Как работает моделирование электрических схем печатных плат?
Что такое моделирование электрических схем?
Моделирование схем – это процесс проверки и подтверждения функциональности электрических/электронных схем печатных плат перед их производством. Этот метод используется в широком спектре приложений, начиная с микроэлектроники и интегральных схем и заканчивая силовой электроникой и энергораспределительными сетями.
Моделирование выполняется как на линейных, так и нелинейных цепях в зависимости от требований проекта. Моделирование схем включает:
- математическое моделирование элементов и устройств схемы;
- формулировку уравнений схемы/сети;
- методы решения этих уравнений.
Линейные и нелинейные цепи
Линейная цепь – это цепь, в которой протекающий через нее ток прямо пропорционален напряжению цепи. Соотношение между
током и напряжением в линейной цепи показано на рис. 1.
Нелинейная цепь – это цепь, в которой протекающий по ней ток не прямо пропорционален напряжению в цепи, в результате чего график зависимости напряжения от тока выглядит как кривая (рис. 2).
Моделирование цепи
Моделирование – это проектирование схемы с использованием программы схемотехнического редактирования с последующей проверкой. В ходе проверки на работу схемы оказывают воздействие постоянные или изменяющиеся входные данные, а полученные результирующие выходные сигналы регистрируются и анализируются.
Создаваемые во время процедуры модели предназначены для имитации поведения компонентов схемы в заданных условиях с целью получения выходных сигналов идентичных тем, что формировались бы при фактическом функционировании платы.
Модель устройства
Модель – это, по сути, аналитическое представление, полученное с помощью теоретических и экспериментальных исследований. Переменные и константы, составляющие это аналитическое представление, называются параметрами модели. Кроме того, принимаются во внимание и параметры устройств, которые используются для воспроизведения реальных характеристик компонента на симуляторе.
Модель IBIS
IBIS (спецификация, описывающая входные и выходные буферы интегральных схем) – это поведенческая модель, которая детализирует электрические характеристики цифровых входов и выходов устройства. Для анализа используются данные V/I (напряжение в зависимости от тока) и V/T (напряжение в зависимости от времени), позволяя описывать параметры без выдачи лишней производственной информации. Модель IBIS предназначена для анализа целостности сигналов на системных платах.
Типы моделирования
В этой статье описано моделирование аналоговых цепей. Ниже рассматриваются модели нескольких типов.
Аналоговое моделирование
Для получения точных выходных сигналов, соответствующих входным, в процессе моделирования аналоговой схемы используются детальные модели электронной схемы.
Моделирование, как пояснялось ранее, выполняется для линейных и нелинейных цепей и осуществляется в следующих режимах:
- AC (frequency domain) – анализ в частотной области;
- DC (non-linear quiescent) – анализ нелинейных цепей на постоянном токе;
- Transient (time-domain) – анализ во временной области.
Аналоговые модели используют алгоритмы для анализа поведения схемы в разных режимах. Такие алгоритмы применяют матричные методы решений для прогнозирования работоспособности схемы. В аналоговом моделировании распространение сигналов описывается непрерывно изменяющимися значениями.
Цифровое моделирование
Моделирование цифровых схем включает в себя анализ поведения схем, которые генерируются с помощью языка описания оборудования (HDL). В этом методе, в отличие от аналогового моделирования, описываются дискретные значения напряжения, в основном логический 0 и логическая 1. При таком распространении сигнала метод использует разную точность для разных значений задержки на время распространения сигнала; при этом затрагиваются все логические уровни. Данный метод позволяет моделировать гораздо более крупные схемы за меньшее время и за счет меньших вычислительных ресурсов по сравнению с аналоговым моделированием.
Моделирование смешанных сигналов
Данный подход объединяет методы аналогового и цифрового моделирования. В этом случае схема делится на две отдельные системы (аналоговую и цифровую), после чего в каждом ее сегменте проводится соответствующий анализ. Цифровое моделирование управляется событиями, тогда как аналоговые сигналы остаются такими, какие они есть.
Типы анализа схем
При моделировании для получения полной информации о схеме применяются разные типы анализа.
Анализ переходных процессов
Анализ переходных процессов относится к анализу цепи в период ее перехода от одного устойчивого состояния к другому. Электрические цепи подвергаются быстрым изменениям при размыкании или замыкании переключателей, при внезапном изменении источника и т.д. Когда происходит такое изменение, цепь, которая находилась в определенном устойчивом состоянии, перейдет в другое устойчивое состояние. Время между двумя устойчивыми состояниями называется переходным периодом. Анализ переходных процессов используется для изучения того,
как изменятся ток и напряжение в течение переходного периода.
Анализ характеристической функции
Передаточная функция электронной схемы – математическая функция, которая используется для теоретического моделирования выходного сигнала устройства для каждого возможного входного сигнала. Функцию можно представить в виде графика (передаточной кривой), отражающего зависимость выходного сигнала от входного. После получения кривой осуществляется ее анализ.
Анализ шумов
Шумы и помехи относятся к нежелательным изменениям тока или напряжения, которые обычно носят случайный характер и имеют небольшую амплитуду. Каждый электронный компонент генерирует шум. Такой шум может иметь как внутренний, так и внешний источник. Шум в цепи можно измерить с помощью параметра, называемого отношением сигнал/шум (SNR), то есть соотношением требуемого сигнала к нежелательному сигналу или шуму. SNR измеряется в децибелах (дБ).
Анализ рабочей точки
Рабочая точка – определенная точка в рабочих характеристиках электронного компонента. Анализ с использованием этой точки проводится в отношении цепей с постоянными источниками, где напряжение и ток так же постоянны. Рабочую точку можно измерить с помощью цифрового мультиметра и в процессе моделирования, выбрав интересующий компонент в программном обеспечении.
постоянного тока
Программное обеспечение для моделирования схем
SPICE (программа моделирования с упором на интегральные схемы) – распространенный механизм моделирования схем с открытым исходным кодом. Эта программа, которая работает по описывающему схему списку соединений, может выполнять симуляции. Список соединений – текстовый блок, описывающий каждый компонент в схеме и места подключения компонентов. LTspice – еще одно программное обеспечение с открытым исходным кодом для моделирования схем, похожее на SPICE.
Моделирование схем с использованием LTspice от Analog Devices
Ниже перечислены некоторые основные схемы и их особенности.
Анализ по постоянному току
Сначала рассмотрим простую схему делителя напряжения (рис. 4). У нее имеется вход постоянного тока 10 В через резисторы 10 кОм и 5 кОм. На выходе также имеется конденсатор.
На рис. 5 показаны входные и выходные уровни постоянного тока. Видно, что выходное напряжение V(output) составляет 3,333 В. Теперь давайте изменим входной сигнал с постоянного тока на синусоиду амплитудой 1 В и частотой 1 кГц (рис. 6) и проанализируем напряжение и ток на конденсаторе.
На рис. 7 показаны входное и выходное напряжения. Кроме того, имеется возможность построить график тока и мощности, потребляемой любым компонентом. Ток через конденсатор С1 отстает от напряжения (рис. 8).
Теперь подадим импульсный входной сигнал. Для этого выберем импульс с периодом времени 1 мс, временем нарастания и спада 10 нс, амплитудой 5 В и временем включения 0,2 мс (рис. 9).
На выходе (рис. 10) наблюдается рост напряжения на конденсаторе (синяя кривая), когда вход активен, а входное напряжение составляет 5 В (красная кривая). Ток в конденсаторе (зеленая кривая) резко возрастает при положительном токе и медленно стремится к нулю по мере зарядки конденсатора. Когда напряжение становится равным нулю, конденсатор разряжается, ток становится отрицательным и медленно падает до нуля.
Анализ по переменному току
Далее проведем анализ по переменному току (рис. 11). В этом случае необходимо указать тип развертки, количество показаний, начальную и конечную частоту для запуска анализа по переменному току цепи (рис. 12).
Давайте рассмотрим немного более сложную схему, например полосовой LC-фильтр с центральной частотой 50 МГц (рис. 13). Далее настроим развертку переменного тока. На построенном графике выходного сигнала видно затухание на разных частотах; центральная частота составляет около 50 МГц (рис. 14).
Заключение
Для разработчиков печатных плат моделирование схем является бесценным инструментом, который помогает понять поведение схемы непосредственно до изготовления платы, благодаря чему появляется возможность повысить технологичность печатной платы и тем самым предотвратить дорогостоящую переделку неэффективного проекта.
Литература
1. The Sierra Circuits Team. How Does Circuit Simulation Work? // www.protoexpress. com/blog/how-does-circuit-simulation-work/
Комментирует Сергей Шихов, директор по управлению проектами А‑КОНТРАКТ:
Предварительное моделирование – очень полезный этап разработки электронного устройства. На модели можно быстро и наглядно оценить правильность выбранного схемотехнического решения; при этом нет необходимости расходовать материальные ресурсы (электронные компоненты). В то же время следует помнить, что любая модель по определению ограничена и не может в полной мере отразить реальное поведение схемы, но многие ошибки можно исключить благодаря такому методу как моделирование.
Эта статья была переведана и опубликована в журнале «Электронные компоненты», № 11’2024 при поддержке А-КОНТРАКТ. Скачать статью в формате pdf можно по ссылке ниже.
