Замечание. В разделе Sweep Var. Typeзадается тип варьируемого параметра: Voltage Source — источник напряжения; Temperature — температура; Current Source — источник

В разделе Sweep Var. Type задается тип варьируемого параметра:

• Voltage Source — источник напряжения;
• Temperature — температура;
• Current Source — источник тока;
• Model Parameter — параметр модели компонента;
• Global Parameter — глобальный параметр.

В зависимости от выбранного типа параметра заполняются одно или несколько строк:

• Name — имя варьируемого параметра (для параметров типа Voltage Source, Current Source, Global Parameter);
• Model Type — тип модели, например, RES, DIODE, NPN (для Model Parameter);
• Model Name — имя модели, например КТ315А (для Model Parameter);
• Param. Name — имя параметра (для Model Parameter, Global Parameter).

В разделе Sweep Type задается тип вариации параметра:

• Linear — линейный масштаб;
• Octave — логарифмический масштаб октавами;
• Decade — логарифмический масштаб декадами;
• Value List — в виде списка параметров.

Пределы изменения параметров задаются на строках:

• Start Value — начальное значение;
• End Value — конечное значение;
• Increment — приращение;
• Pts/ Decade (Octave) — количество точек на одну декаду (октаву);
• Values — список параметров.

1. Monte Carlo/Worst Case — статистический анализ и наихудший случай. Статистический анализ по методу Монте-Карло (Monte Carlo) производится при статистическом разбросе параметров, описанных по директиве.MODEL. Случайное значение параметра х рассчитывается по формуле где x _HOM — номинальное значение параметра, указанное в директиве.MODEL; А — относительный разброс параметра х; £, — центрированная случайная величина, принимающая значения на отрезке (-1, +1).

Случайные величины создаются с помощью генераторов случайных чисел. Величина относительного разброса каждого параметра А и закон распределения случайной величины £, задаются опцией < спецификация случайного разброса параметра> директивы.MODEL, которая имеет вид

[DEV[/< seHepamop#> ] [/ < закон распределения> ] < разброс> [%]] [LOT[/< генератор #> ] [/< закон распределения> ] < разброс> [%]}

Параметр < генератор #> указывает номер генератора случайных чисел (от О до 9). С его помощью создаются коррелированные параметры. Случайные параметры, для которых не указаны номера генераторов случайных чисел, образуются с помощью индивидуальных независимых генераторов; они, естественно, являются некоррелированными. Для расчета значений разбросов параметров DEV и LOT используются различные генераторы: имеется 10 генераторов для параметров DEV и столько же для параметров LOT.

В простейшем случае номера генераторов случайных чисел не указываются. Тогда параметры, имеющие опции DEV, получают независимые, а параметры, имеющие опции LOT, — коррелированные случайные значения (последнее характерно для имитации разброса параметров партий изделий).

Приведем примеры:

.MODEL RLOAD RES (R=1 DEV/GAUSS 5% LOT/UNIFORM 10%)

.MODEL CMOD CAP (C=1 DEV/4/GAUSS 1% TC1 DEV/4/USER1 10% LOT/5 2%)

В программе имеются генераторы случайных величин с двумя стандартными законами распределения:

• UNIFORM — равновероятное распределение на отрезке (-1, +1);
• GAUSS — гауссовское распределение на отрезке (-1, +1) с нулевым средним значением и среднеквадратическим отклонением ст = 0, 25 (т.е. создается усеченное гауссовское распределение на интервале ±4а).

Кроме того, пользователь может задать нестандартный закон распределения случайных величин £, с помощью директивы

.DISTRIBUTION < имя> < < ^> < P > >; *

Здесь параметр < имя> назначает имя закону распределения, который задается в табличной форме. Пары чисел задают значения случайной величины % и соответствующую вероятность Р. Всего может быть задано до 100 точек. Все значения % должны находиться на интервале (-1, +1). Координаты точек должны указываться в порядке возрастания £, (допускается повторять предыдущие значения £). Между соседними точками производится линейная интерполяция. Приведем пример задания бимодального распределения, график которого изображен на рис. 4.8:

.DISTRIBUTION BI_MODAL (-1, 1) (-5, 1) (-.5, 0) (.5, 0) (.5, 1) (1, 1)

Случайным параметрам, закон распределения которых не задан явно в директиве.MODEL, по умолчанию назначается распределение, указанное в опции DISTRIBUTION директивы.OPTIONS. Статистические испытания по методу Монте-Карло проводятся при расчете режима по постоянному току, переходных процессов или частотных характеристик по директиве

.MC < n> [DC] [IRAN] [AC] < имя выходной переменой>

+ < обработка результатов> [LIST]

+ [OUTPUT < спецификация> ] [NAMЕ(< минимум>, < максимум>) ]

+ [SEED=< значение> ]

Параметр < п> задает количество статистических испытаний. Ключевые слова DC, TRAN, АС указывают вид анализа. После них указывается < имя выходной перемвнной>, подлежащей статистической обработке.

Рис. 4.4. Бимодальный закон распределения

При статистическом анализе предусматривается разнообразная статистическая обработка результатов моделирования, характер которой определяется с помощью опции < обработка результатов>, принимающей одно из следующих значений:

• YМАХ — расчет максимального отклонения текущей реализации от номинальной;
• МАХ — расчет максимального значения в каждой реализации;
• MIN — расчет минимального значения в каждой реализации;
• RlSE_EDGE(< значение>) — определение момента первого пересечения заданного уровня снизу вверх (значение уровня задается в круглых скобках; в начале расчета значение реализации должно быть меньше этого уровня);
• FALL_EDGE(< значение>) — определение момента первого пересечения заданного уровня сверху вниз (значение уровня задается в круглых скобках; в начале расчета значение реализации должно быть больше этого уровня).

По необязательному ключевому слову LIST на печать выводится список значений всех случайных параметров во всех реализациях.

В отсутствие ключевого слова OUTPUT характеристики цепи, указанные в директивах.PRINT,.PLOT или.PROBE, выводятся на печать или передаются в постпроцессор Probe один раз для номинального значения случайных параметров. С помощью ключевого слова OUTPUT их можно вывести требуемое число раз, задавая после этого слова следующие параметры:

• ALL — во всех реализациях;
• FIRST < m> — для первых т реализаций;
• EVERY < m> — на каждой m-й реализации;
• RUNS < m1>, < m2>... — для реализаций с указанными номерами т1, т2,...

После ключевого слова RANGE определяется диапазон значений, в пределах которого статистически обрабатывается выходная переменная. Если вместо минимального или максимального значения этого диапазона указать звездочку «*», то граница диапазона примет значение -бесконечность или +бесконечность.

Переменная SEED задает начальное значение датчика случайных чисел. Оно может принимать нечетные значения в диапазоне 1...32767. По умолчанию SEED = 17533. При одинаковых значениях SEED результаты статистического моделирования при последующих запусках программы повторяются.

Приведем примеры:

.МС 5 IRAN V(5) YMAX RANGE(-1, *)

.МС 100 AC VM(3) YMAX LIST OUTPUT=ALL

Количество испытаний п ограничено 2000 при выводе данных в текстовый файл *.OUT и 400 при просмотре данных с помощью программы Probe.

Расчет чувствительности и наихудшего случая (WorstCase). Для этого применяется директива WCASE [DC][TRAN][AC] < имя выходной переменной> + < обработка результатов> [< опции> ]*

Виды анализа и параметры < имя выходной переменной>, < обработка результатов> такие же, как у директивы.МС.

Проводятся расчеты характеристик цепи при вариации параметров, имеющих опции DEV или LOT. Сначала по очереди изменяются все указанные параметры, что позволяет оценить параметрическую чувствительность характеристик. Измененные значения параметров рассчитываются по формуле

Новое значение = номинальное значение (1 + RELTOL), если не указана опция BY (см. ниже). В заключение рассчитываются характеристики цепи при одновременном изменении всех параметров по методу наихудшего случая. При этом значения параметров определяются по формуле

Новое значение = номинальное значение (1±дельта).

Опции имеют следующий смысл.

Ключевое слово OUTPUT ALL разрешает передавать в выходной файл характеристики цепи, указанные в директивах.PRINT,.PLOT и.PROBE, при всех комбинациях параметров при расчете чувствительности. В его отсутствие передаются данные лишь о номинальном режиме и наихудшем случае.

После ключевого слова RANGE (< минимум>, < максимум>) указывается диапазон значений, в пределах которого производится статистическая обработка выходной переменной. Если вместо минимального или максимального значения этого диапазона указать звездочку < *>, то граница диапазона принимает значение -бесконечность или +бесконечность.

Ключевые слова HI и LOW задают направление изменения параметров компонентов относительно номинальных значений при расчете наихудшего случая. Если определяется функция YMAX или МАХ, по умолчанию назначается ключевое слово HI (положительное приращение), в противном случае — LOW (отрицательное приращение).

Ключевые слова VARY DEV, VARY LOT, VARY BOTH определяют характер случайного разброса параметров. По умолчанию назначается параметр VARY BOTH и случайный разброс задается обоими параметрами DEV и LOT; два других ключевых слова означают случайный разброс, определяемый только одним параметром DEV или LOT соответственно.

Ключевые слова BY RELTOL, BYE < значение> задают относительное изменение параметров при расчете чувствительности. По умолчанию их изменение равно значению параметра RELTOL, указанному в директиве.OPTIONS.

Ключевое слово DEVICES(< список типов компонентов>) назначает типы компонентов, параметры которых изменяются при расчете чувствительности и наихудшего случая. Список типов компонентов состоит из первых символов их имен, перечисляемых слитно, без пробелов. Например, вариация параметров только резисторов (R), конденсаторов (С) и биполярных транзисторов (Q) назначается с помощью ключевого слова DEVICES RCQ.

Приведем примеры директивы.WCASE:

.WCASE DC V(4, 5) YMAX

.WCASE IRAN V(1) FALL_EDGE(3.5V) VARY BOTH BY RELTOL DEVICES RL

В задании на моделирование может быть либо директива.МС, либо.WCASE, но не обе вместе. Так моделируется наихудший случай для чисто аналоговых устройств.

Расчет наихудшего случая для смешанных устройств. При исследовании цифровых устройств наиболее актуально оценить влияние случайного разброса временных задержек цифровых ИС на характеристики устройства в целом. Сначала исследуются характеристики при номинальных значениях задержек, а затем интересно проверить работоспособность устройства при вариации задержек в заданных пределах.

Расчет наихудшего случая при моделировании смешанных аналого-цифровых устройств отличается от моделирования чисто аналоговых устройств. При моделировании по методу наихудшего случая аналого-цифровых устройств аналоговые секции моделируются при номинальных значениях параметров. В цифровых компонентах варьируются задержки, имеющие в моделях динамики ненулевые минимальные и максимальные значения (см. разд. 4.3). При подаче на вход цифрового компонента воздействия выходной узел имеет неопределенное логическое состояние на интервале времени, равном разности между максимальной и минимальной задержкой. После прохождения сигнала через второй цифровой компонент длительность неопределенного состояния увеличивается и т.д. Это так называемое моделирование «с нарастающей неопределенностью».

При работе с управляющей оболочкой PSpice Schematics параметры директивы.МС указываются в диалоговом окне, открывающемся после нажатия на кнопку Monte Carlo/Worst Case в меню выбора директив моделирования. Вид анализа — Monte Carlo или Worst Case — выбирается в верхней строке диалогового окна. Здесь же указывается количество статистических испытаний МС Runs. Смысл остальных параметров такой же, как и при текстовом вводе директив (см. выше).

1. Bias Point Detail — вывод подробной информации о режиме по постоянному току. Нажатие кнопки Bias Point Detail в окне выбора директив моделирования вставляет в задание на моделирование директиву.ОР

Режим по постоянному току всегда рассчитывается в начале моделирования перед выполнением других видов анализа без указания специальных директив. При расчете режима по постоянному току принимаются во внимание параметры DC всех независимых источников напряжения и тока. Результаты расчетов выводятся в текстовый файл *.OUT в виде таблицы узловых потенциалов и списка токов независимых источников. При наличии директивы.ОР дополнительно рассчитываются малосигнальные параметры линеаризованных схем замещения полупроводниковых приборов и нелинейных управляемых источников, которые также выводится в выходной файл *.OUT.

Кроме того, анализ по постоянному току выполняется перед расчетом пере-ходных процессов по директиве.TRAN для определения начальных условий (если отсутствует ключевое слово SKIPBP) и перед анализом в частотной области по директиве.АС для линеаризации нелинейных компонентов в окрестности режима по постоянному току.

Обсудим особенности расчета режима по постоянному току. В программе он рассчитывается итерационным методом Ньютона-Рафсона. В отсутствие сходимости рекомендуется по директиве.OPTIONS увеличить максимальное количество итераций ITL1 (по умолчанию ITL1 = 40). Для повышения скорости сходимости рекомендуется с помощью директивы.NODESET устанавливать начальные значения узловых потенциалов, как можно более близкие к ожидаемому режиму по постоянному току (при отсутствии этой директивы все узловые потенциалы на начальной итерации полагаются равными нулю). Если решение методом Ньюто-на-Рафсона не сходится, программа автоматически переходит к методу вариации напряжений источников питания, который ценой увеличения затрат машинного времени обеспечивает сходимость решения в большинстве случаев. При включении опции STEPGMIN (см. п. 8) в отсутствие сходимости методом Ньюто-на-Рафсона сначала применяется метод вариации минимальной проводимости GMIN и затем, в случае его неудачи, метод вариации напряжений источников питания.

Приближенные значения режима по постоянному току с помощью директивы.NODESET нужно указывать при анализе схем, имеющих несколько устойчивых состояний.

1. Digital Setup — задание параметров цифровых устройств. Параметры цифровых устройств, устанавливаемые по умолчанию, задаются в диалоговом окне (рис. 4.10), открываемом при нажатии кнопки Digital Setup в окне выбора директив моделирования (рис. 3.49). В разделе Timing Mode устанавливается тип времени запаздывания во всех компонентах:

• Minimum — минимальное;
• Typical — типичное;
• Maximum — максимальное;
• Worst-case (Min/Max) — вариация задержки при расчете наихудшего случая (минимальная/максимальная).

В разделе Default A/D Interface задается тип модели интерфейсов вход/выход, назначаемый по умолчанию (см. разд. 4.3).

В разделе Flip-flop Initialization задаются начальные значения выходным состояниям триггеров:

• Аll X — присвоить неопределенное состояние X;
• Аll 0 — присвоить состояние логического «О»;
• All 1 — присвоить состояние логической «1».

8. Options — параметры моделирования. Параметры и режимы работы программы PSpice устанавливаются в диалоговом окне, открываемом нажатием кнопки Options в окне выбора директив моделирования. Это выполняется с помощью директивы

.OPTIONS [имя опции]* [< имя опции> = < значение> ]*

Например:

.OPTIONS NOPAGE NODE RELTOL=1e-4

Рис. 4.5. Установка параметров моделирования

Опции перечисляются в любом порядке.

Они подразделяются на два вида:

• опции, имеющие численное значение — для его изменения в окне, изображенном на рис. 4.5, выбирается курсором имя опции, в строке New Value вводится новое значение и нажимается кнопка Accept;
• опции, не имеющие численного значения; их можно назвать флагами, находящимися в положении «включено» (Y) или «выключено» (N) — для изменения их состояний производится двойной щелчок на строке с именем опции.

Приведем список флагов (в скобках указаны значения по умолчанию):

• АССТ — вывод статистики времени выполнения всех видов анализа характеристик цепи и других данных о задании на моделирование (N);
• EXPAND — включение в описание схемы описания макромоделей (N);
• LIBRARY — включение в описание схемы описания моделей из библиотечных файлов (N);
• LIST — вывод списка всех компонентов цепи (N);
• NOBIAS — запрещение вывода в выходной файл значений узловых потенциалов в рабочей точке (N);
• NODE — печать списка соединений (N);
• NOECHO — запрещение включения в выходной файл части описания схемы, располагаемой после строки с директивой.OPTIONS (N);
• NOICTRANSLATE — отмена установки начальных условий расчета переходных процессов, выполненных с помощью директив.IC (имеются в виду начальные напряжения на конденсаторах и токи через индуктивности) (N);
• NOMOD — запрещение вывода списка параметров моделей (N);
• NOOUTMSG — подавление передачи в выходной файл сообщений об ошибках моделирования (N);
• NOPAGE — запрещение перевода страниц в выходном файле (N);
• NOPRBMSG — подавление передачи в файл данных для программы Probe сообщений об ошибках моделирования (N);
• NOREUSE — запрещение автоматического сохранения и восстановления информации о режиме по постоянному току при вариации температуры, статистическом анализе, расчете наихудшего случая и при вариации параметров (N);
• OPTS — вывод значений всех опций (N);
• STEPGMIN — включение алгоритма расчета режима по постоянному току вариацией проводимости GMIN в случае отсутствия сходимости метода Ньютона-Рафсона. При наличии этой опции в отсутствии сходимости сначала применяется метод вариации GMIN и затем, в случае неудачи, метод вариации источников питания (в отсутствии этой опции используется только метод вариации источников питания) (N).

Если какой-либо флаг не указан, то по умолчанию устанавливается режим, противоположный описанному выше.

Опции, имеющие численные значения, представлены в табл. 4.7.

Таблица 4.7. Опции, имеющие численные значения

Начинающим пользователям рекомендуется воспользоваться установкой параметров директивы.OPTIONS по умолчанию и изменять их по мере надобности после приобретения опыта моделирования.

В процессе моделирования программа PSpice генерирует различные сообщения, которые передаются в выходной файл и файл данных для программы Probe. Список сообщений о специфических ошибках в процессе, моделирования цифровых устройств приведен в табл. 5.2.

Статистические сведения о задании выводятся в выходной файл с расширением.OUT при введении опции АССТ в директиве.OPTION. Перечень выводимых данных приведен в табл. 4.8.

Таблица 4.8. Данные, помещаемые в выходном файле

1. Parametric — многовариантный анализ. Вариация параметров назначается по директиве.STEP, имеющей следующие разновидности:

.STEP [LIN] < имя варьируемого параметра> < начальное значение> + < конечное значение> < шаг приращения параметра>

.STEP [ОСТ] [DEC] < имя варьируемого параметра>

+ < начальное значение> < конечное значение> < количество точек>

.STEP < имя варьируемого параметра> LIST < значение> *

На каждом шаге вариации параметров по очереди выполняются все виды анализа характеристик цепи, задаваемых директивами.DC,.AC,.TRAN и др. Варьироваться могут все параметры всех моделей компонентов и глобальные параметры за исключением:

• параметров L и W МОП-транзистора (разрешается варьировать аналогичные параметры LD и WD);
• температурных коэффициентов TCI, TC2 резисторов и других компонентов.

Приведем примеры:

.STEP VIN -.8.8.2.STEP LIN I2 5mA-2mA-0.1mA

.STEP RES RMOD(R) 0.9 1.1 0.05

.STEP TEMP LIST 0 20 27 50 80

.STEP PARAM VPOWER 4 6 0.2

Ключевое слово PARAM в последнем примере указывает, что после него следует имя глобального параметра, определенного ранее по директиве.PARAM.

Дадим пояснения, как с помощью директивы.STEP организовать многовариантный анализ.

Например, многовариантный анализ переходных процессов при изменении амплитуды А гармоиического сигнала реализуется следующим образом:

.PARAM A=0

VSIGNAL1 OSIN(0{A}1kHz)

.STEP PARAM A LIST 12510 TRAN 0.1ms 5ms

Обратим внимание, что при вариации глобальных параметров их необходимо предварительно объявить по директиве.PARAM.

Изменение сопротивления резистора (и параметров других пассивных компонентов) осуществляется двояко. Во-первых, с помощью глобального параметра

.PARAM P=1

R1 2 О {Р}

.STEP PARAM P 15, 45, 10

Во-вторых, используя модель резистора

.MODEL RMOD RES(R=15)

R1 2 О RMOD 1

.STEP RES RMOD(R) 15, 45, 10

Здесь RMOD — имя модели резистора; RES — тип модели; R — имя варьируемого параметра.

В связи с тем, что многовариантный анализ производится также с помощью директив.TEMP,.MC,.WCASE и.DC, в одном задании на моделирование вместе с директивой.STEP разрешается помещать только одну из них. Две директивы.STEP в одном задании не допускаются.

При работе с управляющей оболочкой Schematics спецификация варьируемых параметров выполняется в диалоговом окне, открывающемся после нажатия на кнопку Parametric в меню выбора директив моделирования. Назначение его полей такое же, как и для директивы DC Sweep.