Felicitas PCBSim: spolehlivost výsledků simulace

Simulace obvodů SPICE existují již více než 40 let. Použití simulací šetří návrhářům čas, který by jinak museli strávit pozdějším předěláváním svých návrhů. Navíc obvod, který prošel simulací, bývá stabilnější a také cenově efektivnější. Navzdory tomuto faktu mnoho vývojářů simulace nepoužívá, protože mají pochybnosti o přesnosti jejich výsledků. Tento článek se zabývá problematikou přesnosti simulací a mírou, do jaké se lze na jejich výsledky spolehnout.

Felicitas PCBSim

Příklady uvedené níže byly získány za pomoci programu Felicitas PCBSim, což je simulační software, který je plně integrován do návrhového systému EAGLE od společnosti CadSoft. Simulátor je aktivován přímo ze schematického editoru EAGLE, ve kterém jsou přidány nabídky povelů a dialogy pro nastavení simulačních parametrů všech součástek. Schéma je převedeno do PCBSim jedním kliknutím. Celé nastavení simulace zůstává uloženo ve schématu EAGLE. Program PCBSim v návaznosti na EAGLE byl již v tomto časopisu popsán [1], stejně jako možnosti vlastního simulátoru [2]. Následující výsledky a závěry jsou platné pro většinu SPICE simulátorů.

SPICE Algoritmus

První verze SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) vznikla v roce 1973 na Berkeley University of California. Zdrojový kód byl později uvolněn veřejnosti a stal se základem různých simulačních programů. SPICE používá Kirchhoffovy zákony k vytvoření sady rovnic, které daný obvod reprezentují. První Kirchhoffův zákon o uzlech říká, že součet proudů v každém uzlu se musí rovnat nule (na obr. 1 to platí pro uzly NODE1, NODE2 a GND). Druhý Kirchhoffův zákon stanoví, že součet všech napětí v každé smyčce se rovná nule (na obr. 1 to platí pro napětí na V1, R1 a D1).

Pro každý obvod to znamená n rovnic pro n neznámých napětí. Pokud je obvod lineární, je řešení těchto rovnic jednoduché. Pro nelineární rovnice používá SPICE proces v podobě Newton-Raphsonovy aproximace. Jednoduše řečeno, napětí je v uzlech odhadnuto, zatímco proudy jsou vypočítány. Pokud součet proudů v uzlu není nulový, jeho napětí se upraví. Správný výsledek je nalezen, až když se součty vyrovnají.

Simulace začne v čase nula a pokračuje dále v malých časových krocích. Pro každý nový časový krok se jako základ pro další výpočet bere údaj z předešlého kroku.

Napětí na kondenzátorech se vypočítávají integrací proudu, který do nich teče. Podobně se zachází i s indukčností.

Pokud by SPICE věděl, jak proud diodou D1 souvisí s napětím na D1, výsledek simulace by byl absolutně přesný. Obecně řečeno, výsledky simulací budou přesné, pokud simulační model každé součástky bude také přesný.

Dále se nyní podíváme na přesnost, kterou očekáváme u obecně používaných simulačních modelů.

Simulační modely pro pasivní součástky

Ideální pasivní součástky jsou pochopitelně pro SPICE známé, nepotřebují simulační model, pouze hodnoty. Simulační program Felicitas PCBSim si čte hodnoty součástek přímo z návrhového systému EAGLE a rozumí způsobu zápisu hodnoty, např. 3k3 nebo 4u7.

Parazitní složky součástek jsou pro simulaci zajímavou úlohou. Program Felicitas PCBSim je umožňuje přidat součástce přímo, ale v mnoha případech to není potřeba dělat. Tak např. rezistory a keramické kondenzátory se budou ve většině aplikací chovat jako ideální rezistory a kondenzátory.

Elektrolytické kondenzátory jsou ovšem jiný případ. Mívají poměrně velký sériový odpor a také svod. Oba efekty mohou být snadno v simulaci zahrnuty a měly by být přidány do simulačních parametrů (viz obr. 2).

Parazitní složky indukčnosti mohou být také přidány, nejdůležitější je sériový odpor.

Z toho vyplývá, že velká část pasivních součástek může být přesně simulována bez přidání jejich parazitních složek. Pouze několik málo součástek vyžaduje zvýšenou pozornost. Simulace také zahrne další efekty jako např. spínací proud, šířku pásma LC-filtru, zvlnění proudu a napětí atd.

Simulační modely pro polovodiče

Protože byl SPICE původně určen pro simulaci integrovaných obvodů, má velmi přesné simulační modely pro různé druhy polovodičů. Diody a tranzistory (včetně JFETs a MOSFETs) jsou obvykle simulovány velmi přesně.

Na obr. 3 je příklad VA charakteristiky v propustném směru křemíkové diody 1N4007.

Modely obvykle řeší:

1. DC charakteristiku,
2. kapacity přechodu a gate v závislosti na teplotě,
3. závislost napětí v propustném směru na teplotě,
4. proudový zisk, odpor mezi source a drain.

To umožňuje velmi přesnou simulaci polovodičů včetně frekvenční odezvy, nelineárních efektů a teplotní migrace.

Jiné polovodiče (tyristory, triaky, Zenerovy diody, dual-gate MOSFETy atd.) jsou modelovány jako malé dílčí obvody (sub-circuits). Jsou také velmi přesné, ale někdy neukazují přesně závislost na teplotě. Následující odstavec o integrovaných obvodech platí také pro tyto polovodiče.

Simulační modely pro integrované obvody

Integrované obvody mohou být modelovány dvojím způsobem: SPICE simulační model může přímo reprezentovat vnitřní zapojení integrovaného obvodu. Tento přístup vede k velmi přesnému modelování, ale modely bývají velké a pomalé při simulaci. Navíc modely odhalují vnitřní detaily obvodu a umožňují tak konkurenci součástku kopírovat.

Druhý způsob modelování používá tak zvaný makromodel. Tento model popisuje integrovaný obvod jako umělý stavební blok. Hlavní zesilovač operačního zesilovače může být např. modelován jako napěťově řízený zdroj napětí s vysokým ziskem. Takovýto způsob modelování obvykle vede k rychlejší simulaci, ale často neodráží všechny aspekty integrovaného obvodu (např. charakteristiku napájecího proudu nebo teplotní závislost).

I tak jsou oba přístupy k modelování platné a většina dostupných modelů zajišťuje velmi přesné výsledky simulace.

Pokud jsou o modelu pochybnosti, je snadné si je ověřit. Malý obvod z katalogového listu může být kopírován a simulován. Porovnání výsledků s katalogovým listem již stačí k získání důvěry k danému simulačnímu modelu. Takto bylo v programu PCBSim např. ověřeno malé vychýlení signálu v odezvě AD8038 od Analog Devices (obr. 4). Výsledek ukazuje, že simulační model velmi přesně sleduje skutečné chování operačního zesilovače.

Vliv desky plošných spojů

V některých případech má deska plošných spojů velký vliv na výkon obvodu. To platí zejména pro VF aplikace. Ještě před dokončením návrhu desky lze testovat vliv parazitních kapacit jejich přímým přidáním do simulovaného obvodu. Tím lze ověřit, zda tyto parazitní kapacity mají nějaký vliv, a přitom nalézt možnost, jak tuto situaci kompenzovat. V praxi by tato metoda měla být uvažována u citlivých zesilovačů při kmitočtech vyšších než 10 MHz, jinak vždy u 100 MHz a více.

I zcela krátké plošné spoje se u velmi rychlých signálů chovají jako přenosová linka. Proto existuje i speciální SPICE součástka zvaná „Transmission Line“, která se pro simulaci používá. Felicitas PCBSim‘s Transmission Line Calculator (obr. 5) umožňuje jednoduše odvodit vlastnosti přenosových linek z geometrie plošného spoje. Zpoždění, odrazy, a dokonce ztráty tak mohou být analyzovány ještě před návrhem desky. Např. plošný spoj dlouhý 5 cm by měl být považován za přenosovou linku pro kmitočet vyšší než 300 MHz, stejně jako signály s hranou kratší než 1 ns.

Kontrolování vlivu blokovacích kondenzátorů a přenosových linek podstatně zlepšuje přesnost simulačních výsledků pro rychlé obvody.

Výsledkem všech těchto testů je také podrobnější specifikace navazujícího návrhu desky, čímž se podstatně zvyšuje pravděpodobnost úspěšného testu již prvního prototypu.

Co když není model dostupný?

Program Felicitas PCBSim zahrnuje velký počet simulačních modelů. Většina výrobců pro své součástky dodává simulační modely. Obvykle jsou modely napsány pro určité simulátory. Felicitas PCBSim má integrovaný Universal SPICE Parser, který je schopen importovat simulační modely určené pro větší počet simulátorů. Z toho vyplývá, že lze použít většinu dostupných modelů.

Když pro určitou součástku není simulační model dostupný (nebo když je zakódovaný), je často možné použít modely pro podobné součástky od jiného výrobce. Pokud ani tak není potřebný model k dispozici, potom buď výrobce, nebo Felicitas Customized Engineering může potřebný model na vyžádání vytvořit.

Závěr

Simulace je vždy tak dobrá, jak je dobrý simulační model, který použije. Ve většině případů jsou již dnes dostupné přesné modely. Simulace potom umožňuje testovat a optimalizovat návrh ještě před tím, než je vyroben prototyp. Umožňuje nahlédnout do návrhu způsobem, který by byl fyzicky jen velmi obtížný, ne-li nemožný.

Obvod odladěný pomocí simulace pracuje obvykle hned od začátku správně a simulace tak šetří návrhářům mnoho času.