Загрузка модуля Verilog-A

Создание пользовательских моделей компонентов в САПР Qucs

№ 5’2016
PDF версия
Проанализированы способы создания пользовательских компонентов в Qucs. Данная задача актуальна при прототипировании новых моделей полупроводниковых устройств. САПР Qucs предоставляет несколько способов для создания пользовательских компонентов. Рассматриваются подсхемы, моделирование нелинейных устройств по известным уравнениям вольт-амперных и зарядовых характеристик, задание частотнозависимого четырехполюсника в частотной области через матрицы S , Y , Z параметров, использование моделей Verilog-A. Данные способы позволяют смоделировать практически любой нестандартный компонент.

Введение

Qucs [1, 2, 3, 4, 5] — это кросс-платформенная легковесная САПР с открытым исходным кодом для моделирования электронных схем. Одной из особенностей данной САПР являются широкие возможности для задания пользовательских компонентов. Это позволяет проектировать новые модели полупроводниковых приборов и делает Qucs особенно подходящим для применения в исследовательском процессе. Доступны следующие способы задания новых моделей компонентов:

  1. Использование подсхем. Новый компонент можно составить из более простых примитивов (пассивные RCL-элементы, диоды, транзисторы). Параметры компонентов могут быть заданы при помощи уравнений.
  2. Применение специального компонента «Заданное уравнением устройство». Данный компонент представляет собой нелинейный источник тока или заряда, что позволяет моделировать нелинейные полупроводниковые компоненты или нелинейные реактивные элементы.
  3. Компонент «Заданное уравнением ВЧ-устройство» позволяет установить частотные зависимости параметров СВЧ-устройств.
  4. Используя генератор кода ADMS и системный компилятор С++, можно динамически подключать модели аналоговых компонентов на языке описания аппаратуры Verilog-A.

В последующих разделах будет рассмотрен каждый из этих подходов.

 

Использование подсхем

Подсхемы позволяют представлять сложный электронный компонент в виде набора более простых примитивов. В качестве примера реализации данного подхода рассмотрим эквивалентную схему кварцевого резонатора (рис. 1).

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Как известно, эта схема представляет собой последовательно-параллельный колебательный контур. Индуктивность Lкв, емкость Cкв и сопротивление rкв называются эквивалентными электрическими параметрами кварца. Емкость С0 включает внутреннюю эффективную емкость самой пластины и внешнюю шунтирующую емкость кварцедержателя. Схема имеет два резонанса: параллельный и последовательный. Частоты резонансов определяются формулами (1) и (2):

Формула

Используя эти формулы, можно, зная один из трех параметров кварцевого резонатора, рассчитать третий.

Теперь, имея эквивалентную схему кварцевого резонатора, можно перенести ее в Qucs и создать новый компонент «Кварцевый резонатор». Сначала формируется эквивалентная схема компонента в виде файла sch (рис. 2). Данная схема особенностей не имеет. Для автоматического расчета последовательной емкости кварцевого резонатора Cq на основании его частоты резонанса f и индуктивности Lq по формуле (1) служит компонент «Уравнение». Для связи подсхемы с внешними цепями используется компонент «Порт подсхемы» (P1 и P2 на рис. 2).

Эквивалентная схема кварцевого резонатора в Qucs

Рис. 2. Эквивалентная схема кварцевого резонатора в Qucs

Нажав клавишу F9, в программе Qucs можно перейти к редактированию символа компонента (рис. 3). Порты уже имеются в подсхеме. УГО подсхемы можно создать при помощи инструментов рисования, расположенных в группе. Обратный переход к редактированию схемы снова происходит по нажатии F9. Номера портов подсхемы у символа и схемы совпадают.

Символ условного графического обозначения кварцевого резонатора в программе Qucs

Рис. 3. Символ условного графического обозначения кварцевого резонатора в программе Qucs

Затем нужно дважды щелкнуть мышью по обозначению элемента и отредактировать список свойств (рис. 4).

Диалог задания свойств подсхемы

Рис. 4. Диалог задания свойств подсхемы

Для того чтобы использовать полученную подсхему в другой схеме, нужно применить специальный компонент «Подсхема». Он находится в группе «Файловые компоненты». В свойствах файлового компонента следует указать имя файла, в который сохранена подсхема (рис. 5).

Добавление нового компонента в схему

Рис. 5. Добавление нового компонента в схему

Результаты моделирования кварцевого резонатора в частотной области показаны на рис. 6. Как видно из графиков, на АЧХ кварцевой пластины имеется два резонанса: параллельный и последовательный.

Результаты моделирования кварцевого резонатора в частотной области

Рис. 6. Результаты моделирования кварцевого резонатора в частотной области

 

Моделирование устройств, заданных уравнениями

Если известны уравнения, описывающие ВАХ компонента, то можно использовать специальный компонент, называемый «Заданное уравнением устройство» — Equation Defined Device (EDD). Данный компонент был введен в Qucs [6] и не имеет аналогов в SPICE-совместимых симуляторах.

Компактные модели представляют токи I1IN, протекающие через каждую ветвь многополюсника, и заряды Q1QN, накопленные каждой ветвью многополюсника (всего N ветвей), как функциональную зависимость от напряжений V1VN, подаваемых на зажимы многополюсника.

Уравнения тока:

I1 = f1(V1, …, VN),                 (3)

IN = fN(V1, …, VN).                (4)

Уравнения заряда:

Q1 = g1 (V1, …, VN),                  (5)

QN = gN (V1, …, VN).                (6)

Таким образом можно представить ВАХ и ВФХ электронного компонента. Например, ВАХ туннельного диода описывается следующим уравнением (7):

Формула

где jT = 0,026 В — тепловой потенциал; V — напряжение на p‑n‑переходе; k, Vυ и Vp — параметры ВАХ туннельного диода.

Туннельный диод также имеет емкость C p‑n‑перехода, которую можно представить с помощью зарядового уравнения:

Q = CV.                           (8)

Теперь промоделируем ВАХ туннельного диода при помощи компонента «Заданное уравнением устройство» (рис. 7). Данный компонент по умолчанию имеет одну секцию. Каждое слагаемое уравнения ВАХ туннельного диода (7) представляется отдельной секцией компонента. Эти секции нужно добавить вручную.

Модель туннельного диода

Рис. 7. Модель туннельного диода

Запустив моделирование, получим N‑образную ВАХ туннельного диода. Из графиков видно, что на ВАХ туннельного диода имеется участок с отрицательным сопротивлением (рис. 8).

ВАХ туннельного диода

Рис. 8. ВАХ туннельного диода

Описанный подход позволяет также моделировать нелинейную емкость. Линейная емкость C, не зависящая от напряжения, описывается уравнением заряда (8). Уравнение содержит только слагаемые, линейно зависимые от напряжения.

Для нелинейной емкости уравнение заряда будет включать слагаемые, содержащие степенные множители напряжения. Это математическая модель нелинейного конденсатора при помощи разложения в степенной ряд Тэйлора:

Q = С1V+(C2V2)/2+C3V3/3+…+CNVN/N.                           (9)

Постоянный ток через линейную и нелинейную емкость равен нулю: I = 0.

Имея в распоряжении данную математическую модель, можно промоделировать в Qucs нелинейную емкость, используя заданное уравнением устройство и зарядовые уравнения (рис. 9). Последовательно с конденсатором включен источник смещения постоянного тока.

Модель нелинейного конденсатора

Рис. 9. Модель нелинейного конденсатора

Теперь можно смоделировать АЧХ интегрирующей RC-цепочки нелинейного конденсатора. Применяем параметрический анализ и получаем семейство АЧХ (рис. 10) при смещении (Vdc) на конденсаторе от 1 до 10 В.

Семейство АЧХ RC-цепочки с нелинейным конденсатором

Рис. 10. Семейство АЧХ RC-цепочки с нелинейным конденсатором

Нелинейная индуктивность может быть промоделирована преобразованием нелинейной емкости в индуктивность при помощи гиратора. Гиратор — это четырехполюсник, преобразующий емкость в индуктивность. Подробная схема показана на рис. 11. Компонент Х1 — это гиратор. Для сравнения промоделируем ток через линейную индуктивность.

Модель нелинейной индуктивности

Рис. 11. Модель нелинейной индуктивности

Осциллограммы тока через линейную и нелинейную индуктивность показаны на рис. 12.

Осциллограммы тока через линейную и нелинейную индуктивность

Рис. 12. Осциллограммы тока через линейную и нелинейную индуктивность

Заданные уравнением устройства можно комбинировать с подсхемами и создавать библиотеки новых компонентов.

 

Использование моделей Verilog-A

Verilog-A — это расширение языка описания аппаратуры Verilog, предназначенное для создания моделей аналоговых устройств. Базовые сведения о синтаксисе Verilog-A приведены в [7]. Особенность Qucs заключается в том, что он позволяет легко использовать существующие модели Verilog-A и создавать новые. Исходный текст модели представляется в виде модуля Verilog-A. Для того чтобы симулятор электронных схем мог использовать модули Verilog-A, их нужно скомпилировать специальным компилятором. Пересборка всего симулятора не требуется. На текущий момент Qucs использует кодогенератор ADMS [8], преобразующий исходный код модели с языка Verilog-A в язык C++. Потом модель на C++ компилируется системным компилятором в динамически загружаемый модуль, который можно подключить к ядру моделирования Qucsator во время симуляции. Процесс использования модулей Verilog-A отражает рис. 13.

Взаимодействие Qucs, кодогенератора ADMS и движка моделирования Qucsator

Рис. 13. Взаимодействие Qucs, кодогенератора ADMS и движка моделирования Qucsator

Рассмотрим подробнее применение моделей Verilog-A. Чтобы подключить такую модель, нужно сначала создать новый проект (меню Проект->Новый проект) или воспользоваться существующим. Затем создаем новый текстовый файл (меню Файл -> Новый текст), который содержит исходный код Verilog-A. Для редактирования исходного кода моделей можно использовать как встроенный текстовый редактор Qucs, так и какой-либо из установленных в системе. Сохраняем файл с исходным кодом с расширением *.va. В качестве примера на рис. 14 показан исходный код модели туннельного диода, описываемого уравнением (7) в текстовом редакторе Qucs.

Исходный код модели туннельного диода

Рис. 14. Исходный код модели туннельного диода

Теперь нужно присоединить к модели Verilog-A символ УГО нового компонента. Это делается так же, как и для подсхемы. Нажимаем клавишу F9 и создаем новый файл с расширением *.sym, в котором можно отредактировать УГО туннельного диода (рис. 15).

Присоединение УГО к модели туннельного диода

Рис. 15. Присоединение УГО к модели туннельного диода

Для того чтобы использовать новый компонент, нужно загрузить и скомпилировать модуль. Для этого снова переходим к редактору исходного кода модели и нажимаем в главном меню программы Проект -> Load Verilog-A module. В диалоговом окне выбираем только что созданное УГО (рис. 16). Здесь также можно присоединить иконку для УГО. Для этого нужно подготовить в графическом редакторе растровый PNG-файл.

Загрузка модуля Verilog-A

Рис. 16. Загрузка модуля Verilog-A

Теперь новый компонент доступен в группе “Verilog-A user devices” в системном списке компонентов. Перед использованием его нужно скомпилировать. Для этого нажимаем Проект -> Build Verilog-A modules. В нижней части главного окна программы можно видеть лог процесса компиляции (рис. 17).

Процесс компиляции модуля Verilog-A

Рис. 17. Процесс компиляции модуля Verilog-A

Затем можно создать новую схему и разместить на ней новый компонент (рис. 18). Запускаем моделирование и получаем ВАХ туннельного диода (рис. 18). Результаты моделирования показывают, что модель функционирует правильно.

Результаты моделирования ВАХ туннельного диода

Рис. 18. Результаты моделирования ВАХ туннельного диода

 

Моделирование нелинейных компонентов в частотной области

Для моделирования частотной зависимости параметров компонентов предназначен компонент «Заданное уравнением ВЧ-устройство». Он позволяет смоделировать N‑портовый компонент, заданный матрицей Z‑, Y‑ или S‑параметров. Данный компонент также введен в Qucs и не имеет аналогов в SPICE-совместимых симуляторах [9].

В качестве примера рассмотрим эквивалентную схему индуктивности с частотнозависимыми потерями (рис. 19). Частотнозависимые потери в сердечнике представляет компонент RF1. Эти потери можно представить в виде матрицы Z‑параметров следующего вида:

Формула

Моделирование эквивалентной схемы индуктивности с частотнозависимыми потерями

Рис. 19. Моделирование эквивалентной схемы индуктивности с частотнозависимыми потерями

В результате моделирования получаем график зависимости импеданса катушки от частоты. Видим, что с ростом частоты импеданс нелинейно возрастает, так как к нему прибавляются вносимые потери (рис. 20).

Зависимость импеданса катушки от частоты

Рис. 20. Зависимость импеданса катушки от частоты

 

Заключение

Были рассмотрены различные способы создания пользовательских компонентов в Qucs. Несмотря на то, что Qucs разрабатывается сообществом, он предоставляет несколько способов создания таких компонентов. Новый компонент может быть представлен в виде эквивалентной схемы, задан уравнениями тока или заряда, или может быть использована модель компонента на языке Verilog-A. Комбинация этих трех способов позволяет разрабатывать и исследовать модели электронных компонентов практически любой сложности. Некоторые функции Qucs являются уникальными и отсутствуют в других подобных программных продуктах, базирующихся на SPICE. К ним относится, например, моделирование уравнений заряда и моделирование нелинейных компонентов в частотной области. На основании вышеизложенного можно заключить, что Qucs располагает мощным аппаратом для создания пользовательских моделей компонентов, что позволяет применять данное ПО в исследовательской и инженерной практике [10, 11] для разработки новых видов моделей полупроводниковых компонентов.

xosotin chelseathông tin chuyển nhượngcâu lạc bộ bóng đá arsenalbóng đá atalantabundesligacầu thủ haalandUEFAevertonxosofutebol ao vivofutemaxmulticanaisonbetbóng đá world cupbóng đá inter milantin juventusbenzemala ligaclb leicester cityMUman citymessi lionelsalahnapolineymarpsgronaldoserie atottenhamvalenciaAS ROMALeverkusenac milanmbappenapolinewcastleaston villaliverpoolfa cupreal madridpremier leagueAjaxbao bong da247EPLbarcelonabournemouthaff cupasean footballbên lề sân cỏbáo bóng đá mớibóng đá cúp thế giớitin bóng đá ViệtUEFAbáo bóng đá việt namHuyền thoại bóng đágiải ngoại hạng anhSeagametap chi bong da the gioitin bong da lutrận đấu hôm nayviệt nam bóng đátin nong bong daBóng đá nữthể thao 7m24h bóng đábóng đá hôm naythe thao ngoai hang anhtin nhanh bóng đáphòng thay đồ bóng đábóng đá phủikèo nhà cái onbetbóng đá lu 2thông tin phòng thay đồthe thao vuaapp đánh lô đềdudoanxosoxổ số giải đặc biệthôm nay xổ sốkèo đẹp hôm nayketquaxosokq xskqxsmnsoi cầu ba miềnsoi cau thong kesxkt hôm naythế giới xổ sốxổ số 24hxo.soxoso3mienxo so ba mienxoso dac bietxosodientoanxổ số dự đoánvé số chiều xổxoso ket quaxosokienthietxoso kq hôm nayxoso ktxổ số megaxổ số mới nhất hôm nayxoso truc tiepxoso ViệtSX3MIENxs dự đoánxs mien bac hom nayxs miên namxsmientrungxsmn thu 7con số may mắn hôm nayKQXS 3 miền Bắc Trung Nam Nhanhdự đoán xổ số 3 miềndò vé sốdu doan xo so hom nayket qua xo xoket qua xo so.vntrúng thưởng xo sokq xoso trực tiếpket qua xskqxs 247số miền nams0x0 mienbacxosobamien hôm naysố đẹp hôm naysố đẹp trực tuyếnnuôi số đẹpxo so hom quaxoso ketquaxstruc tiep hom nayxổ số kiến thiết trực tiếpxổ số kq hôm nayso xo kq trực tuyenkết quả xổ số miền bắc trực tiếpxo so miền namxổ số miền nam trực tiếptrực tiếp xổ số hôm nayket wa xsKQ XOSOxoso onlinexo so truc tiep hom nayxsttso mien bac trong ngàyKQXS3Msố so mien bacdu doan xo so onlinedu doan cau loxổ số kenokqxs vnKQXOSOKQXS hôm naytrực tiếp kết quả xổ số ba miềncap lo dep nhat hom naysoi cầu chuẩn hôm nayso ket qua xo soXem kết quả xổ số nhanh nhấtSX3MIENXSMB chủ nhậtKQXSMNkết quả mở giải trực tuyếnGiờ vàng chốt số OnlineĐánh Đề Con Gìdò số miền namdò vé số hôm nayso mo so debach thủ lô đẹp nhất hôm naycầu đề hôm naykết quả xổ số kiến thiết toàn quốccau dep 88xsmb rong bach kimket qua xs 2023dự đoán xổ số hàng ngàyBạch thủ đề miền BắcSoi Cầu MB thần tàisoi cau vip 247soi cầu tốtsoi cầu miễn phísoi cau mb vipxsmb hom nayxs vietlottxsmn hôm naycầu lô đẹpthống kê lô kép xổ số miền Bắcquay thử xsmnxổ số thần tàiQuay thử XSMTxổ số chiều nayxo so mien nam hom nayweb đánh lô đề trực tuyến uy tínKQXS hôm nayxsmb ngày hôm nayXSMT chủ nhậtxổ số Power 6/55KQXS A trúng roycao thủ chốt sốbảng xổ số đặc biệtsoi cầu 247 vipsoi cầu wap 666Soi cầu miễn phí 888 VIPSoi Cau Chuan MBđộc thủ desố miền bắcthần tài cho sốKết quả xổ số thần tàiXem trực tiếp xổ sốXIN SỐ THẦN TÀI THỔ ĐỊACầu lô số đẹplô đẹp vip 24hsoi cầu miễn phí 888xổ số kiến thiết chiều nayXSMN thứ 7 hàng tuầnKết quả Xổ số Hồ Chí Minhnhà cái xổ số Việt NamXổ Số Đại PhátXổ số mới nhất Hôm Nayso xo mb hom nayxxmb88quay thu mbXo so Minh ChinhXS Minh Ngọc trực tiếp hôm nayXSMN 88XSTDxs than taixổ số UY TIN NHẤTxs vietlott 88SOI CẦU SIÊU CHUẨNSoiCauVietlô đẹp hôm nay vipket qua so xo hom naykqxsmb 30 ngàydự đoán xổ số 3 miềnSoi cầu 3 càng chuẩn xácbạch thủ lônuoi lo chuanbắt lô chuẩn theo ngàykq xo-solô 3 càngnuôi lô đề siêu vipcầu Lô Xiên XSMBđề về bao nhiêuSoi cầu x3xổ số kiến thiết ngày hôm nayquay thử xsmttruc tiep kết quả sxmntrực tiếp miền bắckết quả xổ số chấm vnbảng xs đặc biệt năm 2023soi cau xsmbxổ số hà nội hôm naysxmtxsmt hôm nayxs truc tiep mbketqua xo so onlinekqxs onlinexo số hôm nayXS3MTin xs hôm nayxsmn thu2XSMN hom nayxổ số miền bắc trực tiếp hôm naySO XOxsmbsxmn hôm nay188betlink188 xo sosoi cầu vip 88lô tô việtsoi lô việtXS247xs ba miềnchốt lô đẹp nhất hôm naychốt số xsmbCHƠI LÔ TÔsoi cau mn hom naychốt lô chuẩndu doan sxmtdự đoán xổ số onlinerồng bạch kim chốt 3 càng miễn phí hôm naythống kê lô gan miền bắcdàn đề lôCầu Kèo Đặc Biệtchốt cầu may mắnkết quả xổ số miền bắc hômSoi cầu vàng 777thẻ bài onlinedu doan mn 888soi cầu miền nam vipsoi cầu mt vipdàn de hôm nay7 cao thủ chốt sốsoi cau mien phi 7777 cao thủ chốt số nức tiếng3 càng miền bắcrồng bạch kim 777dàn de bất bạion newsddxsmn188betw88w88789bettf88sin88suvipsunwintf88five8812betsv88vn88Top 10 nhà cái uy tínsky88iwinlucky88nhacaisin88oxbetm88vn88w88789betiwinf8betrio66rio66lucky88oxbetvn88188bet789betMay-88five88one88sin88bk88xbetoxbetMU88188BETSV88RIO66ONBET88188betM88M88SV88Jun-68Jun-88one88iwinv9betw388OXBETw388w388onbetonbetonbetonbet88onbet88onbet88onbet88onbetonbetonbetonbetqh88mu88Nhà cái uy tínpog79vp777vp777vipbetvipbetuk88uk88typhu88typhu88tk88tk88sm66sm66me88me888live8live8livesm66me88win798livesm66me88win79pog79pog79vp777vp777uk88uk88tk88tk88luck8luck8kingbet86kingbet86k188k188hr99hr99123b8xbetvnvipbetsv66zbettaisunwin-vntyphu88vn138vwinvwinvi68ee881xbetrio66zbetvn138i9betvipfi88clubcf68onbet88ee88typhu88onbetonbetkhuyenmai12bet-moblie12betmoblietaimienphi247vi68clupcf68clupvipbeti9betqh88onb123onbefsoi cầunổ hũbắn cáđá gàđá gàgame bàicasinosoi cầuxóc đĩagame bàigiải mã giấc mơbầu cuaslot gamecasinonổ hủdàn đềBắn cácasinodàn đềnổ hũtài xỉuslot gamecasinobắn cáđá gàgame bàithể thaogame bàisoi cầukqsssoi cầucờ tướngbắn cágame bàixóc đĩaAG百家乐AG百家乐AG真人AG真人爱游戏华体会华体会im体育kok体育开云体育开云体育开云体育乐鱼体育乐鱼体育欧宝体育ob体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育开云体育开云体育棋牌棋牌沙巴体育买球平台新葡京娱乐开云体育mu88qh88
Литература
  1. Quite Universal Circuit Simulator. qucs.sourceforge.net /ссылка утрачена/
  2. Репозиторий исходных кодов проекта Qucs. github.com/Qucs/qucs
  3. Кечиев Л. Н., Крючков Н. М., Кузнецов В. В. Использование свободного ПО Qucs в целях моделирования для оценки факторов ЭМС РЭА // Технологии ЭМС. 2015. № 1.
  4. Кузнецов В. В. Симулятор электронных схем с открытым исходным кодом Qucs: основные возможности и основы моделирования // Компоненты и технологии. 2015. № 3.
  5. Кузнецов В. В. Моделирование высокочастотных схем в частотной области при помощи САПР Qucs // Компоненты и технологии. 2015. № 8.
  6. Jahn R. S., Brinson M. Interactive Compact Modeling Using Qucs Equation-Defined Devices // Int. J. Numer. Model. 2008. Vol. 21.
  7. Coram G. J. How to (and How Not to) Write a Compact Model in Verilog-A / IEEE International Behavioural Modeling and Simulation Conference (BMAS). San Jose, California. October 2004.
  8. Репозиторий исходных кодов проекта ADMS. github.com/Qucs/ADMS
  9. Brinson M. E., Jahn S. Modelling of high-frequency inductance with Qucs non-linear radio frequency equation defined devices // International Journal of Electronics. 2009. Vol. 96.
  10. Brinson M., Kuznetsov V. Qucs equation-defined and Verilog-A RF device models for harmonic balance circuit simulation, in Mixed Design of Integrated Circuits Systems (MIXDES), 2015. 22ndInternational Conference. June 2015.
  11. Brinson M., Crozier R., Kuznetsov V., Novak C., Roucaries B., Schreuder F., Torri G. B. Qucs: improvements and new directions in the GPL compact device modelling and circuit simulation tool. MOS-AK Workshop. Grenoble, March 2015.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *