В первую очередь необходимо осуществить проверку на реалистичность параметров используемой модели. Заданный параметр N=1e-6 модели диода (см. пример 3 данного раздела) явился причиной резкого перегиба (knee) ВАХ диода, настолько резкой, что стало прак-
тически невозможным обеспечить целостный, связный, непрерывный характер расчетов с учетом минимального шага изменения питания 1Е-6 (power supply step size limit of 1e-6).
Решение проблемы может заключаться в следующем:
•наиболее предпочтительным является использование моделей компонентов, разработанных производителем этих компонентов и в схемотехнических условиях применения, соответствующих рекомендованным для этих компонентов;
•при необходимости, можно разрабатывать и использовать собственные модели компонентов; такие разработки рекомендуется проводить опытным пользователям после всесторонней проверки правильности модели и адекватности ее применения.
Используемые математические выражения для поведенческого моделирования
Ограничение диапазона значений для тока и напряжений ±1Е10, при проведении PSpiceрасчетов, заставляет обеспечивать не выход результатов вычислений для токов и напряже-
ний за эти границы. Это особенно актуально при использовании зависимых источников и ABM-блоков.
Одним из возможных способов решения проблемы ограничения результатов расчетов, является использования ABM-блока (ограничителя) LIMIT, выполняющего функцию ограничения действия тех или иных блоков схемы. Примером оправданного применения подобных блоков может явиться схема усилителя с высоким коэффициентом усиления. Например, для компаратора или операционного усилителя с разомкнутой петлей обратной связи на низких частотах, усиление может составлять 105. Без использования ABM-блока (ограничителя) LIMIT, ограничивающего выходной сигнал усилителя величинами питающих напряжений, на выходе устройства может появиться высокий потенциал. Такой потенциал может вызвать цепную реакцию увеличения токов и напряжений в последующих каскадах схемы с выходом значений токов и напряжений за допустимые пределы. Также может быть превышена максимальная скорость изменения сигналов в последующих частях схемы.
Кроме того, зависимые источники требуется «выключать» в тех случаях, когда для источников питания осуществляется уменьшение их величин до значений вблизи 0 (0,001%). Это делается для того, чтобы избежать появления операции «деление на 0».
Незащищенные p-n переходы
Незащищенный p-n перехода без использования токоограничивающих резисторов может приводить к протеканию слишком высоких токов, обеспечивать слишком высокую скорость изменения сигналов или требовать использования слишком малых шагов (time step) для описания поведения устройства во временной области. Пример подобного включения диода приведен выше (см. пример 2 данного раздела).
Решение проблемы может заключаться в установке реального резистора, включенного последовательно с p-n переходом или диодом, если это не противоречит схемотехническим решениям, выбранным при проектировании данного устройства. Также можно воспользоваться установкой «фиктивного» резистора, имитирующего сопротивление проводников или сопротивление реального источника сигнала или питания.
Отсутствие пути протекания токов
Отсутствие резисторов (leakage resistance), обеспечивающих протекание приемлемого уровня тока в схеме, имеющей компоненты с высоким сопротивлением (входным сопротив-
лением), приводит к появлению высокого напряжения (потенциала), который может превысить лимит 1,0E10 вольт.
166
Одним из примеров подобных схемотехнических решений является выбор неверного направления источника тока. При попытке задать ток от идеального источника в запертый p-n переход без использования шунтирующего резистора, обеспечивающего протекания тока в петле: подача тока - возврат тока, можно получить очень высокие уровни напряжения. Напряжение на p-n переходе может превысить величину 1.0Е10 вольт.
Другой пример подобных схемотехнических решений, относится к типичным ошибкам в проектировании усилителей или буферов систем сбора-обработки данных. Операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе используется в неинвертирующем или буферном включении. Без специальных решений, обеспечивающих протекание токов в схеме подобный усилитель «запирает» ее, что также может приводить к появлению высокого потенциала в схеме. Кроме того, могут возникнуть проблемы детектирования нежелательных источников токов со снижением уровней С/Ш. Также это может приводить к снижению скорости перезаряда емкостей (паразитных емкостей) и деградации динамических характеристик схемы.
Решение проблемы может заключаться в установке, при проектировании данного устройства, реального резистора, обеспечивающего возврат тока схемы (например, от сигнальной линии на землю). Также можно воспользоваться установкой «фиктивного» резистора, имитирующего сопротивление изоляции проводников.
Ключевые элементы
При проведении PSpice-расчетов такие компонента как ключи могут сильно влиять на формируемые параметры схемы в области «усиления» или скорости изменения величин (производных). В PSpice-расчетах они ограничены величинами 1.0Е14. Особое внимание следует обратить на каскадное последовательное соединение подобных компонентов. Такая ситуация может возникнуть, например, при проектировании схем, имитирующих работу выходных элементов цифровых устройств (totem-pole switches) и использующую несколько таких узлов.
При разработке таких схем необходимо учитывать, что каскадное включение двух таких ключей, как правило, работает надлежащим образом, но включение более чем двух ключей часто может приводить к возникновению проблем.
Общего и универсального решения проблемы для любых используемых компонентов не существует. Особое внимание следует обращать на схемы, использующие несколько элемен-
тов в ключевом включении. К числу таких можно отнести смешанные схемы с использованием ключевых элементов (с PSpice-моделями), ABM-блоков и МОП-транзисторов в ключе-
вом включении. Особого внимания требуют высоковольтные схемы, например драйверы верхних ключей мостовой схемы управления электродвигателями (High-Side Switch).
Решение проблемы может заключаться в надлежащем использовании моделей реальных компонентов, разработанных специалистами. Применение моделирующих компонентов должно осуществляться в схемотехнических решениях и в условиях, предусмотренных для работы имитируемых реальных компонентов.
Использование настроек расчетов
При проведении проверки настроек расчетов необходимо обратить внимание на использование следующих операторов и опций, а также особенностей их применения.
Использование настроек опции ITL1
Вместе с оператором .OPTIONS можно использовать опцию ITL1, ограничивающую максимальное число итераций при расчетах по постоянному току Bias Point и DC. По умолчанию ITL1=150. С помощью введения в задании на моделирование следующей строки
167
.OPTIONS ITL1=400
осуществляется увеличение до 400 числа итераций при расчетах по постоянному току перед отказом программы расчетов от дальнейшего проведения расчетов на текущем уровне. Увеличение числа итераций более 400, обычно не способствует решению проблем со сходимостью расчетов, тем более для сложных схем.
Задание начальных условий
Для задания начального приближения величин напряжения в цепи используется оператор .NODESET. Обычно его рекомендуется использовать для наиболее «проблемных» цепей схемы. В том случае, если расчеты прекращены из-за отсутствия сходимости при расчетах рабочих точек необходимо выяснить достигнуты ли при расчетах величины потенциалов. В первую очередь надо попытаться задать условия для тех узлов, в которых выведенные в выходной файл потенциалы последней попытки расчета, наиболее отличаются от ожидаемых [1]. Особенно важно задание приближенных значений потенциалов для схем с использованием высокоимпедансных входов и входов компонентов с высоким усилением.
Оператор .NODESET не «фиксирует» окончательно исходные значения напряжений для выбранных цепей. Он удерживает потенциалы указанных в операторе узлов или цепей схемы на время проведение расчетов потенциалов остальных цепей, вплоть до достижения по остальным цепям достаточно правдоподобных стабильных потенциалов. Затем «фиксированные источники» снимаются и путем проведения дополнительных итераций осуществляются расчеты окончательных потенциалов схемы.
В ряде случаев, отказ от задания всех или некоторых потенциалов цепей, может помочь программе расчетов решить проблему со сходимостью вычислений.
Использование флаг-опции STEPGMIN и варьирование GMIN
С помощью введения в задании на моделирование следующей строки
.OPTIONS STEPGMIN
разрешается пошаговая вариация параметра GMIN. Будучи разрешенной, эта опция обеспечивает включение алгоритма расчета режима по постоянному току с вариацией проводимости GMIN в случае отсутствия сходимости метода Ньютона – Рафсона.
Включение опции позволяет в случае отсутствия сходимости метода Ньютона – Рафсона при 100%-величинах источников питания, осуществить поиск решения с использованием алгоритма вариации параметра GMIN. Затем, в случае неудачи, с использованием алгоритма вариации параметра GMIN, применяется метод вариации источников питания. Метод вариации источников питания предусматривает снижение параметров источников питания до величин, близких к нулевым величинам. Далее, осуществляется пошаговое увеличение вели-
чин источников питания.
Алгоритм вариации параметра GMIN (GMIN stepping algorithm) предусматривает поиск решения при старте повторяющихся циклов расчетов с начальной величиной GMIN, вычисляемой как произведение 1.0E10 на номинальную величину GMIN. По умолчанию номинальная величина GMIN составляет 1,0E-12. Если решение находится, то текущая величина GMIN уменьшается в 10 раз и делается новая попытка расчетов. Так продолжается до тех пор, пока или GMIN не возвращается к номинальной величине, или расчеты не прекращаются по причине отсутствия сходимости решений на очередном этапе с промежуточным значе-
нием GMIN. В последнем случае, значением GMIN восстанавливается до номинальной величины и осуществляется пошаговое увеличение величин источников питания (power supplies are stepped).
168
Пошаговая вариация параметров источников питания
Пошаговая вариация параметров источников питания (Power supply stepping) использует специальный алгоритм непрерывного поиска решений при варьировании параметров источ-
ников от величин, близких к нулевым (0,001%), до возврата к 100%-уровням. Минимальный шаг составляет 1e-6 (0,0001%). Первые шаги расчетов используют малые величины парамет-
ров источников питания, для напряжений могут использоваться нулевые величины, поэтому нужно с особой осторожностью относиться к проведению расчетов, где могут использоваться напряжения в знаменателях.
5. Сходимость решений при проведении анализа DC Sweep
При проведении анализа DC Sweep используется комбинированный подход (hybrid approach) к обеспечению сходимости результатов.
Вначале, как и для анализа Bias Point, применяется решение, связанное с вариацией параметров источников питания. То есть, программа расчетов пытается найти решение для полных величин (100%) токов и напряжений, задаваемых подключенными к схеме источниками питания. Если решение отсутствует, то уровни источников снижаются до низких, почти нулевых значений. При этом решение может быть найдено относительно легко. Далее, программа расчетов поднимает значение источников питания вплоть до их 100%-значений.
В отличие от последовательности шагов расчетов для анализа Bias Point, при проведении анализа DC Sweep не производится варьирование шага, а результаты расчетов параметров предыдущего шага учитываются как начальные условия для последующих расчетов текуще-
го шага. Если решение для текущего шага не находится, то для этого шага применяется ме-
тод расчета как и для анализа Bias Point (Bias Point algorithm).
Этот процесс в целом сильно зависит от непрерывности или связности в расчетах. Требуется, чтобы цепи были линейны при выключении источников питания.
Проверка принципиальных схем и проверка корректности моделей и адекватности имитации реальных схем в данном виде анализа соответствует аналогичной последовательности действий при проведении анализа Bias Point.
Использование настроек расчетов
При проведении проверки настроек расчетов необходимо обратить внимание на использование следующих операторов и опций, а также особенностей их применения.
Использование настроек опции ITL2
Вместе с оператором .OPTIONS можно использовать опцию ITL2, ограничивающую максимальное число итераций при расчетах по постоянному току Bias Point и DC, после которого повышаются питающие напряжения. По умолчанию ITL2=20. С помощью введения в
задании на моделирование следующей строки
.OPTIONS ITL2=100
осуществляется увеличение до 100 числа итераций.
Варьирование величины шага
Нарушение непрерывности хода изменения тех или иных характеристик исследуемых объектов может привести к проблемам сходимости. Для выхода из подобной ситуации при проведении расчетов DC Sweep можно воспользоваться увеличением или уменьшением величины шага изменения параметров расчетов.
169
Увеличение шага может помочь «обойти неоднородность», тогда как уменьшение шага может помочь найти последовательность «промежуточных» значений, которые также способны обеспечить непрерывность хода изменения характеристик исследуемой схемы. В ряде случаев уменьшение шага является более предпочтительным и обеспечивающим непрерывный путь решений от точки к точке.
Смена вида расчетов
В ряде случаев помочь в решении проблем сходимости может расчеты рабочей точки с помощью другого вида анализа. Для этого можно попробовать заменить расчет по постоянному току расчетом переходного процесса при включении питания схемы. Конкретные действия в этом случае могут быть следующие [1]:
•источники постоянного напряжения и тока надо заменить на импульсные источники сигналов, обеспечивающих подачу постепенно нарастающих от нуля до номинала сигналов с достаточно большими фронтами;
•источники входных сигналов, если таковые имеются в схеме, должны быть заменены ис-
точниками питания с постоянными уровнями, равными начальным значениям источников сигналов.
Затем просчитывается переходной процесс в схеме в течение некоторого отрезка времени T, достаточного для того, чтобы все потенциалы схемы достигли своих установившихся значений [1]. Время расчета переходного процесса T должно заведомо превышать максимальную постоянную времени в схеме. Недостаточная величина T приведет к ошибкам в определении установившегося режима, который будет отличаться от расчета по постоянному току [1].
Полученное в результате расчета состояние схемы можно запомнить оператором
.SAVEBIAS и далее воспользоваться оператором .LOADBIAS. Также для задания полученных потенциалов схемы можно воспользоваться оператором .NODESET.
Примечание.
В ряде схем с использованием высокоскоростных переключений (компараторы, триггеры Шмитта, детекторы пониженного питания и др.) уменьшение шага может не помочь, так как в них при бесконечно малом изменении входного сигнала режим изменяется скачком [1]. В этих случаях решение проблемы может сводиться к замене DC анализа расчетом переходного процесса при медленном квазистатическом изменении входного сигнала. На вход при этом подается линейно изменяющийся сигнал, скорость изменения которого должна выбираться такой, чтобы на результатах расчета не сказывались реактивности схемы [1]. Если желательно получить гистерезисную характеристику, то после нарастания сигнала следует предусмотреть столь же медленный его спад, чтобы просчитать обе ветви характеристики [1].
6. Сходимость решений при проведении анализа Transient
Расчеты анализа переходных процессов начинаются при известном начальном условии (bias point). Затем для последующей (по временному отрезку) точки расчетов последнее известное решение предыдущей точки используется как исходное (нулевое) приближение. Если необходимо шаг по времени дает «обратный ход» для создания новой точки с целью добиться сходимости метода Ньютона-Рафсона.
Теоретически для проведении анализа Transient используются подходы, которые применялись и для обеспечения расчетов Bias Point. Однако на практике такие подходы нуждаются
в коррекции.
Transient-анализ может быть не выполнен если шаг во времени слишком мал. Это может быть по двум причинам:
•итерации метода Ньютона-Рафсона не могут обеспечить сходимость решения даже при наименьшем шаге по времени;
170