1. 1 Introducere Proiectare Asistata de Calculator Conf.dr.ing Ovidiu Pop
Technical University of
Cluj-Napoca
Proiectare Asistata de Calculator
Introducere
Conf.dr.ing Ovidiu Pop 1
400027, G. Baritiu 26-28, Cluj-Napoca, Romania
Phone:
Fax:

2. Obiective Cunostinte minimale Obiective generale
Editarea circuitelor electrice
Categoriile de analize primare si secundare
Setarile analizelor
Simulare de circuite
Interpretarea rezultatelor
Obiective generale
La sfarsitul acestui modul ar trebui sa fiti capabili sa aplicati metodologia proiectarii circuitelor electronice si sa proiectati un circuit analogic sau digital pornind de la specificatiile date.

3. Structura cursului Laborator: Examen partial: L1
Course structure NOTE
Analize:
Analiza DC
Analiza AC
Analiza tranzitorie
Analiza parametrica
Analiza statistica
Laborator:
Examen partial: L1
Examen final: L2 (Project)
Note laborator L3
If L1,L2,L3>4
Modelarea dispozitivelor semiconductoare:
Diode
BJT
MOS
Amplificatoare operationale

4. Glosar CAD Computer Aided Drafting , Computer Aided Design ECAD
Electronic Computer Aided Design
CAE
Computer Aided Engineering
SPICE
Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
PSPICE
Personal Computer SPICE
CAI
Computer Aided Instruction
CAM
Computer Aided Manufacturing
CAP
Computer Aided Planning
CAQ
Computer Aided Quality Control
VLSI
Very Large Scale Integration , Integrated Circuit
PLD
Programable Logic Device
ASIC
SoC
System On Chip
EDAE
Electronic Design Automation Environment

5. Referinte bibliografice
“Proiectare asistata de calculator”, Ovidiu Pop, Ed. Mediamira, Cluj-Napoca, 2007
“ECAD Course in Distance Education” Elena Skoikova, Ana Rusu- CDROM, 1999
SPICE –User Manual
“The SPICE Book “ Andrei Vladimirescu, J. Willey & Sons, 1994
“A Guide to Circuit Simulation & Analysis Using PSPICE” P.W. Tuinenga
“Semiconductor Device Modeling with SPICE” P. Antognetti, G. Massobrio, McGraw Hill, 1996

6. Motivatie Tehnica de proiectare a anilor 1950 si 1960:
Construirea circuitelor din elemente discrete
Experimente prin construire de montaje, masurare, reglare
Mai tarziu: IC-uri cu densitatea de integrare in crestere
Placa de montaj cu elemente discrete
Numai placi de cipuri accesibile masurarii
Presiunea time-to-market
Fig. 1 Breadboard model, 1954/1955. The can and its innards, as also those of the MIT small clock, are on display in the "Atomic Clock" exhibit at the Smithsonian Institution' National Museum of American History: Science, Technology, and Culture.

7. Scopul CAD
Proiectare asistata de calculator (CAD) inseamna utilizarea sistemelor de calcul in elaborarea, modificarea, analiza si optimizarea proiectelor.
CAD se utilizeaza in diferite domenii:
In proiectarea sistemelor electronice: Electronic Design Automation (EDA)
Proiectare in domeniul mecanic: Mechanical Design Automation (MDA)
Arhitectura: Computer-aided Architectural Design (CAAD)
etc.
CAD se foloseste la:
Cresterea productivitatii in proiectare
Imbunatatirea calitatii proiectarii
Imbunatatirea comunicarii in echipele de proiectare
Realizarea de baze de date pentru fabricatie

8. De ce sa simulam circuitele electronice?
Realizarea practica a unui circuit necesita un anumit timp si, in unele cazuri ofera doar o simpla idee despre functionarea lui, pe cand, SPICE iti furnizeaza informatii legate de functionarea circuitului in cateva minute. SPICE poate fi placa de test “virtuala”.

9. De ce sa simulam circuitele electronice?

10. De ce sa folosim SPICE?
Circuitele actuale necesita de asemenea echipament scump cum sunt sursele de curent, generatoarele de semnal si osciloscoapele. Poate fi dificil sa construiesti fizic fiecare circuit in parte.
SPICE iti furnizeaza informatii legate de functionarea circuitului in cateva minute. SPICE poate fi placa de test “virtuala”..

11. Ce castigam prin simulare?
testarea de idei noi (‘dry lab’)
posibilitatea de schimbari rapide
considerarea “efectelor parazite” ( cu modelele potrivite)
functionarea circutului in conditii critice (zgomot, incalzire etc)
modificarea rapida a schemei
reducerea costurilor

12. Resurse necesare Soft for interactive graphical system
Applicative Software
Soft for program support
Base Software

13. Istoric al SPICE

14. Istoric al SPICE Anii 1950: dezvoltarea cunostintelor fundamentale
Descrierea retelei
Teoria grafurilor
Formularea ecuatiilor
Anii 1960: primele rezolvari/modele/integrari algoritmice:
Metoda potentialelor la noduri nu se poate aplica pentru retele ce contin condensatoare si surse cu rezistenta interna mare
Forma ecuatiilor nu este optima pentru calcule numerice
-“Prima Generatie de Simultoare de Programe” (ECAP I in 1965, la IBM) putea rezolva doar bucati de retele lineare si scopul lor a fost practic limitat.
Anii 1970: Aplicatia Analizei Nodale (AN), Analiza Nodala Modificata (ANM), Analiza Tabloului Imprastiat(ATI)
imbunatatiri algoritmice (formule de integrare), dezvoltarea modelelor semiconductoare
1971: CANCER, SPICE1, SPICE2 (distributie libera)- Universitatea din Berkeley
“A doua generatie de programe de simulare”- Avansata in tehnica numerica a condus spre sfarsitul anilor 1960 la dezvoltarea programelor de analiza neliniara, precum SPICE1, initial numit CANCER (in 1971) la Universitatea din Berkeley, California.

15. Istoric al SPICE Anii 1980: SPICE devine unealta standard de simulare
dezvoltarea versiunilor PC (1983:PSPICE)
versiuni comerciale cu o mai buna interfata utilizator,suport model suport ,o mai buna stabilitate si acuratete
integrarea in mediul proiectarii CAE
Dezvoltarea celei “de-a treia generatii tehnice” pentru simularea la scara inalta a circuitelor. Eforturile a trei decenii s-au cristalizat in doua simulatoare de circuit acum cel mai des folosite, SPICE2 si ASTAP, numit acum ASX
90s:
- o multime de versiuni comerciale bazate pe SPICE2/ SPICE3
- dezvoltarea algoritmilor pentru circuite foarte mari
- versiuni pentru sisteme multiprocesoare/supercomputere
- dezvoltarea simulatoarelor cu semnale mixte
2000s: o multime de module integrate CAD/CAE pentru circuitele VLSI submicron

16. Stadiul actual Simulatoare de uz general
Simulatoare pentru Scopuri Speciale
SPICE family: SPICE2G.6, HSPICE, PSPICE9 (from OrCAD, now Cadence), IsSPICE (IntoSoft), AIM-Spice3.2, MicroCapV, ElectronicWorkBench, etc.
ELDO (mixed-mode) (Anacad, now Mentor)
SABER ( mixed-level) (Analogy)
Spectre (Cadence)
RF and Microwave (Spectre RF – Cadence, MDS- HP EESoft, Serenade-AnSoft)
Steady State (Oscillator Design)
Symbolic Analysis Mixed-Domain Simulators (Electro- Thermal, Electro-Mechanical, etc.)
Interconnection Analysis
Signal Integrity
Simulatoare Experimentale
Software Educational
Dezvoltate de catre Universitati, Institude de Cercetare
unele pot deveni produse
RSPICE,
OPTIMA

17. Ce este SPICE?
Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (SPICE) este un program ce are ca scop general simularea de circuite pentru un regim DC neliniar, tranzitoriu neliniar si analiza AC neliniara.
Programul este la fel de potrivit pentru a rezolva circuitele electrice liniare cat si pe cele neliniare.

18. Ce este SPICE? Circuitele pot contine:
rezistoare, condensatoare, bobine
surse independente de tensiune si curent,
surse dependente de tensiune si curent,
linii de transmisie
cele mai comune dispozitive semiconductoare:
diode,
tranzistoare cu legaturi bipolare (BJT),
tranzistoare cu efect de camp de tip jonctiune (JFET),
tranzistoare cu efectul de camp metal-oxid-semiconductor (MOSFET),
metal-semiconductor FETs GaAs (MESFETs);
dispozitive speciale si circuite integrate.
Orice program ce are ca scop general simularea circuitelor trebuie sa afiseze urmatoarele trei solutii de baza: punctul static de functionare (OP), raspunsul in frecventa (AC) si raspunsul tranzitoriu. .

19. Ce este SPICE?
Analiza DC calculeaza punctul static de functionare al circuitului cu capacitoarele deconectate si inductoarele scurt-circuitate.
SPICE uses iterations to solve the nonlinear network equations; nonlinearities are due mainly to the nonlinear current-voltage (I-V) characteristics of semiconductor devices.
Analiza AC calculeaza valorile tensiunilor in nodurile unui circuit linear ca o functie de frecventa, pe baza unui semnal sinusoidal aplicat la intrare.
For nonlinear circuits, such as transistor circuits, this type of analysis requires the small-signal assumption; that is, the amplitude of the excitation sources are assumed to be small compared to the thermal voltage for BJTs (Vin << Vth= 25mV, for small distortions). Only under this assumption can the nonlinear circuit be replaced by its linearized equivalent around the DC bias point.
Analiza tranzitorie calculeaza tensiunea la fiecare nod al circuitului ca si o functie de timp..
This is a large-signal analysis: no restriction is put on the amplitude of the input signal. Thus the nonlinear characteristics of semiconductor devices are taken into account.

20. Algoritmi de Simulare SPICE solution algorithm
Initial trial operating point (OP)
Linearize semiconductor device around trial OP
Linear conductances in circuit matrix
Solve linear equations
Convergence?
End of interval?
Define new trial OP
Discretize differential equations in time NO
Data processing
YES
STOP
Loop time
Date mem orv

21. Algoritmi de Simulare
Un simulator de circuit este definit de urmatoarele secvente de algoritmi specifici:
o metoda de integrare numerica implicita care transforma ecuatiile diferentiale neliniare in ecuatii algebrice neliniare (ODE);
liniarizarea acestora printr-un algoritm repetat modificat Newton-Raphson
eliminarea gausiana si tehnicile de matrici care rezolva ecuatiile liniare.

22. Algoritmi de Simulare
PSPICE
PSPICE este un simulator de circuite electronice analog/digitale, ceea ce inseamna ca poate determina rapid si precis comportamentul circuitelor analogice, analog/digitale si digitale.
Algoritmii de rezolvare a circuitelor analogice si digitale algorithms sunt implementati in cadrul aceluiasi program..
calculeaza “tensiuni” si “curenti” pentru circuite analogice si “stari” ale nodurilor conectate la circuite digitale.

23. Algoritmi de Simulare Valori numerice si expresii Name Scale Symbol
tera
10+12 T
giga
10+9 G
mega
10+6
MEG
kilo
10+3 K
milli
10-3 M
micro
10-6 U
nano
10-9 N
pico
10-12 P
femto
10-15 F
…..
Exp form
1E12
1E9
1E6
1E3
1E-3
1E-6
1E-9
1E-12
1E-15
Valorile numerice precise sunt scrise in notatia numerelor flotante standard (IEEE 754).
valorile pot fi scalate urmarind numarul in scala de sufixe potrivita.
Valorile numerice pot fi reprezentate indirect si de parametrii (PARAM):
Valorile numerice si parametrii pot fi folositi impreuna pentru a forma expresii aritmetice.
PSpice poate incorpora functii intrinseci (ABS, SQRT, EXP, LOG, LOG10, PWR, SIN, COS, TAN, ATAN, TABLE, LIMIT) si user-functions (FUNC).

24. Overview of simulation algorithms
Elements, Models and Nodes

25. Overview of simulation algorithms
Elements, Models and Nodes

26. Conventii
Un circuit trebuie sa contina intotdeauna un nod legat la masa, care trebuie sa fie intotdeauna 0.
Fiecare nod din circuit trebuie sa aiba cel putin doua elemente conectate la acesta, singurele exceptii sunt nodurile liniilor de transmisie neterminate.
Fiecare nod din circuit trebuie sa aiba o legatura CC la masa. In CC, condensatoarele reprezinta circuite deschise si bobinele reprezinta scurtcircuite. Aceasta cerinta previne aparitia nodurilor flotante, pentru care programul nu poate gasi puncte statice de functionare
Deoarece SPICE2G.6 standard foloseste analize nodale modificate pentru a calcula atat tensiunile la noduri, cat si curentii prin ramuri, trebuie subliniate doua restrictii :
circuitul nu poate contine o bucla de circuit numai cu surse de tensiune sau inductante
nu poate contine o ramura numai cu surse de curent sau condensatoare.

27. Conventii
Orice incalcare a restrictiilor anterioare determina aparitia unui mesaj de eroare si oprirea programului SPICE.
Posibilele mesaje de eroare si actiuni corective sunt:
Nodurile flotante
In timpul simularii, PSpice verifica topologia circuitului. Una dintre verificarile facute este aceea de a asigura ca nu exista noduri flotante. Daca exista asemenea noduri, PSpice va indica o eroare pe monitor iar fisierul de iesire va contine un mesaj similar cu urmatorul:
Aceasta inseamna ca nu exista legatura DC la masa de la nodul x.
Cele doua capete ale liniei de transmisie nu au o conexiune DC intre ele: in exemplul urmator nodul 5 are o conexiune cu nodul 0 (masa):
T Z0=75 td=20ns
ERROR: Node X is floating.

28. Conventii
Sursele de tensiune comandate nu au conexiune DC cu nodurile lor de control, deci aceste surse nu conduc curent de la nodurile lor de control. In exemplele urmatoare nodul 5 are conexiune la masa:
EGAIN GA
Cele doua terminale ale condensatorului nu au conexiune DC intre ele. In exemplul urmator nodul 5 nu are legatura DC la masa:
C u
In toate aceste cazuri solutia este urmatoarea: conectati circuitul flotant la masa cu un rezistor (de obicei cu valoare mare, 1MEGohm).

29. Conventii Bucle de circuit formate doar cu Surse de tensiune/Bobine
Aceasta verificare are scopul de a ne asigura ca nu exista bucle cu rezistenta 0. Daca exista, PSpice va indica o eroare pe monitor si fisierul de iesire va contine un mesaj ca cel care urmeaza:
Aceasta inseamna ca circuitul are o bucla de rezistenta 0, ce include sursa Vx.
Componentele cu rezistenta 0 in PSpice sunt:surse de tensiune independente (V), bobine (L), surse de tensiune comandate in tensiune (E) si surse de tensiune comandate in curent (H). Exemple de asemenea bucle sunt:
a. Vin V
Vs V
b.)    V V
L u E
ERROR: Voltage loop involving Vx.

30. Conventii Bucle de circuit formate doar cu Surse de tensiune/Bobine
De notat este faptul ca nu exista nici o diferenta chiar daca valorile surselor de tensiune sunt 0 sau nu. Avand rezistenta buclei 0 inseamna ca programul are nevoie sa imparta 10V (sau orice alta valoare a tensiunii) la 0, ceea ce este imposibil
In toate aceste cazuri solutia este urmatoarea: adaugati o rezistenta in serie la cel putin una din componentele buclei.
Alegeti valoarea rezistorului sa fie destul de mica astfel incat sa nu influenteze functionarea circuitului.
Oricum,pentru a evita depasirea razei dinamice a dublei-precizii aritmetice folosite in PSpice,este recomandat sa nu se scada sub 1micro-ohm.
Pentru a fi mai precisi, alegeti o valoare care aproximeaza actuala rezistenta parazita a componentei.

31. Conventii Surse de tensiune controlate
In timpul etapei de procesare a informatiei si a celei de verificare a unui program puteti intampina eroarea care afiseaza mesajul in fisierul output:
Intrarile la sursele de tensiuni-controlate nu sunt considerate conexiuni in timpul acestei verificari. Acest lucru se intampla deoarece aceste intrari sunt intrari ideale si nu conduc curent (au o impedanta infinita).
Daca acest lucru se intampla, solutia este: conectati un rezistor foarte mare (un Gohm, sa zicem) de la intrarea sursei la masa. Acest lucru va satisface verificarea topologiei, si, daca rezistorul are valoare destul de mare, nu va afecta comportamentul circuitului.
ERROR: Less than 2 connections at node X.