автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Программно-аппаратный комплекс формирования библиотек моделей компонентов электронных схем для подсистем автоматизированного проектирования

Державний університет “Львівська політехніка”

Кремінь Віктор Тадейовііч

УДК 621.396.6.001.2:681.3

ПРОГРАМНО-АПАРАТНИЙ КОМПЛЕКС ФОРМУВАННЯ БІБЛІОТЕК МОДЕЛЕЙ КОМПОНЕНТІВ ЕЛЕКТРОННИХ СХЕМ ДЛЯ ПІДСИСТЕМ АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ

05.13.12 - Системи автоматизації проектувальних робіт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Львівському національному університеті

імені Івана Франка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

• Злобін Григорій Григорович,

доцент кафедри радіофізики Львівського національного університету імені Івана Франка

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Смердов Андрій Андрійович, завідувач кафедри “Конструювання та технологія виробництва радіоелектронної апаратури” Державного університету “Львівська політехніка”

кандидат технічних наук, доцент Гранат Петро Петрович, генеральний директор фірми “Регіональна інформаційно-технологічна компанія”

Провідна установа: Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова

НАН України (м. Київ), відділення систем автоматизації проектування радіоелектронної апаратури, м. Київ

Захист відбудеться “ З*« ууурв. 2000 року о 14

годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.05 при Державному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79646, м. Львів,

вул. С. Бандери, 12.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці університету “Львівська політехніка” за адресою: 79646, м. Львів,

вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “ З ” К 6*0 УУУ У\ 2000 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент

Ткаченко С.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз сучасного процесу проектування радіоелектронної апаратури показує, що на всіх етапах її розробки використовуються системи автоматизованого проектування (САПР), що зумовлено зростанням складності апаратури, підвищенням вимог щодо забезпечення високого рівня надійності обладнання, скороченням термінів конструкторських робіт. Незважаючи на наявність достатньо розвинутого математичного, програмного та інформаційного забезпечення для підсистем автоматизованого проектування, в ряді випадків, при проектуванні аналогової апаратури використання таких підсистем істотно обмежено відсутністю достовірних бібліотек математичних моделей реальних компонентів електронних схем.

Аналіз існуючих робіт показав, що в переважній більшості випадків визначення параметрів математичних моделей компонентів електронних схем пропонується виконувати на основі паспортних даних або на основі параметрів технологічних процесів.

Відсутність у вітчизняній довідковій літературі необхідних для знаходження числових значень параметрів моделей паспортних даних призводить до втрати точності і достовірності отриманих в такий спосіб моделей. Моделі, побудовані виключно на основі даних технологічних процесів, часто виявляються неточними по причині наявності певних фізичних наближень (нехтуванням межовими ефектами, відмінностями реальних профілів легування напівпровідника розрахунковим, спрощеним описом динаміки напівпровідника, тощо), зроблених при виводі аналітичних співвідношень, які описують модель. Такі фізичні моделі повинні бути уточнені за експериментально виміряними характеристиками елементів.

З іншого боку, існуючі фізичні і емпіричні моделі компонентів не завжди правильно описують залежності параметрів елемента від температури, що обмежує застосування таких моделей при проектуванні апаратури, призначеної для роботи в широкому температурному діапазоні. Аналіз бібліотек моделей, які пропонуються провідними світовими виробниками компонентів показав, що навіть в тих моделях, які дозволяють врахувати залежність характеристик від температури, числові значення температурних параметрів часто залишаються невизначеними, що не дозволяє реалізувати всі потенційні можливості, які закладені в модель.

Орієнтація на паспортні дані чи на параметри технологічних процесів суттєво ускладнює отримання статистичної інформації про діапазони значень параметрів моделі в межах партії елементів одного типу, застосування методів інтервального аналізу для оцінки цих діапазонів часто призводить до значного їх розширення.

Використання серійних вітчизняних вимірювальних приладів для експериментального зняття характеристик компонентів вимагає значних затрат часу, характеризується високою трудомісткістю по збереженню і ручному вводу даних в ПЕОМ для подальшої обробки, не завжди прийнятною точністю вимірювання певних типів характеристик для надійного знаходження тих чи інших параметрів моделей; відсутністю спряження приладів для сумісної роботи з ПЕОМ. В той ж час висока ціна вимірювальних приладів провідних світових виробників (Agilent Technologies, Tektronix, LeCroy, Solartron, Rohde & Schwarz та ін.) різко обмежує їх використання в умовах України.

Залишаються актуальними питання розробки програмних і апаратних засобів для створення і нагромадження інформаційного забезпечення підсистем автоматизованого проектування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень пов’язаний з науково-технічною роботою “Розробка методів та програм математичного моделювання складних режимів в нелінійних динамічних системах”, що виконувалася НДЛ-16 Львівського національного університету імені Івана Франка в 1997-1998 р. згідно з наказом ректора ЛНУ імені Івана Франка Н-291 від 18.05.94.

Мета і задачі роботи. Мета дисертаційної роботи полягає у підвищенні точності і ефективності схемотехнічного проектування шляхом формування бібліотек достовірних моделей компонентів електронних схем для підсистем автоматизованого проектування на основі експериментально виміряних характеристик цих компонентів.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати наступні задачі:

Розробити методику визначення параметрів моделей, які описують електричні, температурні та статистичні характеристики основних типів елементів на основі експериментально виміряних характеристик, перевірити на практиці точність та адекватність розробленої методики.

1. Розробити вдосконалені моделі елементів наступних типів: операційний підсилювач, підсилювач потужності.

2. Розробити методи оптимізації для визначення параметрів моделей за експериментально виміряними характеристиками.

3. На основі аналізу вимог методики знаходження параметрів моделей до засобів вимірювань, визначити структуру і технічні характеристики автоматизованого вимірювального комплексу та забезпечити його практичну реалізацію.

4. Розробити програмне забезпечення для визначення параметрів і формування бібліотек моделей компонентів електронних схем згідно з вимогами до сучасних програмних продуктів; забезпечити застосування розроблених моделей і сформованих бібліотек в існуючих підсистемах автоматизованого проектування радіоелектронної апаратури.

з

Методи досліджень. При виконанні роботи застосовувалися методи системного аналізу, методи аналізу електронних схем та математичного моделювання, методи прикладного та системного програмування, експериментальні методи досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Розроблено функціонально завершений програмно-апаратний комплекс формування бібліотек моделей компонентів електронних схем. Комплекс складається із автоматизованих підсистем визначення характеристик компонентів і програмних засобів перерахунку виміряних характеристик у параметри математичних моделей. Новизна комплексу полягає в наступному: по-перше, діапазони вимірювань характеристик елементів визначаються шляхом аналізу інтервалів довіри знайдених за результатами оптимізації числових значень параметрів моделі. По-друге, розробка вимірювальних підсистем виконана безпосередньо на основі вимог оригінальної методики знаходження параметрів моделей до засобів вимірювань. По-третє, при формуванні функції мети для знаходження параметрів моделі, шляхом відповідного вибору вагових коефіцієнтів, передбачена можливість врахування реальних похибок вимірювальних підсистем комплексу. Застосування розробленого комплексу дозволяє підвищити точність і ефективність схемотехнічного проектування.

2. Розроблена оригінальна методика визначення параметрів моделей арсенід-галієвого польового транзистора, польового транзистора з ізольованим затвором, кварцового резонатора. В розробленій методиці не використовуються спрощення, що впливають на точність знаходження параметрів моделей.

3. Розроблені нові універсальні макромоделі операційного підсилювача та підсилювача потужності зі змінною структурою і методика знаходження їх параметрів. На відміну від раніше відомих моделей, структура моделей автоматично визначається на основі аналізу експериментально виміряних характеристик конкретних типів компонентів. Використання запропонованих моделей дозволяє підвищити точність відтворення динамічних і частотних характеристик схем та проаналізувати вплив температури на їх параметри.

4. Розроблений новий метод оптимізації, призначений для оптимізації багатоекстремальних функцій, який, на відміну від існуючих, дозволяє знайти квазіглобальний мінімум функції за меншу кількість разів обчислень значень функції і характеризується вищою імовірністю збіжності.

5. Розроблені структурні схеми універсальних автоматизованих вимірювальних підсистем для визначення характеристик компонентів електронних схем і виконана їх практична реалізація. На відміну від існуючих, розроблені підсистеми поєднують прийнятні метрологічні характеристики, бага-тофункціональність із доступною вартістю. Застосування розроблених вимі-

рювальних підсистем дозволило підвищити точність знаходження числових значень параметрів моделей.

Практичне значення отриманих результатів.

♦ Використання розробленого програмно-апаратного комплексу для схемотехнічного проектування дозволяє скоротити строки проектувальних робіт, проаналізувати роботу електронних схем в різних режимах роботи, при зміні температури навколишнього середовища, розкиду параметрів елементів.

♦ Завдяки використанню мови SPICE для опису моделей компонентів схем, яка є промисловим стандартом, розроблений комплекс може бути з мінімальними затратами інтегрований в існуючі підсистеми автоматизованого проектування.

Впровадження результатів роботи. Робота виконана в Львівському національному університеті імені Івана Франка. Результати роботи впроваджено в практику інженерного проектування в “Спеціалізованому конструкторському бюро мікроелектроніки в приладобудуванні”, в навчальний процес

і наукову роботу в Львівському національному університеті імені Івана Франка.

Особистий внесок автора. Усі основні положення, які становлять суть дисертації, отримані автором самостійно. В публікаціях, що написані в співавторстві, автору дисертації належить: в [1, 3, 9, 13-17] - структури вимірювальних систем, методи знаходження параметрів моделей за даними вимірювань, в [2, 12] - структура апаратної та програмної частини вимірювальних систем, в [4, 7] - методики аналізу експериментальних даних і функціональні схеми систем, в [10] - експериментальна установка та методи розрахунку параметрів кристалів напівпровідника. В [11] - принципова схема приймача модульованого інфрачервоного випромінювання і аналіз його роботи з допомогою підсистем САПР.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідались і обговорювались на наступних міжнародних та регіональних наукових конференціях:

- Всеукраїнській науковій конференції “Застосування обчислювальної техніки, математичного моделювання та математичних методів у наукових дослідженнях” (1997р., Львів).

- Українській науково-методичній конференції “Використання персональних ЕОМ в навчальному процесі вищого навчального закладу” (1993 -1994р., Львів).

- Четвертій українській конференції з автоматичного управління “Автоматика-97” (1997р., Черкаси).

- Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці” (1995р. та 1997р., Львів).

- Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів, застосування засобів зв’язку та підготовки інженерних кадрів” (1996р., Львів).

- Четвертій міжнародній конференції “Досвід розробки та застосування прнладо-технологічних САПР мікроелектроніки” (1997р., Львів).

- Міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы физической и биомедицинской электроники” (1997р., Київ).

- Другому міжнародному симпозіумі “Microelectronics Technologies and Microsystems” (1998р., Львів).

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи опубліковано в 17 друкованих працях (4 написані без співавторів), з них 5 - в фахових виданнях України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота (загальним обсягом 233 сторінки) складається із вступу, п’яти розділів, висновків; разом викладених на 137 сторінках тексту, списку літератури із 158 найменувань на 17 сторінках, 7 додатків. Робота містить 57 рисунки та 1 таблицю.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі викладено загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність та важливість питань, що розглядаються, сформульовано мету і задачі досліджень, наведені основні наукові положення, що виносяться на захист дисертаційної роботи.

Перший розділ носить оглядовий характер. В цьому розділі наведена архітектура найбільш поширених схемотехнічних САПР для ПЕОМ, розглянуті різні математичні моделі базових елементів для підсистем автоматизованого проектування.

Для опису математичних моделей елементів доцільно взяти вхідну мову SPICE, яка стала, фактично, світовим стандартом, в поєднанні з можливостями Analog Behavior Modeling та модулем Device Equations забезпечує достатньо широкі можливості для опису моделей аналогових компонентів електронних схем.

Показано, що наявні в деяких існуючих САПР засоби побудови бібліотек моделей компонентів базуються, переважно, на довідкових даних і часто не забезпечують необхідної точності визначення параметрів моделей.

Наведено недоліки існуючих моделей щодо точності моделювання характеристик реальних елементів, наявності значних обчислювальних затрат. На основі аналізу вимог різних класів вузлів електронних схем до точності відтворення моделями певних характеристик, визначено множину типів моделей

базових елементів, які ефективно можуть бути використані для аналізу таких схем з допомогою підсистем САПР.

Другий розділ присвячено огляду методів знаходження числових значень параметрів моделей. Розглянуті методи знаходження параметрів моделей за даними технологічних процесів, із використанням методів інтерполяції, на основі експериментально виміряних характеристик реальних елементів (метод найменших квадратів, Л^-метод, рівномірне чебишевське наближення, методи робастної статистики та ін.).

Найбільш доцільно параметри математичних моделей знаходити на основі експериментально виміряних характеристик елементів. При такому підході задачу знаходження числових значень параметрів моделі можна звести до задачі мінімізації функції мети багатьох змінних. Функції мети нерідко виявляються багатоекстремальними, яровими і виникає ряд істотних труднощів при застосуванні методів оптимізації. Розглянуто методи оптимізації декількох типів (градієнтні, статистичні, стохастичні та ін.), розроблено рекомендації щодо їх вибору для мінімізації функцій мети різних типів. Показано, що існуючі методи оптимізації багатоекстремальних функцій часто вимагають значної кількості обчислень і не завжди характеризуються прийнятною збіжністю.

Третій розділ присвячено розробці методики визначення параметрів математичних моделей елементів конкретних типів, нових математичних моделей для операційного підсилювача та підсилювача потужності і методів знаходження їх параметрів. Запропоновано новий статистично-стохастичний метод оптимізації, призначений для мінімізації багатоекстремальних функцій. На тестових прикладах, взятих із реальних задач знаходження параметрів моделей електронних компонентів показано, що запропонований метод забезпечує знаходження квазіглобального мінімуму функції за меншу кількість разів обчислень значень функції мети і характеризується вищою ймовірністю збіжності. Розроблено методику визначення усіх основних параметрів математичних моделей елементів наступних типів: напівпровідникового діода, біполярного транзистора, польових транзисторів різних типів, кварцового резонатора. На відміну від існуючих методик, розроблена методика базуються безпосередньо на експериментально виміряних характеристиках конкретних елементів, без використання паспортних даних. Відсутні припущення, які впливають на точність знаходження параметрів моделі й обмежено до мінімуму використання даних технологічних процесів.

Для моделей елементів конкретних типів запропоновані відповідні форми представлення параметрів і алгоритми оцінки початкових наближень для забезпечення високої ймовірності збіжності при застосуванні методів оптимізації.

Запропоновані нові схемні макромоделі для операційного підсилювача і підсилювача потужності, розроблена методика визначення їх параметрів. На відміну від існуючих моделей, структура розроблених моделей визначається двома чинниками:

1. Досягненням заданої точності відтворенім амплітудно-частотних і фазо-частотних характеристик реального підсилювача. Кількість апроксиму-ючих ланок типу полюс і полюс-нуль автоматично вибирається таким чином, щоб похибка відтворення експериментальних характеристик не перевищувала задане значення.

2. Схема макромоделі генерується на основі тієї множини характеристик реального підсилювача, які повинна відтворювати ця модель. Такий підхід дозволяє в багатьох випадках спростити схему макромоделі і, відповідно, зменшити обчислювальні затрати при її використанні в схемотехнічних

САПР.

Застосування звичайних градієїггних методів для мінімізації багатоекст-ремальних, яровигих функцій (див. рис. 1) не ефективне, а стохастичні методи характеризуються великим числом обчислень значень функції мети і поганою збіжністю, що не завжди прийнятно для практики. Розроблений змішаний статистично-

стохастичішй метод забезпечує вищу ймовірність

Г, , „ . , , збіжності, низьку чутли-

Рпс.1. Залежність функції мети г (метод . ■’ - .

пайменшнх квадратів) під числових іна- вість до початкових умов і

чень параметрів моделі Тгі(2иіпІ ТОМ-2 <2 прийнятні обчислювальні та Яв арсенід-галісвого польового транзн- затрати щодо кількості об-

стора. Тип транзистора - ЗР326А. числень значень функції

мети.

На основі аналізу вимог методики знаходженім параметрів моделей до тинів, діапазонів і точності вимірювань визначені технічні характеристики апаратної частини комплексу і його структура.

Четвертий уочдії присвячений питанням розробки апаратного забезпечення комплексу для експериментального визначення характеристик компо-

центів електронних схем. Розроблено три автоматизовані підсистеми для вимірювання певних типів характеристик компонентів:

1. Система для реєстрації швидких процесів. Система призначена для вимірювання динамічних процесів при подачі на об’єкт тестового сигналу заданої форми. Вхідні і вихідні сигнали об’єкта можуть бути у вигляді струму чи напруги. Система дозволяє виконувати оперативну оцінку амплітудно-частотних характеристик лінійних систем за допомогою псевдошумових сигналів. Основні технічні характеристики системи: розрядність аналогоцифрового та цифро-аналогового перетворювачів - 8; діапазон вхідних сигналів: напруги 10 мВ - 100 В, струму 1 мА - 1 А; смуга пропускання підсилювача АЦП 0 - 10 МГц; діапазон амплітуд генерованих сигналів: напруги 10 мВ - 10 В, струму 1 мА - 1 А; частота дискретизації 1 кГц - 20 МГц; кількість за-

пам’ятовуваних дискретних відліків сигналу

2 х 4096 ; похибки вимірювання миттєвих значень напруги в діапазоні частот до

5 МГц - 2.5%, струму — 3 %.

2. Система вимірювання вольт-амперних (ВАХ) та вольт-фарадних

Рис.2. Блок-схсма системи для реєстрації швидких процесів. АЦП, ЦАП - аналого-цифровий і цифро-аналоговий перетворювачі, ОЗП1 і ОЗП2 - оператн-вно-запам’ятовуючі пристрої, ШІС - перетворювач напруга-струм, П - підсилювач, СК - схема керування, СЧД — синтезатор частоти дискретизації.

(ВФХ) характеристик чотириполюсників і їх температурних залежностей. Система призначена для визначення статичних ВАХ та ВФХ характеристик чотириполюсників при розгортці струмом чи напругою і їх температурних залежностей. Основні технічні характеристики системи: діапазон генерованих та вимірюваних напруг 0.1В - 100 В, струму 0.1 мА - 1 А; діапазон реєстрованих з допомогою логарифмічного перетворювача струмів - 1 пА - 0.1 мА; похибки вимірювання струму 0.35%, напруги 0.3%. Особливість цієї системи полягає в наявності програмно-керованого регулятора температури, який автоматично вибирає параметри пропорційно-інтегрально-диференційного за-

кону регулювання на основі аналізу частотних характеристик системи нагрі-вач-об’єкт-давач температури.

3. Система вимірювання комплексних частотних характеристик. Система призначена для виконання наступних типів вимірювань:

♦ Вимірювання комплексних коефіцієнтів передачі лінійних систем

(підсилювачів, фільтрів, трансформаторів та ін.).

♦ Вимірювання імпедансів двополюсників. Можливість вимірювання двополюсників як із “плаваючими” відносно землі виводами, так і заземлених двополюсників.

♦ Вимірювання імпедансів чотириполюсників при наявності зміщення постійною складовою (різні напівпровідникові прилади в активному режимі роботи). Зміщення постійною складовою може бути як напругою, так і струмом.

Основні характеристики системи: діапазон робочих частот

1 Гц-10 МГц із дискретністю 0.1 Гц; діапазон модулів коефіцієнтів передачі: -40...+60Д6;

діапазон модулів вимірюваних імпедансів 1 Ом - 10 МОм; діапазон напруг зміщення: 10 мВ - 10 В при струмові до 1 А; похибки вимірювання дійсної чи уявної складової в діапазоні частот 10 Гц - 1 МГц коефіцієнту передачі - 0.8%, імпедансу - 0.7%.

Рис.З. Функціональна схема системи для реєстрації комплексних частотних характеристик. АЦП - аналого-цифровий перетворювач, ПІ, П2, ПЗ - підсилювачі, СЧ1, СЧ2 - синтезатори частот, ГД — генератор дискретизації, ГТ - тактовий генератор, СУ -схема узгодження, СК - схема керування, ОЗП - опера-тнвно-запам’ятовуючий пристрій, СД - синхронний детектор.

Всі системи складаються з ПЕОМ типу IBM PC/AT та апаратного модуля. Зв’язок апаратного модуля з ПЕОМ здійснено через стандартний двоске-рований паралельний інтерфейс типу "CENTRONICS".

П’ятий розділ присвячений питанням розробки архітектури комплексу в цілому, програмної реалізації підсистеми визначення параметрів і формування файлів бібліотек моделей на вхідній мові SPICE. Розглянуто структуру підсистеми ідентифікації параметрів моделей, особливості її реалізації за допомогою методів об’єктно-орієнтованого програмування. Підсистема забезпечує виконання наступних основних операцій:

♦ завантаження і перевірку файлів експериментальних даних з метою виключення із подальшого аналізу даних з несправних елементів, неправильно виміряних характеристик.

Рис.4. Архітектура розробленого програмно-апаратного комплексу.

♦ обчислення значень початкових наближень основних параметрів моделей шляхом виконання попереднього аналізу експериментальних характеристик.

♦ вибір методу оптимізації (автоматично чи вручну) серед наявних 11 градієнтних, статистичних чи стохастичних методів, методу оцінки парамет-

рів (метод найменших квадратів, найкраще чебишевське наближення, тощо), задання допустимих діапазонів значень параметрів моделей.

♦ знаходження числових значень параметрів моделей, які описують електричні і температурні характеристики компонентів.

Ф обчислення дискретних законів розподілу параметрів моделей на основі обробки експериментальних характеристик партій елементів одного типу.

Ф перегляд результатів оптимізації в графічному і текстовому форматах, отримання різноманітної статистичної інформації (максимальне і серед-ньоквадратичне відхилення розрахункових характеристик від експериментальних, величини інтервалів довіри для кожного із параметрів моделі, кількість обчислень значень функції мети).

Ф корекцію діапазонів вимірювань характеристик компонентів на основі аналізу чисельних значень інтервалів довіри параметрів моделі.

Ф формування текстових файлів бібліотек моделей компонентів на вхідні мові SPICE.

Програмне забезпечення ідентифікації параметрів моделей виконано у вигляді програми для операційних систем Microsoft Windows 95/98/NT4.0/2000 в середовищі розробки Borland Delphi 5.0.

В додатках наведено документи про впровадження результатів дисертаційної роботи; математичні моделі компонентів, які були піддані впливу іонізуючого випромінювання; приклади, коли спрощені моделі, взяті з бібліотек існуючих САПР дають некоректні результати моделювання, а сформовані

з допомогою розробленого комплексу забезпечують прийнятну точність аналізу; бібліотека моделей компонентів; вихідні тексти деяких модулів програмного забезпечення; результати по застосуванню розробленого комплексу в техніці фізичного експерименту.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

Найбільш суттєві теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи полягають в наступному:

1. Запропоновано оригінальну методику визначення параметрів моделей напівпровідникового діода, біполярного транзистора, польових транзисторів різних типів і кварцового резонатора. При розробці методики не використовувались спрощення, які впливають на точність знаходження параметрів моделі.

2. Розроблена методика визначення параметрів моделей, які описують динамічні властивості діода, біполярного транзистора, польового транзистора

із ізольованим затвором і арсенід-галієвого польового транзистора базується на основі аналізу імпедансних і частотних характеристик передачі цих елементів, що в порівнянні із методикою визначення параметрів на основі аналізу процесів перемикання вимагає вимірювальних приладів меншої вартості і характеризується меншими обчислювальними затратами.

3. Запропоновані нові математичні моделі операційного підсилювача та підсилювача потужності із змінною структурою і розроблена методика визначення їх параметрів. На відміну від існуючих моделей, структура моделі автоматично визначається так, щоб забезпечити необхідну точність відтворення експериментальних характеристик. Всі основні параметри моделі реалізовані як функції температури, і розроблена методика їх знаходження.

4. Розроблено новий метод статистично-стохастичної оптимізації бага-тоекстремальних функції. На тестових прикладів показано, що в порівнянні із іншими методами оптимізації, запропонований метод дозволяє знайти квазі-глобальний мінімум функції за меншу кількість разів обчислень значень функції і характеризується вищою імовірністю збіжності.

5. Запропоновані структурні схеми підсистем реєстрації характеристик компонентів електронних схем і виконана їх практична реалізація. Розроблені підсистеми характеризуються багатофункціональністю, можливістю виконання вимірювань різних типів, прийнятними метрологічними характеристиками і відносно невисокою ціною. При розробці вимірювальних систем запропоновані оригінальні схемні та програмні рішення для наступних елементів: методу програмної температурної компенсації логарифмічного перетворювача; структурної схеми універсального вимірного перетворювача для вимірювання вольт-амперних характеристик чотириполюсників; структурної схеми універсальної схеми узгодження з об’єктом вимірювань для вимірювання як імпедансів, так і коефіцієнтів передачі чотириполюсників при зміщенні постійною складовою; широкодіапазонного регулятора температури, числові значення коефіцієнтів закону регулювання якого визначаються біжу-чою заданою температурою об’єкту.

6. Розроблено сучасні програмні засоби ідентифікації параметрів моделей елементів різних типів за експериментально виміряними характеристиками. Особливості розробленого програмного забезпечення полягають в наступному:

♦ при знаходженні числових значень параметрів моделей передбачена можливість використання як різних методів оптимізації (градієнтних, статистичних, стохастичних), так і різних методів оцінки параметрів (метод найменших квадратів, X2-метод, найкраще чебишевське наближення, методи ро-

бастної статистики) з метою досягнення найкращої точності відтворення експериментальних характеристик.

^ для кожного із параметрів моделі передбачено обчислення інтервалів довіри, що дає змогу оцінити достовірність знайдених числових значень параметрів. На основі аналізу інтервалів довіри уточнюються діапазони вимірювань характеристик компонентів таким чином, щоб параметри моделі були знайдені якомога точніше.

❖ передбачена можливість обчислення температурних параметрів моделей.

4 обчислення дискретних законів розподілу параметрів моделей дає змогу підвищити точність результатів аналізу Монте-Карло при аналізі впливу розкиду параметрів моделей на характеристики проектованої схеми.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. БардилаТ.І., Злобін Г.Г., Кремінь В.Т., Автоматизована система визначення статичних та динамічних параметрів радіотехнічних пристроїв. // Вісник Державного університету “Львівська Політехніка”, Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв, 1997. - №326, С. 11-13.

2. Злобін Г.Г., Кремінь В.Т., Павлишин О.В., Автоматизована система визначення параметрів моделей напівпровідникових елементів // Вісник Державного університету “Львівська Політехніка”, Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки, 1998. - №325, С. 57-60.

3. Злобін Г.Г., Кремінь В.Т. Автоматизована система визначення параметрів моделей напівпровідникових елементів // Электроника и связь, 1997. -№2, С. 392-394.

4. Злобин Г.Г, Креминь В.Т., Автоматизированный измеритель параметров математических моделей полупроводниковых элементов, Электронное моделирование, 1999. - №2, С.55-59.

5. Кицай В.Б., Кремінь В.Т., Савицький Н.А., Савчин В.П., Дослідження вольт-амперної характеристики кристалу ІгцБсз // Вісник державного університету “Львівська Політехніка”, Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки, 1999. - №362, С.101-109.

6. Злобин Г.Г, Креминь В.Т., Быстродействующая цифровая система для исследования динамических процессов // Приборы и техника эксперимента, 1997. - №3, С. 69-74.

7. Креминь В.Т., Автоматизированная установка для исследования вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик полупроводниковых приборов //Приборы и техника эксперимента, 1998. - №1, С. 78-81.

8. Креминь В.Т., Широкодиапазонный регулятор температуры с автоматической настройкой на объект регулирования // Приборы и техника эксперимента, 1998. -№5, С. 158-160.

9. Злобин Г.Г., Креминь В.Т., Универсальная цифровая измерительная система// Измерительная техника, 1998. - №6, С. 52-54.

10. Креминь В.Т., Автоматизированный измеритель параметров полупроводниковых приборов, Измерительная техника, 1998. - №9, С 31-33.

11. StakhiraP., DutchakZ., Pavlishin О., Kremin V. Infrared Intensity Modulated Irradiation Sensor on the Base of Thermo photoconductivity phenomena // Proceedings of 2-nd International Symposium on Microelectronics Technologies and Microsystems, 1998. p. 213-215.

12. Злобін Г.Г., Кремінь B.T., Цифрова система визначення параметрів нелінійних динамічних систем // Львівський державний університет ім. Івана Франка. - Львів, 1996. - 20 с. Деп. в УкрІНТЕІ 20.12.96 p., №295-Уі96.

13. Кремінь В.Т. Математичні моделі та методи ідентифікації параметрів моделей напівпровідникових елементів // Львівський державний університет ім. Івана Франка. - Львів, 1998. - 10 с. Деп. в ДНТБ України 23.03.98 p., №154-Ун98.

14. Злобін Г.Г., Кремінь В.Т. Система визначення параметрів моделей

напівпровідникових приладів на базі ПЕОМ IBM PC/AT // Тези доповідей всеукраїнської наукової конференції “Застосування обчислювальної, техніки, математичного моделювання та математичних методів у наукових дослідженнях”. - Львів, 1997. - С. 40-41. '

15. Злобін Г.Г., Кремінь В.Т. Система визначення параметрів моделей напівпровідникових елементів на базі ПЕОМ IBM PC/AT // Тези доповідей 4-ї української конференції “Автоматика-97”. - Черкаси, 1997. - С.28.

16. БардштаТ.І., Злобін Г.Г., Кремінь В.Т. Автоматизована цифрова система визначення статичних та динамічних параметрів радіотехнічних пристроїв // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів, застосування засобів зв’язку та підготовки інженерних кадрів”. - Львів, 1996,

- С. 38-39.

17. Злобін Г.Г., Кремінь В.Т. Автоматизована система визначення параметрів моделей напівпровідникових елементів // Тези доповідей 4-ї міжнародної науково-технічної конференції “Досвід розробки та застосування прила-до-технологічних САПР мікроелектроніки”. - Львів, - 1997. С. 67-68.

АНОТАЦІЯ

Кремінь В.Т. Програмно-апаратний комплекс формування бібліотек моделей компонентів електронних схем для підсистем автоматизованого проектування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 - Системи автоматизації проектувальних робіт. -Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2000.

Дисертація присвячена підвищенню точності й ефективності схемотехнічного проектування шляхом формування бібліотек достовірних моделей компонентів електронних схем на основі експериментально виміряних характеристик цих компонентів. Запропоновані нові моделі компонентів електронних схем, методика визначення їх параметрів. Розроблений комплекс дозволяє формувати бібліотеки моделей елементів, які описують електричні, температурні і статистичні характеристики для підсистем автоматизованого проектування, сумісних із SPICE.

Ключові слова: САПР, SPICE, математичне моделювання,

ідентифікація, оптимізація, макромодель, програмно-апаратний комплекс.

АННОТАЦИЯ

Креминь В.Т. Программно-аппаратный комплекс формирования библиотек моделей компонентов электронных схем для подсистем автоматизированного проектирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.13.12 - системы автоматизации проектировочных работ. - Государственный университет “Львовская политехника”, Львов, 2000.

Диссертация посвящена повышению точности и эффективности схемотехнического проектирования путем формирования библиотек достоверных моделей компонентов электронных схем на основе экспериментально измеренных характеристик этих компонентов. Предложены новые модели компонентов электронных схем, методика определения их параметров. Разработанный комплекс позволяет формировать библиотеки моделей элементов, которые описывают электрические, температурные и статистические характеристики для подсистем автоматизированного проектирования, совместимых с SP1CE.

Ключевые слова: САПР, SPICE, математическое моделирование, идентификация, оптимизация, макромодель, программно-аппаратный комплекс.

ABSTRACT

Kremin V.T. Component model libraries forming software-hardware complex for ECAD systems. - Manuscript.

Thesis for the candidate’s degree by speciality 05.13.12 - Computer Aided Design Systems. - State University “Lvivska Polytechnica”, Lviv, 2000.

The dissertation is devoted to developing reliable models of electronic components for ECAD systems. New methods are suggested for evaluation of models parameters when set of experimental component characteristics are given. The parameter evaluation technique is based on minimization of multiextremum goal functions. Methods were developed for various types of components: semiconductor and zener diode, bipolar transistor, junction field effect transistor, metal-oxide-semiconductor field effect transistor, GaAs field effect transistor and crystal resonator. The electrical, temperature and statistical models parameters may be determined by the proposed methods. These methods are accurate and tested on quantity various elements.

New circuit macromodels are suggested for operational and power amplifiers. By contrast to the existing models, the structure of models is automatically determined for obtaining good of agreement calculated values with the experimental characteristics. New algorithms for determination models structure and estimation their parameters are presented too. The developed models permit simulate static, dynamic, temperature and statistical behavior of operational and power amplifiers. These models show better agreement with experimental characteristics in to comparison existing models, created, for example, by the use Oread Model Editor V.9.1.

New mixed stochastic-statistic optimization method for minimization multiextremum functions is proposed. The method is suitable for model parameter estimation using experimentally measured data. The test examples show better probability of convergence and possibility to obtain lower cost function values in comparison with other existing methods. The main principle of developed method based on alternate use of fast-simulated diffusion method for initially parameter values estimating and modifying Rastrigin’s method for evaluation parameters more exactly. A new scaling procedure for cyclic substitution during optimization process is proposed.

The developed software makes possible to generate output files in standard text SPICE format. The software permits to calculate values model parameters distribution when series models analysis of components one type is necessary. This possibility allows to increase the accuracy of Monte-Carlo analysis, used in modern circuit simulation programs. The software allows to estimate temperature

parameters values also using extracted parameters for several temperature values. Created library of various optimization methods (gradient, statistic and stochastic and other types) and parameter values estimation (lest squares, minmax estimation, robust statistics and so on) allows to select the best optimization method for specific task and concrete set of experimental data. The algorithms to choose optimization and parameters evaluation methods were suggested. In developed software it is provided the possibility to calculate the probability intervals for correcting and revising measured bounds and several methods for discovering correlated model parameters. This tool is very useful for development of new semi-empiric device models and improving existing physical models using added empiric amendment. Developed software runs on Microsoft Windows 95/98/NT4.0/2000 operational systems, support multithread, Dynamic Data Exchange operations systems possibilities.

The fully automated, computer controlled systems for measurement characteristics of electronic components were developed. The structure, properties and metrological characteristics which were obtained, have done analysis requirements of proposed model parameter estimation methods. The systems were developed for measurement of following types of characteristics: various volt-ampere and volt-farad characteristics of one-port and two-port devices and their temperature dependence; impulse and transition characteristics of linear and nonlinear elements; complex transmission factor of linear circuits; impedance characteristics of one-port and two-port devices with DC voltage and current displacement. The possibility of measurement gain-frequency characteristics of linear systems using pseudonoise signals is realized.

All systems consist of hardware modules and PC-based control software. The low-cost CENTRONIS interface is used for interconnection between PC and hardware modules. Original decisions were suggested for following units: temperature regulator with automatic tuning on control object; the temperature compensation method for wide range bipolar logarithmic converter; the measured object universal concordance circuit. The key properties of designed systems are multi-purpose destination, suitable metrological parameters and low cost. The developed automated systems may be used for physical experiments, for test purposes during electronic components manufacturing process and for education purposes too.

The generated components model libraries were used in practice for design various electronic equipment (new test and instrument systems, hybrid integrated circuits).

Key words: CAD, SPICE, mathematical modeling, parameter estimation, optimization, macromodel, software and hardware complex.