Материал: Самосадный Автоматизированное проектирование устройств систем сбора-обработки Ч2 2015

Непосредственная практическая настройка параметров расчетов в рамках текущего профиля моделирования может осуществляться путем выбора или настроек пунктов меню для

опций, как показано на рисунках П1.1-П1.6.

Основная часть опций категории «Output file» (см. рис. П1.1) относится к флаг-опциям. Две опции (NUMDGT и WIDTH, см. табл. П1-3) относятся к настройкам, имеющим числен-

ные значения.

Основная часть опций категории «Analog Simulation» (см. рис. П1.2) относится к настройкам, имеющим численные значения. Опция STEPGMIN (см. табл. П1-1) относится к флаг-опциям. К этим же опциям можно отнести и PREORDER («Предупорядочение»), обес-

печивающую сокращение операций по заполнение матриц при расчетах. Этой опции нет в таблице П1-1 и в технической документации некоторых версий программ (например, OrCAD v.9.2) описание этой опции отсутствует.

Рис. П1.1. Настройки параметров вывода результатов для опций «Output file»

Рис. П1.2. Настройки параметров расчетов для опций «Analog Simulation»

151

Рис. П1.3. Настройки параметров «Advanced Analog Options» для опции категории «Analog Simulation»

Рис. П1.4. Настройки параметров «MOSFET Options» для опции категории «Analog Simulation»

Основная часть опций категории «Gate-level Simulation» (см. рис. П1.5) формально относится к настройкам, имеющим численные значения. На практике непосредственное введение численных значений не осуществляется, настройки заключаются в выборе значений из пред-

ложенного набора вариантов.

Выбор флага настройки «Suppress simulation error messages in waveform data file» приво-

дит к появлению в задании строки .OPTIONS NOPRBMSG

Опция NOPRBMSG относится к флаг-опциям (см. табл. П1-1).

Рис. П1.5. Настройки параметров расчетов для опции «Gate-level Simulation»

В отличие от настроек основного окна «Gate-level Simulation» опции окна «Advanced Gate-level Simulation Options» (см. рис. П1.6) допускают прямое введение требуемых численных значений.

152

Рис. П1.6. Настройки параметров Advanced Gate-level Simulation Options

Опции, представленные в таблицах П1-1 и П1-3 представлены в соответствующих окнах настроек (см. рис. П1.1-П1.6.) с учетом примечаний замечаний к таблицам. Некоторые опции представлены отдельно. К числу таких можно отнести опцию DISTRIBUTION. Настройки этой опции проводятся в окне настроек профиля статистического анализа для основных видов расчетов.

Для каждого окна настроек (см. рис. П1.1-П1.6.) имеется кнопка Reset, позволяющая вернуться к исходному состоянию настроек «по умолчанию» для соответствующего окна.

В современных версиях САПР, например OrCAD v.16.0, представлены дополнительные возможности настроек, обеспечивающие усовершенствованные алгоритмы расчетов. В частности введены настройки «AutoConverge», обеспечивающие проведение усовершенствованного поиска сходимости решений, выполняемого программой расчетов в автоматическом

режиме. Для этой же цели могут использоваться опции SOLVER и DMFACTOR, настраи-

ваемые в окне «Advanced Options..» для опции категории «Analog Simulation».

153

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рекомендации по решению проблем сходимости вычислений

Особенностью проведения PSpice-моделирования является достаточно высокая вероятность возникновения проблем проведения расчетов, обусловленная отсутствием сходимости вычислений. В определенных случаях вычисления не могут завершиться, расчеты останавливаются и появляются сообщения об ошибках или проблемах со сходимостью расчетов.

1.Проблемы при проведении расчетов

Входе вычислений Bias Point, DC Sweep и Transient analysis программа расчетов осуществляет подготовку и решение набора нелинейных уравнений (nonlinear equations), исполь-

зуемых для описания поведения элементов схем. В частности используется итерационный метод Ньютона-Рафсона (Newton-Raphson algorithm). В соответствии с этим методом расчеты начинаются с некоторого начального приближенного решения (approximation to the solu-

tion) для токов и напряжений, с последующим итерационным улучшением результата и продолжаются до тех пор, пока решения одновременно для токов и напряжений не сойдутся с приемлемой погрешностью.

В некоторых случаях программа расчетов не может самостоятельно найти решение нелинейных уравнений, описывающих работу предложенных для расчета схемотехнических

решений. Последовательная серия расчетов с использованием метода Ньютона-Рафсона в этом случае не приводит к появлению непротиворечивого множества (consistent set) токов и

напряжений. Возникают проблемы, называемые «проблемы сходимости вычислений или решений» («convergence problem»).

Примечания.

1)AC-анализ и анализ шумов являются линейными и не используют итерационный алгоритм, поэтому указанные выше проблемы к ним не относятся.

2)Анализ работы чисто цифровых систем без применения смешанного аналого-цифрового анализа использует алгоритмы Булевой алгебры, поэтому указанные выше проблемы к такому виду расчетов, также не относятся.

3)Для TRAN-анализа существует дополнительная возможность возникновения проблем с расчетами. Это связано с использованием слишком малых для данной схемы шагов расчета (time step size) и слишком резкого изменения сигналов.

2. Используемые методы расчетов

При проведении анализа работы схемы решение нелинейных уравнений начинается с начального приближения, а именно расчета рабочей (или начальной) точки. В процессе расчета схемы все реактивности из схемы убираются, в частности, емкости и индуктивности считаются равными нулю, что эквивалентно разрыву емкостей и короткому замыканию индуктивностей [1].

Исходная система уравнений для расчета формируется методом узловых потенциалов и в соответствии с законом Кирхгофа сводится к системе уравнений [1]:

(П2-1)

где:

Iy - вектор узловых токов (т.е. вектор сумм токов в узлах схемы); U - вектор узловых потенциалов.

Система уравнений решается методом Ньютона-Рафсона.

154

Метод Ньютона-Рафсона

Метод Ньютона-Рафсона представляет собой итерационный метод, расчеты начинаются с некоторого начального приближения потенциалов U(0). Каждое последующее приближение U(K +1) рассчитывается из текущего значения U(K) по формуле [1]:

(П2-2)

где:

–поправка Ньютона;

–коэффициент Рафсона.

Поправка Ньютона определяется решением системы линейных уравнений следующего вида [1]:

(П2-3)

где:

– матрица узловых проводимостей.

Коэффициент Рафсона , обеспечивает нерасходимость метода. Геометрическая интерпретация метода Ньютона приведена на рис. П2.1 а) и б).

Рис. П2.1. Упрощенная иллюстрация метода Ньютона [1]

Как видно из рисунка П2.1 а) и б), метод сводится к тому, что в точке U(K), начальной для очередной итерации, проводится касательная к кривой и в качестве очередного приближения U(K +1)берется точка, в которой касательная достигает линии U=0 (принимает нулевое значение по U).

Из рис. П2.1 видно, что формируется последовательность значений U(K), которая приближается к аппроксимируемой кривой (“сходится к корню» [1]), но никогда ее не достигает, за исключением идеального линейного случая. Поэтому требуется установить критерий окончания расчетов, прерывающий вычисления по достижению требуемой точности.

Таких критериев используется два [1] (см. рис. П2.1).

1.По напряжению. Расчет может заканчиваться в случае, если норма вектора где - заданная погрешность по напряжению.

2.По току. Расчет может заканчиваться в случае, если норма вектора

где - заданная погрешность по току.

155