Proiectare asistată de calculator

I. Introducere

Dezvoltarea tehnicilor de simulare si proiectare asiastata de calculator este rezultatul cresterii complexitatii sistemelor electronice si al necesitatii reducerii ciclurilor de cercetare-proiectare-punere în fabricatie ale noilor sisteme.

Prin simulare, cu ajutorul calculatorului, se pot analiza si testa componente si circuite electronice si electrice, atât analogice cât si digitale, fara sa fie necesara realizarea lor experimentala. Astfel, se pot efectua analize complexe, flexibile, precise, fiabile si ieftine, care sa ia in considerare efectele variatiei parametrilor unor componente, efectele caderilor unor componente, comportarea unor dispozitive scumpe si/sau greu procurabile si comportarea unor dispozitive si circuite în anumite conditii fizice foarte greu sau improbabil de analizat practic.

Simularea permite utilizatorului studierea si întelegerea rapida a functionarii unor circuite, într-o maniera care se situeaza între teorie si practica, iar practicantului îi asigura gasirea mult mai rapida a solutiei optime. Pe aceasta cale, se pot efectua determinari asupra punctului static de functionare, a raspunsului la semnal mic în regim sinusoidal, a sensitivitatii la variatia unor parametrii de circuit, a variatiilor statistice ale parametrilor componentelor electronice si a efectelor acestora asupra raspunsului circuitelor simulate, a raspunsului în regim tranzitoriu, a comportarii componentelor si circuitelor electronice în situatiile cele mai nefavorabile, a efectului temperaturii, zgomotului, distorsiunilor, precum si a comportarii în frecventa (analiza Fourier).

Analiza modului în care functioneaza circuitele electronice implica rezolvarea unui sistem de ecuatii. Problema cea mai usoara, o constituie gasirea solutiilor unui sistem de ecuatii algebrice care rezulta din cele doua teoreme ale lui Kirchhoff si din relatiile constitutive pentru elementele din laturi (Branch Constitutive Equation). În cazul unui circuit mic, cu elementele liniare, determinarea prin analiza manuala a solutiei exacte de c.c. este o problema usor de rezolvat. Pentru circuitele mai mari gasirea solutiei de c.c. si în special a solutiilor în domeniul frecventa sau în domeniul timp devine o problema foarte complexa. Analiza circuitelor care contin si elemente descrise de o relatie neliniara între tensiune si curent sporeste nivelul de complexitate deoarece implica rezolvarea relatiilor curent – tensiune neliniare ale elementelor din laturi, simultan cu ecuatiile rezultate din teoremele lui Kirchhoff.

În cazul în care trebuie determinata si comportarea în timp si/sau frecventa a unui circuit electronic nivelul de complexitate creste cu înca o treapta. Ecuatiile algebrice neliniare devin în acest caz ecuatii integro-diferentiale care pot fi rezolvate manual numai în conditiile unei aproximatii, de exemplu aproximatie de semnal mic, sau a unor conditii restrictive.

Procesul tehnologic de fabricatie implica mai multe etape. Mai întâi trebuie definite cerintele pe care la impune procesul, dupa care se realizeaza proiectarea electrica si se genereaza layout-ul circuitului. În fiecare etapa a procesului de fabricatie se folosesc placi microfotografice prin intermediul carora se transpune în plachetele din Siliciu echivalentul circuitului asa cum rezulta el din layout. În finalplachetele din Si sunt testate pentru a se verifica functionarea corecta a circuitelor pe care le contin. Acest flux tehnologic costisitor impune conditia ca proiectul electric sa fie corect în momentul transferului în Si. Pentru verificarea corectitudinii proiectului este nevoie de o placa de circuit imprimat virtuala care poate fi produsa cu un calculator prin intermediul unui program de simulare sau analiza eletrica. Programele destinate analizei electrice a retelelor, fara a utiliza tehnici de rezolvare particulare, dependente de topologia circuitului, a sistemului realizat prin aplicarea teoremelor KI si KII si a relatiilor constitutive precum elementele din laturi, sunt denumite simulatoare de circuit.

I.1. Structura unui program de simulare

La ora actuala exista o varietate mare de programe de simulare a circuitelor electronice. Indiferent de tipul simulatoarelor, de circuite electronice analogice, circuite electronice digitale sau mixte, structura este aceeasi, ceea ce difera fiind forma ecuatiilor si algoritmii utilizati la calculul raspunsului.

Programele de simulare pentru circuitele electronice analogice cuprind, în principiu patru etape (fig.I.1):

- introducerea datelor;

- formularea sistemelor de ecuatii;

- rezolvarea sistemelor de ecuatii;

- furnizarea rezultatelor.

I.1.1.Introducerea datelor.

Etapa de introducere a datelor consta în descrierea circuitului, specificarea tipurilor de analiza ce urmeaza a fi efectuate precum si stablirea conditiilor în care acestea vor avea loc. Descrierea circuitului se face la majoritatea programelor de simulare în asa-numitul „format SPICE” în care fiecare dispozitiv din cadrul circuitului este descris cu respectarea unei anumite sintaxe care cuprinde nodurile la care e conectat, valoarea, tipul de model, etc. Fiecare tip de model este caracterizat printr-un numar de parametrii de model.

Descrierea modelelor se poate face fie odata cu descrierea circuitului fie pot exista în cadrul unor fisiere biblioteca de modele. În cazul circuitelor complexe care contin o diversitate de dispozitive este mult mai avantajos sa se foloseasca modele deja existente în fisierele biblioteca, astfel volumul de date ce trebuie introdus devine foarte mare si pot aparea erori.