Co to jest symulacja SPICE w projektowaniu elektroniki?

Weterani elektroniki prawdopodobnie wiedzą już sporo o symulacjach SPICE, ale nawet niektórzy inżynierowie elektronicy ze starej szkoły wciąż opierają się na swojej intuicji i doświadczeniu podczas projektowania obwodów. Są prawdopodobnie najbardziej znanym narzędziem symulacyjnym używanym w projektowaniu elektroniki, czy to dla projektowania PCB, projektowania zintegrowanych układów scalonych, czy do projektowania innych systemów elektrycznych. Ale na głębszym poziomie, czym jest diagram SPICE, jak działa symulacja w oprogramowaniu SPICE i jakie są najlepsze praktyki korzystania z symulatorów SPICE?

Jeśli jesteś nowy w symulacjach SPICE i nigdy nie używałeś symulatora jako projektant PCB elektroniki, to nie martw się. Nie musisz być ekspertem od symulacji elektrycznych, ale umiejętność korzystania z symulatora SPICE i interpretacja wyników pomaga projektować dokładnie dla wielu zastosowań. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się, czym jest symulacja oprogramowania SPICE i jak jej używać w swoich projektach.

Co to jest symulacja SPICE?

Oprogramowanie do projektowania obwodów SPICE to akronim od Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, chociaż ten framework symulacyjny może być używany do znacznie więcej niż tylko projektowania zintegrowanych obwodów elektronicznych. Oryginalna aplikacja Berkeley została wydana jako open source i stanowi podstawę dzisiejszych aplikacji symulacyjnych SPICE. Aplikacja elektroniczna SPICE może być używana do symulowania zachowania elektrycznego wielu analogowych lub obwodów mieszanych. Wiele zadań symulacji cyfrowych może być wykonanych w podstawowych aplikacjach symulacyjnych SPICE, a bardziej specjalistyczne symulatory programu SPICE mogą przeprowadzać symulacje logiczne dla obwodów cyfrowych.

Istnieje kilka podstawowych analiz, które mogą być przeprowadzone w typowych aplikacjach symulacyjnych SPICE. Do tych zadań należą:

• Pomiar DC: Jest to podstawowa symulacja niezależna od czasu, gdzie prąd stały w obwodzie jest obliczany jako funkcja napięcia wejściowego DC. Napięcie wejściowe jest zmieniane, a wyniki są wyświetlane na wykresie.
• Analiza przejściowa: Jest to podstawowe zastosowanie do symulacji obwodów AC, w tym obwodów z nieliniowymi komponentami i dowolnymi przebiegami. Wyniki są wyświetlane w dziedzinie czasu.
• Zmiatacz częstotliwości: Zmiatacz częstotliwości to symulacja uzupełniająca do analizy przejściowej. Polega to na obliczaniu odpowiedzi obwodu w dziedzinie częstotliwości, tak jak można to robić w przypadku filtrów lub sieci dopasowujących impedancję.
• Zmiatacz parametrów: Parametr w obwodzie może być zmieniany poprzez pewne wartości jako część innej symulacji. Jest to często używane do eksperymentowania z różnymi wartościami komponentów i obserwowania, jak wpływają one na zachowanie elektryczne.

Oprócz tych podstawowych analiz, różne komercyjne aplikacje symulatorów elektroniki SPICE zawierają różne funkcje, interfejsy użytkownika i polecenia. Różne symulatory SPICE znajdowane w aplikacjach komercyjnych lub jako programy open-source online będą miały swoje własne prefiksy lub sufiksy (np. HSpice, LTSpice itp.). Chociaż same programy mogą bardzo różnić się pod względem doświadczenia użytkownika i funkcji, wszystkie opierają się na tym samym podstawowym algorytmie rozwiązywania problemów z analizą obwodów.

Algorytm Rozwiązania Elektroniki SPICE

Podstawową techniką stosowaną podczas tworzenia schematu symulatora obwodów SPICE jest analiza węzłowa. Technika analizy węzłowej zwraca liniowy układ równań (zapisany jako macierz) i rozwiązuje ten układ za pomocą arytmetyki macierzowej. Chociaż ten algorytm można zaimplementować ręcznie dla prostych obwodów, szybko staje się to problemem nie do przezwyciężenia w dużych obwodach. Wyobraź sobie obwód z ponad 100 komponentami i podobną liczbą sieci; musiałbyś rozwiązać ogromne równanie macierzowe, aby określić napięcie i prąd w takim obwodzie.

Wyprowadzając równanie macierzowe dla danego obwodu, analiza węzłowa wymaga zdefiniowania węzłów na schemacie obwodu, a zestaw równań liniowych jest wyprowadzany dla spadku napięcia na każdym komponencie. Na poniższym obrazku mamy 3 węzły (oznaczone jako A, B i C) oraz GND jako węzeł odniesienia. Przez "węzeł odniesienia" w analizie węzłowej rozumiemy, że napięcie mierzone "na węźle" jest mierzone względem GND. Możesz faktycznie mieć wiele węzłów odniesienia, co jest równoważne posiadaniu wielu galwanicznie izolowanych mas o różnych potencjałach.

Równanie Macierzowe

W powyższym obwodzie, równanie macierzowe ma ogólną formę, która jest funkcją spadków napięć między sąsiednimi węzłami. Innymi słowy, możemy zapisać równanie, które jest funkcją różnic napięć między węzłami (przy założeniu, że GND jest używane jako węzeł odniesienia) oraz zestawu napięć wejściowych:

Napięcia (V), które muszą być obliczone w tym równaniu macierzowym, mogą znajdować się w dziedzinie częstotliwości, lub mogą być zależne od czasu. Iterując to równanie dla różnych czasów i częstotliwości, można obliczyć napięcie i prąd w każdym węźle. Ponownie, można to zrobić ręcznie, ale zintegrowany symulator SPICE automatyzuje ten żmudny proces.

Po uzyskaniu równania macierzowego w tej formie, technika znana jako metoda Gaussa-Jordana jest zwykle używana do redukcji tych równań do punktu, w którym mogą być rozwiązane iteracyjnie. Możesz szukać szczegółów tej metody w internecie, jeśli chcesz ją samodzielnie zakodować. Jednak symulator SPICE może bardzo efektywnie wykonywać powtarzalne obliczenia metodą Gaussa-Jordana.

Zachowaj produktywność dzięki zintegrowanemu symulatorowi SPICE

Jeśli jesteś projektantem PCB, prawdopodobnie dużo więcej czasu poświęciłeś na trasowanie niż na symulację. Jednak dzisiejsi projektanci układów PCB muszą również pełnić rolę inżynierów elektryków, co oznacza, że prawdopodobnie będą spędzać czas na projektowaniu obwodów i będą musieli przeprowadzać symulacje swoich obwodów, aby zapewnić ich prawidłowe funkcjonowanie. Dzisiejsi projektanci muszą nawet wykonywać inne zadania, takie jak rozwój oprogramowania układowego, przygotowanie do produkcji, pozyskiwanie i projektowanie mechaniczne.

Najlepsze aplikacje do projektowania PCB zintegrują Twoje narzędzia do symulacji SPICE, funkcje układu PCB i wszystko inne, czego potrzebujesz, w jedną aplikację elektroniczną. Gdy już wiesz, czym jest symulacja SPICE, możesz użyć kompletnego zestawu narzędzi projektowych w Altium Designer®, aby zaprojektować i zasymulować wszystkie aspekty diagramu symulatora elektroniki SPICE. Następnie możesz zaimportować swoje komponenty do pustego układu PCB bez użycia zewnętrznego narzędzia do przechwytywania schematów. Weź kontrolę nad wszystkimi aspektami swojego PCB dzięki najlepszym na rynku narzędziom projektowym w Altium Designer.

Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał podzielić się swoim projektem, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę z innymi projektantami. To tylko wierzchołek góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365.

Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji dotyczących elektroniki SPICE i symulatorów SPICE lub jeden z Webinarów na Żądanie.