Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» квалификации (степени) «бакалавр» и «магистр», будет полезно для студентов других радиотехнических и инфокоммуникационных специальностей, изучающих вопросы компьютерного проектирования РЭС. <...> За полстолетия простейшие программы анализа электронных схем превратились в современные системы сквозного проектирования радиоэлектронных средств (САПР РЭС), предлагая разработчику программное, математическое, информационное, методическое и др. обеспечение в рамках единого пользовательского интерфейса «человек — машина». <...> Ценность любого инструмента (и САПР РЭС в том числе) заключается не в его внешнем виде (пользовательском интерфейсе), а в том, насколько он способен реализовать поставленные цели, адекватно решая соответствующие практические задачи. <...> Сравнивая между собой большое число современных САПР РЭС, имеющих развитый пользовательский интерфейс (графические редакторы, расширенная информационная среда, большие библиотеки компонентов, многофункциональные постпроцессоры обработки и представления результатов) следует отметить их существенные недостатки: • закрытость коммерческих программных систем и, как следствие, слабая достоверность полученных результатов, вызванная отсутствием у пользователя сведений о применяемых моделях и методах численного решения; • чрезмерная универсальность, выражающаяся в большом числе вариантов пользовательских функций и предварительных настроек, лишь малая часть которых действительно необходима в практических приложениях; • устаревшее математическое обеспечение большинства САПР РЭС, основанное на разработанных ещё в 1970-е годы SPICEтехнологиях и методах численного интегрирования. <...> Преодоление указанных недостатков в автоматизированном проектировании РЭС возможно, на наш взгляд, только путём создания отечественных САПР РЭС, учитывающих <...>
Основы_компьютерного_проектирования_и_моделирования_радиоэлектронных_средств._Учебное_пособие_для_вузов._-_2016_(1).pdf
УДК 621.36.6:004.9 (075.8)
ББК 32.844-02я73
Т80
Р е ц е н з е н т ы : кафедра технологий и средств связи Уральского федерального
университета им. первого Президента России Б.Н.Ельцина; профессор
Российского государственного профессионально-педагогического университета,
доктор физ.-мат. наук
Трухин М. П.
Т80
Основы компьютерного проектирования и моделирования
радиоэлектронных средств. Учебное пособие для вузов. − М.:
Горячая линия – Телеком, 2016. – 386 с.: ил.
ISBN 978-5-9912-0449-1.
Рассмотрены методология и технология компьютерного проектирования
и моделирования радиотехнических средств. Основное внимание
уделено алгоритмическому и математическому обеспечению
разработки электронных схем, а также оптимизации вычислительных
процедур. Примеры работы алгоритмов иллюстрируются с помощью
пакета учебных программ АНАЛИЗ.
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Инфокоммуникационные
технологии и системы связи» квалификации
(степени) «бакалавр» и «магистр», будет полезно для студентов других
радиотехнических и инфокоммуникационных специальностей,
изучающих вопросы компьютерного проектирования РЭС.
ББК 32.844-02я73
Учебное издание
Трухин Михаил Павлович
Основы компьютерного проектирования
и моделирования радиоэлектронных средств
Учебное пособие
А
.
Д.
Ивлиев
А
д
рес изда
тель
ства в Интерне
т WWW.TECHBOOK.RU
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой
Вс
е
п
р
а
в
а защищены.
www.techbook.ru
©
М. П.
Трухин
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком
и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения пр
бы то ни было форме
авообладателя
»
Стр.2
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ. .......... .......... .......... .......... ..
Глава 1. Концепция проектирования электронных
средств ..... .......... ......... .......... .......... .
1.1. Классификация объектов и видов проектирования
электронного изделия ...... .......... ......... .......
3
Часть 1. ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ В ПРОЕКТИРОВАНИИ
РЭС
6
6
1.2. Подэтапы схемотехнического проектирования ....... . 11
1.3. Иерархия конструкторского проектирования РЭС ... 13
1.4. Методы решения задач современного синтеза РЭС .. 17
1.5. Автоматизация жизненного цикла электронных изделий
.. ......... .......... .......... .......... .......... 19
Вопросы и упражнения к главе 1 ....... ......... ..... 22
Глава 2. Автоматизация схемотехнического проектированиЯ
....... .......... .......... .......... ......... 23
2.1. Задачи автоматизированного схемотехнического проектирования
.. .......... .......... .......... .......... 24
2.2. Требования к математическим моделям и методам решения
задач схемотехнического проектирования ..... 30
2.3. Становление и развитие программ проектирования
электронных схем ... .......... ......... .......... .... 32
2.4. Современные проблемы автоматизации схемотехнического
проектирования цифровых схем ....... ......... . 38
Контрольные вопросы к главе 2 .. ......... .......... . 43
Глава 3. Программные средства разработки электронных
схем . .......... .......... .......... .......... .. 44
3.1. Программа схемотехнического моделирования MicroCap
........ .......... ......... .......... .......... .... 45
3.1.1. Назначение и область применения программы MicroCap
....... ........ ....... ........ ........ ....... ........ .. 45
3.1.2. Состав и связи программных модулей Micro-Cap .. .. 46
3.1.3. Интерфейс программы Micro-Cap-10 . ........ ....... 48
3.1.4. Основные функции схемотехнического анализа и синтеза
...... ........ ....... ........ ........ ....... ........ ... 50
3.1.5. Дополнительные возможности обработки результатов
анализа .. ....... ........ ....... ........ ........ ....... .... 53
Стр.382
Оглавление
383
3.2. Система сквозного проектирования OrCAD ........ .. 58
3.2.1. Назначение и область применения программы OrCAD 59
3.2.2. Состав и связи программных модулей OrCAD ..... . 61
3.2.3. Интерфейс OrCAD 16 при схемотехническом моделировании
........ ........ ....... ........ ........ ....... ..... 62
3.2.4. Дополнительные функции схемотехнического анализа
и синтеза . ....... ........ ........ ....... ........ ....... ... 66
3.3. Программа моделирования СВЧ-устройств MicroWave
Office ...... .......... .......... .......... .......... ... 67
3.3.1. Назначение и область применения программы MicroWave
Office ....... ....... ........ ....... ........ ........ ... 68
3.3.2. Состав и связи программных модулей MicroWave Office
2009 ...... ........ ....... ........ ........ ....... ........ 71
3.3.3. Интерфейс MicroWave Office ...... ....... ........ ... 73
Контрольные вопросы к главе 3 .. ......... .......... . 78
Часть 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И ТОПОЛОГИИ
ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
Глава 4. Физические модели компонентов электронных
схем ........ .......... .......... ......... .......... . 79
4.1. Элементы схем замещения ....... .......... .......... 79
4.2. Модели пассивных компонентов ... .......... ......... 87
4.3. Модели полупроводникового и туннельного диода .. . 94
4.4. Модели транзисторов и операционных усилителей ... 98
4.5. Определение параметров моделей диодов и транзисторов
. .......... .......... .......... ......... .......... .. 106
4.5.1. Методы прямого измерения ... ....... ........ ....... 106
4.5.2. Оптимизация параметров методом наименьших квадратов
...... ....... ........ ........ ....... ........ ........ . 108
4.5.3. Программа МОДЕЛЬ ... ....... ........ ........ ..... 110
Вопросы и упражнения к главе 4 ....... ......... ..... 114
Глава 5. PSPIСE-модели компонентов электронных
средств ..... .......... ......... .......... .......... . 116
5.1. Элементы языка описания схем PSPICE ......... .... 116
5.2. Источники напряжения и тока ..... .......... ........ 121
5.2.1. Независимые идеальные источники ........ ........ . 121
5.2.2. Зависимые источники ... ....... ........ ........ ..... 122
5.3. Пассивные компоненты .... .......... .......... ....... 125
5.4. Диоды ... .......... .......... .......... ......... ...... 129
5.5. Транзисторы ........ .......... .......... ......... .... 130
5.5.1. Биполярный транзистор ..... ....... ........ ........ 130
5.5.2. Полевой транзистор ..... ....... ........ ........ ..... 131
5.5.3. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом . 135
5.6. Макромодели .......... .......... .......... .......... . 137
Стр.383
384
Оглавление
5.6.1. СВЧ-транзистор .... ....... ........ ........ ....... .. 138
5.6.2. Операционный усилитель ...... ........ ........ ..... 140
5.7. Программные инструменты разработки моделей .. ... 143
Вопросы и задания к главе 5 .......... .......... ..... 147
Глава 6. Математические модели топологии электронных
схем . .......... .......... .......... .......... .. 148
6.1. Граф и его связь с топологией эквивалентной схемы . 148
6.1.1. Определения элементов графа ....... ........ ....... 149
6.1.2. Построение графа схемы .. ........ ........ ....... ... 152
6.2. Режимы анализа схемы и её топологические образы . 153
6.2.1. Одноместные операции в графе ..... ....... ........ . 153
6.2.2. Преобразования графа эквивалентной схемы . ....... 154
6.3. Матрично-топологическое описание эквивалентной
схемы .......... .......... .......... .......... ......... 156
6.3.1. Структурная матрица ...... ....... ........ ....... ... 156
6.3.2. Матрица главных сечений ... ....... ........ ........ 158
6.3.3. Матрица главных контуров .... ....... ........ ...... 159
6.4. Связи между топологическими матрицами А, П и Г.. 161
6.5. Программы ГРАФ и СХЕМА ....... ......... ......... 164
Вопросы и упражнения к главе 6 ....... ......... ..... 171
Часть 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
Глава 7. Базовые методыформирования уравнений схемы
....... .......... .......... .......... .......... ... 173
7.1. Математическая модель линейной схемы в однородном
базисе ........ .......... ......... .......... .......... .. 174
7.1.1. Метод контурных токов ....... ........ ....... ....... 176
7.1.2. Метод узловых потенциалов ....... ........ ....... .. 177
7.1.3. Формирование уравнений схемы с управляемыми источниками
.. ....... ........ ........ ....... ........ ........ 180
7.2. Математические модели схем в смешанном базисе ... 184
7.2.1. Табличный метод формирования уравнений линейной
схемы .... ....... ........ ........ ....... ........ ........ ... 184
7.2.2. Модифицированный метод узловых потенциалов .... 190
7.2.3. Машинная модификация узлового метода ..... ...... 193
7.2.4. Ручной узловой анализ активных цепей .... ........ . 195
7.2.5. Сравнение методов формирования уравнений ..... .. 200
7.3. ЦЕПЬ — программа анализа линейных электронных
схем в однородном координатном базисе ... .......... 200
7.3.1. Описание программы ЦЕПЬ ...... ....... ........ ... 201
7.3.2. Использование программы ЦЕПЬ для анализа линейных
схем ... ........ ....... ........ ....... ........ ........ . 204
Вопросы и упражнения к главе 7 ....... ......... ..... 207
Стр.384
Оглавление
385
Глава 8. Метод переменных состояния в анализе электронных
схем ... .......... .......... .......... .... 208
8.1. Уравнения состояния эквивалентных схем ..... ...... 209
8.2. Математическая модель схемы в методе переменных
состояния ....... .......... .......... .......... ........ 213
8.3. Формирование МПС-модели эквивалентной схемы .. . 215
8.4. Математическая модель схемы с вырождением ...... 220
8.5. СИСТЕМА — программа автоматического формирования
ММС в методе переменных состояния . ........ 224
Вопросы и упражнения к главе 8 ....... ......... ..... 231
Глава 9. Применение технологий разреженных матриц
в расчете электронных схем ..... .......... ..... 232
9.1. Проблемы численного решения большеразмерных систем
........ .......... .......... .......... .......... ... 232
9.2. Методы решения линейных алгебраических уравнений 235
9.2.1. Прямые методы ....... ........ ....... ........ ....... 236
9.2.2. Итерационные методы ....... ........ ........ ....... 242
9.3. Упорядочение систем линейных алгебраических уравнений
...... ......... .......... .......... .......... .... 247
9.4. Способы хранения большеразмерных матриц .. ...... 255
9.4.1. Методы с фиксированным объёмом памяти ........ . 256
9.4.2. Методы на основе связанных списков . ........ ...... 258
Вопросы и упражнения к главе 9 ....... ......... ..... 260
Часть 4. НЕЛИНЕЙНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННЫХ
СХЕМ В РЕЖИМЕ БОЛЬШОГО СИГНАЛА
Глава 10. Машинный анализ нелинейных электронных
схем в статическом режиме . .......... .......... 261
10.1. Математическая модель схемы в статическом режиме 261
10.2. Универсальные методы решения ММС в статическом
режиме .......... .......... .......... .......... ....... 265
10.2.1. Метод простой итерации ..... ........ ........ ...... 267
10.2.2. Метод Ньютона-Рафсона ....... ....... ........ .... 274
10.3. Специальные методы решения ММС в статическом режиме
...... .......... .......... .......... .......... ... 279
10.3.1. Метод вариации по напряжению питания . ........ . 279
10.3.2. Кусочно-непрерывный метод Ньютона-Рафсона ... . 281
10.4. СТАТИКА—программа расчёта нелинейных электронных
схем в статическом режиме ... .......... ......... 284
Задачи и упражнения к главе 10 ......... ......... ... 290
Глава 11. Традиционный анализ нелинейных электронных
схем в динамическом режиме . .......... .. 291
Стр.385
386
Оглавление
11.1. Математическая модель схемы в динамическом режиме
...... .......... .......... .......... .......... ... 291
11.2. Методы численного интегрирования ММС ... ........ 295
11.2.1. Методы Эйлера ...... ........ ........ ....... ....... 297
11.2.2. Метод трапеций ..... ....... ........ ........ ....... . 305
11.2.3. Методы Рунге–Кутты . ....... ........ ........ ...... 308
11.2.4. Точность и устойчивость методов интегрирования . 313
11.3. ДИНАМИКА— программа динамического анализа нелинейных
электронных схем .. .......... .......... .... 318
11.3.1. Описание программы ДИНАМИКА ........ ....... . 318
11.3.2. Использование программы ДИНАМИКА ... ....... 320
Вопросы и упражнения к главе 11 ......... ......... .. 325
Глава 12. Современные численные методы анализа динамических
моделей ... .......... .......... ...... 326
12.1. Линейные многошаговые формулы .......... ......... 326
12.1.1. Методы прогноза ...... ....... ........ ....... ...... 328
12.1.2. Методы коррекции ..... ........ ....... ........ ..... 331
12.1.3. Формулы дифференцирования назад ...... ........ . 334
12.1.4. Методы Адамса ...... ....... ........ ....... ........ 337
12.2. Свойства ЛМШ-формул ....... .......... .......... ... 339
12.2.1. Условия корректности коэффициентов ЛМШ ... ... 339
12.2.2. Устойчивость ЛМШ-формул ... ........ ........ .... 340
12.2.3. Выбор порядка аппроксимирующего полинома .... . 344
12.2.4. Расчёт локальной ошибки интегрирования ... ...... 345
12.3. Методы Гира .......... .......... ......... .......... .. 346
Контрольные вопросы к главе 12 .... ......... ........ 353
Глава 13. Дискретные модели электронной схемы ...... 355
13.1. Простые дискретные модели реактивностей .. ........ 355
13.1.1. Дискретные модели ёмкости . ....... ........ ....... 356
13.1.2. Дискретные модели индуктивности .. ........ ...... 361
13.1.3. Дискретные модели взаимных индуктивностей .... . 362
13.2. Обобщенные дискретные модели реактивностей .. .... 364
13.2.1. Модель емкости ..... ........ ....... ........ ....... . 365
13.2.2. Модели индуктивностей ........ ....... ........ .... 368
13.3. Формирование и решение обобщенной дискретной модели
. ......... .......... .......... .......... .......... 369
13.4. Программа ДИСКРЕТ — расчет линейных электронных
схем в динамическом режиме ... ......... ........ 375
Вопросы и упражнения к главе 13 .......... .......... 377
Литература . ....... .......... .......... .......... .... 379
Стр.386