Методы анализа и расчета электронных схем
Покупка
Тематика:
Микроэлектроника. Наноэлектроника
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 237
Дополнительно
Доступ онлайн
220 ₽
В корзину
Рассмотрены общие положения моделирования, анализа и расчета электронных схем, вопросы формирования математических моделей аналоговых схем с активными электронными компонентами в операторной и временной форме, матричные и топологические методы анализа электронных схем. Приведены модели основных типов активных электронных компонентов. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 210100 "Электроника и наноэлектроника".
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Министерство образования и науки Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра промышленной электроники Н.С. Легостаев, К.В. Четвергов МЕТОДЫ АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ Учебное пособие Томск 2014
Легостаев Н.С.
Методы анализа и расчета электронных схем: Учеб. пособие / Н.С.
Легостаев, К.В. Четвергов. – Томск: Факультет дистанционного обучения,
ТУСУР, 2014. – 237 с.
Рассмотрены общие положения моделирования, анализа и расчета
электронных схем, вопросы формирования математических моделей
аналоговых схем с активными электронными компонентами в операторной и
временной форме, матричные и топологические методы анализа электронных
схем. Приведены модели основных типов активных электронных
компонентов.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 210100
“Электроника и наноэлектроника”.
Легостаев Н. С., Четвергов К. В., 2014
Факультет дистанционного обучения, ТУСУР, 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ, АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ......................................................................................... 1.1 Задачи проектирования электронных схем.................................................. 1.2 Общие вопросы математического моделирования.................................... 1.3 Классификация математических моделей.................................................. 1.4 Этапы математического моделирования.................................................... 1.5 Методы реализации математических моделей.......................................... КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ........................................................................... 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ........................ 2.1 Классификация электронных схем по математическому описанию....... 2.2 Топологические модели электронных схем............................................... 2.3 Математические модели компонентов электронных схем....................... 2.4 Полные уравнения электронных схем и их преобразования................... КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ........................................................................... 3 СХЕМНЫЕ ФУНКЦИИ И ИХ АНАЛИЗ............................................... 3.1 Понятие и виды схемных функций электронных схем........................... 3.2 Формы представления схемных функций................................................ 3.3 Частотные и временные характеристики и их параметры..................... КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.......................................................................... 4 АНАЛИЗ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ ОПЕРАТОРНЫМИ МЕТОДАМИ........................................................................................................ 4.1 Определение схемных функций по матрично-векторным параметрам электронных схем..................................................................................... 4.2 Определение схемных функций электронных схем методом сигнальных графов........................................................................................................ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ......................................................................... 5 АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ ............................................................................................................................... 5.1 Математическое описание электронных схем в базисе переменных состояния........................................................................................................... 5.2 Реализация математических моделей в базисе переменных состояния...................................................................................................................... КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ......................................................................... ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................... СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................................. СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ......................................................... ГЛОССАРИЙ........................................................................................................ 4
ВВЕДЕНИЕ Анализ и расчет схемотехнических решений относятся к числу важней ших задач, решаемых при проектировании электронных устройств различ ного функционального назначения, включая устройства промышленной элек троники. Постоянное усложнение функций, возлагаемых на электронные устройства, и повышение предъявляемых к ним требований диктует необхо димость автоматизации проектно-расчетных работ. В настоящее время разра ботано большое количество универсальных и специализированных программных комплексов, существенно расширяющих возможности модели рования, анализа и расчета электронных цепей, эффективное применение которых в значительной мере зависит от степени подготовки в области авто матизации схемотехнического проектирования и не сводится лишь к приви тию навыков пользования этими программными комплексами. Наряду с зада чами, при решении которых можно использовать универсальные программы, постоянно появляются задачи, на которые возможности существующих уни версальных и специализированных программ не распространяются. В этих случаях приходится выполнять весь комплекс исследовательских работ от формирования математических моделей до разработки алгоритмов и программ их реализации, опираясь на знание математического аппарата тео рии электронных схем. Методология моделирования, анализа и расчета электронных схем раз вивается по двум основным направлениям. Первое направление основано на ис пользовании линейных математических моделей и операторных методов их реа лизации. Поскольку математический аппарат анализа и расчета линейных элек тронных схем обеспечивает решение широкого класса задач исследования элек тронных схем, данное направление остается актуальным до настоящего време ни. Второе направление методологии исследования электронных схем связано с 5
развитием и использованием наиболее универсальных методов анализа и расче та, направленных на реализацию нелинейных математических моделей. Материал учебного пособия отражает оба направления методологии анализа электронных схем, связанных с применением и операторных, и временных математических моделей. При этом основное внимание уделяется матричным методам формирования и реализации математических моделей, наиболее пригодных к автоматизации. 6
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ, АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ 1.1 Задачи проектирования электронных схем Основу проектно-конструкторской деятельности бакалавра по направ лению подготовки 210100.62 “Электроника и наноэлектроника” составляет расчет и проектирование электронных приборов, схем и устройств различ ного функционального назначения в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования [4]. [Определение] Проектирование — это создание описания, необхо димого для построения в заданных условиях еще не существующего техниче ского объекта, на основе первичного описания этого объекта (технического задания). [.] В технике проектирования все величины, характеризующие техниче ский объект, называют параметрами. Различают внутренние, внешние и вы ходные параметры. [Внимание] Внутренние параметры W характеризуют отдельные компоненты проектируемого устройства. [.] Их разделяют на первичные внутренние (физико-технические) па раметры, которые отражают конструктивно-технологические и электрофизи ческие свойства компонентов, и вторичные внутренние (электрические) па раметры, которые характеризуют соотношения между токами и напряжени ями на полюсах компонентов схемы. К первичным относятся геометрические размеры отдельных полупроводниковых областей, электрические характери стики полупроводниковых материалов и т.д. К вторичным внутренним па раметрам сопротивления резисторов, емкости конденсаторов и т.п. [Внимание] Внешние параметры Q характеризуют условия, в которых работает устройство (температура и влажность окружающей среды, началь 7
ное состояние устройства, параметры входного воздействия, конкретные зна чения времени или частоты, параметры нагрузки, уровень помех, радиации и т.п.) [.] [Внимание] Выходные параметры характеризуют количественные зна чения технико-экономических показателей, определяемых функциональным назначением технического объекта как целостной системы. [.] Выходные параметры разделяют на первичные и вторичные. Первичные выходные параметры (фазовые переменные) X характери зуют состояние электронного устройства: токи и напряжения на полюсах компонентов схемы, узловые напряжения, контурные токи, выходные напря жения и токи. Вторичные выходные (схемные параметры, схемные функции) опреде ляются отношениями фазовых переменных друг к другу. Вторичные выход ные параметры зависят от структуры электронной схемы и внутренних па раметров. Вторичные выходные параметры позволяют определить реакцию электронной схемы на внешние воздействия различных видов. Во временной области схемные параметры представляются в виде переходной и импульсной переходной характеристик, а в частотной в виде частотных ха рактеристик (АФЧХ, АЧХ, ФЧХ и др.). К выходным схемным параметрам от носят также параметры названных характеристик: длительности задержек и фронтов выходных сигналов; входное и выходное сопротивления схемы в диапазоне частот или на фиксированной частоте; граничные частоты полосы пропускания; максимально допустимая величина помехи по входному воздей- ствию; мощность рассеяния в элементах; амплитуда выходного сигнала или его среднее значение и др. Все задачи, решаемые при проектировании, могут быть сведены к следующим основным видам: синтез структуры и параметров электронной схемы, расчет, анализ, параметрическая и структурная оптимизация. 8
[Определение] Синтез — создание описания еще не существующего технического объекта на основе требований к выходным параметрам при за данных внешних параметрах. [.] При этом определение состава элементов электронной схемы и порядка их связей между собой носит название структурного синтеза, а определение значений внутренних параметров электронной схемы — параметрического синтеза. [Определение] Расчет электронной схемы представляет собой опреде ление выходных параметров при известных постоянной структуре и значени ях внутренних и внешних параметров. [.] Основными видами расчета электронных схем являются расчет стати ческого режима (режима покоя), расчет частотных характеристик и расчет пе реходных процессов. [Определение] Анализ — определение изменений выходных параметров в зависимости от изменения внутренних или внешних параметров при из вестной постоянной структуре. [.] Анализ электронной схемы сводится к многократному решению задач расчета. К типовым видам анализа относится анализ чувствительности вы ходных параметров к изменениям внутренних или внешних параметров, а также статистический анализ, направленный на получение вероятностных оценок надежности схемы. [Определение] Оптимизация — поиск структуры и значений внутрен них параметров электронной схемы, обеспечивающих наилучшие в заданном смысле значения выходных параметров при заданных внешних параметрах. [.] Выбор оптимальной структуры представляет собой структурную оптимизацию, а поиск оптимальных значений внутренних параметров при известной постоянной структуре — параметрическую оптимизацию. 9
1.2 Общие вопросы математического моделирования [Определение] Моделирование — это способ исследования, основанный на замене реального объекта физическим или абстрактным объектом аналогом (моделью), изучении свойств этого аналога и переносе полученных результатов на исходный объект. [.] В зависимости от характера модели различают физическое (материаль ное) моделирование и математическое моделирование [2]. Физическое моделирование предполагает, что в качестве модели ис пользуется материальный объект, поведение которого с достаточной точно стью соответствует поведению исследуемого объекта. При математическом моделировании модель представляет собой аб страктный образ реального объекта, выраженный в виде математических со отношений и условий. В общем случае под математической моделью обычно понимается лю бое математическое описание, отражающее с требуемой точностью поведе ние реального объекта в заданных условиях и позволяющее определить все интересующие свойства этого объекта. Основными требованиями, предъявляемыми к математическим моде лям, являются требования адекватности, универсальности (полноты), доста точной простоты (экономичности), продуктивности, робастности и наглядно сти. [Определение] Адекватность — способность модели отражать задан ные свойства моделируемого объекта с требуемой точностью. [.] [Определение] Универсальность модели определяется числом и соста вом учитываемых в модели внешних и выходных параметров реального объекта. [.] [Определение] Требование достаточной простоты (экономичности) 10
означает возможность экономной реализации модели с приемлемой точно стью современными средствами исследования. [.] Количественно экономичность математических моделей характеризует ся затратами вычислительных ресурсов на их реализацию. [Определение] Требование продуктивности математической модели со стоит в возможности определить в реальных условиях численные значения всех исходные данных, необходимых для реализации модели. [.] [Определение] Робастность математической модели означает ее устой чивость относительно погрешностей в исходных данных. [.] Исходные данные могут быть известны лишь с большей или меньшей точностью, и такая неопределенность не должна существенно влиять на результаты исследования. [Определение] Под наглядностью математической модели обычно понимают ее непосредственный, ясный содержательный смысл, который дает возможность не только проконтролировать модель, но порой наметить план и предвидеть результат реализации. [.] 1.3 Классификация математических моделей По характеру отображаемых свойств математические модели делят на топологические (структурные) и функциональные. Топологические модели отражают только структурные свойства объекта, то есть состав элементов и связи между ними. Топологические модели имеют форму схем, графов, таблиц соответствия, матриц инциденций, матриц смеж ности и т.д. Функциональные модели отражают процессы функционирования объек та и чаще всего представляют собой системы уравнений. Функциональные модели более сложные, чем топологические, поскольку в них отражаются как структурные свойства, так и свойства отдельных компонентов. 11
Доступ онлайн
220 ₽
В корзину