автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение многоуровневого моделирования в САПР связной аппаратуры

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 681 3 06 658 512 22 011 56(043)

г г* .In WС 1 I II ['!•!!! ........

ИССА Мохамад Асаад

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МНОГОУРОВНЕВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В САПР СВЯЗНОЙ

АППАРАТУРЫ

Специальность 05 13.12-системы автоматизации проектирования

(промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир - 1998

Работа выполнена во Владимирском государственном университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Ланцов В.Н.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

М.В. Руфицкий - кандидат технических наук Е.М. Халатов

Ведущая организация - Государственный центральный научно-

исследовательский радиотехнический институт (ГосЦНИРТИ, г. Москва)

Защита диссертации состоится 'Уо/' 1998г.

в часов на заседании диссертационного совета К.063.65.02 во

Владимирском государственном университете по адресу 600026 г. Владимир, ул. Горького,.87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВлГУ. Автореферат разослан 1998г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических наук ^^^^ ^^ И.Е.Жигалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА) находит самое широкое распространение в различных технических областях, характеризуется постоянным усложнением, ростом размерности решаемых задач, расширением выполняемых ими функций и постоянным повышением требований к выходным параметрам. Более того, здесь применяются компоненты разной степени интеграции и детализации. В качестве компонентов аналоговой части устройств используются как обычные компоненты (К, Ь, С, транзисторы и другие), так и законченные аналоговые функциональные блоки (ФБ) и микросхемы. Применение существующих методов и программ многоуровневого и смешанного моделирования цифровых и даже аналоговых низкочастотных больших интегральных микросхем ограничено для класса высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств из-за низкой точности моделей ФБ при оценке нелинейных свойств трактов и необходимости, кроме анализа во временной области, иметь модели для анализа в частотной области в режиме большого сигнала и ряда дополнительных видов анализа.

Вопросы развития методов и программ многоуровневого моделирования связной аппаратуры требуют срочного решения, так как именно они тормозят развитие и совершенствование РЭА различного назначения, влияют на сроки и стоимость проектирования, на достижение более высоких технических показателей. Именно поэтому проблеме систем автоматизации проектирования (САПР) РЭА, особенно проблеме проектирования устройств связной аппаратуры ВЧ и СВЧ диапазона, уделяется сейчас большое внимание специалистами ведущих фирм-разработчиков РЭА.

Одной из первых задач на пути развития методов многоуровневого моделирования аналоговой связной аппаратуры является разработка подходов к включению моделей ФБ и интегральных микросхем (ИМС) на основе измеряемых характеристик (поведенческих описаний) в основные и дополнительные виды анализа программ схемотехнического проектирования. При этом методы схемотехнического моделирования, использующие компоненты различных уровней описаний, позволяют:

повысить размерность решаемых задач (сократить время моделирования и увеличить размер анализируемых схем);

- моделировать на схемотехническом уровне узлы и ФБ, для которых отсутствуют принципиальные электрические схемы;

- включать модели любой физической природы по характеристикам вход/выход.

Данный подход соответствует новой тенденции, когда фирмы-производители компонентов отказываются поставлять вместе с компонентами параметры моделей и макромоделей. В связи с этим разрабатывается стандарт на измеряемые характеристики (поведенческие модели) всех основных типов компонентов (транзисторы, ИМС) и на интерфейсы их включения в стандартное программное обеспечение САПР. По этим причинам разработка подходов и алгоритмов включения поведенческих моделей различных классов в стандартные программы САПР является актуальной.

Цель работы и задачи исследований. Основная цель диссертационной работы заключается в разработке, исследовании и дальнейшем совершенствовании математического и программного обеспечения схемотехнического моделирования и проектирования для связной аппаратуры ВЧ трактов. Эта цель определила следующие задачи исследований:

1. Исследование, сравнение и отбор наиболее эффективных методов многоуровневого моделирования для решения задач анализа устройств и систем ВЧ и СВЧ диапазона.

2. Разработка подходов и алгоритмов для включения моделей линейных ФБ на основе поведенческих описаний в базовые и дополнительные методы анализа схемотехнического моделирования.

3. Разработка подхода включения моделей нелинейных ФБ на основе измеряемых характеристик для анализа во временной и частотной областях в режиме большого сигнала в схемотехнический базис.

4. Исследование эффективности разработанных алгоритмов как на ряде тестовых задач, так и при проектировании конкретных устройств.

5. Внедрение разработанных алгоритмов в стандартные программы схемотехнического проектирования (на примере подсистемы схемотехнического проектирования ПСП - ВлГУ).

Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем:

1. Предложен и обоснован подход решения задачи многоуровневого моделирования ВЧ и СВЧ систем и устройств на основе схемотехнического моделирования.

2. Разработан единый подход к построению электрических схем замещения линейных ФБ любой сложности по поведенческим описаниям (в том числе по измеряемым характеристикам).

3. Предложена модификация метода Б-параметров большого сигнала для представления нелинейных характеристик ФБ в схемотехническом базисе.

Практическая иенность. Практические результаты выполненных в диссертационной работе исследований можно подразделить на две части, имеющие значение для научных приложений и прикладных задач. В научном плане разработанные подход и алгоритмы построения электрических схем замещения аналоговых моделей ФБ различных назначений и применений может быть основой для развития математического обеспечения подсистемы схемотехнического проектирования. Прикладная значимость работы связана с созданием ряда инженерных методик и реализацией разработанных алгоритмов в стандартных' программах схемотехнического проектирования,' позволяющих решать задачи моделирования и анализа широкого класса РЭА, элементы которых могут быть представлены на разных уровнях (функциональном и схемотехническом) детализации. В результате решения этих задач обеспечивается улучшение технических характеристик, сокращение сроков проектирования РЭА.

Реализация и внедрение результатов работы. Подход и алгоритмы реализованы и внедрены в промышленно-учебный пакет схемотехнического проектирования ПСП, разработанный в ВлГУ и используемый в ряде промышленных и учебных организаций.

На защиту выносятся следующие основные научные и практические результаты:

1. Классификация методов многоуровневого моделирования аналоговых устройств.

2. Подход к решению задач многоуровневого моделирования на основе методов схемотехнического проектирования.

3. Алгоритмы включения линейных моделей ФБ в основные виды анализа схемотехнического проектирования.

4. Алгоритмы преобразования характеристик моделей ФБ.

5. Подход к представлению нелинейных моделей ФБ в схемотехническом базисе.

6. Алгоритмы сопряжения функциональных и схемотехнических моделей в ПСП.

Апробаиня работы. Основные научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Фи'.ика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии" (Г.Владимир, 1996); молодежной научной конференции "XXIII Гагаринские чтения" (г.Москва, 1997); межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-97" (г.Москва, 1997); Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, микроэлектроника систем связи и управления" (г.Таганрог,1997); второй Всероссийской научно-технической конференции 'Электроника и информатика-97" (г.Москва, 1997); Международной научно-технической конференции "Нечеткая логика, интеллектуальные системы и технологии" (г. Владимир, 1997); Европейской конференции Electronic Circuits and Systems -ECS'97 (г. Братислава, Словакия, 1997); Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-98".

Публикации по работе. По результатам диссертации опубликовано 3 научных статьи, тезисы докладов на 6 научно-технических конференциях и отчет по НИР.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Содержит 59 рисунков и 9 таблиц. Основная часть диссертации изложена на 149 страницах машинописного текста. Библиография включает 138 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется научная новизна и практическая ценность полученных результатов, даются структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается состояние в области автоматизированного проектирования РЭА, дается краткая характеристика объекта проектирования, состояние проблемы в области САПР изделий электронной техники, обзор и сравнительная оценка методов многоуровневого моделирования и постановка задач исследований. Отмечается, что радиотехнические устройства находят самое широкое распространение в различных технических областях. Они характеризуются сложностью протекающих в них процессов и работают в широком диапазоне амплитуд и частот входных воздействий. Указывается, что развитие средств

САПР аналоговых ВЧ устройств систем связи заметно отстает от САПР цифровых и переключательных схем, аналоговых НЧ устройств. Существующие САПР схемотехнического и функционального проектирования находят применение при разработке связной аппаратуры, но требуют существенной доработки и развития методов многоуровневого моделирования. Обзор существующих методов многоуровневого моделирования показал, что они все больше находят применение для цифровых и смешанных (аналого-цифровых) БИС, но практически отсутствуют методы многоуроьневого моделирования связной ВЧ и СВЧ аппаратуры. Проводится анализ современного состояния в микроэлектронике, где в последнее время разрабатывается стандарт на измеряемые характеристики (поведенческие модели) всех основных компонентов и на интерфейсы их включения в стандартные системы САПР. Показывается, что одной из первых задач на пути развития методов многоуровневого моделирования для трактов связной аппаратуры является разработка подходов включения моделей ФБ в основные виды анализа программ схемотехнического проектирования на основе поведенческих описаний. Для этой цели разрабатываемые подходы должны обеспечивать достаточную точность оценки выходных параметров во всех режимах работы, приемлемое время моделирования сложных трактов, простоту реализации алгоритмов и включение компонентов разной степени интеграции по измеряемым характеристикам "вход-выход" в стандартные программы САПР. Формулируются основные .задачи исследований, связанные с выбором базиса и определением его достоинств по сравнению с другими.-Отмечается, что программы схемотехнического моделирования позволяют с высокой точностью анализировать электрические процессы в статическом и динамическом режимах работы, рассчитывать временные и частотные характеристики, определять влияние внешних факторов и т.д., которые получили широкое применение и признание как универсальные средства проектирования для САПР.

Вторая глава посвящена разработке подходов. . включения поведенческих моделей линейных ФБ в базовые виды анализа схемотехнического проектирования. Предложен основной принцип моделирования трактов связной аппаратуры, который использует приведение ФБ тракта по поведенческим описаниям (в том числе по измеряемым характеристикам) к схемным моделям, включая их затем в общую математическую модель схемы.

Рассмотрен выбор модели ФБ при разработке математического и программного-обеспечения САПР. Отмечено, что поведенческое описание аналогового блока можно охарактеризовать обобщенными параметрами по отношению к некоторым выделенным зажимам. Для программ схемотехнического проектирования таким обобщенным описанием является нелинейный многополюсник, где определены связи между токами и напряжениями на входных и выходных зажимах. Чаще всего зависимость между токами и напряжениями выражается в виде уравнений связи входных и выходных характеристик. В общем случае представление нелинейного ФБ, имеющего тгвходов и т2-выходов для базиса узловых потенциалов, имеет вид (рис. 1), где

1,(0 = Р,(и.(1), и.(»), г);

1.0)- Р,(и,(0,и.(0,1); р=1,.ть..., пм+пъ; I; (О, 1„ (1), и,(0, и„(0 - векторы входных и зыходных токов и напряжений в узлах ФБ соответственно; Рь Р;,.., Рть-., Рпцщц - функции, которые выражают связь между токами и напряжениями на входных и выходных зажимах ФБ.

Рис. 1. Аналоговый ФБ Рассмотрен подход к построению схем замещения линейных моделей ФБ любой сложности по измеряемым характеристикам, который основывается на теории электрических цепей. Описаны основные теоретические принципы построения схем замещения модели ФБ для схемотехнического базиса и их включения в базовые виды анализа. Приведены основные выражения и соотношения для применения моделей ФБ в основных видах анализа схемотехнического проектирования в режимах малого и большого сигнала. Применены различные методы преобразования характеристик, которые используются для выполнения анализа как во временной, так и в частотной областях. Рассмотрены методы преобразования характеристик в виде дробно-рациональных функций от в-изображения, импульсных (переходных) характеристик и дискретных дробно-рациональных функций от г-области.

Отмечено, что при формировании математической модели линейного .многополюсного ФБ обычно измеряемыми характеристиками являются входные и выходные нмпедансы и коэффициенты передачи по току, напряжению, сопротивлению или проводимости. Уравнения установившегося процесса для модели многополюсного ФБ в матричной форме без учета нагрузок могут быть записаны в форме:

= £ У,(5;А;В)*ид5); к = 1,..., п . а)

Здесь У^(б;А;В) - матрица проводимостей поведенческой модели ФБ. Элементы матрицы представляют собой функции входных и выходных проводимостей и функции передачи по проводимости, которые зависят от частоты. А, В - коэффициенты числителя и знаменателя передаточной функции для каждого из параметров матрицы; 1к(з) - вектор задающих токов; Щв) - вектор искомых напряжений на входных и выходных зажимах ФБ.

Рассмотрены способы получения дискретных моделей ФБ, описанных в частотной области. К ним относятся подходы: с применением ряда Фурье; с применением метода Быкова; с выводом узловых потенциалов относительно переменных состояний; с применением обратного преобразования Лапласа. По результатам исследований предложено в качестве основного выбрать подход, заключающийся в применении обратного преобразования Лапласа. В соответствии со свойством преобразования Лапласа и после применения метода трапеции модель (1) можно записать в виде

^1к(т)-Х1к ' (т-1) = Х^(0;С)и;(т); к = 1,..., я, (2) И ¿-1

где

Н I ч-| I

причем У\,(1;С)=Ь-'[УЦ (5;А;В)]; Ц(1)=1/'[Ц (з)]; 1к(1)=1/'[Ш]. Здесь У*.:(г.С) - матрица импульсных проводимостей поведенческой модели ФБ; С=[С], с:,..., сч] - вектор искомых коэффициентов, необходимый для нахождения функций временных характеристик (^С); Ь - шаг дискретизации; У*ц(0;С) - начальные значения матрицы импульсных проводимостей; 1^(0 - вектор задающих токов произвольного воздействия по времени; - вектор искомых напряжений.

Задача расчета модели (2) заключается в нахождении значений

s

напряжений Uiftm), U;>(tra),.., UnCt^), удозлетзоряюшнх заданному начальному условию UiCt^U^O), Ui(to)=U:(0),.., Uh(to)=Ln;0) на интервале to<=t<=T. Искомая функция напряжения Un(t) определяется в отдельных точках интервала ti, t2,~. tn в виде таблицы значений.

В качестве алгоритма для вычисления оригиналов функций от изображения используется алгоритм, основанный на применении ряда Фурье при аппроксимации интеграла. Расчетная формула доя вычисления оригинала функции выглядит следующим образом:

y(t) = у(-—In cos х) = ¿CKsin[( 2к + 1)х]. СГ . к-о

Для вычисления коэффициентов С[, с?,.., ст принимается система линейных уравнений вида

С„ +

где

VP*1

) [т-1

= С k =

^ 2 m

2m

m j ^2m л

^ у

2m ] (2m m-1 J^m-2 (2m)!

Cl+...+Cm

-aY((2m + l)a),

k!(2m - k) принимается равным нулю.

- число сочетаний из 2т по к, причем

И

Для применения формулы необходимо, чтобы значения исходного изображения были известны в точках о, За, 5а,.., (2к+1) ст.

Наиболее удобным представлением поведенческой модели ФБ при схемотехническом моделировании сложных трактов являются схемы замещения. В соответствии с системой уравнений (2) дискретная модель четырехполюсного линейного ФБ имеет следующий вид:

£¡,(41) - ¡/"(т -1) - 1,<2)(т -1) = Уп(0;С)и,(ш) + У!2(0;С)и;(т),

п

-¡,(т) - >,(,,(ш - 1) - ч"'(т -1) = (0,С)и,(т) + Уи (0;С)и,(т),

Ь

т-1

где i,f,>(m -1)= Y," (m;C)U,(m)- Yl',(0;C)U1(0) + 2^ У'Дш -q;C)U,(q); i,'21 (т - 1) = Y,; (m;C)U2(0) - Y„(0;C)U,(0) + 2£ Y,", (m - q,C)U, (q);

<1=1

i:i"(m-l) = Y;i(m;C)Ul(0)-Y;,(0;C)UI(0) + 2f Y^m - q;C)U, (q);

4=1

1, г (ш - 1) = У,", (т; С)и, (т) - У,', (0; С)и. (0) - V.', (т - С)Ь:, (ч). Соответствующая дискретная схема замещения Фп представлена на

рис.2.

__^(ггй

, у,чад| ¡,'>1)| Уи(0;С)"| Г— |ь VI) !ь'э(п>1) ¡У^ОсГ^

^ □ © @ р И

Рис.2. Дискретная схема замещения четырехполюсного ФБ Систему уравнений (2) можно применить в стандартных программах схемотехнического моделирования при расчете переходного процесса для произвольного входного воздействия. Для расчета необходимо, чтобы элементы матрицы проводимостей были заданы в виде дробно-рациональной функции. В диссертации разработан ряд алгоритмов преобразования исходных характеристик в зависимости от формы записи и представления.

Предложен подход к представлению нелинейных моделей ФБ некоторых классов устройств по измеряемым характеристикам "вход-выход" в схемотехническом базисе. Данный подход основан на модификации метода Б-параметров большого сигнала. Суть разработанного подхода заключается в упрощении описания нелинейной характеристики ФБ путем нахождения параметров линейных моделей, описанных в частотной области при каждом перемещении рабочей точки вдоль нелинейной характеристики. Решения, полученные для каждой точки, записываются в виде таблицы экспериментальных значений. Для чего разработаны алгоритм для нахождения линейных моделей в виде частотно-зависимых У-параметров и алгоритм анализа схемы методом гармонического баланса в частотной области в случае подключения к ней моделей ФБ.

В третьей главе рассмотрены характеристики и возможности подсистемы схемотехнического проектирования "ПСП". САПР ПСП предназначена для анализа широкого класса линейных и нелинейных аналоговых электронных устройств ВЧ и СВЧ диапазона. Показано, что с помощью ПСП можно проводить различные виды анализа в режиме малого и большого сигнала. Проведено описание разработанных алгоритмов в подсистеме схемотехнического проектирования для решения задачи

сопряжения функциональных и схемотехнических моделей. Исходными данными для этапа схемотехнического моделирования являются варианты принципиальной и функциональной частей схемы устройства, значения характеристик и параметров устройства, определяемые техническим заданием. Исходными характеристиками функциональной части схемы могут быть результаты измерений токов-напряжений на входных и выходных зажимах ФБ, частотные характеристики или временные характеристики различных форм записи и представления.

Основные задачи алгоритмов сопряжения функциональных и схемотехнических моделей заключаются в следующем: построение схемы замещения ФБ в зависимости от формы записи исходных характеристик и видов анализа (временного или частотного); формирование полной модели схемы на основе методов схемотехнического проектирования.

Разработаны алгоритмы на основе методов преобразования характеристик (метод Симью, подгонка Леви, метод Быкова, прямое и обратное преобразования Лапласа, ряда Фурье, прямое и обратное преобразования Фурье, метод регрессионного анализа, метод оптимизации для аппроксимации временных характеристик, нахождение временной характеристики по входным и выходным сигналам). Данные алгоритмы учитывают возможные варианты сочетаний областей представления измеряемых характеристик, которые внедрены в ПСП в виде подпрограмм. Предложены и реализованы подходы и алгоритмы в ПСП для построения схемных моделей ФБ в зависимости от типа исходных данных и вида анализа, которые позволили значительно облегчить работу с системой и снизить требования к уровню подготовки пользователей.

Четвертая глава посвящена исследованию разработанных подходов и алгоритмов моделирования радиотехнических устройств. Приведены некоторые результаты исследований разработанных алгоритмов, непосредственно реализованных в ПО ПСП на простых примерах, а также примеры из многочисленных практических применений программ моделирования при проектировании конкретных схем РЭА и сравнение их с эталонными результатами. Исследование схем осуществлялось в два этапа. На первом этапе выполнялся анализ двух вариантов описания схемы во временной и частотной областях: с использованием поведенческого описания и полной электрической схемы замещения ее на схемотехническом уровне. На втором этапе проводилась оценка и сравнение результатов анализа двух вариантов описания схемы по точности и времени.

Выполнены три варианта исследований различных схем, где каждый из них преследовал определенную цель. Целью первого исследования являлся анализ точности и надежности разработанных алгоритмов преобразования исходных характеристик ФБ от временного описания к частотному для различных вариантов их представления. Отмечено, что сложность и разнообразие исходных данных, которые могут быть заданы в качестве характеристики модели, заставляют применять различные алгоритмы преобразования. В работе исследованы погрешности данных алгоритмов и применимость их в САПР РЭА. Целью второго исследования являлась проверка работоспособности схемы во всех режимах работы при разных вариантах подключения модели ФБ к различным схемам; проверка степени влияния этих подключений на точность и надежность разработанных подходов и алгоритмов. Исследование проводилось на схеме двухкаскадного транзисторного усилителя с обратной связью по напряжению. Для этой схемы в качестве ФБ используется схема замещения модели полевого транзистора. Относительная ошибка анализа схемы при использовании поведенческого описания в частотной области составила 0.35%; во врем ¿иной области - 3.4%. Отмечено, что на точность результатов моделирования могут влиять отдельные факторы: отсутствие данных о поведении ФБ на большом диапазоне частот или времени; применение различных алгоритмов преобразования, необходимых в некоторых случаях для получения требуемой модели; накопление ошибки округления формулы численного интегрирования (формула трапеции).

Целью третьего исследования являлась проверка степени влияния сложности схемы при наличии нескольких моделей ФБ на нелинейные свойства тракта. Исследование проводилось на схеме оконечного каскада передатчика с фильтром высших гармоник. В тракте использовались два ФБ, которые были представлены в виде полной элеюрической схемы замещения (низкочастотный фильтр высших гармоник и диплексер). Показано, что относительная ошибка анализа схемы в режиме большого сигнала при использовании поведенческого описания ФБ в частотной области составляет 3.2%, во временной области - 8%. Время моделирования тракта по полной схеме замещения в частотной области - 35.45 мин., а с использованием поведенческого описания ФБ - 18.05 мин.

Из проведенных опытов и сравнений результатов экспериментов с эталонными по быстродействию и точности следует вывод о приемлемости и экономичности использованных подходов включения поведенческого

описания ФБ в схемотехнический базис. Использование данных подходов решает следующие задачи моделирования: исследование большого числа различных вариантов схем; упрощение описания отдельных элементов устройств; включение моделей по характеристикам вход-выход.

В заключении приведены основные результаты работы и подведены итоги исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ проблем моделирования сложных аналоговых устройств с помощью существующих средств проектирования. Показано, что одной из основных тенденций современных САПР является интеграция или объединение нескольких уровней проектирования (функционального и схемотехнического в первую очередь) в единой среде с целью сокращения вычислительных затрат при создании сложных устройств и удовлетворении принципа нисходящего проектирования.

2. Предложено для решения задач многоуровневого моделирования аналоговых ВЧ и СВЧ устройств использовать в качестве основного схемотехнический базис для оценки нелинейных свойств. Это позволяет снизить размерность решаемых задач при анализе сложных трактов, моделировать на схемотехническом уровне узлы и ФБ, для которых имеется только информация о входных и выходных параметрах или результаты измерений.

3. Разработан подход к формированию схемных моделей замещения по измеряемым характеристикам "вход-выход" для линейного ФБ любой сложности. Данный подход основывается на теории электрических цепей.

4. Разработаны алгоритмы преобразования моделей для всех возможных вариантов сочетаний областей представления измеряемых характеристик и видов анализа в системах моделирования. Данные алгоритмы позволяют в зависимости от вида исходных данных о ФБ и области выполняемого анализа использовать наиболее экономичные и точные методы преобразований в автоматическом режиме без участия проектировщика.

5. Предложен подход к включению поведенческих моделей нелинейных ФБ для анализа методом гармонического баланса в частотной области в стандартное программное обеспечение схемотехнического проектирования. В основе предлагаемого подхода используется модификация метода Б-

параметров большого сигнала для представления нелинейных характеристик ОБ з схемотехническом базисе.

6. Проведено исследование разработанных подходов, алгоритмов и программ на ряде тестовых и практических задач и сравнение их с другими методами. Внедрение разработанных алгоритмов в учебно-промышленную САПР ПСП. а также многочисленные исследования показали их высокую эффективность при моделировании РЭА и перспективность использования предложенных подходов для стандартизации поведенческих моделей аналоговых ВЧ интегральных микросхем.

ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Долинин А.Г., Исса М., Ланцов В.Н. Методы анализа во временной области для САПР ВЧ и СВЧ электронных устройств// Электроника и информатика-97:Тез.докл. второй Всероссийской науч.-техн. конф,-М..МИЭТ.-1997,- С.249 - 250.

2. Исса М. Моделирование сложных многофункциональных ВЧ и СВЧ трактов связной аппаратуры//ХХШ Гагаринские чтения:Тез. докл. молодежной науч. конф -М..РГТУ-МАТИ.-1997.- С.74 - 75.

3. Исса М., Ланцов В.Н. Алгоримы включения линейных моделей функциональных блоков в программы схемотехнического проектирования и их исследования. Владим. гос. техн. ун-т. - Владимир, 1996.-17с. Деп. в ВИНИТИ.

4. Lantsov V.Issa М. The Including of IC's behavioral modeis into the RF circuit Simulators //Proced. of Ist Electronic Circuit and Systems Conf., Bratislava.

1997, p.p. 79-82.

5. Ланцов B.H., Исса М., Фарсобин АЛО. Моделирование разнородных функциональных блоков во временной области//Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии:Тез. докл. второй Междунар. науч.-техн. конф.-Владимир: ВГТУ.-1996,- С. 105 -109

6. Исса М. Алгоритмы моделирования радиотехнических устройств и систем//Радиоэлектроника. Микроэлектроника. Системы связи и управления: Тез. докл. Всероссийской науч. конф. студентов и аспирантов.-Таганрог:ТРТУ.-1997,-С.17 - 18.

7. Исса М.А. Алгоритмы преобразования линейных аналоговых моделей к поведенческим описаниям во временной области//Системы,

методы обработки и анализ данных/Отв.ред. С.С. Содыков.-Ташкент: НПО «Кибернетика» АНРУз 1997. С. 117 -126.

8. Исса М. Методы и алгоритмы включения поведенческих моделей в программы схемотехнического моделирования//Микроэлектроника и информатика-97: Тез. докл. межвузовской науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. Ч. 2. М.:МГИЭТ (ТУ), 1997. - С.36.

9. Исса М. Алгоритм воспроизведения нелинейной характеристики методом У-параметров большого сигнала для схемотехнического базиса/Микроэлектроника и информатика-98: Тез. докл. Всероссийской межвузовской науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: В 2 ч. Ч.1.-

М.:МИЭТ, 1998,- С.32.

VLADIMIR STATE UNIVERSITY

As manual

YßK 681.3.06:658.512.22.011.56(043)

Mohamad Asaad IS SA MATHEMATICAL SUPPLIMENT AND SOFTWARE TOOLS FOR MULTILEVEL MODELING AT COMMUNICATION RF SYSTEMS

CAD

Speciality 05.13.12 - Computer-Aided Desing in Industry

Dissertation For collecting Candidate Degree

Scientific tutor - Prof. Lantsov V.N.

VLADIMIR - 1998

) /

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УДК 681.3.06:658.512.22.011.56(043)

ИССА Мохамад Асаад МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МНОГОУРОВНЕВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В САПР СВЯЗНОЙ

АППАРАТУРЫ

Специальность 05.13.12 - системы автоматизации проектирования в

промышленности

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. Ланцов В.Н.

Владимир -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ В ОБЛАСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭА........................................... .....13

1.1. Краткая характеристика объекта проектирования.....................13

1.2. Состояние и проблемы в САПР изделий электронной

техники ....................................................................16

1.3 Методы моделирования сложных многофункциональных

схем.............................................................................24

1.4.Обоснование выбора подсисемы схемотехнического

проектирования............................................. .................35

1.5. Требования к САПР РЭА, цели и задачи исследований..............36

Выводы по главе............................................................38

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ВКЛЮЧЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ ФБ В БАЗОВЫЕ ВИДЫ

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА..................................41

2.1. Выбор модели ФБ при разработке математического и программного обеспечения САПР.......................................42

2.2. Определение параметров модель ФБ для базиса

узловых потенциалов.........................................................44

2.3. Алгоритмы включения поведенческих моделей линейных ФБ

в схемотехнический базис для анализа в частотной области........49

2.3.1. Частотная область измеряемых характеристик.....................50

2.3.2. Временная область измеряемых характеристик....................52

2.4. Построение электрической схемы замещения сложных линейных ФБ...................................... ...........................56

2.5. Методы включения поведенческих моделей линейных ФБ

в схемотехнический базис для анализа во временной области......60

2.6. Алгоритмы включения поведенческих моделей нелинейных ФБ в схемотехнический базис для анализа во временной

и частотной областях...................................................... .68

Выводы по главе........................................................... .76

ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ В ПОДСИСТЕМЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ........................................................78

3.1. Назначение и характеристики подсистемы схемотехнического проектирования......................................78

3.2. Структура ПСП и алгоритмы включения моделей ФБ

в ПСП, их взаимосвязь с различными подпрограммами.............81

3.3. Алгоритмы преобразования исходных характеристик ФБ..........90

Выводы по главе......................'......................................106

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ

МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ... 108

4.1. Исследование алгоритмов преобразования характеристики

на тестовом примере........................................................108

4.2.Исследование методов и алгоритмов включения линейных моделей ФБ на тестовой схеме............................................116

4.3. Исследование подходов и алгоритмов включения моделей

ФБ на примере трактов связной аппаратуры...........................124

Выводы по главе.............................................................130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................133

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................136

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ФБ - функциональный блок

ФЭ - функциональный элемент

РТУ - радиотехническое устройство

РЭА - радиоэлектронная аппаратура

САПР - система автоматизированного проектирования

ИМС - интегральная микросхема

СВЧ - сверхвысокая частота

ВЧ - высокая частота

НЧ - низкая частота

ИС - интегральная схема

БИС - большая интегральная схема

ММИС - монолитная микроволновая интегральная схема

ГИС - гибридная интегральная схема

АФП - автоматизированное функциональное проектирование

АСхП - автоматизированное схемотехническое проектирование

ВАХ - вольт-амперная характеристика

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

ФЧХ - фазово-частотная характеристика

ПФ - передаточная функция

#

Х.Х. - холостой ход

К.З. - короткое замыкание

ПО - программное обеспечение

ПСП - подсистема схемотехнического проектирования ОБПЛ - обратное преобразование Лапласа ДППФ - дискретное прямое преобразование Фурье ОДПФ - обратное дискретное преобразование Фурье

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Автоматизация различных этапов проектирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является одним из основных средств повышения качества и сокращения сроков разработки новых изделий. Актуальность этого научно-технического направления растет в связи с постоянно возрастающей сложностью разрабатываемых устройств, повышающимися требованиями к их качеству, расширением выполняемых ими функций, трудностями проектирования и анализа РЭА. Все это относится и к проектированию трактов связной аппаратуры, которые работают в существенно нелинейных режимах при воздействии большого числа полезных и мешающих воздействий, а структуры трактов содержат компоненты разной степени интеграции и детализации. В качестве компонентов таких устройств используются как обычные компоненты (R,L,C, транзисторы и другие), так и законченные аналоговые функциональные блоки (ФБ) и микросхемы.

Одной из тенденций современных САГ1Р РЭА является интеграция нескольких уровней проектирования (поведенческого, структурного, функционального, логического, схемотехнического и топологического для цифровых устройств и поведенческого, функционального и схемотехнического для аналоговых устройств). В промышленности, особенно за рубежом, успешно эксплуатируется целый ряд систем, объединяющих несколько уровней проектирования для аналоговых устройств, таких как для ELDO, KOSIM, DIANA, Saber, ЭЛАИС и др. Однако эти системы не полностью удовлетворяют требованиям пользователей разработчиков РЭА, особенно для ВЧ и СВЧ диапазона. Применение методов и систем многоуровневого моделирования цифровых и даже аналоговых НЧ БИС ограничено для класса ВЧ и СВЧ устройств из-за:

- низкой точности моделей и макромоделей функциональных блоков

(часто с допущениями однонаправленности и без учета взаимодействия блоков) при оценке нелинейных свойств трактов;

- невозможности выделения незначительной части системы в виде критического пути для более детального описания, так как практически весь тракт является критическим и оказывает значительное влияние на нелинейные свойства;

- необходимости, кроме анализа во временной области, иметь модели для частотной области в режиме большого сигнала и ряда дополнительных видов анализа (собственных шумов, чувствительности, устойчивости, температурного анализа и др.).

Современное состояние развития систем связи характеризуется значительным их усложнением и широким внедрением микроэлектроники. Проектирование сложных систем часто выполняется на базе уже существующих интегральных микросхем (ИМС), для которых обычно не имеется принципиальных электрических схем, а имеется только информация о входных и выходных параметрах, результатах измерений или поведенческое описание. Актуальными являются задачи повышения точности, увеличения размера анализируемых схем и сокращения времени моделирования систем и эффективности их использования. Ряд этих задач может быть решен при использовании принципов многоуровневого моделирования. Вопросы развития методов и программ многоуровневого моделирования связной аппаратуры требуют срочного решения, так как именно они тормозят развитие и совершенствование РТУ различных назначений., влияют на сроки и стоимость, на достижение более высоких, технических показателей. Именно поэтому проблеме САПР РЭА, особенно проблеме проектирования устройств связной аппаратуры ВЧ и СВЧ диапазона, уделяется сейчас большое внимание специалистами ведущих фирм-разработчиков РЭА.

Одной из первых задач на пути развития методов многоуровневого моделирования аналоговой связной аппаратуры является разработка подходов

к включению моделей ФБ и ИМС на основе измеряемых характеристик (поведенческих описаний) в основные и дополнительные виды анализа программ схемотехнического проектирования. При этом методы схемотехнического моделирования, использующие компоненты различных уровней описаний, позволяют:

повысить размерность решаемых задач (сократить время моделирования или увеличить размер анализируемых схем);

- моделировать на схемотехническом уровне узлы и ФБ, для которых отсутствуют принципиальные электрические схемы;

- включать модели любой физической природы по характеристикам вход/выход.

Данный подход соответствует новой тенденции, когда фирмы-производители компонентов отказываются поставлять вместе с компонентами параметры моделей и макромоделей. В связи с этим разрабатывается стандарт на измеряемые характеристики (поведенческие модели) всех основных типов компонентов (транзисторы, ИМС) и на интерфейсы их включения в стандартное программное обеспечение САПР. По этой причине разработка алгоритмов включения поведенческих моделей различных классов в стандартные программы САПР является актуальной.

Цель работы и задачи исследований. Основная цель диссертационной работы заключается в разработке, исследовании и дальнейшем совершенствовании математического и программного обеспечения схемотехнического моделирования и проектирования для связной аппаратуры ВЧ трактов. Эта цель определила следующие задачи исследований:

1. Исследование, сравнение и отбор наиболее эффективных методов многоуровневого моделирования для решения задач анализа устройств и систем ВЧ и СВЧ диапазона.

2. Разработка подходов и алгоритмов для включения моделей линейных ФБ на основе поведенческих описаний в базовые и дополнительные методы

анализа схемотехнического моделирования.

3. Разработка подхода включения моделей нелинейных ФБ на основе измеряемых характеристик для анализа во временной и частотной областях в режиме большого сигнала в схемотехнический базис.

4. Исследование эффективности разработанных алгоритмов, как на ряде тестовых задач, так и при проектировании конкретных устройств.

5. Внедрение разработанных алгоритмов в стандартные программы схемотехнического проектирования (на примере ПСП - ВлГУ).

Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем:

1. Предложен и обоснован подход решения задачи многоуровневого моделирования ВЧ и СВЧ систем и устройств на основе схемотехнического моделирования.

2. Разработан единый подход к построению электрических схем замещения линейных ФБ любой сложности по поведенческим описаниям (в том числе по измеряемым характеристикам).

3. Предложена модификация метода Б-параметров большого сигнала для представления нелинейных характеристик ФБ в схемотехническом базисе.

Практическая ценность. Практические результаты выполненных в диссертационной работе исследований можно подразделить на две части, имеющие значение для научных приложений и прикладных задач. В научном плане разработанные подход и алгоритмы построения электрических схем замещения аналоговых моделей ФБ различных назначений и применений может быть основой для развития математического обеспечения подсистемы схемотехнического проектирования. Прикладная значимость работы связана с созданием ряда инженерных методик и реализацией разработанных алгоритмов в стандартных программах схемотехнического проектирования, позволяющих решать задачи моделирования и анализа широкого класса РЭА,

элементы которых могут быть представлены на разных уровнях (функциональном и схемотехническом) детализации. В результате решения этих задач обеспечивается улучшение технических характеристик, сокращение сроков проектирования РЭА.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные подход и алгоритмы реализованы и внедрены в промышлено-учебный пакет схемотехнического проектирования ПСП, разработанный в ВлГУ и используемый в ряде промышленных и учебных организаций.

На защиту выносятся следующие основные научные и практические результаты:

1. Классификация методов многоуровневого моделирования аналоговых устройств.

2. Подход к решению задач многоуровневого моделирования на основе методов схемотехнического проектирования.

3. Алгоритмы включения линейных моделей ФБ в основные виды анализа схемотехнического проектирования.

4. Алгоритмы преобразования характеристик моделей ФБ.

5. Подход к представлению нелинейных моделей ФБ в схемотехническом базисе.

6. Алгоритмы сопряжения функционального и схемотехнического моделей в ПСП.

Апробация работы. Основные научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции "Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии" (г.Владимир, 1996); Молодежной научной конференции "XXIII Гагаринские чтения" (г.Москва, 1997); Межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-97" (г.Москва, 1997); Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, микроэлектроника систем связи и

управления" (г.Таганрог, 1997); Второй Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика-97" (г.Москва, 1997); Международной научно-технической конференции "Нечеткая логика, интеллектуальные системы и технологии" (г. Владимир, 1997); Европейской конференции Electronic Circuits and Systems -ECS'97 (г. Братислава, Словакия,

1997); Всероссийской Межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-98" (г.Москва,

1998);.

Публикации по работе. По результатам диссертации опубликовано 3 наученных статьи, тезисы докладов на 6 научно-технических конференциях и отчет по НИР.

В первой главе рассматривается состояние проблемы в области САПР ИЭТ, дается обзор и сравнительная оценка методов многоуровневого моделирования и постановка задач исследований. Здесь отмечается, что современные аналоговые устройства и системы становятся все более сложными и многофункциональными. Одновременно с ростом сложности этих устройств растут и требования к выходным характеристикам. Указывается, что существующие многоуровневые методы и системы проектирования цифровых и смешанных аналогово-цифровых устройств неприменимы для связной РЭА, так как не обеспечивают достаточной точности оценки нелинейных свойств РЭА при воздействии множества полезных и мешающих сигналов сложной формы. Проводится анализ современного состояния в микроэлектронике, где в последнее время разрабатывается стандарт на измеряемые характеристики (поведенческие модели) всех основных компонентов и на интерфейсы их включения в стандартные системы САПР. Обосновывается необходимость применения схемотехнических методов для решения поставленной задачи. Формулируются основные задачи исследований, связанные с выбором базиса и определением его достоинств по сравнению с другими.

Вторая глава диссертации посвящена разработке подходов включения поведенческих моделей линейных ФБ в базовые виды анализа схемотехнического проектирования. Предлагается основной принцип моделирования трактов связной аппаратуры на основе методов схемотехнического проектирования, который использует приведение ФБ тракта по поведенческим описаниям (в том числе по измеряемым характеристикам) к схемным моделям, включая их затем в общую математическую модель схемы. Рассмотрен подход к построению схем замещения линейных моделей ФБ любой сложности на основе теории электрических цепей. Описаны основные теоретические принципы построения схем замещения модели ФБ для схемотехнического базиса и их включения в базовые виды анализа. Приведены основные выражения и соотношения для применения моделей ФБ в основных видах анализа схемотехнического проектирования в режимах малого и большого сигнала:

Предложен подход к представлению нелинейных моделей ФБ в схемотехническом базисе. Данный подход, основанный на модификации метода 8-параметров большого сигнала. Изложены принципы построения и включения схемных моделей ФБ с использованием линейных подходов. Приведены основные выражения и соотношения для применения моделей нелинейных ФБ в основных видах анализа схемотехнического проектирования в режимах малого и большого сигнала.

В третьей главе рассмотрены возможности подсистемы схемотехнического проектирования "ПСП". САПР ПСП предназначена для анализа широкого класса линейных и нелинейных аналоговых электронных устройств ВЧ и СВЧ диапазона. Показано, что с помощью ПСП можно проводит различные �