Тема: “ Cистема сквозного проектирования электронных устройств Orcad ”

1.Введение.

2.Состав системы OrCAD.

3.Графический ввод схем.

4.Моделирование аналоговых и цифровых устройств.

Структура текстового задания на моделирование.

5. Математическое описание моделей компонентов

5.1 Диод.

6.Модели цифровых компонентов

6.1.Основные понятия.

6.2. Устройства интерфейса.

6.2.2 Цифро-аналоговый интерфейс.

7. Пример расчета электрической схемы.

Аналого-цифровой преобразователь.

Проектирование электронной аппаратуры представляет собой итерационный процесс, состоящий из этапов функционального проектирования, разработки принципиальной схемы, печатной платы, её изготовления, проведения испытаний, доработки по их результатам принципиальной или функциональной схемы, внесения изменений в печатную плату и т.д. и осуществляемый до тех пор, пока не будут удовлетворены все требования технического задания. С повышением сложности аппаратуры, переходом к более высоким диапазонам частот, применением смешанных аналого-цифровых устройств число итераций увеличивается. Связано это с тем, что аналитически трудно учесть паразитные эффекты, присущие как электронным компонентам, так и проводникам печатных плат, и их взаимное влияние. Единственный выход из положения заключается в организации сквозного моделирования как идеальной схемы, так и реальной конструкции и её испытаний при действии различных дестабилизирующих факторов и учета разброса параметров. Наиболее полно эти задачи решаются на рабочих станциях с применением программного обеспечения корпорации Mentor Graphics, Cadence и др. Однако дороговизна такого решения делает его невозможным для широкого применения. На платформе персональных компьютеров в настоящее время имеется единственная система обеспечивающая сквозное проектирование аналого-цифровых аппаратуры – система ORCAD.

Основу системы составляет программа PSpice, которая является наиболее известной модификацией программы схемотехнического моделирования SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанной в начале 70-х годов в Калифорнийском университете г. Беркли. она оказалась очень удачной, с тех пор интенсивно развивается и стала эталонной программой моделирования аналоговых устройств. Принятые в ней математические модели полупроводниковых приборов используются во многих аналогичных программах, а списки соединений схемы в формате SPICE составляются большинством пакетов САПР (Micro-Cap, Dr.Spice, OrCAD, P-CAD, ACCEL EDA, Viewlogic, COMPASS, Design Architect и др.). Первая версия программы PSpice для IBM PC создана в 1984 г. корпорацией MicroSim. Это и последующие версии используют те же алгоритмы, что и SPICE, тот же формат представления входных данных.

Графический редактор Capture CIS пакета OrCAD позволяет создавать чертежи принципиальных схем и передавать управление программам PSpice A/D, PLogic, StmEd, Probe, Parts PSpice Opimizer, PLSyn , PCBoard.

Изучение основных команд редактора Capture CIS не занимает много времени. Однако необходимо иметь представление о работе в среде MS Windows 95/98/NT.

Возможность редактирования символов – условных графических обозначений отдельных компонентов – и нанесения надписей на схему по-русски позволяет создавать чертежи принципиальных схем в соответствии с отечественными стандартами. Поддерживаются иерархические и многостраничные структуры. Информация о принципиальных схемах, созданных в редакторе Capture CIS, в виде списка соединений передается в системы разработки печатных плат CADStar, PADS, Protel, P-CAD, Tango, Scicards и, конечно, в собственный редактор PCBoard для упаковки на печатные платы; поддерживается международный стандарт EDIF. Редактор управляется с помощью системы ниспадающих меню. Имеется встроенное средство помощи для получения краткой информации о правилах работы с редактором.

Предусматривается очень интересная возможность моделирования функциональных схем устройств. Каждому блоку функциональной схемы можно поставить в соответствие несколько схем его замещения. Сначала проводиться моделирование на уровне функционального описания каждого блока. Затем для ряда блоков составляются их принципиальные схемы ( причем в нескольких вариантах ) и выполняется моделирование устройства без перечерчивания функциональной схемы.

Задание на моделирование для программы PSpice заносится в в текстовые файлы. При графическом вводе схем с помощью программы Capture CIS создается три файла с одинаковым именем и расширениями .opj, .dsn и .dbk. При составлении этого задания непосредственно с помощью текстового редактора достаточен один файл с расширением .opj. На бумаге составляется принципиальная схема и присваиваются имена всем её узлам ( при графическом вводе с помощью Capture CIS это делать не обязательно ). Имена узлов могут быть целыми числами или алфавитно-цифровыми символами не более 131 символа. В качестве этих символов используются буквы латинского алфавита от A до Z, цифры 0-9, и знаки “$”, “_”, “*”, “/”, “%”. Стандартное обозначение ряда узлов приведено с таблице 1.

Таблица 1. Глобальные узлы.

Логические состояния цифровых узлов $D_HI, $D_LO, $D_X поддерживаются постоянными независимо от того, с чем они соединены. Узел $D_NC применяется для обозначения неиспользуемых выводов ( аббревиатура NC означает Not Connected – нет подключения), чтобы при проверке схемы они не включались в список ошибок.

При ссылке на цифровые имена узлов они заключаются в круглые скобки, например V(6) – потенциал узла 6. Имена узлов в виде алфавитно-цифровых символов при ссылках на них дополнительно заключается в квадратные скобки [ ], чтобы отличить их от имён компонентов. Например, потенциал узла IN обозначается как V([IN]), V(12) – напряжение на источнике тока I2.

В программе существует соглашение, что все узлы, имена которых начинаются с символов $G_ , являются глобальными, например, узел $G_POS. Глобальные узлы используются в схемах, имеющих макромодели. Глобальные узлы с одинаковыми именами автоматически соединяются в основной цепи и во всех макромоделях. С их помощью удобно прокладывать цепи питания, синхронизации и т.п. (узел “земля” является всегда глобальным).

Предложением входного языка PSpice делается на описания компонентов и дерективы.

Описание компоненты считается любая строка, не начинающаяся с символа “.”. Описание компонента имеет следующую структуру:

<имя компонента> <номера двух или более узлов> [<имя модели>] <числовые данные>

Имя компонента состоит из последовательности символов латинского алфавита и цифр, общая длина имени не должна превосходить 131 символ. Первый символ – одна из букв латинского алфавита от A до Z, далее в любом порядке – алфавитно-цифровые символы и знаки $, , *, /, %. Первый символ имени компонента определяет его тип. При графическом вводе схем с помощью программы CAPTURE CIS пользователь может вводить первый символ имени компонента по своему усмотрению, а при составлении текстового описания схемы для передачи его в PSpice к именам всех компонентов будут в соответствии с таблицей №2 добавлены префиксы – это выполняется в соответствии с шаблонами символов компонентов TEMPALE. Поэтому на схемах можно именовать, не придерживаясь приведенных правил. Например, транзисторы всех типов можно согласно ЕСКД именовать как V1, V2, V3 …, а при составлении текстового описания схемы биполярный транзистор получит имя Q_V1, полевой – J_V2, МОП-транзистор – M_V и так далее.

Таблица №2. Первые символы имени компонентов.

Хочу заметить, что помимо перечисленных выше компонентов схем в состав моделируемого устройства могут входить и не электронные элементы (электрические машины, системы автоматического управления и др.), оформленные в виде макромоделей.

Номера узлов подключения к схеме перечисляются в определенном порядке, установленном для каждого компонента. Имя модели компонента не является обязательным параметром. Далее указывается численные значения параметров компонента.

Сопротивления, емкости и индуктивности должны быть постоянными величинами (зависимость от времени или от токов и напряжений, к сожалению, не допускается). Они могут быть как положительными, так и отрицательными величинами. Исключение составляет анализ переходных процессов, где отрицательные значения емкостей могут привести к ошибками расчете. В любом случае нулевые значения параметров компонентов не допускаются.

Рис.1. Нелинейная модель

полупроводникового диода

Таблица № 3. Параметры модели диода.

Вольт-амперные характеристики диода. Ток диода

представляется собой в виде разности токов .

Зависимость аппроксимируют ВАХ при положительном напряжении на переходе V. Здесь

- нормальная составляющая тока;

- ток рекомбинации;

- коэффициент инжекции;

= для IKF0;

- коэффициент генерации.

Ток диода при отрицательном напряжении на переходе характеризует явление пробоя. Он имеет две составляющие:

где

=IBVL exp [-(v+BV)/(NBV*];

=IBVL exp [-(v+BV)/(NBVL*],

- температурный потенциал перехода (0,026 В при номинальной температуре 27); - постоянная Больцмана; - заряд электрона; Т – абсолютная температура p-n перехода.

Емкость перехода С равна:

В программе PSpice используется схема замещения биполярного транзистора в виде адаптированной модели Гуммеля-Пуна, которая по сравнению с исходной моделью позволяет учесть эффекты, возникающие при больших смещениях на переходах. Эта модель автоматически упрощается до более простой модели Эберса-Молла, если опустить некоторые параметры. Эквивалентные схемы этих моделей для p-n-p – структуры изображены на рис.2.

При реализации интегральных n-p-n и p-n-p – транзисторов на одной подложке n-типа в схеме замещения транзистора (рис.2.1), необходимо изменить полярность диода, включенного между коллектором и подложкой, чтобы диоды транзисторов двух типов были включены одинаково.

Первоначально программа PSpice была предназначена для моделирования чисто аналоговых устройств. В версии PSpice 3.05 появилась возможность логического моделирования цифровых устройств и интерфейса между аналоговыми и цифровыми компонентами. Однако при этом аналоговые и цифровые блоки должны были располагаться последовательно. Сначала, например, моделируется аналоговый блок, а результаты расчетов оцифровываются и записываются в файл, который передается в отдельную программу логического моделирования цифрового устройства, и наоборот. Начиная с версии 4 программа PSpice обеспечивает принципиально новую возможность моделирования произвольных смешанных аналого-цифровых устройств и не содержит аналоговых блоков. Обычно смешанные цепи моделируются в режиме .TRAN (расчет переходных процессов), однако другие режимы также доступны. В режиме .DC задержки сигналов в цифровых блоках игнорируются и рассчитываются логические уровни выходов цифровых устройств в стационарном режиме. В режимах .АС, .NOISE, .TF и .SENS цифровые компоненты не участвуют в анализе малосигнальных частотных характеристик цепи, лишь для аналоговых частей аналого-цифровых и цифро-аналоговых интерфейсов составляются линеаризованные схемы замещения их входных и выходных комплексных сопротивлений. Обсудим специфику моделирования цифро-аналоговых устройств.

Смешанные аналого-цифровые цепи состоят из компонентов трех типов:

1. Аналоговые компоненты;
2. Устройства сопряжения аналоговых и цифровых компонентов (устройства интерфейса);
3. Цифровые компоненты;

1. Аналоговые узлы, к которым подключены только аналоговые устройства;
2. Цифровые узлы, к которым подключены только цифровые устройства;
3. Узлы интерфейса, к которым подключена комбинация аналоговых и цифровых устройств.

Программа PSpice автоматически расщепляет каждый узел интерфейса на два узла – чисто аналоговый и чисто цифровой – и включает между ними макромодель аналого-цифрового или цифро-аналогового интерфейса. Кроме того, к моделям интерфейсов автоматически подключается источник питания цифровых схем.

Логические уровни цифровых узлов принимают одно из шести значений:

При вычислении логических уровней узлов, к которым подключено несколько цифровых компонентов, принимаются во внимание выходные сопротивления источников сигналов.

Устройства интерфейса включаются между аналоговыми и цифровыми компонентами и выполняют две функции. Во-первых, с их помощью при моделировании электрических процессов в аналоговой части цепи задаются схемы замещения входных и выходных каскадов цифровых компонентов, соединенных непосредственно с аналоговыми компонентами. Во-вторых, они обеспечивают преобразование электрического напряжения в логический уровень и наоборот, чтобы обеспечить обмен данными между подпрограммами моделирования электрических процессов в аналоговой части цепи и логического моделирования цифровой части. Они подразделяются на устройства передачи данных от аналоговых на вход цифровых компонентов, называемые интерфейс А/Ц (Digital Output – цифровой вход), и на устройства передачи данных от цифровых на вход аналоговых компонентов, называемые интерфейс Ц/А (Digital Input – цифровой вход).

Если аналоговые и цифровые компоненты взаимодействуют в процессе моделирования, устройства интерфейса включаются в схему замещения цепи автоматически, когда они соединяются друг с другом. Пользователь при этом не включает устройство сопряжения на схему или файл описания цепи. Для обеспечения такого режима предварительно в библиотеки цифровых компонентов включаются ассоциируемые с каждым компонентом модели устройств интерфейса, оформленные в виде макромоделей. При расщеплении узла интерфейса для автоматического включения устройства интерфейса программа PSpice создает новый цифровой узел. Узел интерфейса характеризуется электрическим напряжением, а дополнительный цифровой узел – логическим состоянием. Пользователь имеет право непосредственно включить в описание цепи устройства интерфейса А/Ц и Ц/А, при этом программа новые устройства включать уже не будет.

Каждому реальному цифровому компоненту в программе PSpice ставиться в соответствие:

1. два устройства интерфейса для сопряжения с аналоговыми устройствами, которые могут подключаться к его входу и выходу, названные для краткости интерфейсами Ц/А и А/Ц; они осуществляют обмен данными между подпрограммами моделирования аналоговых и цифровых устройств программы PSpice;
2. модели вход/выход, отображающие его входные и выходные комплексные сопротивления;
3. модели динамики, учитывающие запаздывание сигналов. Модели цифровых компонентов и ассоциируемые с ними сопутствующие модели помещаются в специальные библиотеки.

• в модуль логического моделирования PSpice ;
• в файл ( позднее этот файл может быть просмотрен визуально или использован в качестве источника цифрового сигнала при логическом моделировании в следующем сеансе).

Цифро-аналоговый интерфейс предназначен для преобразования логического уровня выходных сигналов цифровых компонентов ( “1”, “0”, “Х”, “R”, “F” или “Z” ) в аналоговое напряжение. Эти устройства включают на входе аналоговых компонентов. Аналоговое напряжение образуется с помощью источника опорного напряжения и делителя на резисторах, сопротивления которых изменяется программно в соответствии с логическим уровнем цифрового сигнала. Информация о логическом уровне сигнала может быть получена их двух источников:

• в программе расчета временной диаграммы логических устройств с помощью программы PSpice;
• из файла, который создан предварительно вручную или образован в результате моделирования в предыдущем сеансе работы с программой.