Curs1 Romana

7/25/2019 Curs1 Romana

1/39

1

Proiectare Asistata de

Calculator

Conf.dr.ing. Ovidiu Pop


2/39

2

Structura cursului

Analize:Analiza DCAnaliza AC

Analiza tranzitorieAnaliza parametricaAnaliza statistica

Modelarea dispozitivelor semiconductoare:

Diode

BJT

MOS

Amplificatoare operationale


3/39

3

Nota:

Laborator:

!amen partial: L" #sapt$ %&

!amen final: L' #sapt$"(&

)ote laborator )L)ota )*+$',)L-+$.,L"-+$.,L' / L"0L'0)L1.

2ecuperari-marire nota test: sapt ".


4/39

4

Proiectare Asistata deCalculator

Obiectivele cursului

La sfarsitul acestui curs ar trebui sa fiti capabil sa proiectati diferite tipuri de

circuite electronice analo3ice0 di3itale si analo3ice4di3itale mi!te prin folosirea

corespunzatoare a modulelor de 5roiectare lectronica Asistata de Calculator

#CAD&0 sau mai e!act ar trebui sa acumulati cunostinte si abilitati pentru a aplica:

Metodolo3ia 5roiectarii lectronice Asistata de Calculator

5roiectare sc6ematica

5roiectarea circuitelor analo3ice si optimizare

Modelarea Dispozitivelor Semiconductoare: dioda0 BJT0 J7T0 MOS7T0MS7T

Macromodelarea 7T8Bipolar si OpAmp

5roiectarea circuitelor di3itale si analo3ice4di3itale mi!te


5/39

5

Metodologia Proiectarii Electronice Asistata deCalculator

OBIECTIVE generale:

La sfarsitul acestui modul ar trebui sa fiti capabili sa aplicati metodolo3iaproiectarii circuitelor electronice si sa proiectati un circuit analo3ic saudi3ital pornind de la specificarile date:

OBIECTIVE specifice: 9dentificarea analizei 5spice standard

4Analiza DC

4Analiza AC #raspuns de frecventa&

4Analiza tranzitorie

5lanificarea si efectuarea simularii folosind 5Spice A8D Analiza rezultatelor simularii folosind graficele post-processor POBE


6/39

6

Cunostinte !inime necesare pentru promo"area e#amenului:

ditarea circuitelor electrice

Cate3oriile de analize primare si secundare

Setarile analizelor

Simulare de circuite

9nterpretarea rezultatelor


7/397

Proiectare Asistata de Calculator

PAC

eferinte $i$liografice

"$ 5roiectare asistata de calculator;0 Ovidiu 5op0 d$ Mediamira0 Cluoi>ova0 Ana 2usu4

CD2OM0 "???

($ S59C @Manualul tilizatorului

.$ T6e S59C Boo> Andrei ladimirescu0 J$ ille E Sons0 "??.


8/398

Proiectare Asistata de Calculator

PAC

CA% & Computer Aided%raftin3 0 Computer Aided%esi3n

ECA%& ElectronicComputerAided%esi3n

CAE& ComputerAidedEn3ineerin3

SPICE& SimulationPro3ramFit6Inte3ratedCircuitEmp6asis

PSPICE&Personal Computer S59C

CAI& Computer AidedInstruction

CA!& ComputerAided!anufacturin3

CAP* Computer Aided Plannin3

CA'& Computer Aided 'ualit Control

V(SI IC* Ver (ar3e Scale Inte3ration 0 Inte3ratedCircuitP(%* Pro3ramable (o3ic%evice

ASIC& ApplicationSpecific Inte3ratedCircuits

SoC& Sstem On C6ip

E%AE& Electronic %esi3n Automation Environment

)losar


9/39

INTO%*CEE IN TE+NICI(E %E SI!*(AE A

CIC*ITE(O

, !oti"are

%e ce sa simulam circuitele.

@ Tehnica de proiectare a anilor 1950 si 1960:

Construirea circuitelor din elemente discrete

!perimente prin construire de montaet


10/391!

DE CE SA FOLOSIM SPICE?

Circuitele actuale necesita de asemenea ec6ipament scump cum sunt sursele decurent0 3eneratoarele de semnal si osciloscoapele$ 5oate fi dificil sa construiesti

fizic fiecare circuit in parte$2ealizarea practica a unui circuit necesita un anumit timp si0 in unele cazuri ofera

doar o simpla idee despre functionarea lui0 pe cand0 S59C iti furnizeaza informatii

le3ate de functionarea circuituluiin cateva minute$ S59C poate fi placa de monta1:SPICE de"ine unealta standard de simulare

dezvoltarea versiunilor 5C #"?(:5S59C&

versiuni comerciale cu o mai buna interfata a utilizatorului0suport model0o mai buna

stabilitate si acuratete

inte3rarea in mediul proiectarii CA

- dez"oltarea celei 4de-a treia generatii te?nice5 pentru simularea la scara inalta a

circuitelor forturile a trei decenii s4au cristalizat in doua simulatoare de circuit acumcel mai des folosite0 S59C' si ASTA50 numit acum ASK

Anii ,//1: - o multime de "ersiuni comerciale $azate pe SPICE;3 SPICE@

- dez"oltarea algoritmilor pentru circuite foarte mari

- "ersiuni pentru sisteme multiprocesoare3supercomputere

- dez"oltarea simulatoarelor cu semnale mi#te

Anii ;111: o multime de module integrate CA%3CAE pentru circuitele V(SI su$micron


14/39

14

Stadiul actual

Simulatoare de uz general

SPICE famil=: S59C'$%0 S59C0 5S59C"+$I#din OrCAD0 acum Cadence&0

9sS59C#9ntoSoft&0 A9M4Spice($'0 MicroCap0 lectronicor>Benc60N

LDO #mod mi!t& #Anacad0 acum Mentorrap6ics&

SAB2 # nivel mi!t& #Analo3ie& Spectre #Cadence&

Simulatoare pentru Scopuri Speciale

27 si MicroFave #Spectre 27 @ Cadence0 MDS4 5 Soft0 Serenade4AnSoft&

Stead State #5roiectarea oscilatoarelor&

Analiza Simbolica

Simulatoare cu Domeniu Mi!t # lectro4Termic0 lectro4Mecanic0N&Analiza 9nterconectata

9ntre3imea Semnalului

Simulatoare E#perimentale# niversitate0 9nstitut de Cercetare& @unele pot deveni produse

Softare Educational

2S59C0 O5T9MA


15/39

15

INTRO!CERE IN SIM!"AREA PE CA"C!"ATOR

Inginerii invata in cursurile electronice de specialitate sa facaaproxiari sigure pentru a prezice !"# pentru circuite ici$

Analiza comportarii circuitelor electrice implica solutii simultane ale unuinumar de ecuatii$

Cea mai usoara problema este aceea de a 3asi punctul static de functionare#DC& a unui circuit liniar0 ceea ce implica rezolvarea unui set de ecuatiiderivate din le3ile lui irc66off si ecuatiile constitutive$#BCs&$

5entru un circuit mic cu elemente liniare0 descris prin dependentele liniaretensiune4curent0 solutia DC e!acta se poate determina prin calcule manuale$

#$ Sco%ul Si&ularii %e Calculator al Circuitelor Electrice


16/39

16

5entru circuite liniare mai mari0 solutia DC si in specialsolutiile domeniului frecventa sau domeniului timp sunt foarte

comple!e$

Analiza circuitelor care contin elemente descrise ca fiind orelatie neliniara intre curent si tensiune adau3a inca un nivel decomple!itate$


17/39

17

Alt nivel de comple!itate este adau3at cand este nevoie sa prezica

comportamentul in timp sau frecventa a unui circuit electric$

cuatiile neliniare devin ecuatii inte3ro4diferentiale0 care pot fi

rezolvate manual numai prin modelari cum sunt cele de semnal mic sau

alte restrictii de limitare$


18/39

18

'$ Ce este SPICE(

SPICE este un progra ce are ca scop general siularea de

circuite pentru un regi $C neliniar% tranzitoriu neliniar si analiza

&C neliniara'

Dupa cum s4a subliniat mai sus0 rezolva ecuatiile retelelor pentru

tensiunea in noduri$ 5ro3ramul este la fel de potrivit atat pentru a

rezolva circuitele electrice liniare cat si pe cele neliniare$


19/39

1

'$ Ce este SPICE(

Circuitele pot contine"

rezistoare0 capacitoare0 bobine surse independente de tensiune si curent0 surse dependente de tensiune si curent0 linii de transmisie0

cele mai comune dispozitive semiconductoare: diode0 tranzistoare cu le3aturi bipolare #BJT&0 tranzistoare cu efect


20/39

2!

Analiza DC a pro3ramului calculeaza punctul static de functionare al circuitului

cu capacitoarele deconectate si inductoarele scurt4circuitate$ S59C foloseste

trasee pentru a rezolva ecuatiile retelelor neliniare/ nelinearitatile se datoreaza in

principal caracteristicilor neliniare curent4tensiune #94& ale dispozitivelor

semiconductoare$

Analiza AC calculeaza valorile comple!e ale tensiunilor in nod ale unui circuit

linear ca si o functie de frecventa a unui semnal sinusoidal aplicat la intrare$

5entru circuite nelineare0 cum sunt circuitele cu tranzistoare0 acest tip de analiza

necesita modelul de semnal mic/ amplitudinea sursei e!citante se presupune a fimica in comparatie cu tensiunea termica pentru BJT # in PP t6* 'Im0 pentru

distorsiuni mici&$ )umai sub aceasta prezumtie circuitul nelinear poate fi inlocuit

de ec6ivalentul liniarizat in


21/39

21

Analiza tranzitorie calculeaza tensiunea la fiecare nod al circuitului ca si ofunctie 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 analiza0 asociate cu cele trei moduri de simulare de baza0sunt disponibile in #5&S59C$


22/39

22

Algorit&i de Si&ulare

Solutia procesului implementat in S59C pentru solutiile domeniului

timp este aratata in 7i3$ "$

9n 3eneral pro3ramul rezolva prima data pentru un punct static de

functionare stabil$ Solutia incepe cu o presupunere initiala a punctului

static de functionare0 care este urmat de itinerarii succesive pentru

rezolvarea ecuatiilor DC nelineare$

5rocesul repetat este reprezentat de spirala interioara in 7i3$ "$ Solutia

spre care conver3e procesul reprezinta fie valoarea 5S70 fie solutia

tranzitorie initiala$ Aceasta este solutia la momentul de timp zero


23/39

23


5rocesul se repeta pentru fiecare moment de timp la care ecuatiile

circuitului sunt rezolvate in analiza tranzitorie$

Solutia domeniului timp foloseste inte3rarea numerica pentru atransforma multimile de ecuatii diferentiale normale #OD& intr4omultime de ecuatii al3ebrice nelineare$

Analiza domeniului timp este inlocuita de o secventa de solutii Quasi4statice$


24/39

24



25/39

25


#n si$ulator de circuit este de%nit de ur$atoarele

secvente de algorit$i speci%ci"&a' o $etoda de integrare nu$erica i$plicita care

transfor$a ecuatiile diferentiale neliniare in ecuatiialge(rice neliniare &O)*'+

&(' liniari,area acestora printr-un algorit$ repetat

$odi%cat e/ton-0apson&c' eli$inarea gausiana si tenicile de $atrici care

re,olva ecuatiile liniare.


26/39

26

)$ PSPICE

alorile numerice precise sunt scrise in notatia numerelor flotante standard$

5Spice presupune unitatile lipsa pentru valorile componentelor numericedescrise si cantitati electrice$ Oricum0 valorile pot fi scalate urmarind numarulin scala de sufi!e potrivita0 ca in Tabelul "$

alorile numerice pot fi reprezentate indirect si de parametrii #5A2AM&alorile numerice si parametrii pot fi folositi impreuna pentru a forma e!presiiaritmetice$ 5Spice poate incorpora functii intrinseci #ABS0 SR2T0 K50 LO0

LO"+0 520 S9)0 COS0 TA)0 ATA)0 TABL0 L9M9T& si functii #7)C&$

, Valori numerice si e#presii


27/39

27

a(el 1. cala su%elor pentru valori nu$erice


28/39

28

)ucleul descrierii circuiteloril reprezintadescrierea elementelor si

modelelor8macromodelelor$

!primarea unui element #in netlist file& contine informatii de le3atura

#topolo3ia circuitului din sc6eme& si0 fie clar0 fie facand referinta la un

model8subcircuit #dintr4o biblioteca de modele&0 valoarea elementului

definit$

Ele&ente* Modele si Noduri


29/39

2


30/39

3!


31/39

31

Conventii

rmatoarele conventiitrebuie observate in definitiile circuitelor:

Un circuit trebuie sa contina intotdeauna un nod legat la masa% care

trebuie sa fie intotdeauna +$

Fiecare nod din circuit trebuie sa aiba cel putin doua elementeconectate la acesta% sin3urele e!ceptii sunt nodurile liniilor de transmisie

neterminate$

Fiecare nod din circuit trebuie sa aiba o legatura DC la masa $ 9n CC0

condensatoarele reprezinta circuite desc6ise si bobinele reprezinta

scurtcircuite$ Aceasta cerinta previne aparitia nodurilor flotante0 pentrucare pro3ramul nu poate 3asi puncte statice de functionare$


32/39

32

Deoarece S59C'$% standard foloseste analize nodale modificate pentrua rezolva atat nodurile de tensiune cat si curentii prin ramuri0 cum ar fi

sursele de tensiune si inductorii0 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.

O i i l i iil i d i


33/39

33

Orice incalcare a restrictiilor anterioare deter&inaa%aritia unui &esa+ de eroare si o%rirea %rogra&uluiSPICE$ Posibilele &esa+e de eroare si actiuni corectivesunt:

9n timpul decodarii informatiei0 !"pice verifica topolo3iacircuitului$ na dintre verificarile facute este aceea de a asi3ura ca nue!ista noduri flotante$ Daca e!ista asemenea noduri0 !"piceva indica oeroare pe monitor si fisierul output va contine un mesa< similar cu

urmatorul:

EROARE" Nodul X este fotant.Aceasta inseamna ca nu e!ista le3atura DC la pamant de la nodul !$

Cele doua capete ale liniei de transmisie nu au o cone!iune DC intreele: in e!emplul urmator nodul I are o cone!iune cu nodul + #masa&:

1 5 ! 4 8 !75 td2!ns

1. Nodurile fotante


34/39

34

Sursele controlate de tensiune nu au cone!iune DC cu nodurile

lor de control0 deci aceste surse nu conduc curent de la nodurile lor de

control$ 9n e!emplele urmatoare nodul I are cone!iune la masa:

*A 5 ! 4 8 1!!

A 5 ! 4 8 !.8

Cele doua parti ale capacitorului nu au cone!iune DC intre ele$ 9n

e!emplul urmator nodul I nu are le3atura DC la pamant:

C5 5 ! !.1u

In toate aceste cazuri solutia este urmatoarea: conectati circuitul

flotant la masa cu un rezistor 7de o$icei cu "aloare mare9

,!E)o?m8


35/39

35

n alt calcul de topolo3ie care este facut pentru fiecare circuit arescopul de a ne asi3ura ca nu e!ista bucle cu rezistenta +$ Daca e!ista05Spice va indica o eroare pe monitor si un fisier output va contine unmesa< ca cel care urmeaza:

EROARE: Voltage loop involving VxAceasta inseamna ca circuitul are o bucla de rezistenta +0 ce includesursa !$

Componentele cu rezistenta + in 5Spice sunt:surse de tensiuneindependente #&0 bobine #L&0 surse de tensiune volta


36/39

36

De notat este faptul ca nu e!ista nici o diferenta c6iar daca valorile

surselor de tensiune sunt + sau nu$ Avand rezistenta buclei + inseamna

ca pro3ramul are nevoie sa imparta "+ #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 !pice,este recomandat sa nu se scada sub

"micro-o#m. entru a fi mai precisi, alegeti o valoare care

apro$imeaza actuala rezistenta parazita a componentei.


37/39

37

9n timpul etapei de procesare a informatiei si a celei de verificare a unuipro3ram puteti intampina eroarea care afiseaza mesa


38/39

38

Calculul punctului static de functionare si analiza tranzitorie folosesc al3oritmi

de recurenta$

Acesti aloritmi incep cu un set de valori de tensiune si0 pentru fiecare

repetare0 ei calculeaza un nou set de tensiuni a nodurilor0 mai apropiate de

solutiile le3ilor lui irc66off$

Cu alte cuvinte% este folosita presupunerea initiala si% prin repetari succesive% se

verifica daca solutia converge la o valoare'

)$)$ Proble&e de Convergenta


39/39

5Spice este util in analiza ma

Curs1 Romana

Documents

Transcript of Curs1 Romana