TCAD simularea ierarhică și funcțională

Scopul lucrării

1. Evidenţierea modului de simulare ierarhic şi a modelării şi simulării funcţionale a circuitelor şi sistemelor electronice complexe corespunzătoare simulatorului de circuit de uz general SPICE – versiunea MicroSim PSpice.

2. Simularea ierarhică a unor configuraţii elementare cu AO şi a unor circuite digitale, precum şi modelarea funcţională şi/sau macromodelarea câtorva tipuri de circuite analogice: AO, VCO.

Breviar teoretic

În acest capitol vor fi prezentate câteva concepte ce aparţin modelării şi simulării circuitelor şi sistemelor electronice complexe.

Până acum am prezentat modul în care se simulează funcţionarea circuitelor reprezentate structural. Simularea circuitelor complexe reprezentate structural conduce la rezultate precise dar într-un timp destul de lung.

Durata analizei creşte proporţional cu numărul de elemente de circuit, mai ales în cazul în care circuitul conţine multe dispozitive neliniare. Putem concluziona că durata analizei fixează o limită pentru complexitatea circuitelor ce pot fi simulate la nivel structural.

Soluţia micşorării duratei de simulare în cazul circuitelor cu număr mare de elemente este oferită de simularea ierarhică şi funcţională (sau comportamentală). Metoda de simulare ierarhică constă în gruparea mai multor componente în blocuri funcţionale (amplificatoare, oscilatoare, integratoare, derivatoare, blocuri ce realizează funcţii logice, etc.).

MicroSim PSpice oferă posibilitatea definirii blocurilor funcţionale ca subcircuite. Blocurile funcţionale pot fi descrise şi prin modele funcţionale, ce combină primitive SPICE şi funcţii arbitrare. Cea mai simplă reprezentare a funcţiei unui bloc este modelul ideal.

Simularea circuitelor reprezentate prin modele funcţionale poartă denumirea de simulare funcţională sau comportamentală. Acest tip de simulare funcţională, numită şi simulare la nivel înalt, asigură timpi de simulare mici, dar precizia şi convergenţa nu sunt întotdeauna cele adecvate. De aceea, uneori se preferă o combinaţie între reprezentarea structurală şi cea comportamentală cunoscută sub denumirea de macromodel. Macromodelul poate cuprinde toate sau numai o parte a efectelor de ordin unu şi doi ale unui circuit utilizând însă un număr de elemente considerabil mai mic.

Subcircuitul PSPICE şi ierahia circuitului

Dacă un bloc de circuit apare de mai multe ori într-un circuit cu număr mare de componente sau dacă este utilizat în mai multe tipuri de circuite, atunci poate fi definit ca un subcircuit. Referirea la acest bloc se va face ca la un element individual de circuit, denumit instanţă subcircuit (subcircuit instantion), care poate fi conectat oriunde într-un circuit sau sistem.

Elementele care formează un subcircuit sunt precedate de declaraţia de control de tipul:

.SUBCKT <nume > [nod]* [OPTIONAL: <<nod interfaţă>=<valoare implicită>*]

+ [PARAMS: <nume>=<valoare>*] [TEXT:<<nume>=<valoare text >>* ]

şi încheierea definirii subcircuitului este marcată prin declaraţia .END.

În declaraţia de control .SUBCKT semnificaţia argumentelor şi opţiunilor este următoarea:

- <nume > - defineşte în mod univoc subcircuitul;

- [nod]* - lista nodurilor (pinilor) externe;

- [OPTIONAL] - permite specificarea unuia sau mai multor noduri (pini) în definiţia subcircuitului;

- [PARAMS] - listează parametrii ce caracterizează funcţional subcircuitul;

- [TEXT] - precizează fişiere ce includ informaţii utile pentru sintaxa subcircuitului.

Sintaxa subcircuitului include:

- declaraţii de element ce descriu structura şi chiar funcţiile circuitului;

- declaraţii globale: .PARAM, .MODEL, .FUNC, .IC şi .NODESET;

- parametrii subcircuitului (variabile accesabile din circuitul de nivel înalt).

Nodurile ce apar în declaraţia .SUBCKT sunt nodurile sale externe (pinii) care pot fi conectate sau referite în circuitul de nivel înalt. Nodul de masă (nodul 0) este un nod global pentru circuitul de nivel înalt şi pentru subcircuit. Nodurile subcircuitului nu trebuie notate cu zero.

Pentru a defini un subcircuit din MicroSim Schematics se procedează astfel:

• se alege nivelul ierarhic al blocului pentru care se doreşte crearea unui subcircuit;

• din meniul Draw, submeniul Get New Part, se plasează interfeţele tip port IF_IN, IF_OUT, INTERFACE etc. pentru intrările şi ieşirile subcircuitului.