Глава 5. Компьютерное моделирование электронных схем

После того, как выбрана схема генератора, определены значения компонентов, проектировщик должен был убедиться, что предложенная им схема работоспособна. До недавнего времени нужно было собрать и отладить макет. При этом под руками должны быть все необходимые детали и измерительные приборы. Да и ошибок в монтаже допускать не желательно.

Ситуация резко изменилась, когда стадию макетирования заменили компьютерным моделированием. Рабочим столом с электронными компонентами и измерительными приборами стал экран монитора, а паяльником — «мышка». Чтобы промоделировать устройство, нужно выполнить следующие действия:

• создать графическое изображение принципиальной электрической схемы и задать свойства компонентов;
• наблюдать характеристики электрических сигналов в разных частях схемы (осциллограммы, амплитудно-частотные характеристики и пр.);
• внести при необходимости изменения в схему и изменить свойства компонентов и повторить цикл.

На первом этапе используют графический редактор, позволяющий составить принципиальную схему. Составные части схемы, как правило, подразделяются на компоненты общего назначения и библиотечные компоненты. Первые обычно «встроены» в графический редактор, и их изображение нельзя изменить по вашему усмотрению. Это относится к соединительным проводам, жгутам, условным обозначениям соединений с общим проводом и питанием, портам ввода-вывода и т.п. Что же касается библиотечных компонентов – транзисторов, операционных усилителей и пр., их графические изображения хранятся в библиотечных файлах и могут быть изменены с помощью специального графического редактора.

В чём главная особенность библиотечных компонентов? Прежде всего в том, что их графических изображений для моделирования недостаточно. Необходимо как-то описать их работу.

В любой системе моделирования работа электронного компонента описывается моделью и списком параметров. Модель, иногда её называют схемой замещения, можно представить состоящей из элементарных компонентов, которыми замещают сложный компонент. Так, например, простейшая модель транзистора, включённого с общим эмиттером, в режиме малого сигнала состоит из управляемых генераторов тока, резисторов и конденсаторов. Именно они определяют параметры модели: значения ёмкости между электродами, тока, напряжения и т.д. Совершенно очевидно, что ни одна модель не в состоянии описать поведение компонента с абсолютной точностью. Тем не менее, существуют модели, позволяющие очень точно представить работу того или иного компонента при определённых условиях, скажем на частотах до нескольких сотен мегагерц. Современные модели электронных компонентов выражены в аналитической форме в виде системы уравнений. Модели активных электронных компонентов довольно сложны и насчитывают не один десяток параметров. Этим достигается высокая точность расчётов. При всём многообразии моделей для компьютерного моделирования используются, как правило, SPICE-модели, разработанные фирмой MicroSim, и ставшие фактически стандартом. Стандартом стал и формат файла, в котором записаны значения SPICE-параметров компонентов.

Если с графическим изображением компонентов проблем, как правило, не возникает, с файлами, содержащими значения SPICE-параметров, всё обстоит сложнее. Определённый минимум таких файлов распространяется вместе с системой моделирования. В случае, если необходимого файла в библиотеке не оказывается, можно либо попытаться его поискать, либо попробовать создать такой файл самостоятельно. Первый вариант предпочтительнее в том случае, если есть где искать. А искать, конечно же, нужно в сети Интернет. Многие зарубежные фирмы свободно распространяют файлы со SPICE-параметрами своих электронных компонентов. Их нужно только «перекачать» по сети и правильно подключить к имеющимся библиотекам. Что же касается отечественных компонентов, здесь лучше всего пользоваться их зарубежными аналогами, благо такие есть почти всегда. Во втором случае придётся найти графики, отображающие набор характеристик электронных компонентов и изрядно повозиться с их вводом по точкам.

Когда найдены все компоненты и составлена принципиальная схема, можно приступать к моделированию. Для этого, как обычно, на вход устройства подают сигнал, а к выходу подключают нагрузку. В разных системах моделирования символы, обозначающие источник входного сигнала, различны, но они везде существуют. Далее на схеме помечают точку, в которой хотят наблюдать, скажем, осциллограмму, и включают режим моделирования. На экране компьютера появляется осциллограмма. Если устройство не работает, следует вернуться назад, сделать исправления и снова запустить моделирование.