[科普中國]-宏模型

基本概念

宏模型（Macromodel）是一種能夠模擬集成電路和系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性的等效表示，它可以是電路、符號，也可以是數(shù)學(xué)公式或表格。若是電路，它可能由最少元件最簡結(jié)構(gòu)來組成宏模型電路，因此用宏模型代替元件級模型來分析電路，可以極大地節(jié)省時間，節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存。

對宏模型的基本要求（1）摸擬精度要高：要求在外端特性上， 宏模型能夠精確地模擬原電路的主要特性，一般要求誤差小于10%。

（2）結(jié)構(gòu)要力求簡單： 和原電路相比， 一般要求宏模型在節(jié)點(diǎn)數(shù)量上、元件數(shù)量上大大減少，計(jì)算時間減少到五分之一到十分之一。必要時根據(jù)分析目的不同，可以把宏模型分解成為直流、交流小信號或交流大信號等幾個密梗型以求簡化。

（3）參量要易于提取易于計(jì)算： 要求壘部密模犁參量能從產(chǎn)品手冊上給出的原電路數(shù)據(jù)方便地計(jì)算得出。

（4）通用性強(qiáng)： 宏模型的輸入輸出端子應(yīng)和原電路管腳一一對應(yīng)， 便于使用。調(diào)節(jié)宏模型參量，應(yīng)能適應(yīng)同一類型中更多集成電路的規(guī)格和型號。

（5）適應(yīng)性強(qiáng)： 宏模型的形式應(yīng)能適應(yīng)多數(shù)通用電路分析程序。

宏模型的建模宏模型設(shè)計(jì)框圖如下：

宏模型有多種不同的建模方法1，現(xiàn)簡述如下：

簡化法簡化法就是簡化原電路的方法，簡化的步驟，可逐步刪去對電路性能影響不大的元件。必要時可先計(jì)算電路中各元件的靈敏度，然后刪去靈敏度低的元件。此外，對復(fù)雜的偏置電路，有源負(fù)載電路可以用理想的元件取代等等。簡化法是在原電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，宏模型和原電路很相象，因此物理概念清楚，計(jì)算靈敏度也容易用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，但是簡化程度往往受到限制。

構(gòu)造法構(gòu)造法也就是“黑盒法”， 它可能脫離原有電路重新建立一個新的電路模型，使它的外端特性和原電路一致。宏模型的結(jié)構(gòu)可以和原電路無關(guān)，甚至沒有什么物理意義，構(gòu)造法建立的宏模型可以使電路得到很大程度的簡化，但要求設(shè)計(jì)者有較高的水平。

列表法這種宏模型不包含電路元件，首先是對原電路進(jìn)行預(yù)分析或電路實(shí)測，得出在不周負(fù)載下所有輸入輸出特性，然后將這些數(shù)據(jù)全部存放在表格中。作電路分析時，只需要很少的計(jì)算時間，但要求精度較高時，則必須列出大量的多維數(shù)表，將會占用很大的內(nèi)存。

符號法符號法是用代數(shù)一差分方程來代替原電路的數(shù)學(xué)表達(dá)式，然后用符號運(yùn)算方法來化簡。這種宏模型多數(shù)是與功能有關(guān)，不要求有準(zhǔn)確一致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有較大的適應(yīng)性。

模擬集成電路和系統(tǒng)的特點(diǎn)是電路的性能指標(biāo)比較復(fù)雜，它不僅依賴于輸入信號的大小、波形和頻率，還和負(fù)載的大小、性質(zhì)等許多因素有關(guān)。宏模型常用的建模方法是簡化法和構(gòu)造法或是兩者的綜合運(yùn)用。在上述的運(yùn)放宏模型例子中，前級運(yùn)用了簡化法，中間級和后級是運(yùn)用了構(gòu)造法。

數(shù)字集成電路和系統(tǒng)的特點(diǎn)是存在著大量重復(fù)出現(xiàn)的于網(wǎng)絡(luò)，而分析的重點(diǎn)在于電平的高低以及上升、下降、延遲的時間關(guān)系等等。目前宏模型常用的建模方法是列表法、符號法等。

宏模型技術(shù)的發(fā)展宏模型不僅用于分析單片集成電路，而且對于分析整個電路系統(tǒng)都有著重要的意義。因此白70年代以來，宏模型的研究就受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，現(xiàn)已有了很大的發(fā)展，但仍有許多問題有待于研究和探索。

廣泛研究各種電路的宏模型目前對于運(yùn)放宏模型的研究已經(jīng)發(fā)表了不少文章，但在大信號條件下能同時適用于分析時域和頻域的運(yùn)放宏模型還有待于深入探討，電視機(jī)用的集成電路和功能塊的宏模型也有人在研究，只是尚不成熟，很少看到正式的報(bào)導(dǎo)乘法器、鎖相環(huán)以及摸擬和數(shù)字的VESI電路系統(tǒng)等都是急待開發(fā)的領(lǐng)域。

建立宏模型庫宏模型庫具有重大的實(shí)用價值，在作電路系統(tǒng)分析時可以方便地調(diào)。為此應(yīng)使宏模型通用化，加強(qiáng)適應(yīng)性，能應(yīng)用于通用的電路分析程序。

研究模擬一數(shù)字混合集成電路宏模型目前在一個芯片上有模擬一數(shù)字電路的混合集成電路日益增多，要研究有統(tǒng)一接口能兼容模擬電路和數(shù)字電路的宏模型。

宏模型參數(shù)的自動提取和自動建摸宏模型參數(shù)的確定有時是很困難的，因此需要利用優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)自動提取參量，這樣宏模型就能取得更好的模擬效果。此外要研究原電路主要特性對應(yīng)于主要元件的依賴關(guān)系，將這些關(guān)系和建模原則輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將能自動地建立起宏模型。

實(shí)例分析為了開展集成電路計(jì)算機(jī)分析的研究工作，我們在BCM-S68000小型計(jì)算機(jī)上引進(jìn)移植了SPICE程序。這個程序是由美國加州大學(xué)伯克萊分校開發(fā)研制成功的，目前已成為世界公認(rèn)的最有效最為流行的程序之一。SPICE程序的全名是Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis，因此特別適宜于集成電路的分析，這個程序?yàn)槲覀冄芯考呻娐泛昴Ｐ吞峁┝酥匾姆治龉ぞ摺?/p>

為建立實(shí)用的宏模型庫， 我們開展了運(yùn)放宏摸型的研究，并對各種不同類型的電路進(jìn)行模擬。根據(jù)用戶的要求，新設(shè)計(jì)了負(fù)穩(wěn)壓電源的宏模型，這個宏模型是綜合了簡化法和構(gòu)造法而建立的，利用SPICE程序來修改參數(shù)井驗(yàn)證結(jié)果。圖1是負(fù)穩(wěn)壓電源LM120H-15的基本電路，圖2是它的宏模型，圖中e1、g1、h 是三種不同性質(zhì)的非線性受控，表1列出了技術(shù)指標(biāo)和模擬的結(jié)果。這個模型還可以很好地模擬出紋波抑制比和輸出阻抗隨頻率變化的關(guān)系。若在宏模型中增加熱敏電阻和相應(yīng)的受控源，就可以模擬-55℃、+25℃ 、+125℃ 等不同溫度時，靜態(tài)電流隨輸入電壓和輸出電流變化的規(guī)律，所得的模擬曲線和原特性曲線的一致性很好。

圖1

圖2

表1