ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАИНЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

Авторы:

В. П. Довгун

В. Б. Лыкова

П. А. Барыбин

В. В. Новиков

Организационно-методические указания

по изучению дисциплины

«Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств»

Красноярск 2008 3 Оглавление 1. Общая характеристика дисциплины 2. Связь с другими дисциплинами 3. Компетентностный подход при преподавании дисциплины 4. Связь с другими дисциплинами 5. Структура и содержание дисциплины 6. Средства обучения и виды учебной деятельности 7. Структура и методика преподавания теоретического курса 8. Структура и методика преподавания лабораторного практикума, практических занятий 9. Структура и организация самостоятельной работы 10. Реализация графика учебного процесса и самостоятельной работы 11. Литература и информационные источники 12. Методика проведения промежуточной и итоговой аттестации по дисциплине

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЦИПЛИНЫ

1.

«КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ И

УСТРОЙСТВ»

Предмет изучения курса «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств» – методы компьютерного моделирования линейных и нелинейных цепей в установившемся и переходном режимах; алгоритмы численного и символьного моделирования электрических цепей;

современное программное обеспечение, используемое для расчета электронных цепей на ЭВМ.

Целью преподавания дисциплины является изучение алгоритмического и программного обеспечения, используемого для моделирования линейных и нелинейных электронных цепей в установившемся и переходном режимах.

Курс «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств»

основан на базовых дисциплинах, таких как электротехника и электроника, вычислительные методы, методы оптимизации.

В результате изучения курса «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств» студент должен приобрести знания, умения и навыки, необходимые для его профессиональной деятельности в качестве магистра по направлению «Системый анализ и управление».

Магистр, изучивший дисциплину «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств», должен знать:

методы системного анализа электронных устройств;

современные разделы теории линейных и нелинейных электрических цепей;

алгоритмы компьютерного моделирования электронных цепей в переходном и установившемся режимах;

методы построения математических моделей электротехнических и электронных устройств;

принципы построения макромоделей устройств аналоговой и цифровой электроники;

перспективы развития методов компьютерного моделирования электронных цепей;

программное обеспечение, используемое для анализа и проектирования электронных цепей и устройств;

Уметь:

читать электротехническую литературу, символику, понимать терминологию и т.п.;

использовать типовое программное обеспечение, предназначенное для анализа и проектирования электронных цепей;

анализировать воздействие сигналов на линейные и нелинейные цепи с помощью типовых программ компьютерного моделирования;

использовать программные средства обработки результатов моделирования;

выбирать модели электронных компонентов, обеспечивающие требуемую точность расчетов;

производить расчет простейших усилителей, генераторов, стабилизаторов и преобразователей электрических сигналов;

оформлять результаты исследований в соответствии с требованиями ЕСКД и ЕСПД, использовать специальную нормативную и справочную литературу, стандарты.

2. Компетентностный подход при преподавании дисциплины Студент, изучивший дисциплину «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств», должен обладать следующими компетенциями:

универсальными:

готовность осуществлять научный поиск и разработку новых перспективных подходов и методов к решению профессиональных задач, иметь целеустремленность к профессиональному росту, к активному участию в научной деятельности, конференциях и симпозиумах (УК-1).

осваивать и применять современные математические методы для решения задач в процессе профессиональной деятельности (УК-2).

профессиональными:

готовность разрабатывать и реализовывать проекты по системному анализу сложных систем на основе современных информационных технологий (Web- и CALS-технологий) (ПД-1);

готовность выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления сложными объектами (ПД-3);

готовность применять современные технологии создания сложных комплексов с использованием CASE-средств, контролировать качество разрабатываемых систем (ПТД-1);

готовность разрабатывать компьютерные модели исследуемых процессов и систем (ПКД-3);

- общенаучными (ОНК):

готовность применять фундаментальные законы природы и основные физические законы в области электричества и магнетизма (ОНК-1);

готовность учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ОНК-2);

готовность применять аппарат вычислительной математики, линейной алгебры, дифференциального исчисления, комплексного переменного, дискретной математики, математической статистики и случайных процессов (ОНК-3);

- инструментальными (ИК):

способность применять современные информационные компьютерные технологии для анализа и проектирования электронных узлов, самостоятельно работать с программными средствами моделирования электронных цепей (ИК-1).

3. Связь с другими дисциплинами Дисциплина базируется на знаниях, приобретенных ранее студентами при изучении дисциплин математического и общенаучного циклов, основные из которых приведены в табл. 1.

Линейная алгебра зависимости и преобразования, условия Дифференциальное и уравнений, решение однородных и интегральное исчисления неоднородных дифференциальных Физика мощностей, принципы непрерывности тока Электротехника и Анализ линейных и нелинейных цепей электроника в установившемся и переходном режимах, 4. Структура и содержание дисциплины Структура дисциплины и распределение трудоемкости дисциплины по отдельным видам занятий представлены в таблице 2.

Изучение теоретического курса (ТО) 0.5 / 18 0,5 / работы.

Неотъемлемой составной частью курса являются цикл практических занятий и курсовая работа. В ходе практических занятий и при выполнении курсовой работы студенты приобретают практические навыки компьютерного моделирования в среде Pspice.

Выбор Pspice в качестве основной программы обусловлен следующими причинами. Во-первых, Pspice в течение ряда лет считается эталонной программой схемотехнического моделирования и широко используется как в промышленности, так и в учебном процессе ведущих университетов. Во-вторых, алгоритмы SPICE используются практически во всех других программах схемотехнического моделирования.

распространяемые студенческие версии программы.

В материал курса включены в качестве приложений описания нескольких программ анализа электронных цепей – Pspice, Multisim, Circuit Maker. В качестве инструмента, используемого в ходе проведения практических занятий, может быть выбрана любая из перечисленных программ. Выбор той или иной программы определяется преподавателем, ведущим занятия.

Состав разделов дисциплины приведен в табл. 3.

электрических цепей электрических цепей динамических цепей чувствительности электронных В курсе лекций по дисциплине «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств» изучаются вопросы автоматизации схемотехнического проектирования электронных цепей. Рассмотрены основные алгоритмы, используемые в современных программах схемотехнического моделирования: методы формирования и решения уравнений линейных цепей, определение рабочих точек нелинейных резистивных цепей, анализ в частотной области, анализ нелинейных динамических цепей при действии сигналов произвольной формы, расчет чувствительностей, статистический анализ при заданном законе изменения параметров. Рассмотрены алгоритмы функционирования программ схемотехнического моделирования на примере пакета SPICE.

5. Средства обучения и виды учебной деятельности Очная форма обучения предполагает использование в учебном процессе дидактических принципов с непосредственным участием преподавателя в управлении познавательной деятельностью студентов, информационные технологии, технические средства обучения.

Под средствами обучения следует понимать разнообразные материалы и орудия учебного процесса, с помощью которых более успешно достигаются поставленные цели обучения. Главное дидактическое назначение средств обучения – ускорить процесс усвоения учебного материала, т. е. приблизить учебный процесс к наиболее эффективным характеристикам.

Очевидно, что преподаватель не может обучать студентов только словом, не используя наглядный материал и лабораторное оборудование. В то же время большое количество средств наглядности, лабораторного оборудования и компьютеров без преподавателя, его контроля и личностного влияния не дадут высокой эффективности в освоении учебного материала.

электронных цепей и устройств» основными видами учебной деятельности являются лекции, практические занятия и самостоятельная работа.

Лекция выполняет три основных функции:

информационную (дает студентам необходимые сведения);

стимулирующую (пробуждает интерес к теме, изучению других источников);

воспитывающую и развивающую (дает оценки явлениям, стимулирует мышление).

Преподаватель обязан:

разрабатывать план лекции (или системы лекций), выбирать демонстрации, эксперименты, технические средства, учитывать уровень подготовки студентов (дидактический уровень);

ставить учебные и воспитательные задачи, подбирать конкретный материал, определять логический аппарат, разрабатывать методику демонстрации эксперимента, использовать технические средства, учитывать отражение лекций на семинарских, практических, лабораторных занятиях (методический уровень).

Структура лекции планируется заранее и, как правило, состоит из трех частей.

Вводная часть. Называется тема, формулируются задачи, дается краткая характеристика проблемы, называется литература к лекции, устанавливается связь с предыдущими занятиями.

Изложение материала. Преподаватель приводит нужную информацию, дает необходимые исторические справки, определяет свою позицию, дает оценку сложившейся практике и научным исследованиям, устанавливает связь с практикой, раскрывает перспективы развития, возможные научные поиски по данному вопросу.

Заключение. Даются основные выводы, указания к дальнейшей самостоятельной работе, методические советы, ответы на вопросы.

Классификация лекций по дидактическим задачам.

Вводная лекция дает первое целостное представление об учебном предмете, знакомит студентов с назначением и задачами дисциплины, ролью и местом в системе подготовки специалиста. Дает краткий обзор дисциплины, перспективные направления исследований. На этой лекции определяются методические и организационные особенности работы в рамках курса, а также дается анализ учебно-методической литературы, рекомендуемой студентам, уточняются сроки и формы отчетности.

Лекция-информация ориентирована на изложение и объяснение научной информации, подлежащей осмыслению и запоминанию. Это самый традиционный тип лекций в практике высшей школы.

Обзорная лекция – это систематизация научных знаний на высоком уровне, допускающая большое число ассоциативных связей в процессе осмысления информации.

Проблемная лекция. На этой лекции новое знание вводится через проблемные вопросы, задачи или ситуации. При этом процесс познания студентов в сотрудничестве и диалоге с преподавателем приближается к исследовательской деятельности. Содержание проблемы раскрывается путем организации поиска ее решения или суммирования и анализа традиционных и современных точек зрения.

Лекция-визуализация представляет собой визуальную форму подачи лекционного материала средствами технические средства обучения или аудио-, видеотехники. Чтение такой лекции сводится к развернутому или краткому комментированию просматриваемых материалов (схем, таблиц, графиков, моделей).

Лекция-конференция проводится как научно-практическое занятие, с заранее поставленной проблемой и системой докладов, длительностью 5– 10 минут. Каждое выступление представляет собой текст, заранее подготовленный в рамках предложенной преподавателем программы.

Совокупность представленных текстов позволит всесторонне осветить проблему. В конце лекции преподаватель подводит итоги работы студентов, дополняя или уточняя предложенную информацию, и формулирует основные выводы.

Кроме того, при чтении лекций того можно привлечь презентационные материалы по всем разделам курса.

Практические занятия – вторая форма аудиторных занятий при изучении дисциплины «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств».

Цель практического занятия – углубленное изучение теоретических основ предмета и овладение современными методами компьютерного моделирования.

Практические занятия активизируют работу студентов над изучаемым предметом и позволяют сделать первые шаги в направлении от теоретического к практическому обучению. Целесообразно проводить практические занятия одновременно с изучением теоретического курса.

Необходимо, чтобы практические занятия по дисциплине «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств» имели исследовательскую составляющую. Студенты должны не только приобретать навыки использования моделирующих программ, но и знакомиться с принципами построения моделей электронных компонентов, выполнять исследование характеристик узлов электронной аппаратуры. В процессе выполнения исследовательских работ формируются новые знания и умения.

Преподаватель при планировании курса определяет полный перечень практических занятий по предмету.

Планируется, что учебно-методические материалы по дисциплине «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств» будут размещены на сайте образовательных ресурсов Института космических и информационных технологий СФУ. Это позволит создать информационнообучающую среду, выполняющую следующие функции.

1. Централизованное хранение информации об учебных курсах, а также информационно-справочных материалов.

2. Организация доступа к открытым учебно-методическим материалам для всех пользователей.

зарегистрированных пользователей.

Пример главной страницы сайта показан на рис. 1.

Примерная структура сайта дисциплины приведена в табл. 3.

п/п Наименование дисциплины характеристика программы дисциплины.

дисциплины Трудоемкость (объем) дисциплины График изучения Темы лекций, практических занятий, Лабораторный Характеристика используемого практикум лабораторного оборудования.

Практические занятия Методические рекомендации по Самостоятельная Приводится характеристика всех видов Рекомендуемая литература Вопросы, выносимые На рис. 2 - 4 показаны примеры главных страниц отдельных разделов сайта.

Рис. Рис. Размещение учебно-методических материалов по дисциплине на сайте ИКИТ СФУ позволит создать динамическую информационно-обучающую среду, обеспечивающую доступ студентов к различным видам методических материалов и позволяющую оперативно обновлять содержание этих материалов.

Важной компонентой информационно-обучающей среды по дисциплине «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств» является компьютерный практикум по электронике и схемотехнике.

Назначение практикума:

1. Знакомство с программным обеспечением, используемым для моделирования электронных цепей.

2. Исследование характеристик типовых электронных схем.

3. Знакомство с принципами построения моделей электронных Практикум включает:

1. Методические материалы по каждой работе.

2. Описание программ, указания по их установке и подключению 3. Библиотеки электронных компонентов;

4. Задания на предварительной расчет;

5. Методические указания по выполнению экспериментов;

6. Контрольные вопросы и задания.

Список разделов практикума показан на рис. 5. Общее число работ компьютерного практикума превышает 30. Каждая работа содержит от 10 до 30 индивидуальных вариантов. Это позволяет формировать индивидуальные траектории обучения для студентов, выдавать задания исследовательского характера. Часть заданий может быть связана с созданием новых работ для практикума. Желательно, чтобы каждый студент в течение семестра выполнил хотя бы одну работу исследовательского характера.

Приведем список работ компьютерного практикума.

Раздел 1. Исследование цепей с диодами Исследование однополупериодного выпрямителя Исследование двухполупериодного выпрямителя Раздел 2. Цепи с биполярными транзисторами 2.1. Исследование эмиттерного повторителя 2.2. Исследование цепей смещения биполярных транзисторов 2.3. Исследование источников тока на биполярных транзисторах 2.4. Исследование усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером Раздел 3. Цепи с МОП-транзисторами Исследование источников тока на МОП-транзисторах Исследование цепей смещения МОП-транзисторов Исследование усилительного каскада на МОП-транзисторе, включенном по схеме с общим истоком Раздел 4. Усилители 4.1. Исследование дифференциального усилителя на биполярных транзисторах 4.2. Исследование дифференциального усилителя на МОПтранзисторах 4.3. Исследование каскодных схем 4.4. Исследование усилителей мощности 4.5. Исследование операционных усилителей на биполярных транзисторах 4.6. Исследование операционных усилителей на МОП-транзисторах 4.7. Исследование многокаскадного усилителя мощности Раздел 5. Цепи с операционными усилителями Исследование характеристик интегрального ОУ Исследование линейных функциональных узлов с ОУ Раздел 6. Генераторы сигналов Исследование RC-генератора с мостом Вина Исследование RC-генератора с фазосдвигающей цепью Исследование LC-генератора гармонических колебаний Исследование мультивибратора на ОУ Исследование мультивибратора на интегральном таймере Раздел 7. Аналоговые фильтры 7.1. Исследование частотных и временных характеристик аналоговых фильтров 7.2. Исследование активных RC-фильтров Раздел 8. Основы цифровой электроники 8.1. Исследование статических и динамических характеристик инвертора на биполярном транзисторе 8.2. Исследование статических и динамических характеристик инвертора на МОП-транзисторе Исследование статических и динамических характеристик БиКМОП-инвертора 8.4. Исследование элементов ТТЛ 8.5. Исследование элементов КМОП-логики 8.6. Исследование элементов эмиттерно-связанной логики Раздел 9. Основы силовой электроники 9.1. Исследование источника вторичного электропитания 9.2. Исследование линейного стабилизатора напряжения 9.3. Исследование импульсных регуляторов напряжения Организация самостоятельной работы. При изучении курса большое значение придается самостоятельной работе, которая тесно связана с аудиторными занятиями. Организация самостоятельной работы по дисциплине «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств»

планируется в соответствии с используемыми в учебном процессе формами занятий.

Самостоятельная работа студентов регламентируется графиком учебного процесса и самостоятельной работы. По дисциплине «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств» учебным планом предусмотрено 54 часа на самостоятельную работу, из них 18 часов – на изучение разделов теоретического цикла, 36 часов – на выполнение курсовой работы.

Для успешного выполнения самостоятельной работы необходимо пользоваться методическими указаниями по самостоятельной работе по дисциплине «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств». Указания содержат рекомендации по отдельным разделам, а также текст и методические указания по выполнению курсовой работы.

Самостоятельная работа магистров должна включать поиск и изучение информации, размещенной на сайтах и в образовательных порталах ведущих университетов. Перечень рекомендуемых Web-ресурсов приведен ниже.

www:mit.edu;

www:eecs.berkeley.edu;

www.EEHomePage.com;

www.ecircuitcenter.com Следует особо отметить систему открытых курсов (OpenCourceWare) Массачусетского технологического института.

Этот ресурс содержит около 2000 курсов по различным направлениям.

Доступ к большинству курсов свободный. Научный и методический уровень материалов весьма высокий. Материалы многих курсов можно использовать как основу для подготовки магистерской диссертации.

6. Структура и методика преподавания теоретического курса Перечень разделов теоретического курса приведен в таблице 3.

На лекциях рассматриваются основные положения теоретического курса. Основой курса лекций являются классические учебники по машинному анализу электронных цепей Л. О. Чуа и П.-М. Лина «Машинный анализ электронных схем» и И. Влаха и К. Сингхала «Машинные методы анализа и проектирования электронных схем», а также учебное пособие В. П.

Довгуна «Электротехника и электроника», ч. 1, 2 (Красноярск, 2006 г.). При подготовке курса лекций использованы публикации в специализированных журналах и электронные ресурсы.

раздела Введение. Топология электрических [11, гл. 1].

Узловой анализ электронных цепей [6, гл. 3] Анализ нелинейных резистивных [6, гл. 3], Модели электронных компонентов [11, гл. 2], В первой части курса дан обзор современных программ компьютерного моделирования электронных цепей. Рассмотрены алгоритмы, используемые при расчете установившихся режимов линейных электронных цепей.

Традиционный материал, касающийся топологии электрических цепей, дан в конспективной форме. Подробно рассмотрены метод узловых напряжений и его модификации, используемые практически во всех программах схемотехнического моделирования. Рассмотрены алгоритмы решения систем линейных уравнений, в том числе с разреженными матрицами коэффициентов.

При изложении первой части курса следует особо отметить, что модуль анализа линейных цепей является ядром любой программы схемотехнического моделирования, поскольку анализ нелинейных и динамических цепей сводится к многократному расчету линейных резистивных схем. Поэтому первостепенную важность имеет эффективный модуль решения систем линейных уравнений.

Вторая часть курса посвящена рассмотрению методов анализа нелинейных и динамических цепей и схемотехнической интерпретации этих методов. Рассмотрены математические алгоритмы, используемые при анализе нелинейных динамических цепей – метод Ньютона-Рафсона, методы численного интегрирования уравнений состояния. Значительное внимание уделено многошаговым методам численного интегрирования, проведен анализ их устойчивости. Дана схемотехническая интерпретация рассмотренных алгоритмов, позволяющая свести расчет нелинейных динамических цепей к многократному анализу эквивалентных линейных резистивных схем.

При изложении методов решения нелинейных уравнений следует обязательно рассмотреть вопрос обеспечения численной устойчивости решения. Такая проблема возникает чаще всего при анализе устройств, работающих в ключевом режиме, таких как импульсные источники питания.

Решение проблем численной неустойчивости может быть получено за счет рационального выбора опций, управляющих работой модуля решения нелинейных уравнений. Такими опциями являются абсолютные и относительные погрешности вычисления напряжений и токов, максимальной величины шага интегрирования и т.д. Для подробного ознакомления можно рекомендовать монографию Ю. И. Болотовского и Г. И. Таназлы [9].

При изложении методов численного интегрирования уравнений состояния важно рассмотреть вопросы численной неустойчивости. Полезно исследовать механизм возникновения неустойчивости на примере простейших методов, таких как методы Эйлера.

Третья часть курса посвящена рассмотрению принципов построения моделей электронных компонентов, используемые в программах схемотехнического проектирования. Приведены модели основных компонентов (диодов, биполярных и МОП-транзисторов, пассивных компонентов). Рассмотрена иерархия моделей биполярных и МОПтранзисторов, приведены списки параметров моделей. Значительное внимание уделено вопросам построения макромоделей электронных устройств.

В заключительной части курса рассмотрен алгоритм функционирования программы SPICE, проанализирована связь отдельных модулей программы. Дан обзор современных тенденций в развитии методов компьютерного моделирования электронных схем – алгоритмы символьного анализа, методы, ориентированные на обеспечение сходимости при анализе электронных цепей с резко нелинейными характеристиками и т. д.

Изложение теоретического материала на лекциях должно сопровождаться примерами моделирования различных режимов практических электронных схем – усилителей, генераторов периодических колебаний, цифровых ИС и т. д.

электронных цепей и устройств» предпочтение следует отдавать обзорным и проблемным лекциям, которые знакомят студентов с современным уровнем развития методов математического моделирования устройств цифровой и аналоговой электроники. Часть аудиторных занятий представляет лекцииинформации и лекции-визуализации, проводимые с применением презентационных материалов и программ схемотехнического моделирования. В целом на лекциях должен преобладать не схемотехнический, а системный подход к задаче машинного моделирования электронных цепей. В конце каждой лекции полезно обсудить возможные пути развития обсуждавшихся проблем.

Хороший уровень учебно-методических материалов и лекционных демонстраций повышает качество обучения. Высокий уровень преподавания дисциплины может быть обеспечен только при надлежащем техническом оснащении. Электронная презентация для демонстрации во время лекций и других учебных занятий может быть основой для создания раздаточного материала к лекционным занятиям. Раздаточный материал служит одним из основных средств интенсификации лекционных занятий, достигаемой за счет экономии времени, необходимого для выполнения чертежей, иллюстраций на доске, При подготовке обзорных лекций рекомендуется использовать учебники и монографии, в которых отражен современный уровень развития теории цепей, электроники и схемотехники:

Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.: ил Быстров Ю.А. Электронные цепи и микросхемотехника: Учебник / Ю.А. Быстров, И.Г. Мироненко. – М.: Высш. шк., 2002. – 384 с.: ил.

Рабаи Ж. М., Чандрасекан А., Николич Б. Цифровые интегральн.ые схемы.: Пер. с англ.- Изд. 2-е – М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2007. – 912 с.

Sedra, A. S. Microelectronic circuits / A. S. Sedra, K. C. Smith. NewYork, Oxford, Oxford University Press, 2004. - 1283 p. (книга имеется в библиотеке СФУ).

В лекциях, посвященных рассмотрению математических алгоритмов моделирования электронных схем полезно делать специальные разделывставки, в которых рассматривается организация процесса моделирования на примере конкретных программ, В табл. 4 и 5 приведены наиболее эффективные виды учебной деятельности, средства обучения и программное обучение, используемые в процессе преподавания теоретического курса.

Введение. Топология Вводная лекция Лекционная динамических цепей Лекционная аудитория должна быть оснащена интерактивной доской.

Это позволит проводить лекционные демонстрации с использованием программ схемотехнического моделирования. Примерный перечень демонстраций приведен ниже.

1. Примеры моделирования электронных схем.

2. Узловой анализ резистивных цепей.

3. Расчет линейных цепей в частотной области.

4. Анализ нелинейных резистивных цепей. Определение рабочей 5. Анализ нелинейных динамических цепей.

6. Анализ динамических цепей в частотной и временной областях.

7. Анализ спектров периодических колебаний.

8. Статистический анализ методом Монте-Карло.

9. Модели электронных компонентов.

10. Макромодели аналоговых ИС.

11. Анализ чувствительности.

12. Моделирование смешанных дискретно-аналоговых цепей.

7. Структура и методика преподавания практических занятий Цель практических занятий – закрепление теоретического материала, рассмотренного на лекциях, получение практических навыков компьютерного моделирования с помощью типового программного обеспечения.

На практических занятиях рассматриваются типовые задачи по основным разделам дисциплины. На каждом практическом занятии студенты выполняют индивидуальные задания, связанные с расчетом и моделированием электронных устройств. В каждом задании необходимо выполнить предварительный расчет, связанный с определением параметров исследуемых устройств. При этом студенты приобретают навыки расчета простейших электронных узлов.

Целесообразно проводить практические занятия по определенным видам анализа одновременно с изучением теоретического курса (параллельный метод).

Первые занятия являются вводными. На них студенты знакомятся с интерфейсом используемых программ. Поэтому анализируемые схемы, как правило, несложные. По мере развития навыков подготовки принципиальных схем с помощью графических редакторов задания должны усложняться.

Задачи, рассмотренные в методических указаниях по практическим занятиям, являются примерными. Можно выбрать другие, более сложные задачи из компьютерного практикума.

Раздел 1 Общая характеристика программ компьютерного моделирования электронных цепей (2 часа).

Знакомство с программным обеспечением. Программа Pspice. Входной язык Spice. Графические редакторы Schematics и Capture. Постпроцессор Probe. Работа с Выполнение индивидуальных заданий. Графический Раздел 2 Моделирование резистивных цепей (2 часа).

резистивных цепей. Режим вариации параметров DC_SWEEP. Примеры расчета передаточных характеристик резистивных цепей. Задание температуры в Раздел 2 Анализ электронных цепей в частотной области (2 часа).

Режим AC_SWEEP. Задание параметров режима. Работа с графическим постпроцессором Probe. Построение частотных характеристик в линейном логарифмическом масштабах. Определение фазочастотных характеристик.

Индивидуальное задание: расчет частотных характеристик аналоговых фильтров.

Раздел 3 Анализ нелинейных резистивных цепей (2 часа).

Определение рабочей точки нелинейной цепи. Способы обеспечения сходимости. Расчет режима транзисторного Выполнение индивидуальных заданий: исследование характеристик транзисторных источников тока.

Раздел 4 Моделирование динамических режимов электронных Режим расчета переходных процессов Transient.

Параметры режима. Построение фрагментов временных диаграмм. Анализ спектрального состава временных Моделирование частотных и временных характеристик Моделирование генераторов гармонических и Раздел 6 Модели электронных компонентов (2 часа).

Определение параметров моделей. Исследование зависимости параметров модели Гуммеля-Пуна от режима Иерархия моделей МОП-транзистров. Сравнительный макромоделей ОУ. Макромодель ОУ, используемая в Раздел 6 Моделирование цифровых и аналого-цифровых последовательностных цифровых устройств. Расчет и моделирование цифро-аналогового преобразователя.

При проведении практических занятий используются студенческие версии программ схемотехнического моделирования Pspice 8.0, Pspice 9.2, свободно распространяемые в Интернет, а также программа Multisim 10.0.

На каждом практическом занятии студент получает индивидуальное задание, связанное с моделированием практических электронных схем.

Выполненные индивидуальные задания должны быть сданы не позднее следующего занятия. Задания, сданные позднее, не принимаются и в итоговый рейтинг не засчитываются.

Отчет о выполненном задании должен содержать исходную схему и формулировку задачи, краткие пояснения хода выполнения задания, выводы.

Отчеты о выполненных заданиях, которые содержат только результаты моделирования без соответствующих пояснений и выводов, приниматься не будут.

Целесообразно выдавать задания исследовательского характера, связанные с анализом новых схем или использованием моделей новых компонентов. Для таких заданий можно использовать специализированные информационные порталы, такие как www.EEHomePage.com или www.ecircuitcenter.com. Желательно, чтобы каждый студент выполнил однодва таких заданий повышенной сложности.

6. Структура и организация самостоятельной работы Самостоятельная работа по дисциплине «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств» включает самостоятельное изучение отдельных разделов теоретического курса, подготовку к практическим занятиям, выполнение курсовой работы, а также выполнение индивидуальных заданий.

Самостоятельная работа студентов регламентируется графиком учебного процесса и самостоятельной работы. По дисциплине «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств» учебным планом предусмотрено 54 часа на самостоятельную работу, из них 18 часов – на изучение разделов теоретического цикла, 36 часов – выполнение курсовой работы.

Предусмотрено самостоятельное изучение следующих разделов теоретического курса:

Раздел 1 - Топологические матрицы. Уравнения Кирхгофа в матричной форме ([10, стр. 85-95]).

Раздел 2 - Методы решения разреженных алгебраических уравнений ([9, стр.

66-80]).

Раздел 3 - Кусочно-линейный анализ нелинейных резистивных цепей ([10, стр. 75-80]).

Раздел 4 - Многошаговые методы численного интегрирования ([5, стр. 152Раздел 5 - Расчет чувствительности методом присоединенных схем ([6, стр.

174-180]).

Раздел 6 - Макромодели аналоговых и цифровых интегральных схем ([6, стр.

290-305]).

Примечание: цифрами в прямых скобках указаны источники из списка литературы.

Результаты современных исследований по компьютерному моделированию электронных цепей разбросаны по большому количеству источников. Поэтому обязательной составляющей самостоятельной работы является изучение электронных ресурсов.

Выполнение курсовой работы имеет целью выработку навыков применения полученных теоретических знаний по компьютерному моделированию при решении практических задач расчета и проектирования электронных цепей.

Содержание курсовой работы:

1. Расчет параметров и компьютерное моделирование схемы интегрального ОУ на биполярных или МОП-транзистрах.

2. Синтез аналогового активного фильтра.

3. Моделирование частотных и временных характеристик спроектированного фильтра.

4. Анализ чувствительности частотных характеристик к вариациям значений элементов.

5. Вероятностный анализ при случайном изменении номиналов элементов.

7. Исследование влияния параметров используемого ОУ на характеристики фильтра.

Варианты курсовой работы определяются преподавателем, ведущим практические занятия. Курсовые работы, выполненные не по своему варианту, не засчитываются.

Титульный лист курсовой работы должен содержать:

- наименование дисциплины;

- тему курсовой работы;

- номер варианта;

- фамилию, имя, отчество студента;

- фамилию, имя, отчество преподавателя.

Текст курсовой работы оформляется в редакторе Word. Все формулы должны быть набраны в редакторе Equation Editor.

Все расчеты должны сопровождаться краткими пояснениями и промежуточными преобразованиями. Представление только итоговых результатов недопустимо: в этом случае курсовая работа не засчитывается.

Курсовая работа должна быть выполнена в срок, определенный графиком изучения дисциплины.

Предварительный и промежуточный контроль Контрольно-измерительные материалы для предварительного контроля представлены заданиями на предварительный расчет при выполнении индивидуальных заданий на практических занятиях. Они позволяют проверить уровень знаний, необходимый для выполнения заданий.

Вопросы для промежуточного контроля задаются студентам на лекциях с целью:

- контроля посещаемости;

- контроля степени усвоения теоретического материала;

- развития логического мышления.

Для итогового контроля знаний, умений и навыков, в соответствии с требованиями к компетенциям магистра, применяются следующие контрольно-измерительные материалы:

- задачи по основным разделам курса;

- вопросы к экзамену;

- экзаменационные билеты.

Допуск к сдаче экзамена студент получает после того, как зачтены индивидуальные задачи, сдана курсовая работа.

Экзаменационный билет содержит два вопроса из различных разделов дисциплины. Список экзаменационных вопросов может быть выдан студентам заранее.

Экзамен целесообразно проводить в компьютерном классе. На компьютерах должно быть установлено необходимое программное обеспечение. Это позволит проверить практические навыки студентов.

В аудитории при подготовке к ответу нельзя пользоваться какими-либо материалами. В случае затруднений рекомендуем обратиться к преподавателю, принимающему экзамен. Студенту, замеченному в списывании, экзамен не засчитывается.

Список экзаменационных вопросов по дисциплине «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств» приведен ниже.

«Компьютерное моделирование электронных цепей и 1. Основные топологические понятия. Граф электрической цепи.

2. Топологические матрицы. Матрица инциденций. Матрица контуров.

3. Метод узловых напряжений. Алгоритм машинного формирования узловых уравнений.

4. Модифицированный метод узловых напряжений. Структура расширенных узловых уравнений.

5. Решение систем линейных уравнений. Алгоритм Гаусса. Алгоритм LUразложения. Особенности решения систем разреженных уравнений.

6. Определение рабочих точек нелинейных элементов 7. Численное решение уравнений нелинейных резистивных цепей. Метод Ньютона-Рафсона 8. Схемотехническая интерпретация метода Ньютона-Рафсона.

Дискретные схемы замещения нелинейных резистивных цепей 9. Уравнения состояния электрических цепей.

10. Численные методы интегрирования уравнений состояния. Явные и неявные методы.

11. Устойчивость методов численного интегрирования.

12. Многошаговые методы численного интегрирования.

13. Дискретные резистивные схемы замещения индуктивного и емкостного элементов.

14. Модели полупроводниковых диодов.

15. Модели биполярных транзисторов.

16. Модели МОП-транзисторов.

17. Модели пассивных компонентов электронных цепей 18. Макромодели аналоговых интегральных схем.

19. Анализ чувствительности электронных цепей. Метод присоединенных 20. Анализ чувствительности электронных цепей. Критерии многопараметрической чувствительности 21. Анализ шумов аналоговых электронных цепей. Шумовые модели электронных компонентов 22. Функциональные возможности современных программ схемотехнического моделирования.

23. Алгоритм функционирования программы SPICE.

24. Моделирование цифровых и аналого-цифровых устройств.

25. Методы символьного анализа электронных схем.

Образцы экзаменационных билетов приведены ниже.

Институт космических и информационных технологий Дисциплина Компьютерное моделирование электронных цепей Резонанс напряжений. Частотные характеристики последовательно-го колебательного контура.

МОП-транзисторы с индуцированным каналом. Принцип действия, режимы работы и характеристики.

Институт космических и информационных технологий Дисциплина Компьютерное моделирование электронных цепей 1. Управляемые (зависимые) источники.

2. Электрические свойства p-n перехода. Вольт-амперная характеристика p-n перехода.

Институт космических и информационных технологий Дисциплина Компьютерное моделирование электронных цепей 1. Комплексный метод расчета цепей синусоидального тока (метод комплексных амплитуд).

2. Биполярные транзисторы. Принцип действия и режимы работы.

Институт космических и информационных технологий Дисциплина Компьютерное моделирование электронных цепей 1. Переходные процессы в RС-цепях первого порядка. Постоянная времени RС-цепи. Порядок расчета переходного процесса в цепи первого порядка.

2. Комбинационные цифровые устройства. Шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов.

9. Литература и информационные ресурсы, рекомендуемые при самостоятельном изучении отдельных разделов курса Раздел 1. Введение. Топология электрических цепей.

Влах, И. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / И. Влах, К. Сингхал. М.: Радио и связь, 1988. гл..

Чуа Л. О., Лин П.-М. Машинный анализ электронных схем (алгоритмы и вычислительные методы): Пер. с англ. – М.: Энергия, гл..

Автоматизация схемотехнического проектирования / В. Н. Ильин, В. Т.

Фролкин, А. И. Бутко / под ред. В. Н. Ильина. – М.: Радио и связь, 1987.

Раздел 2. Метод узловых напряжений и его модификации Чуа Л. О., Лин П.-М. Машинный анализ электронных схем (алгоритмы и вычислительные методы): Пер. с англ. – М.: Энергия, гл..

Влах, И. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / И. Влах, К. Сингхал. М.: Радио и связь, 1988. гл..

Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. пособие: в 2-х ч. Ч.

1 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – гл. 3.

Раздел 3. Анализ нелинейных резистивных цепей Чуа Л. О., Лин П.-М. Машинный анализ электронных схем (алгоритмы и вычислительные методы): Пер. с англ. – М.: Энергия, гл..

Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. пособие: в 2-х ч. Ч.

1 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – гл. 3.

Раздел 4. Анализ нелинейных динамических цепей Чуа Л. О., Лин П.-М. Машинный анализ электронных схем (алгоритмы и вычислительные методы): Пер. с англ. – М.: Энергия, гл..

Влах, И. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / И. Влах, К. Сингхал. М.: Радио и связь, 1988. гл..

Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. пособие: в 2-х ч. Ч.

1 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – гл. 3.

Раздел 5. Анализ чувствительности и шумов электронных цепей Влах, И. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / И. Влах, К. Сингхал. М.: Радио и связь, 1988. гл..

Чуа Л. О., Лин П.-М. Машинный анализ электронных схем (алгоритмы и вычислительные методы): Пер. с англ. – М.: Энергия, гл..

Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DESIGNLAB 8.0. – М.: СОЛОН-Р, 2003 – Раздел 6. Модели электронных компонентов Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DESIGNLAB 8.0. – М.: СОЛОН-Р, 2003 – Рабаи Ж. М., Чандракасан А., Николич Б. Цифровые интегральные схемы, 2-е издание.: Пер. с англ. – М.: ООО «И. Д. Вильямс», 2007. – Архангельский А. Я. PSpice и Design Center. Схемотехническое моделирование. Модели элементов. Макромоделирование. – М.: МИФИ, Реализация графика учебного процесса и самостоятельной работы График учебного процесса и самостоятельной работы по дисциплине «Компьютерное моделирование электронных цепей и устройств» приведен в Приложении.

1. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DESIGNLAB 8.0. – М.: СОЛОН-Р, 2003 – 704 с.

2. Хайнеман Р. Компьютерное моделирование работы электронных схем: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс, 2005. – 336 с.: ил.

3. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью MicroCap 7. М. Горячая линия – Телеком, 2003. 367 с.

4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.: ил.

5. Рабаи Ж. М., Чандракасан А., Николич Б. Цифровые интегральные схемы, 2-е издание.: Пер. с англ. – М.: ООО «И. Д. Вильямс», 2007. – 912 с 6. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. пособие: в 2-х ч.

Ч. 1 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 270 с.

7. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Том 1.

Моделирование элементов аналоговых систем. 6-е изд., перераб. и доп. М.:

«Солон-Пресс», 2006. – 672 с.

8. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Том 2.

Моделирование элементов телекоммуникационных и цифровых систем. 6-е изд., перераб. и доп. М.: «Солон-Пресс», 2006. – 640 с.

9. Болотовский Ю. И., Таназлы Г. И. ORCAD 9.x, ORCAD 10.x.

Практика моделирования. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. – 208 с.

10. Архангельский А. Я. PSpice и Design Center. Схемотехническое моделирование. Модели элементов. Макромоделирование. – М.: МИФИ, 1996.

11. Архангельский А. Я. PSpice и Design Center. Модели цифровых и аналого-цифровых устройств. Идентификация параметров моделей. – М.:

МИФИ, 1996.

12. Влах, И. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / И. Влах, К. Сингхал. М.: Радио и связь, 1988. 560 с.

13. Чуа Л. О., Лин П.-М. Машинный анализ электронных схем (алгоритмы и вычислительные методы): Пер. с англ. – М.: Энергия, 1980.

14. Автоматизация схемотехнического проектирования / В. Н.

Ильин, В. Т. Фролкин, А. И. Бутко / под ред. В. Н. Ильина. – М.: Радио и связь, 1987.

15. Hayt, W. H. Engineering circuit analysis / Hayt W. H., Kemmerly J.

E., Durbin S. M. New York, McGraw-Hill, 2002. – 781 p.

16. Sedra, A. S. Microelectronic circuits / A. S. Sedra, K. C. Smith. NewYork, Oxford, Oxford University Press, 2004. - 1283 p.