Что такое симуляция SPICE в проектировании электроники?

Опытные специалисты в области электроники, вероятно, хорошо знакомы с симуляциями SPICE, но даже некоторые инженеры-электронщики старой школы все еще полагаются на свою интуицию и опыт при проектировании схем. Вероятно, это самый известный инструмент симуляции, используемый в проектировании электроники, будь то разработка печатных плат, интегральных схем или других электрических систем. Но что такое диаграмма SPICE на более глубоком уровне, как работает симуляция в программном обеспечении SPICE и какие существуют лучшие практики использования симуляторов SPICE?

Если вы новичок в симуляциях SPICE и никогда ранее не использовали симулятор в качестве разработчика печатных плат, не беспокойтесь. Вам не нужно быть экспертом в электрических симуляциях, но знание того, как использовать симулятор SPICE и как интерпретировать результаты, поможет вам точно проектировать для многих приложений. Продолжайте читать, чтобы узнать, что такое симуляция в программном обеспечении SPICE и как их использовать в ваших проектах.

Что такое симуляция SPICE?

Программное обеспечение для проектирования схем SPICE - это аббревиатура, обозначающая Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, хотя этот фреймворк симуляции может использоваться для гораздо большего, чем просто проектирование интегрированных электронных схем. Исходное приложение Беркли было выпущено как открытое программное обеспечение, и оно лежит в основе сегодняшних приложений симуляции SPICE. Приложение SPICE для электроники может использоваться для симуляции электрического поведения многих аналоговых или смешанных сигнальных схем. Многие задачи цифровой симуляции могут быть выполнены в базовых приложениях симуляции SPICE, а более специализированные симуляторы программ SPICE могут выполнять логические симуляции для цифровых схем.

Существует несколько основных анализов, которые могут быть выполнены в типичных приложениях симуляции SPICE. К этим задачам относятся:

• DC sweep: Это базовая симуляция, не зависящая от времени, где ток постоянного тока в цепи рассчитывается как функция входного напряжения постоянного тока. Входное напряжение изменяется, и результаты отображаются на графике.
• Переходный анализ: Это фундаментальное применение для симуляции AC цепей, включая цепи с нелинейными компонентами и произвольными формами сигналов. Результаты отображаются во временной области.
• Частотный разверт: Частотный разверт является дополнением к анализу переходных процессов. Это включает в себя расчет ответа схемы в частотной области, как, например, это делается с фильтрами или сетями согласования импедансов.
• Развертка параметра: Параметр в схеме может быть изменен в некотором диапазоне в рамках другого анализа. Это часто используется для экспериментов с различными значениями компонентов и изучения их влияния на электрическое поведение.

Помимо этих основных анализов, различные коммерческие приложения симулятора электроники SPICE включают разные функции, пользовательские интерфейсы и команды. Различные симуляторы SPICE, найденные в коммерческих приложениях или как программы с открытым исходным кодом в интернете, будут иметь свои префиксы или суффиксы (например, HSpice, LTSpice и т.д.). Хотя сами программы могут сильно отличаться с точки зрения пользовательского опыта и функциональности, все они опираются на один и тот же основной алгоритм для решения задач анализа схем.

Алгоритм решения электроники SPICE

Основной метод решения, используемый при создании схемы симулятора цепей SPICE, - это узловой анализ. Техника узлового анализа возвращает линейную систему уравнений (записанных в виде матрицы) и решает эту систему с использованием матричной арифметики. Хотя этот алгоритм можно реализовать вручную для простых схем, он быстро становится неразрешимой проблемой в больших схемах. Представьте себе схему с 100 и более компонентами и аналогичным количеством соединений; вам пришлось бы решить огромное матричное уравнение, чтобы определить напряжение и ток в такой схеме.

При выводе матричного уравнения для данной схемы узловой анализ требует определения узлов на схеме, и для падения напряжения на каждом компоненте выводится набор линейных уравнений. На изображении ниже у нас есть 3 узла (обозначенные как A, B и C) и GND в качестве опорного узла. Под "опорным узлом" в узловом анализе мы подразумеваем, что напряжение, измеренное "на узле", измеряется относительно GND. На самом деле у вас может быть несколько опорных узлов, что эквивалентно наличию нескольких гальванически изолированных земель на разных потенциалах.

Матричное Уравнение

В приведенной выше схеме матричное уравнение имеет общую форму, которая является функцией падений напряжения между соседними узлами. Другими словами, мы можем записать уравнение, которое является функцией разностей напряжений между узлами (предполагая, что в качестве опорного узла используется GND) и набора входных напряжений:

Напряжения (V), которые необходимо вычислить в этом матричном уравнении, могут находиться в области частот, или они могут зависеть от времени. Повторяя это уравнение для различных времен и частот, можно вычислить напряжение и ток в каждом узле. Опять же, это можно сделать вручную, но интегрированный симулятор SPICE автоматизирует этот утомительный процесс.

Как только у вас получится матричное уравнение в такой форме, обычно используется метод Гаусса-Жордана для упрощения этих уравнений до того момента, когда их можно будет решать итеративно. Вы можете поискать в интернете детали этого метода, если хотите программировать его самостоятельно. Однако симулятор SPICE может очень эффективно выполнять повторяющиеся расчеты методом Гаусса-Жордана.

Повышайте продуктивность с интегрированным симулятором SPICE

Если вы являетесь разработчиком печатных плат, скорее всего, вы уделяли гораздо больше внимания трассировке, чем моделированию. Однако сегодняшним дизайнерам печатных плат также необходимо выполнять роль электротехников, что означает, что они, вероятно, будут тратить время на проектирование схем и им придется проводить моделирование своих схем для обеспечения их правильной функциональности. Современным дизайнерам даже нужно заниматься другими задачами, такими как разработка прошивки, подготовка к производству, поиск компонентов и механическое проектирование.

Лучшие приложения для проектирования печатных плат интегрируют ваши инструменты моделирования SPICE, функции размещения печатных плат и все остальное, что вам нужно, в едином электронном приложении. Как только вы узнаете, что такое моделирование SPICE, вы можете использовать полный набор инструментов проектирования в Altium Designer® для проектирования и моделирования всех аспектов вашей схемы электронного симулятора SPICE. Затем вы можете импортировать свои компоненты в пустую разводку печатной платы без использования внешнего утилита захвата схем. Возьмите под контроль все аспекты вашей печатной платы с лучшими в отрасли инструментами проектирования в Altium Designer.

Когда вы закончили свой проект и хотите поделиться им, платформа Altium 365 упрощает сотрудничество с другими дизайнерами. Мы только начали знакомиться с возможностями использования Altium Designer на Altium 365.

Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций, связанных с электроникой SPICE и симуляторами SPICE, или один из вебинаров по запросу.