DC intre ele. In exemplul urmator nodul 5 nu are legatura DC la pamant:

C5 5 0 0.1u

In toate aceste cazuri solutia este urmatoarea: conectati circuitul flotant la masa cu un rezistor (de obicei cu valoare mare, 1MEGohm).

35

Un alt calcul de topologie care este facut pentru fiecare circuit are scopul de a ne asigura ca nu exista bucle cu rezistenta 0. Daca exista, PSpice va indica o eroare pe monitor si un fisier output va contine un mesaj ca cel care urmeaza:

EROARE: Voltage loop involving VxAceasta inseamna ca circuitul are o bucla de rezistenta 0, ce include sursa Vx.

Componentele cu rezistenta 0 in PSpice sunt:surse de tensiune independente (V), bobine (L), surse de tensiune voltaj-controlate (E) si surse de tensiune curent-controlate (H). Exemple de asemenea spire sunt:a.) Vin 3 0 10V

Vs 3 0 5Vb.)    V1 3 5 15V

L1 3 5 10uE1 3 5 2 7 10

2. “ Sursa de tensiune/Bobina”

36

De notat este faptul ca nu exista nici o diferenta chiar daca valorile surselor de tensiune sunt 0 sau nu. Avand rezistenta buclei 0 inseamna ca programul are nevoie sa imparta 10V (sau orice alta valoare a tensiunii) la 0, ceea ce este imposibil.

In toate aceste cazuri solutia este urmatoarea: adaugati o rezistenta in serie la cel putin una din componentele buclei. Alegeti valoarea rezistorului sa fie destul de mica astfel incat sa nu influenteze functionarea circuitului. Oricum,pentru a evita depasirea razei dinamice a dublei-precizii aritmetice folosite in PSpice,este recomandat sa nu se scada sub 1micro-ohm. Pentru a fi mai precisi, alegeti o valoare care aproximeaza actuala rezistenta parazita a componentei.

37

In timpul etapei de procesare a informatiei si a celei de verificare a unui program puteti intampina eroarea care afiseaza mesajul in fisierul output:

EROARE: Mai putin de 2 conexiuni la nodul X

Intrarile la sursele de tensiuni-controlate nu sunt considerate conexiuni in timpul acestei verificari. Acest lucru se intampla deoarece aceste intrari sunt intrari ideale si nu conduc curent (au o impedanta infinita).

Daca acest lucru se intampla, solutia este: conectati un rezistor foarte mare (un Gohm, sa zicem) de la intrarea sursei la masa. Acest lucru va satisface verificarea topologiei, si, daca rezistorul are valoare destul de mare, nu va afecta comportamentul circuitului.

3.“Surse de tensiune controlate”

38

Calculul punctului static de functionare si analiza tranzitorie folosesc algoritmi de recurenta.

Acesti aloritmi incep cu un set de valori de tensiune si, pentru fiecare repetare, ei calculeaza un nou set de tensiuni a nodurilor, mai apropiate de solutiile legilor lui Kirchhoff.

Cu alte cuvinte, este folosita presupunerea initiala si, prin repetari succesive, se verifica daca solutia converge la o valoare.

 4.4. Probleme de Convergenta

39

PSpice este util in analiza majoritatii circuitelor. Un efort considerabil s-a facut in sensul eliminarii problemelor care au impiedicat progresia analizei circuitelor. Oricum, nu exista garantii. Daca o analiza esueaza pentru un circuit, companiile producatoare ofera cateva sugestii pentru: analiza DC, Bias Point, Analiza Tranzitorie.

 4.4. Probleme de Convergenta