Podręcznik

Symulacja elektryczna polega na rozwiązywaniu układów równań opisujących sieć elektryczną układu. Napięcia i prądy w sieci opisane są równaniami teorii obwodów. Elementy są reprezentowane przez modele matematyczne. Taki model to równanie lub układ równań opisujących, jakie są zależności między napięciami na zewnętrznych wyprowadzeniach elementu, a prądami płynącymi przez element. Najprostszy model to model rezystora o stałej rezystancji - jest nim po prostu prawo Ohma: $I = U/R$. R jest w tym modelu parametrem modelu elementu, czyli wielkością zmienną o wartości specyficznej dla danego konkretnego rezystora. Modele elementów półprzewodnikowych (diod, tranzystorów MOS, tranzystorów bipolarnych) są dużo bardziej skomplikowane. Najprostsze modele tranzystora MOS i tranzystora bipolarnego były omówione poprzednio (część I, punkty 3.1.5 i 3.1.6). Historycznie najstarszym symulatorem układów elektronicznych, który został powszechnie zaakceptowany jako użyteczne narzędzie w projektowaniu układów elektronicznych, jest symulator o nazwie „Spice” opracowany na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Od niego wywodzi się bezpośrednio lub pośrednio olbrzymia liczba istniejących dziś symulatorów, samą symulację elektryczną nazywa się często „symulacją typu Spice”, a symulatory określa się nazwą „symulator klasy Spice” (nawet jeśli jest to symulator nie wykorzystujący kodu źródłowego oryginalnego symulatora Spice).

Symulacja elektryczna jest niezastąpionym narzędziem weryfikacji przy projektowaniu układów scalonych. Umożliwia zbadanie prądów i napięć w układzie w stanie ustalonym, poznanie charakterystyk amplitudowych i fazowych układu w funkcji częstotliwości dla sygnałów zmiennych o małej amplitudzie, określenie przebiegów napięć i prądów w funkcji czasu dla sygnałów o dowolnej amplitudzie i zmienności w czasie, a także zbadanie bardziej subtelnych właściwości układu takich, jak poziom szumów własnych lub zniekształceń nieliniowych. Elegancka grafika współczesnych symulatorów sprawia, że na ekranie komputera oglądamy wyniki symulacji w postaci przebiegów do złudzenia przypominających przebiegi na ekranie oscyloskopu podłączonego do realnego układu. Może to powodować nadmierne zaufanie do wiarygodności wyników symulacji. Tymczasem trzeba pamiętać, że symulacja elektryczna układu przy użyciu symulatora klasy Spice jest jedynie numerycznym rozwiązywaniem równań algebraicznych i różniczkowych, i niczym więcej. Jeśli równania nie opisują dobrze symulowanego układu lub jego elementów, to wyniki symulacji mogą daleko odbiegać od działania rzeczywistego układu. Jeżeli wyniki symulacji nie są zgodne z oczekiwanymi, należy je traktować z wielką ostrożnością i koniecznie ustalić przyczynę. Ślepa wiara w wyniki symulacji elektrycznej doprowadziła do niejednej klęski projektowej.
 

Typowe przyczyny rozbieżności między wynikami symulacji, a działaniem rzeczywistego układu są następujące:

• omyłki w symulowanym schemacie elektrycznym,
• modele elementów (zwłaszcza tranzystorów) nie oddające dostatecznie dokładnie ich rzeczywistych właściwości,
• źle określone parametry elementów układu,
• brak odwzorowania w schemacie niektórych zjawisk występujących w rzeczywistym układzie (np. sprzężeń między elementami poprzez podłoże układu scalonego).

Omyłki w symulowanym schemacie to sprawa trywialna, a jednak zdarzają się one dość często i nie zawsze są łatwe do zauważenia. Dlatego, jeśli wyniki symulacji nie są zgodne z oczekiwanymi, należy przede wszystkim sprawdzić, czy poprawnie zdefiniowano symulowany schemat (a w tym także wartości parametrów elementów, jednostki, wartości i znaki napięć zasilania itp.).

Modele elementów (w postaci odpowiednich układów równań) są zwykle wbudowane w symulator. W przypadku tranzystorów, a zwłaszcza tranzystorów MOS, mamy zwykle do wyboru kilka różnych modeli. Producent układów scalonych w swej dokumentacji określa, jakich modeli należy używać i podaje dla nich wartości parametrów. Niekiedy ten sam element może być opisany kilkoma różnymi modelami do różnych zastosowań, należy to sprawdzać w dokumentacji producenta. Nawet bardzo dokładny model da złe wyniki przy niewłaściwych wartościach parametrów.

Brak odwzorowania w układzie niektórych zjawisk dotyczy przede wszystkim oddziaływań zwanych pasożytniczymi, takich jak pojemności między ścieżkami połączeń w układzie, rezystancje rozproszone obszarów elementów, rezystancje i indukcyjności ścieżek połączeń, działanie pasożytniczych elementów aktywnych. Dopóki dysponujemy jedynie schematem układu, a jego fizyczna struktura nie jest jeszcze zaprojektowana, nie da się dobrze przewidzieć tych wszystkich oddziaływań. Zależą one bowiem od konkretnych kształtów, wymiarów i rozmieszczenia elementów i połączeń między nimi. Dlatego w projektowaniu układów scalonych symulację elektryczną wykonuje się zwykle dwukrotnie. Najpierw symuluje się projektowany układ przed zaprojektowaniem jego struktury fizycznej, dla sprawdzenia poprawności projektu i zgrubnego oszacowania parametrów układu. Po zaprojektowaniu struktury fizycznej układu (kształtów i wymiarów elementów, ich rozmieszczenia i połączeń, czyli topografii) projekt tej struktury poddaje się ekstrakcji - specjalny program komputerowy zwany ekstraktorem odtwarza schemat elektryczny układu na podstawie projektu jego struktury fizycznej (w praktyce na podstawie projektu masek produkcyjnych). Dobre ekstraktory znajdują i umieszczają w schemacie także wiele rodzajów elementów pasożytniczych i określają ich parametry. Można teraz powtórzyć symulację elektryczną, a jej wyniki będą bliższe rzeczywistemu działaniu projektowanego układu.

Istotną wadą symulacji elektrycznej jest jej duża złożoność obliczeniowa. Nawet przy użyciu bardzo wydajnych komputerów symulację elektryczną można w praktyce wykonywać dla układów mających co najwyżej kilkaset do kilku tysięcy elementów czynnych. Zatem jest ona w pełni przydatna (a zarazem niezbędna) dla układów analogowych, które są zwykle niewielkie. W przypadku układów cyfrowych nie do pomyślenia jest symulacja elektryczna całego układu liczącego setki tysięcy lub miliony tranzystorów. Dlatego symulację elektryczną wykonuje się dla bramek lub stosunkowo niewielkich bloków funkcjonalnych. Mamy jednak w przypadku układów cyfrowych inne możliwości symulacji: symulację logiczną i symulację funkcjonalną.