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

Time step=844.9E-21, minimum allowable step size =1.000E-18

Указываются проблемы с расчетами матрицы:

ERROR -- The circuit matrix is too close to being singular to solve. The diagonal entry for device V_V1 is -2.59E-18 which is too close to 0.

Указываются возможные причины возникновения проблем, связанные с высоким значением коэффициента усиления или чрезвычайно высоким сопротивлением узла схемы в начальный момент времени.

There are two main causes of a singular matrix:

1)A path ending at device V_V1 has a large gain, of the order of -3.87E+17.

Or,

2)device V_V1 has a very high impedance to ground, of the order of -3.87E+17

Также указывается проблемный компонент D_D1:

These devices failed to converge: D_D1

и причина прекращения расчетов из-за слишком резкого, скачкообразного переключения напряжения и/или тока источника, а также наличие предельных величин напряжений и токов (в определенные моменты расчетов)

These voltages failed to converge:

V(IN) = 1.000V \ 1.429uV

These supply currents failed to converge:

I(V_V1) = -10.00GA \ -10.00GA

Указывается последняя величина напряжения в цепи

Last node voltages tried were:

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( IN) 1.0000

Помимо этого может предлагаться решение проблемы, связанное с уменьшением градиента характеристики проблемного компонента путем уменьшения шага расчетов

Reducing minimum delta to make the circuit converge.

Внимание!

Состав сообщений, их характер и практические рекомендации по обеспечению расчетов могут меняться в зависимости от версии САПР. Некоторые оценочные версии не поддерживают в полном объеме указание сообщений о причинах срыва расчетов и выдачу рекомендаций по их устранению.

Вывод.

Используйте корректные модели компонентов в схемах, а также правильные схемотехнические решения, соответствующие параметрам используемых реальных компонентов. Программа расчетов обнаружила полупроводниковый элемент с особыми нестандартными свойствами, отличающимися от реальных компонентов. При этом в схеме имеется резистивный элемент RLoad, обеспечивающий протекание приемлемых величин токов в начальный момент, при фактически запертом (неоткрытом) «диоде» D1.

161

Проверка на допустимые скорости изменения основных параметров (величины производных)

В зависимости от типа устройства, физической интерпретацией этих производных может являться:

•проводимость, например диодов в режиме малых сигналов (small-signal conductance);

•крутизна передаточной характеристики, например транзисторов (transconductance);

•коэффициент усиления схемы (gain).

Модели, оторванные от реальных электронных компонентов, могут превысить лимит 1·1014 для скорости изменения величин (производных).

Резкие нарушения непрерывности или скачкообразный ход характеристик моделей может приводить к следующим последствиям:

•неопределенность в вычислении производных в точках перегиба;

•проводимость, вычисленная в ходе итерации вблизи точки перегиба, не может обеспечить приемлемый уровень приближения для следующей итерации;

•не прогнозируемый выход за пределы допустимых границ рабочей зоны (operating region) и, как следствие, получение неверных для сходимости решений (несовпадающих значений).

Меры по обеспечению задания начальных условий

Метод Ньютона-Рафсона гарантирует сходимость только в случае начала вычислений вблизи конечных значений расчетов. Не существует методов оценок, позволяющих определить необходимую точность начального (исходного) приближения.

PSpice-расчеты обеспечивают приемлемое решение за счет многократного повторения расчетов с вариацией параметров. Если полученное решение не сходится, программа расчетов уменьшает шаг, возвращается назад и повторяет расчеты.

Неверные исходные оценки могут приводить к отсутствию сходимости вычислений или получению неверных результатов.

На что следует обратить внимание.

1)Мощные электронные схемы могут не требовать обеспечения особо точного вычисления токов и напряжений (жестких допусков). Установка значений для ABSTOL=1мкА может помочь в проведении расчетов, если в схеме текут токи более нескольких ампер.

2)Вместе с тем, для токов на уровне 1000А и выше, увеличение ABSTOL до значений более 1мкА, скорее создаст проблемы, чем поможет их решить.

3)PSpice-расчеты не всегда обеспечивают лучшую сходимость при увеличении допустимых отклонений получаемых параметров или снижении точности расчетов (relaxed tolerances). Например, установка параметра RELTOL>0,01 может в действительности инициировать проблемы со сходимостью.

4)Установка значений GMIN в пределах от 1нСм до 10нСм часто обеспечивает решение проблем сходимости.

5)Установка значений GMIN > 10нСм может приводить к возникновению проблем сходимости.

Для решения проблем со сходимостью расчетов, в случае их возникновения, рекоменду-

ется следующая последовательность действий.

1.Проверка принципиальных схем (Circuit topology and connectivity). Подразумевается в первую очередь проведение проверки принципиальных схем на наличие ошибок и правильности подключения компонентов, а также настроек их параметров и атрибутов. Вы-

явленные ошибки и некорректные решения, с точки зрения проектирования принципиальных схем в САПР OrCAD, необходимо устранить.

2.Проверка корректности моделей и адекватности имитации реальных схем (Modelling Checks). Подразумевается проверка правильности и адекватности применения моделей

162

устройств и схем. Также подразумевается проверка правильности применяемых схемотехнических решений схем для моделирования и адекватности таких решений в совокупности с используемыми моделями устройств для получения параметров реальных схем (имитации их работы). При необходимости можно осуществлять определенную доработку принципиальных схем и корректировку настроек компонентов, если это допустимо с точки зрения имитации работы реальных схем. Также можно изменять модели и параметры моделей, если это не существенно снижает степень соответствия имитирующих схем реальным схемам. В ряде случаев может допускаться применение модели компонента, близкого по параметрам и назначению, в том случае, если модель требуемого компонента отсутствует или не работает должным образом.

3.Проверка настроек расчетов (PSpice Options). Подразумевается проведение проверки правильности настроек расчетов и соответствия настроек моделируемым схемам и видам расчетов.

Особенности указанной последовательности действий для обеспечения сходимости расчетов при проведении отдельных видов анализа представлены ниже.

4. Сходимость решений при проведении анализа Bias Point

Наиболее проблематичными расчетами с точки зрения обеспечения сходимости результатов можно считать выбор рабочих и начальных точек для основных видов анализа. Вначале программа расчетов пытается найти решение для полных величин (100%) токов и напряжений, задаваемых подключенными к схеме источниками питания. При этом решение не гарантируется. Но, в большинстве случаев, находится «сразу». Если этого не происходит, то уровни источников снижаются до низких, почти нулевых значений. При этом используются значения настолько низкие, чтобы можно было не учитывать нелинейности схем. Когда цепь линейна («линеаризована»), то решение может быть найдено относительно легко. Это решение будет найдено вблизи нулевой точки, естественно. Далее, программа расчетов поднимает значение источников питания вплоть до их 100%-значений. При этом варьируются шаги переменных.

Проверка принципиальных схем

Проверка правильности подключения компонентов и настроек их параметров является одной из основных проверок схемы на готовность к проведению расчетов. При этом необходимо обратить внимание на следующее:

•правильность и уникальность введения позиционных обозначений компонентов;

•правильность и уникальность введения имен цепей.

Помощь в проведении указанной проверки может обеспечить стандартная процедура

проверки схемы, осуществляемая средствами редактора CAPTURE. Проверка DRC (Design Rules Check) выполняется в окне организатора проекта редактора CAPTURE путем

выполнения команды: Tools>Design Rules Check…, для выбранного проекта. Результат проверки помещается в текстовый файл *.drc, доступный для просмотра и редактирования (при необходимости). В частности осуществляется проверка схем проекта:

•Checking Pins and Pin Connections – проверка контактов и подключений контактов компонентов;

•Checking for Unconnected Nets – проверка схем на наличие неподключенных цепей;

•Checking for Invalid References – проверка позиционных обозначений компонентов;

•Checking for Duplicate References – проверка дублирования позиционных обозначений компонентов;

•и др.

163

Кроме того необходимо проверять соблюдение синтаксиса входного языка управления заданием. Особое место в таких проверках занимает проверка правильности применения и описания источников сигнала и источников питания. Необходимо также проверять правильность задания величин размерности физических величин компонентов с использованием приставок для образования кратных и дольных единиц. В частности как показано в разделе 7

части 1 пособия необходимо отличать запись масштабного коэффициента «Мега» от «мили»:

1m = 1M ≠ 1MEG.

Особое внимание следует уделить проверке правильности подключения полярности

компонентов, в частности источников токов и напряжений.

При появлении сообщений типа “Floating node" или "No DC path to ground" необходимо обратить внимание на следующие схемотехнические решения:

•в схеме имеются цепи (узлы) к которым подключено менее двух контактов (полюсов)

компонентов (at least two connections at every node) см. первое ограничение PSpice-

расчетов в разделе 7 части 1 пособия;

•в схеме имеются цепи (узлы) или фрагменты схемы, от которых нет пути с конечным сопротивлением по постоянному току к земле (DC path from every node to ground), см. второе ограничение PSpice-расчетов в разделе 7 части 1 пособия;

Вчастности необходима проверка на правильность соединения компонентов схемы, как показано в разделе 7.3 «Правила подключения компонентов» части 1 пособия. Определен-

ную помощь в проверке на отсутствие неправильных подключений может обеспечить проверка DRC средствами редактора CAPTURE.

Кроме того, необходима проверка на наличие последовательно соединенных конденсаторов и/или источников токов, как показано, например на рис.П2.5.

0

Рис. П2.5. Схема с использованием последовательно соединенных конденсаторов и источника тока и изолированного от «земли» конденсатора C1

При запуске расчетов для схемы см. рис. П2.5 вычисления прерываются со следующим сообщением об ошибке.

ERROR – Node In is floating

Последовательные соединения источников тока и/или конденсаторов рекомендуется дополнять параллельным соединением резисторов, например имитирующих сопротивление изоляции проводников или сопротивление реального источника тока. «Плавающие» цепи рекомендуется дополнять резисторами, обеспечивающими путь с конечным сопротивлением

по постоянному току к земле и имитирующими, например, сопротивление изоляции проводников. В частности схему на рис. П2.5 можно дополнить резистором R=1MEG, подключен-

ным к цепи «In» и «земле», и имитирующим сопротивление изоляции или входное сопротивление осциллографа, используемого при проверке реальной цепи.

Примечание.

К проверке на отсутствие «плавающих» цепей можно отнести проверку правильности использования символа «глобальной земли» в принципиальной схеме. Этот символ является специальным и предназначен для введения в задание на моделирование 0-цепи. Все отдельные фрагменты принципиальной схемы должны тем или иным способом быть подключены к «глобальной земле». Для этого рекомендуется прямое подключение к

164

отдельным фрагментам схемы (если схема содержит такие фрагменты) символа «глобальной земли» или пря-

мое соединение проводниками с одним таким символом. Использование иных символов «земли» для этой цели, например «корпусной земли» (chassis ground), не допускается.

При появлении сообщений типа "Voltage source or inductor loop" необходимо обратить внимание на то, что программа расчетов не допускает использование контуров с нулевым сопротивлением по постоянному току, которые могут образовываться за счет последователь-

ного включения индуктивностей и/или источников напряжений, см. третье ограничение PSpice-расчетов в разделе 7 части 1 пособия. Пример указанной схемы показан на рис. П2.6.

0

Рис. П2.6. Схема с использованием последовательно соединенных индуктивностей и источники напряжения, образующие контур с нулевым сопротивлением по постоянному току

При запуске расчетов для схемы см. рис. П2.6 вычисления прерываются со следующим сообщением об ошибке.

ERROR -- Voltage source and/or inductor loop involving L_L1 You may break the loop by adding a series resistance

Контур с нулевым сопротивлением по постоянному току в схеме на рис. П2.6 образуется за счет последовательного включения индуктивностей L1 и L2 и источника напряжения V1. Последовательные соединения источников напряжения и/или индуктивностей рекомендуется дополнять небольшими по величине последовательными резисторами имитирующими сопротивление проводников или сопротивление реального источника напряжения.

Помимо представленного выше, при проведении проверки правильности применяемых схемотехнических решений и подключения компонентов необходимо обратить внимание следующее.

1)При использовании ABM-блоков и зависимых источников следует обеспечить использование корректных величин скоростей изменения параметров, в частности усиления. Также

необходимо использовать приемлемые представления элементов зависимых источников тока и напряжения, управляемых напряжением (E,G). Необходимо учитывать, чтобы не выполнялись операции LOG(0) и деление на 0.

2)Следует обеспечить использование достоверных моделей компонентов, особенно в случае разработки или редактирования моделей пользователем.

3)Следует использовать цифровые компоненты только в тех в схемах, где их применение действительно необходимо. В случае применения цифровых компонентов рекомендуется задавать начальные условия их работы, избегая неопределенных состояний.

Проверка корректности моделей и адекватности имитации реальных схем

При проверке моделей и условий применения моделей компонентов необходимо обратить внимание на следующие модели и особенности их применения.

Полупроводниковые приборы

165