Автоматизация схемотехнического проектирования ( АСхП ) включает в себя решение задач (проектных процедур) расчёта, анализа, оптимизации и синтеза электронного устройства. Проектная процедура расчёта включает в себя определение выходных параметров и характеристик устройства при неизменных значениях его внутренних параметров и постоянной структуре. Под анализом понимается определение реакции на выходе устройства при изменении его внутренних и входных параметров (многовариантный анализ). Процедура оптимизации предусматривает определение наилучших в том или ином смысле значений выходных параметров и характеристик путем целенаправленного изменения внутренних параметров устройства ( параметрическая оптимизация ) или структуры устройства (структурная оптимизация ). Наиболее сложной задачей являются процедуры синтеза, т.е. генерации исходного варианта устройства, включая его структуру (структурный синтез ) и значения внутренних параметров ( параметрический синтез ).
При проектировании электронной аппаратуры используются различные методы:
· неавтоматизированный расчёт по известным формулам (низкая точность, громоздскость, невозможность использования для сложных многоэлементных устройств );
· физическое моделирование, т.е. исследование объектов одной физической природы с помощью объектов другой физической природы, но с одинаковым математическим описанием функционирования ( метод электрофизических аналогий ). Применяется редко, в случаях когда математическое описание процессов затруднено, например, тепловых процессов;
· натурное макетирование – наиболее старый способ, обладающий наибольшей достоверностью результатов, обусловленной работой с реальными схемами, однако, он имеет ряд крупных недостатков – высокая стоимость, длительность создания макета, ограниченные возможности макетирования;
· математическое моделирование на ЭВМ наиболее современный способ автоматизации проектирования многоэлементных схем, например, СБИС с числом элементов 105 и более. В этом случае математические модели элементов используются на всех стадиях проектирования. Под математической моделью понимается любое формализованное ( записанное с помощью математических формул ) описание объекта, отражающее с заданной точностью его состояние или поведение).
Современная система АСхП представляет собой комплекс средств, включающий в себя следующие основные части:
– математическое обеспечение (теория, методы, способы, алгоритмы для организации вычислений на ЭВМ) ,
– лингвистическое обеспечение ( языковые средства),
– программное обеспечение (системные и прикладные программы),
– информационное обеспечение (база данных элементов),
– организационное обеспечение ( совокупность правил, инструкций по эксплуатации АСхП),
– методическое обеспечение ( описания программ, языков программирования, инструкции по использованию всех видов обеспечения АСхП ).
В связи с резким увеличением степени интеграции современных ИС методы проектирования и программы для ЭВМ, основанные на моделях конкретных элементов не обеспечивают проведение схемотехнического анализа и оптимизации параметров. Из–за большой размерности возникающих задач проектирования необходимый объём памяти и затраты времени на моделирование выходят за разумные пределы. Компромиссом между точностью моделирования и аппаратно – временными затратами в сложившейся ситуации является использование т.наз. макромоделей. Под макромоделью понимается математическая модель функционального узла (состоящего из нескольких компонент ), отражающая с достаточной для конкретного применения точностью статические и динамические характеристики на внешних выводах ИС. Макромодель описывается системой уравнений значительно меньшего размера или существенно более простым алгоритмом расчёта выходных переменных по сравнению с развёрнутым компонентным представлением той же подсхемы, что и обеспечивает уменьшение размера задачи моделирования в целом. Снижение вычислительных затрат при использовании макромоделей ИС и фрагментов БИС достигается ценой некоторого уменьшения точности моделирования. Однако время моделирования уменьшается при этом в несколько раз, тогда как точность остаётся в допустимых пределах. В настоящее время накоплен банк макромоделей для всех серийно выпускаемых ИС и для типовых функциональных узлов БИС и СБИС, кроме того хорошо отработана методика формирования макромоделей для вновь проектируемых узлов и блоков.
На этапе конструкторского проектирования функционально – логическая или принципиальная электрическая схемы преобразуются в совокупность конструктивных узлов, которые осуществляют её физическую реализацию. При этом учитываются геометрические размеры компонент, размеры и расположение проводников (трассировка), расстояния между ними, определяется число слоёв на кристалле ИС, количество контактных площадок и межслойных соединений с учётом обеспечения заданных требованиё по надёжности в условиях реальной эксплуатации изделия.
Примером современной АСхП может служить система «Or CAD» версий 7.0…9.0, разработанная фирмой Or CAD основанной в 1985г.: специализация фирмы – САПР схемотехнического проектирования. Программный продукт (ПП) OrCAD, упрощенной версией которого является распространённая в РФ система P–CAD, является наиболее функционально полным и интенсивно развивающимся. ПП OrCAD – это программное обеспечение для сквозного проектирования электронных устройств, включающее:
· OrCAD Capture – программа создания принципиальных схем проектов всех типов: синтез ПЛИС, моделирование цифровых устройств с помощью OrCAD Express, моделирование аналоговых и цифровых устройств и их параметрическая оптимизация с помощью OrCAD PSpice и PSpice Optimizer, разработка печатных плат с помощью OrCAD Layout;
· OrCAD Capture CIS (Component Information System) программа доступа к базам данных ведущих фирм–производителей электронных компонент через Интернет (более 200 тыс. элементов);
· OrCAD PSpice– моделирование аналоговых устройств: расчёты режимов и характеристик, оптимизация схемотехники в зависимости от заданных пользователем ограничений, библиотека аналоговых моделей содержит более 12 тыс. позиций (практически вся элементная база);
· OrCAD Gerb Tool – программа создания управляющих файлов для фотоплоттера;
· OrCAD Visual – графический редактор (аналог Auto CAD).
Типовой процесс проектирования предполагает размещение и трассировку элементов на схемных страницах (физических слоях ИС) с последующим соединением страниц между собой. Система позволяет проектировать до 30 слоев печатной платы или кристалла ИС, число одновременно разводимых слоёв – до16. OrCAD работает в среде Windous 98, NT4.0, XP, необходимый объём памяти около 300 Мбайт. В схемном редакторе предусмотрено формирование и использование макрокоманд (систем команд стандартной обработки типовых узлов и/или блоков проектируемого изделия), существенно облегчающих процесс проектирования схем с большим количеством функционально одинаковых устройств.
Типовые вопросы для самоподготовки
1. Пассивные и активные элементы электронных схем. Классификация, назначение, основные параметры.
2. Источники тока и напряжения. Основные особенности, параметры, применение. Частотнонезависимая электрическая цепь, коэффициент передачи цепи.
3. Аналоговые электрические сигналы. Основные виды, информационные параметры сигналов, принцип модуляции.
4. Частотнозависимая электрическая цепь. Коэффициент передачи, нормированная частотная характеристика.
5. Усилители. Общие определения, классификация, основные параметры и характеристики.
6. Обратные связи в усилителях. Назначение, принцип действия, классификация. Влияние обратной связи на основные параме6тры усилителя.
7. P-n переход. Физическая модель, принцип действия, вольтамперная характеристика. Полупроводниковый диод, стабилитрон.
8. Биполярный и униполярный транзисторы. Принцип действия, разновидности, основные параметры.
9. Схемы включения биполярного транзистора. Соотношение между выходными и входными токами.
11. T-образная физическая схема замещения транзистора с ОЭ, входное и выходное сопротивления транзистора.
12. Тиристоры. Принцип действия, разновидности, назначение, схемы включения.
13. Оптроны. Принцип действия, основные разновидности, назначение, параметры, достоинства и недостатки.
14. Светодиоды и фотодиоды. Принцип действия, характеристики, назначение.
15. Фоторезисторы. Принцип действия, характеристики, назначение.
16. Усилительный каскад по схеме ОЭ. Выбор и установка начального режима, анализ работы по характеристикам.
17. Эквивалентная физическая схема резистивно-емкостного каскада усиления по схеме с ОЭ и эмиттерной обратной связью. Определение основных параметров каскада.
18. Эмиттерный повторитель. Схема, основные параметры, назначение.
19. Двухтактный трансформаторный усилитель класса B. Принципиальная схема, назначение элементов, графический анализ работы по характеристикам.
20. Бестрансформаторный выходной каскад усиления мощности на транзисторах с дополнительной симметрией. Схема, принцип работы, преимущества и недостатки.
21. Вторичные источники питания в интегральном исполнении, основные серии, принцип работы регулируемого стабилизатора напряжения типа К142ЕН1А.
22. Параллельные балансные УПТ как основа операционного усилителя, схема, принцип работы, основные параметры, достоинства и недостатки.
23. УПТ с преобразованием спектра входного сигнала. Структурная схема, принцип работы, применение.
24. Фильтры. Основные типы, схемотехническая реализация, назначение, основные параметры.
25. Операционный усилитель, определение, обозначение, основные параметры.
26. Схемы подачи входных сигналов на операционный усилитель. Синфазный сигнал. Способы организации обратной связи в ОУ.
27. Инвертирующий и неинвертирующий ОУ. Функциональные схемы, принцип работы, основные параметры.
28. Инвертор и повторитель сигналов на базе ОУ. Функциональные схемы, принцип работы, основные параметры.
29. Сумматор и вычитатель сигналов на базе ОУ. Функциональные схемы, принцип работы, передаточные характеристики.
30. Интегрирующий и дифференцирующий усилители на базе ОУ. Функциональные схемы, принцип работы, передаточные характеристики.
31. Прецизионный выпрямитель и компаратор на базе ОУ, схемы, принцип работы, назначение.
32. Ждущий мультивибратор на ОУ. Схема, принцип работы, временные диаграммы, основы расчета, анализ погрешностей.
33. Автоколебательный мультивибратор на ОУ. Схема, принцип работы, временные диаграммы, основы расчеты, анализ погрешностей.
34. Активные фильтры низких и высоких частот на базе ОУ. Схемы, принцип работы.
35. Компенсационный стабилизатор напряжения. Схема, назначение элементов, принцип действия.
36. Генераторы гармонических колебаний на базе ОУ. Основные типы, схемы, применение.
37. Мостовой диодный выпрямитель при работе на активную и емкостную нагрузки. Схема, принцип работы, основные соотношения.
38. Сглаживающие фильтры вторичных источников питания типов LC и RC, назначение, основные параметры.
39. Параметрический стабилизатор напряжения, схема, принцип и графический анализ работы.
40. Основные разновидности RC-цепей, отличительные признаки, схемы, назначение.
41. Классический метод анализа линейных импульсных устройств на примере RC-цепей. Основные соотношения, область применения.
42. Дифференцирующая RC-цепь. Схема, назначение, диаграммы напряжения на элементах.
43. Разделительная RC-цепь. Схема, назначение, диаграмма напряжений на элементах, качество передачи формы импульса.
45. Характеристики транзисторного ключа в режиме отсечки.
46. Характеристики транзисторного ключа в режиме насыщения.
47. Переходные процессы в транзисторном ключе, способы повышения быстродействия.
48. Базовые логические элементы ТТЛ. Схемы, принцип действия, особенности, применение.
49. Характеристики и параметры логического элемента ТТЛ.
50. Базовый элемент ЭСЛ. Схема, принцип работы, характеристики и параметры, применение.
51. Логические элементы на базе МОП и КМОП структур, схемы, особенности применения.
52. Схемы задержки на основе логических элементов и интегрирующей RC-цепи. Временные диаграммы, время задержки.
53. Схема задержки на основе логических элементов и дифференцирующей RC-цепи. Временные диаграммы, время задержки.
54. Ждущий мультивибратор на логических элементах. Схема, принцип работы, временные диаграммы, основы расчета, анализ погрешностей.
55. Автоколебательный мультивибратор на логических элементах. Схема, принцип работы, временные диаграммы, основы расчета, анализ погрешностей.
Объясните принцип работы последовательно-параллельного регистра.
Методы проектирования РЭА.
Основные проектные процедуры в АСхП.
Типовой состав видов обеспечений в АСхП
Список рекомендуемой литературы
Основной список литературы является необходимым и достаточным для изучения дисциплины совместно с конспектом лекций. Дополнительный список предназначен наряду с основным для самостоятельного, углубленного изучения материала.
