Введение
Включение электронных вычислительных машин (ЭВМ) в цикл проектирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) выдвинуло на передний план задачи математического описания радиоэлементов (РЭ), составляющих эти РЭА, так как достоверность машинных расчетов параметров РЭА определяется, в первую очередь, достоверностью описания параметров РЭ. Комплексный характер работ в области моделирования РЭА наиболее полно сформулирован Логаном /1/, который связал неудачные попытки использования систем автоматизированного проектирования электронной аппаратуры (САПР РЭА) с системным подходом. Такой подход включает:
− разработку математических моделей радиоэлементов;
− проверку адекватности путем сравнения результатов, с характеристиками реализованных устройств радиоэлементов САПР РЭА;
− определение и описание технологических разбросов;
− оценку влияния изменений окружающей среды (температура, влажность, механические воздействия, радиация и т.п.);
− исследование эффектов старения с точки зрения надежности.
Если же при тщательном исследовании пренебрегают хотя бы одним из выше перечисленных аспектов с целью упрощения модели РЭА, то результат моделирования может быть сведён на нет. Например, при оптимизации без учёта климатических факторов или статических параметров.
Исторически потребность математического описания РЭА возникла одновременно с применением РЭА. Современные требования к описанию РЭА отличаются только в существенном повышении требований к адекватности моделей, что связано, в первую очередь, с усложнением функционального назначения и структуры РЭА.
Относительно простые по структуре РЭА и составляющие их РЭ позволяли разработчикам после несложных расчетов проверять результаты посредством натурного макетирования. Это привело к тому, что описание моделей РЭ было также ориентировано на корректировку их параметров в процессе проектирования РЭА. При необходимости простые модели и процессе проектирования усложнялись, если в этом возникала такая потребность.
Усложнение РЭА, связанное с применением полупроводниковых элементов (ПЭ), особенно с началом развития микроэлектронных радиоэлементов (МРЭ), привело, во-первых, к повышению требований к описанию РЭ и МРЭ, во-вторых, к глобальному усложнению РЭА, в-третьих, к резкому ограничению, вплоть до полного исключения натурного макетирования.
Развитие ЭВМ и измерительной техники, широкое внедрение персональных компьютеров (ПК), открыло качественно новые возможности в области САПР РЭА, в том числе и области моделирования РЭ и МРЭ. В практику внедрены:
− мощные методы САПР РЭА, например система Pspice /2/;
− модели РЭ и МРЭ, позволяющие производить адекватное описание характеристик реальных устройств;
− автоматизированные технические средства измерения (АТСИ) на базе ПК, применение которых позволяет идентифицировать параметры модели РЭА в ограниченное время с требуемой точностью.
Анализ как структуры принятых моделей РЭ и МРЭ, так и принятых методов измерения их параметров приходит к следующим выводам:
− повышение точности связано с усложнением структуры моделей, что в большинстве случаев для их эффективного практического использования приводит к их усечению (упрощению), например, модель биполярного транзистора, содержащая до 59 компонентов (модель Гуммеля-Пунна) упрощается до 12 компонентов (классическая модель Эберса-Молла);
− возникают естественные трудности аттестации сложных моделей (увеличение числа параметров приводит к увеличению времени и расходов на моделирование).
Разработчики САПР РЭА PSpice чётко представляют эти проблемы. В этой связи в системе PSpice предусмотрено применение проблемно ориентированных макромоделей. Эти модели, в том числе и транзистора, по желанию пользователя, путём ограничения области определения параметров по режиму электропитания, по постоянному току, частотному диапазону, температуре и другим условиям позволяют в конечном итоге повысить эффективность проектирования за счёт, во-первых, уменьшения числа параметров, во-вторых, резкого снижения количества расчётных операций, выполняемых в процессе расчета РЭА. Так, при использовании в PSpice встроенной малосигнальной модели биполярного транзистора (БТ) число необходимых параметров находится в пределах от 29 (модель Эберса-Молла в версии Логана) до 59 (модель Гуммеля-Пунна), тогда как использование в фиксированном режиме электропитания по постоянному току и ограниченном диапазоне частот макромодель БТ на основе Y- матрицы будет содержать 8´Nj вещественных параметров, где Nj - число аттестуемых частотных точек. При этом определение параметров БТ на текущей частоте производится посредством элементарных вычислительных операций.
Если макромодель БТ определена по данным встроенной глобальной модели БТ, то её точность будет определена точностью исходной модели. Использование косвенных методов идентификации параметров встроенной модели неизбежно приводит к снижению точности моделирования.
Задачу по повышению точности моделирования можно решить, например, путём использования прямых методов применения Y- матрицы транзистора. Современные измерительные приборы позволяют реализовать данные измерения только в первом приближении, так прямое измерение малосигнальных параметров "чёрного ящика" производят, как правило, в коаксиальном тракте с волновым сопротивлением 50 Ом. неизбежны существенные погрешности измерения параметров компонентов значительно отличаются от 50 Ом.
Основными препятствиями для осуществления эффективного измерения параметров малосигнальных макромоделей являются:
− необходимость выполнения сложных с технической точки зрения операций по согласованию измерительных цепей на предмет отсутствия отражённых волн;
− ошибки, связанные с использованием направленных ответвителей, которые нужно рассматривать как дополнительные неоднородности измерительного тракта, причём частотно-зависимые.
Недостатками применяемых измерительных приборов также является противоречия, связанные с внедрением классических "ручных" методов измерения в практику автоматизированных измерений. Эта проблема может быть решена путём разработки и внедрения алгоритмических машинно-ориентированных методов измерения.
В организационно-экономической части рассмотрены вопросы определения трудоёмкости ОКР, договорной цены темы; проведено технико-экономическое обоснование новой конструкции; рассчитана точка безубыточного объёма.
В разделе безопасности жизнедеятельности рассмотрены требования к помещениям, в которых ведётся работа на персональных компьютерах (ПК); вопросы безопасности при непосредственной работе на ПК; уделено внимание вопросам электробезопасности и пожарной безопасности.
Авторами были непосредственно написаны следующие пункты и подпункты:
Маликовым А.Н. - п.1; п.п.2.1; п.п.2.2; п.п.2.2; п.п.2.3; п.п.3.4.1; п.п.3.4.2;
п.п.3.4.3; п.п.3.5; п.п.4.1; п.п.4.2; п.п.5.2; п.п.6.2.7; п.п.6.2.8;
п.п.6.2.9; п.п.6.2.10; п.п.6.2.11; п.п.6.2.12; п.п.6.2.13;
п.п.6.3; п.п.7.1; п.п.7.3; п.п.7.4; п.п.7.5; п.п.8.1;
Казьминым Д.Ю. - п.1; п.п.2.4; п.п.2.5.1; п.п.2.5.2; п.п.2.5.3; п.п.3.1.1;
п.п.3.1.2; п.п.3.2; п.п.3.3; п.п.4.3; п.п.5.1; п.п.6.1.1; п.п.6.1.2;
п.п.6.1.3; п.п.6.2.1; п.п.6.2.2; п.п.6.2.3; п.п.6.2.4; п.п.6.2.5;
п.п.6.2.6; п.п.7.2.1; п.п.7.2.2; п.п.7.2.3; п.п.7.2.4; п.п.8.2;
1. Анализ технического задания
Техническое задание (ТЗ) приведено в приложении 1.
Из принципиальных схем плат непосредственно следует, что они представляют собой относительно простые устройства, так что особых сложностей при разработке этих плат не представляется.
Из литературных данных /5/ следует, что диапазон регулировки тока и напряжения коллектора, а также п.2.2 технического задания вполне реализуемы.
Устройство предназначено для работы в стационарных лабораторных условиях, поэтому особые меры для повышения устойчивости к внешним воздействиям не применяются, так же отсутствуют жёсткие требования по массе и габаритам, что позволяет не проводить дополнительные мероприятия по их уменьшению. Условия эксплуатации согласно первой группе ГОСТ 16019-78 предусматривают работу устройства в стационарной аппаратуре в отапливаемом помещении. Для аппаратуры данной группы определены основные дестабилизирующие факторы согласно /16/:
воздействие минимальной пониженной температуры 2330 К;
воздействие максимальной пониженной температуры 2780 К;
воздействие минимальной повышенной температуры 3130 К;
воздействие максимальной повышенной температуры 3280 К;
воздействие повышенной влажности 80% при температуре 2980 К;
воздействие пониженного атмосферного давления 61 кПа при температуре 2630 К;
прочность при синусоидальных вибрациях с частотой 20 Гц и ускорением 19,6 м/с2 в течение времени непрерывного воздействия более 0,5 ч.
При анализе приведённых факторов можно сделать вывод о возможности не предпринимать специальных мер по защите от дестабилизирующих влияний этих воздействий.
Согласно ТЗ основанием плат является кассета корзины базы 2 ВНИИТ г. С-Петербург. Предварительные исследования приводят к выводу о возможности размещения всего устройства на одной плате.
Так как устройство должно отвечать технологии единичного производства, то в нем должны быть использованы серийные и доступные радиоэлементы, а так же традиционные конструкционные материалы. Жёстких требований к ним в связи с нежёсткими условиями эксплуатациями не представляется. Требования к эргономике обычные и связаны только с удобством эксплуатации блока. Требования к надёжности тоже являются обычными для такого вида аппаратуры.
Из изложенного выше следует, что реализация конструкции не связана с какими-либо существенными трудностями.
2. Математические модели радиоэлектронных элементов
2.1 Формальная модель многополюсного радиоэлемента
Формальную модель многополюсного радиоэлемента (ФММР) представим в виде многополюсника (МП) который содержит множество N внешних полюсов для его электропитания по переменному и постоянному току. В качестве переменных, которые определяют процессы в ФММР, примем входные токи полюсов i1, i2…in разности потенциалов ji-jl=Uil (i¹l) и дополнительные переменные x1,x2…xq , jl- потенциал базового полюса, относительно которого отсчитывается напряжение Uil , ji – потенциалы остальных полюсов (рисунок 2.1).