Система автоматического проектирования (САПР) в производстве.

Применение САПР в производстве

Перед рассмотрением машинных методов расчета необходимо представлять роль инженера и ЭВМ при проектировании схем. Наиболее ясная и, возможно, основная точка зрения заключается в том, что высокоскоростная ЭВМ является инструментом в руках человека. Человек способен применять различ­ные орудия труда и изменять свое поведение в зависимости от конкретной, стоящей  перед  ним задачи.  На ранних этапах своего развития  человек ис­пользовал примитивные орудия труда. Не возникает вопроса о роли человека при применении таких орудий труда, как молоток, пила, или таких вычислительных средств, как логарифмическая линейка или калькулятор. Таким образом, утверждение о том, что труд и искусство человека создают материальные ценности, подтверждается фактами.

С развитием техники соотношение между ролью человека и орудием труда проявляется менее отчетливо. Используя примитивные орудия труда, два человека могут обрабатывать всего лишь несколько гектаров земли. Вооружившись современной техникой, эти два человека смогут обработать уже сотни гектаров земли. Машины и в этом случае являются лишь орудием труда, хотя и выглядят намного внушительней, чем лопаты. Машины неразумны, хотя и проводят разумные операции.

Многие области науки и техники, особенно электротехника и электроника, развивались по аналогичному пути. В настоящее время ЭВМ широко применяют на различных этапах проектирования электронных схем. Однако отнесение ее к разряду инструментов представляется менее обоснованным. Какой бы случай не взяли, не так уж легко отнести ЭВМ к неразумным объектам. Иногда при решении сложных задач она совсем не кажется неразумной. Наиболее существенно то, что ЭВМ может выбирать пути выполнения программы при соответствующих условиях. Для проведения аналогии с инструментом рассмотрим прохождение программы в ЭВМ при расчете определенной схемы. Проектировщик вводит в машину исходные данные, и через несколько секунд ЭВМ выдает спро­ектированную схему. Проектировщик в отличие от человека, использующего примитивнее орудия труда, не несет ответственности за расчет, он просто вво­дит в ЭВМ исходные данные. Можно возразить, что создатели технических средств и программного обеспечения системы проектирования в действительно­сти ответственны за работу системы. Но можно ли, например, считать создателя молотка и зубила творцом скульптуры? Необходимо признать, что при машин­ном проектировании роли проектировщика и ЭВМ не так легко разделить. При решении задачи ЭВМ как бы превышает возможности обычного инструмента. С каждым годом функции ЭВМ все более расширяются и усложняются.

В последние годы многие достижения в различных областях науки и техники вызваны бурным развитием технологии. Это в полной мере относится и к электронике. При проектировании схем инженер должен учитывать возрастаю­щие технические ограничения,  накладываемые  современными  электронными системами. Например, для эффективного использования полосы пропускания ра­диотелефонных систем необходимо применение фильтров с ограниченной поло­сой пропускания. Размеры электронного оборудования являются важным про­ектным параметром при расчете схем. Уменьшение размеров оборудования свя­зано с развитием технологии интегральных схем, в частности с производством больших интегральных  схем.  Необходимость  низкого уровня  потребляемой мощности (например, для электронного оборудования, используемого на спут­никах), а также максимальной чувствительности (например, для наземных стан­ций управления спутниками) заставила проектировщика столкнуться со слож­ными технологическими проблемами при создании оборудования.

Следует заметить, что в последнее время основные научные результаты были достигнуты большими коллективами ученых и инженеров, т. е. дни изобре­тателей-одиночек, по-видимому, прошли. Полеты на Луну, создание больших тем ЭВМ позволяют с уверенностью утверждать, что решение этих было результатом работы большого коллектива ученых и инженеров, а не изобретателей- одиночек, как при изобретении радио, телефона или телевиде­ния.

При сложности задач, стоящих перед современным инженером, не вызы­вает удивления тот факт, что ЭВМ часто используется в его работе. Развитие электротехники и электроники тесно связано с успехами в области математики как в смысле разработки методов описания поведения систем, так и в смысле практического применения численных методов при расчете схем и систем. ЭВМ играет значительную роль в процессе проектирования электронных схем, по­скольку с ее помощью многие сложные математические методы, разработанные в последние годы, могут найти практическое применение.

Способность современных ЭВМ решать многие сложные задачи с высо­кой скоростью привела к развитию новых методов расчета. Таким образом, использование ЭВМ базируется не только на применении известных численных в расчета, но и на интенсивно развивающихся новых методах.

Рассмотрим основные этапы создания электронных схем (рис. 1) и ука­жем специфику применения ЭВМ на каждом этапе проектирования.

Рисунок 1 -Этапы создания электрических схем

Задание исходных данных. Обычно исходные данные на схему задаются проектировщику без учета метода используемого для ее расчета. Например, для усилителя исходными данными по динамическому режиму работы при воздейст­вии на схему единичного скачка напряжения могут быть: время нарастания и пе­ререгулирования, время задержки и др. В некоторых случаях перед началом про­ектирования необходимо преобразовать эти данные в частотные параметры, та­кие, как ширина полосы пропускания и средняя частота.

При расчете фильтров используют стандартную форму представления частотной характеристики, записываемую в эллиптических функциях или функ­циях Чебышева. При проектировании фильтров следует также преобразовать эти функции в форму, удобную для расчета. В тех случаях, когда стандартная форма представления характеристики не подходит для расчета, исходными данными может быть коэффициент затухания на определенных частотах, и на ЭВМ можно рассчитать реализуемую передаточную функцию.

Начальный расчет. Проектирование схемы в определенной степени является процессом творческим, основывающимся на опыте и интуиции проекти­ровщика. В некоторых случаях (например, при проектировании фильтра) проек­тирование может быть осуществлено на основе хорошо разработанных алгорит­мов синтеза, что позволяет использовать ЭВМ. Однако в большинстве случаев расчета транзисторных схем их структура в существенной степени зависит от области применения, что создает трудности при синтезе схем с помощью ЭВМ. В этом случае предполагается, что первоначальный вариант схемы выбирается проектировщиком и ЭВМ можно использовать лишь на этапе расчета.

Моделирование схемы. Начальный расчет схемы, проводимый проекти­ровщикам, основывается на определенных допущениях, упрощающих процесс расчета. Например, можно полагать, что кремниевый транзистор, работающий в активном режиме, имеет напряжение база-эмиттер порядка 0,6—0,7 В. Подобным образом можно считать, что схема операционного усилителя имеет опре­деленный коэффициент усиления, конечное входное и нулевое выходное сопро­тивления. Часто модель схемы создают с учетом возможности исследования из­менения процессов в схеме при изменении параметров ее элементов. В послед­ние годы создание схемы усложнилось, что связано с развитием технологии, по­зволяющей получать сложные интегральные микросхемы (ИМС). Затраты на проектирование ИМС без применения ЭВМ соизмеримы со стоимостью подго­товки мелкосерийного производства ИМС. Наилучшее решение этой проблемы заключается в разработке модели ИМС с использованием дискретных транзисторов и пассивных компонентов. Точность моделирования процессов в схеме будет зависеть от точности моделирования интегральных компонентов и ее можно по­стоянно повышать.

Таким образом, ЭВМ может сыграть существенную роль при создании ИМС; ее применяют для моделирования процессов в схеме при различном со­единении ее компонентов. Поэтому в последние годы много внимания уделяется моделированию электронных приборов в различных режимах их работы.

Анализ параметров схемы. Первоначальную оценку характеристик разработанной осуществляют для проверки соответствия полученных пара­метров требованиям ТЗ. Такую проверку на практике производят путем расчета характеристик схемы при воздействии на нее тестовых сигналов. С расчетной точки зрения анализ может быть проведен с использованием математических и физических моделей. Выбор метода анализа зависит от исследуемых характери­стик.

Методы анализа схем можно разделить на три основных типа:

1) анализ линейных схем на переменном токе;

2) анализ нелинейных схем на постоянном токе;

3) анализ переходных процессов в нелинейных схемах.

Анализ линейных схем на переменном токе. Этот метод анализа может быть применен к схемам, процессы в которых удовлетворяют принципам супер­позиции и пропорциональности (усилители, фильтры и др.). Как правило, такие схемы работают в режиме малого сигнала и использование данного метода по­зволяет упростить анализ за счет применения методов матричной алгебры, пре­образования Лапласа и др., сокращающих время проведения анализа.

Таким образом, анализ линейных цепей на переменном токе применим к расчету характеристик схемы, в которой ее элементы могут быть заменены моде­лями при различных (в том числе синусоидальных) малых изменениях сигналов.

Анализ нелинейных схем на постоянном токе. Данный метод анализа связан с расчетом смещающих (т. е. статических или свободных от воздействия сигналов) напряжений схемы. Например, в транзисторных усилителях или логи­ческих схемах может возникнуть необходимость в определении постоянных на­пряжений на базах, эмиттерах и коллекторах. Эти и другие напряжения могут быть рассчитаны при решении нелинейных алгебраических уравнений.

Компоненты электронных схем характеризуются нелинейными зависимо­стями их параметров. (При малых сигналах соотношения между параметрами могут быть аппроксимированы линейными уравнениями, что позволяет исполь­зовать методы анализа линейных схем, упомянутых ранее.) Поскольку расчет производят на постоянном токе, изменение параметров элементов схем от времени может не учитываться. Таким образом, анализ таких нелинейных схем связан с решением системы нелинейных уравнений, полученных на основе алгебраиче­ских соотношений для ее элементов. Так как решение нельзя получить аналити­чески, то единственным способом для его отыскания является применение итера­тивных численных методов расчета.

Анализ переходных процессов в нелинейных схемах. Во многих случаях (например, при анализе транзисторных усилителей) сочетание двух предшест­вующих методов анализа обеспечивает получение требуемых характеристик

схемы. Так, анализ схем на переменном токе позволяет получить характеристики при малых изменениях вблизи рабочей точки (установившегося значения), коор­динаты которой определяют путем анализа установившихся процессов в схемах на постоянном токе.

Однако в ряде случаев сигналы в схемах изменяются в большом диапазоне и тогда ищут решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих поведение схемы во временной области. Процессы, происходящие в та­ких устройствах, как источники питания, логические схемы, демодуляторы, ге­нераторы и т. д., могут быть изучены с помощью анализа переходных процессов в нелинейных схемах.

Нелинейность характеристик схемы исключает использование частотного метода анализа. Поэтому анализ нелинейных схем является наиболее трудоем­ким и сложным при машинном расчете. Даже применение наиболее эффективных методов и мощных ЭВМ не позволяет проектировщику рассчитывать процессы с той же скоростью, с какой они протекают в реальных схемах. Однако использование этих методов дает возможность получить результаты более эконо­мичным путем, чем построение макета и физическое исследование процессов в проектируемых схемах. Поэтому программы анализа переходных процессов в нелинейных схемах могут оказать большую помощь проектировщику, и исследо­вание макета схемы может быть заменено ее машинным анализом. Анализ ли­нейных схем на переменном токе позволяет получить характеристики схемы в области малого сигнала при синусоидальных входных воздействиях; анализ нелинейных схем на постоянном токе дает возможность рассчитать установившие­ся значения токов и напряжений, а анализ переходных процессов в нелинейных схемах используют для изучения процессов в схеме при больших сигналах. В последних двух случаях при расчете учитывают нелинейность характеристик эле­ментов схем, используемых на практике.

Модификация схемы. В результате начального расчета схемы проектировщик часто выявляет несоответствие схемы заданным требованиям. Возникает

задача модификации схемы или ее отдельных параметров. Существуют различ­ные пути для решения этой задачи. Например, можно изменить параметры от­дельных элементов в интегральной микросхеме, заменить один транзистор на другой, имеющий лучшие параметры, катушки индуктивности, конденсаторы или даже резисторы — на элементы с улучшенными частотными свойствами и уровнями напряжений, т. е. произвести ряд последовательных изменений в схе­ме, каждый раз определяя ее характеристики.

В ряде случаев подобные изменения позволяют разработать схему, удовлетворяющую ТЗ. Однако когда этого достичь не удается, приходится вносить некоторые изменения в схему или ее отдельные части, после чего все этапы про­ектирования схемы, ее исследование и дальнейшее изменение параметров долж­ны быть проделаны заново. Невозможность обеспечения заданных характери­стик на каком-либо этапе должна быть выявлена, после чего необходимо внести определенные изменения в исходные данные и согласовать их с заказчиком. На основе скорректированных данных проектировщик должен заново провести про­ектирование.

Возникает вопрос, как с помощью ЭВМ можно изменить параметры схемы при ее проектировании. Для того чтобы это понять, покажем, как эта проце­дура осуществляется вручную. По существу, необходимо минимизировать раз­ность между исходными данными и характеристиками проектируемой схемы пу­тем изменения ее параметров. Отметим, что даже изменение вида схемы можно рассматривать как изменение ее параметров от нуля до конечного значения. Это осуществляется путем расчета функции ошибок, математически выраженной как разность между требуемыми и реальными характеристиками схемы. Кроме того, используют минимизационные методы, позволяющие минимизировать функцию ошибки путем изменения параметров схемы или отдельных ее компонентов. Ми­нимизация функции является методом, основанным на минимизации функции одной переменной. Однако при минимизации функций многих переменных не все методы минимизации функции одной переменной могут быть применены, поскольку для этого существуют более эффективные методы.

Практическая подгонка параметров схемы для достижения требуемых ха­рактеристик может быть заменена оптимизацией функции ошибок с помощью методов минимизации функции за счет изменения параметров элементов схемы.

Контроль характеристик схемы. При успешном завершении начальных этапов проектирования схемы необходимо продолжить ее дальнейшее исследо­вание. Пока многие задачи проектирования схемы были сориентированы на дос­тижение соответствия полученных параметров заданным, но есть и задачи, непосредственно связанные с процессом производства схемы. Например, можно исследовать чувствительность параметров схемы к изменениям температуры и раз­бросу параметров компонентов. Кроме того, изготовителя схем может интересовать число отказов при производстве большого числа схем — экономическая важность подобной информации очевидна. На практике схему контролируют на работоспособность при изменении температуры. Для проведения этих исследо­ваний может, быть применена ЭВМ, так как влияние параметров компонентов схемы на ее характеристики может быть определено с помощью анализа схемы. Моделирование характеристик схем, получаемых при производстве с учетом разброса параметров отдельных компонентов, может быть также проведено с помощью ЭВМ. Иногда на этом этапе необходимо провести дальнейшее измене­ние параметров схемы с целью ее оптимизации.

Топологическое проектирование схем. Если в результате схемо­технического этапа проектирования параметры схемы удовлетворяют всем тре­бованиям ТЗ, то можно переходить к этапу топологического проектирования. Разработка топологии является одной из интереснейших областей, привлекаю­щей внимание проектировщиков в последние годы. Конкретные проблемы разработки топологии зависят от используемой технологии. При создании ИМС и печатных плат с однослойной металлизацией возникает проблема трассировки, при которой должны, отсутствовать пересечения проводников. При двухслойной металлизации в схемах на печатных платах такой проблемы нет, но при этом

увеличивается длина проводников. Таким образом, при разработке топологии следует устранить взаимное пересечение проводников, уменьшить их длину, оп­тимизировать размеры подложки кристалла и т. д. В ряде случаев эти задачи могут быть полностью решены с помощью ЭВМ при использовании методов тео­рии графов или других топологических методов. В данной книге эти вопросы не рассматриваются, так как к настоящему времени они хорошо разработаны и ре­шаются стандартными методами. В большинстве случаев при решении задач практически нельзя обойтись без проектировщика, а ЭВМ используется им лишь как инструмент. Расположение компонентов на платах или кристаллах ИМС мо­делируется на ЭВМ, и проектировщик вносит изменения в их относительное расположение непосредственно на экране графического дисплея. Окончательный вариант рабочих чертежей выводится с помощью ЭВМ на графопостроитель. В заключение отметим, что ЭВМ может играть определенную роль и в реальном процессе изготовления схем. Ряд технологических процессов и устройств может управляться с помощью мини-ЭВМ в реальном масштабе времени.