eng
Выпуск #3/2021
И. Белков, Ю. Еремеев, И. Малышев, С. Рыбкин
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ПАССИВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ И ИХ ИНТЕГРАЦИЯ В СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ПАССИВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ И ИХ ИНТЕГРАЦИЯ В СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Просмотры: 1228
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.204.3.80.86
В статье рассмотрена методика построения моделей электронных компонентов на примере создания моделей СВЧ чип-индуктивностей и чип-резисторов производства АО «НПО «ЭРКОН» в САПР Delta Design 3.0.
В статье рассмотрена методика построения моделей электронных компонентов на примере создания моделей СВЧ чип-индуктивностей и чип-резисторов производства АО «НПО «ЭРКОН» в САПР Delta Design 3.0.
Теги: chip inductance chip resistor delta design 3.0 cad equivalent circuit spice simulator сапр delta design 3.0 симулятор spice чип-индуктивность чип-резистор эквивалентная схема
Разработка моделей отечественных пассивных электронных компонентов и их интеграция в системы автоматизированного проектирования
И. Белков , Ю. Еремеев , И. Малышев , С. Рыбкин
Эффективность разработки устройств и систем в значительной степени определяется наличием моделей электронных компонентов, адаптированных к системам автоматизированного проектирования (САПР). Модели должны отражать полную информацию об электронных компонентах, полученную на основе данных о конструкции изделий и измеренных параметрах, а также опыта эксплуатации и рекомендациях по применению. Наиболее полным набором данных о компонентах обладает разработчик и изготовитель электронных компонентов. В статье рассмотрена методика построения моделей электронных компонентов на примере создания моделей СВЧ чип-индуктивностей и чип-резисторов производства АО «НПО «ЭРКОН» в САПР Delta Design 3.0.
Разработка современной электронной аппаратуры невозможна без применения САПР, позволяющих в кратчайшие сроки провести полный цикл разработки – от электрической схемы до топологии печатной платы, спецификации комплектующих и КД на устройство.
Пример такой системы – отечественная САПР Delta Design версии 3.0, в которой объединены все модули в рамках единой среды разработки, в том числе аналоговый (SPICE) и цифровой симуляторы (Verilog / VHDL) [1, 2, 3].
Актуальной задачей является создание полноценных моделей электронных компонентов, соответствующих функционалу современных САПР. В настоящее время используется множество вариантов построения подробных моделей СВЧ-компонентов. Такие модели содержатся в библиотеках, предназначенных для встраивания в программы автоматизированного проектирования. Однако большинство из этих моделей описывает компоненты зарубежного производства. Полноценные модели отечественных пассивных и активных СВЧ-компонентов сегодня отсутствуют.
Следует отметить, что построение условных графических обозначений (УГО), топологических и трехмерных моделей не представляет принципиальных сложностей, хотя и требует знания конструкции компонента и определенных трудозатрат. Сложнее обстоит дело с созданием поведенческих моделей. Изготовитель не всегда имеет возможность представить параметры своих изделий, измеренных в тех условиях, которые требуются разработчику радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Поэтому применение моделей, созданных на основе результатов измерений в определенных условиях (зачастую известных только изготовителю), имеет ограничения у потребителя электронных компонентов.
Для разработки моделей, отражающих реальные параметры СВЧ-компонентов, применяют два подхода:
Параметрическая модель является максимально гибкой с точки зрения воспроизведения характеристик компонента при моделировании в различных условиях. Однако она достаточно трудоемка в создании, поскольку требует большого объема измеренных данных, а также сложна при реализации в программном продукте. Такие модели востребованы при моделировании S-параметров гибридных СВЧ-изделий со сложной топологической структурой и в широком диапазоне частот.
Модели, описывающие только собственные параметры компонентов, более просты для создания. Их реализация доступна в большинстве современных САПР с использованием SPICE-симулятора. Рассмотрим создание таких моделей на примере СВЧ чип-индуктивностей типа КИК и чип-резисторов типа Р1-8В производства АО «НПО «ЭРКОН» (рис. 1).
Наиболее удобным путем является реализация модели в виде эквивалентных схем замещения на сосредоточенных параметрах (рис. 2).
Номинальные значения элементов эквивалентной схемы определяют по результатам измерений компонентов соответствующих типономиналов. При этом целесообразно объект измерения (при соответствующем способе установки) представить в виде П-, T-схем или закороченного на землю двухполюсника (рис. 3, 4).
Ниже приведены соотношения, по которым определяют импеданс Z(f) для каждого случая [4].
В случае двухполюсника:
.
В случае последовательного включения чип-индуктивности:
.
В случае последовательного включения чип-резистора:
.
В случае параллельного включения чип-индуктивности:
.
В случае параллельного включения чип-резистора:
.
Импеданс вычисляют на основе результатов измерений для различных способов установки компонента. Измерения усредняют, при необходимости проводят дополнительную обработку и сохраняют в составе моделей. Примеры результатов измерений приведены на рис. 5.
Имея только одно частотно-зависимое комплексное число достаточно просто подобрать значения параметров эквивалентной схемы методом оптимизации. Сходимость целевой характеристики к результатам измерений при настройке параметров эквивалентной схемы будет во многом определяться конфигурацией измерительных плат и способом калибровки, определяющим границу плоскости измерения. Для лучшей сходимости допускается проводить вычитание результатов измерений «пустых» контактных площадок из результатов измерений компонента, установленного на этих контактных площадках.
Несмотря на близкую сходимость S-параметров результатов измерений с контактными площадками и без них (рис. 6), без указанной процедуры модель может некорректно описывать собственные параметры компонента (рис. 7).
Используя готовую модель компонентов с собственными параметрами и встроенные в САПР модели микрополосковых элементов, несложно определить параметры компонента, установленного на различные типы контактных площадок. Примеры результатов моделирования и реальных измерений приведены на рис. 8.
Интеграция полученных моделей в САПР происходит в SPICE-формате (рис. 9).
АО «НПО «ЭРКОН» и ООО «ЭРЕМЕКС» разработали библиотеку, в которой есть всё необходимое для разработчика РЭА [5]. Для резисторов и чип-индуктивностей производства АО «НПО «ЭРКОН» это не просто 3D-модель и номинальные значения параметров, а набор связанных характеристик в виде единой библиотеки: УГО, посадочное место (ПМ), SPICE-модель, а также обширный набор свойств, описывающих компонент, так называемых атрибутов (табл. 1, 2).
Рассмотрим пример проектирования полосового фильтра, схема которого с идеализированными моделями компонентов показана на рис. 10. В схеме на рис. 11 идеализированные модели заменены на SPICE-модели: для чип-индуктивностей использовались модели чип-индуктивностей КИК 0805 от АО «НПО «ЭРКОН» [6], а для конденсаторов – модели конденсаторов от компании Murata [7].
Порядок работы с моделями компонентов различается при использовании SPICE-моделей и идеализированных моделей, встроенных в систему проектирования. В САПР Delta Design версии 3.0 для каждой модели создается отдельный компонент. Для моделирования рассматриваемого полосового фильтра необходимо создать четыре новых компонента, как показано на рис. 12.
После замены компонентов с идеализированными моделями на компоненты со SPICE-моделями запустим анализ передаточной характеристики фильтра, указав в пункте «Группа 1» выражение Db(V(OUT) / V(IN)) (рис. 13).
На рис. 14 представлена смоделированная передаточная характеристика, а на рис. 15 сравниваются результаты моделирования и измерений. Можно отметить высокое совпадение результатов моделирования и измерений. Использованные модели с высокой достоверностью описывают поведение компонентов в широком диапазоне частот.
* * *
В заключение отметим, что современные системы автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств в значительной степени сокращают процесс разработки, а использование библиотек моделей электронных компонентов АО «НПО «ЭРКОН» позволяет найти оптимальные решения, выявить недостатки схемы и перейти к макетированию или изготовлению опытного образца РЭА.
ЛИТЕРАТУРА
Прикота А., Сорокин С. SimOne – отечественный симулятор электронных схем // Современная электроника. 2015. № 9. C. 62–65.
ЭРЕМЕКС. Система аналогового моделирования Delta Design SimOne. https://www.eremex.ru/products/delta-design/simone/.
Малышев Н. Новые возможности в системе функциональной верификации и моделирования HDL-проектов Delta Design Simtera // Современная электроника. 2019. № 8. С. 64–66.
Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971.
ЭРЕМЕКС. Библиотека компонентов Delta ЭКБ. История изменений. https://www.eremex.ru/knowleage-base/delta-design/articles/delta-ekb-istoriya-izmeneniy/.
ЭРКОН. Чип-индуктивности. https://www.erkon-nn.ru/catalog/chip-induktivnosti/.
Murata. Ceramic Capacitor. https://www.murata.com/en-eu/products/capacitor/ceramiccapacitor.
И. Белков , Ю. Еремеев , И. Малышев , С. Рыбкин
Эффективность разработки устройств и систем в значительной степени определяется наличием моделей электронных компонентов, адаптированных к системам автоматизированного проектирования (САПР). Модели должны отражать полную информацию об электронных компонентах, полученную на основе данных о конструкции изделий и измеренных параметрах, а также опыта эксплуатации и рекомендациях по применению. Наиболее полным набором данных о компонентах обладает разработчик и изготовитель электронных компонентов. В статье рассмотрена методика построения моделей электронных компонентов на примере создания моделей СВЧ чип-индуктивностей и чип-резисторов производства АО «НПО «ЭРКОН» в САПР Delta Design 3.0.
Разработка современной электронной аппаратуры невозможна без применения САПР, позволяющих в кратчайшие сроки провести полный цикл разработки – от электрической схемы до топологии печатной платы, спецификации комплектующих и КД на устройство.
Пример такой системы – отечественная САПР Delta Design версии 3.0, в которой объединены все модули в рамках единой среды разработки, в том числе аналоговый (SPICE) и цифровой симуляторы (Verilog / VHDL) [1, 2, 3].
Актуальной задачей является создание полноценных моделей электронных компонентов, соответствующих функционалу современных САПР. В настоящее время используется множество вариантов построения подробных моделей СВЧ-компонентов. Такие модели содержатся в библиотеках, предназначенных для встраивания в программы автоматизированного проектирования. Однако большинство из этих моделей описывает компоненты зарубежного производства. Полноценные модели отечественных пассивных и активных СВЧ-компонентов сегодня отсутствуют.
Следует отметить, что построение условных графических обозначений (УГО), топологических и трехмерных моделей не представляет принципиальных сложностей, хотя и требует знания конструкции компонента и определенных трудозатрат. Сложнее обстоит дело с созданием поведенческих моделей. Изготовитель не всегда имеет возможность представить параметры своих изделий, измеренных в тех условиях, которые требуются разработчику радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Поэтому применение моделей, созданных на основе результатов измерений в определенных условиях (зачастую известных только изготовителю), имеет ограничения у потребителя электронных компонентов.
Для разработки моделей, отражающих реальные параметры СВЧ-компонентов, применяют два подхода:
- создание сложной параметрической модели, учитывающей влияние окружающих объектов в области монтажа компонента (реактивных параметров контактных площадок, диэлектрической подложки и др.);
- создание модели, описывающей собственные параметры компонента (без влияния окружающих объектов).
Параметрическая модель является максимально гибкой с точки зрения воспроизведения характеристик компонента при моделировании в различных условиях. Однако она достаточно трудоемка в создании, поскольку требует большого объема измеренных данных, а также сложна при реализации в программном продукте. Такие модели востребованы при моделировании S-параметров гибридных СВЧ-изделий со сложной топологической структурой и в широком диапазоне частот.
Модели, описывающие только собственные параметры компонентов, более просты для создания. Их реализация доступна в большинстве современных САПР с использованием SPICE-симулятора. Рассмотрим создание таких моделей на примере СВЧ чип-индуктивностей типа КИК и чип-резисторов типа Р1-8В производства АО «НПО «ЭРКОН» (рис. 1).
Наиболее удобным путем является реализация модели в виде эквивалентных схем замещения на сосредоточенных параметрах (рис. 2).
Номинальные значения элементов эквивалентной схемы определяют по результатам измерений компонентов соответствующих типономиналов. При этом целесообразно объект измерения (при соответствующем способе установки) представить в виде П-, T-схем или закороченного на землю двухполюсника (рис. 3, 4).
Ниже приведены соотношения, по которым определяют импеданс Z(f) для каждого случая [4].
В случае двухполюсника:
.
В случае последовательного включения чип-индуктивности:
.
В случае последовательного включения чип-резистора:
.
В случае параллельного включения чип-индуктивности:
.
В случае параллельного включения чип-резистора:
.
Импеданс вычисляют на основе результатов измерений для различных способов установки компонента. Измерения усредняют, при необходимости проводят дополнительную обработку и сохраняют в составе моделей. Примеры результатов измерений приведены на рис. 5.
Имея только одно частотно-зависимое комплексное число достаточно просто подобрать значения параметров эквивалентной схемы методом оптимизации. Сходимость целевой характеристики к результатам измерений при настройке параметров эквивалентной схемы будет во многом определяться конфигурацией измерительных плат и способом калибровки, определяющим границу плоскости измерения. Для лучшей сходимости допускается проводить вычитание результатов измерений «пустых» контактных площадок из результатов измерений компонента, установленного на этих контактных площадках.
Несмотря на близкую сходимость S-параметров результатов измерений с контактными площадками и без них (рис. 6), без указанной процедуры модель может некорректно описывать собственные параметры компонента (рис. 7).
Используя готовую модель компонентов с собственными параметрами и встроенные в САПР модели микрополосковых элементов, несложно определить параметры компонента, установленного на различные типы контактных площадок. Примеры результатов моделирования и реальных измерений приведены на рис. 8.
Интеграция полученных моделей в САПР происходит в SPICE-формате (рис. 9).
АО «НПО «ЭРКОН» и ООО «ЭРЕМЕКС» разработали библиотеку, в которой есть всё необходимое для разработчика РЭА [5]. Для резисторов и чип-индуктивностей производства АО «НПО «ЭРКОН» это не просто 3D-модель и номинальные значения параметров, а набор связанных характеристик в виде единой библиотеки: УГО, посадочное место (ПМ), SPICE-модель, а также обширный набор свойств, описывающих компонент, так называемых атрибутов (табл. 1, 2).
Рассмотрим пример проектирования полосового фильтра, схема которого с идеализированными моделями компонентов показана на рис. 10. В схеме на рис. 11 идеализированные модели заменены на SPICE-модели: для чип-индуктивностей использовались модели чип-индуктивностей КИК 0805 от АО «НПО «ЭРКОН» [6], а для конденсаторов – модели конденсаторов от компании Murata [7].
Порядок работы с моделями компонентов различается при использовании SPICE-моделей и идеализированных моделей, встроенных в систему проектирования. В САПР Delta Design версии 3.0 для каждой модели создается отдельный компонент. Для моделирования рассматриваемого полосового фильтра необходимо создать четыре новых компонента, как показано на рис. 12.
После замены компонентов с идеализированными моделями на компоненты со SPICE-моделями запустим анализ передаточной характеристики фильтра, указав в пункте «Группа 1» выражение Db(V(OUT) / V(IN)) (рис. 13).
На рис. 14 представлена смоделированная передаточная характеристика, а на рис. 15 сравниваются результаты моделирования и измерений. Можно отметить высокое совпадение результатов моделирования и измерений. Использованные модели с высокой достоверностью описывают поведение компонентов в широком диапазоне частот.
* * *
В заключение отметим, что современные системы автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств в значительной степени сокращают процесс разработки, а использование библиотек моделей электронных компонентов АО «НПО «ЭРКОН» позволяет найти оптимальные решения, выявить недостатки схемы и перейти к макетированию или изготовлению опытного образца РЭА.
ЛИТЕРАТУРА
Прикота А., Сорокин С. SimOne – отечественный симулятор электронных схем // Современная электроника. 2015. № 9. C. 62–65.
ЭРЕМЕКС. Система аналогового моделирования Delta Design SimOne. https://www.eremex.ru/products/delta-design/simone/.
Малышев Н. Новые возможности в системе функциональной верификации и моделирования HDL-проектов Delta Design Simtera // Современная электроника. 2019. № 8. С. 64–66.
Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971.
ЭРЕМЕКС. Библиотека компонентов Delta ЭКБ. История изменений. https://www.eremex.ru/knowleage-base/delta-design/articles/delta-ekb-istoriya-izmeneniy/.
ЭРКОН. Чип-индуктивности. https://www.erkon-nn.ru/catalog/chip-induktivnosti/.
Murata. Ceramic Capacitor. https://www.murata.com/en-eu/products/capacitor/ceramiccapacitor.
Отзывы читателей
