[科普中國]-仿真電算

仿真電算是指使用數(shù)學(xué)模型來對電子電路的真實行為進行模擬的工程方法。

簡介仿真電算是指使用數(shù)學(xué)模型來對電子電路的真實行為進行模擬的工程方法。

仿真系統(tǒng)可以對電路的功能行為進行模擬，而不需要建立實際的電路（這過程可能繁瑣而昂貴），因此它是一種很有實用價值的工具。由于仿真系統(tǒng)對真實情況的模擬越來越逼真，許多大學(xué)、研究機構(gòu)都會使用這類工具來輔助電子工程方面的教學(xué)。由于電子電路仿真系統(tǒng)一般具有較好的圖形化界面，它們常常可以使用戶有身臨其境的感覺。對于初學(xué)者，他們可以在仿真軟件的幫助下進行分析、綜合、組織和評估所學(xué)的知識。

在構(gòu)建實際的電路之前，對設(shè)計進行仿真驗證，可以大大地提高設(shè)計效率。這是由于，設(shè)計人員可以在構(gòu)建電路之前，預(yù)先觀察、研究電路的行為，而不必為電路的物理實現(xiàn)付出時間和經(jīng)濟的成本。尤其是集成電路，在物理上實現(xiàn)電路所需的光掩模等電子工藝成本不菲，而集成電路的高復(fù)雜性又在面包板上面難以實現(xiàn)，用傳統(tǒng)的方法研究電路的行為較為困難。因此，幾乎所有的集成電路設(shè)計都較為依賴仿真。最著名的模擬仿真是SPICE，而最著名的數(shù)字電路仿真器都是基于Verilog或VHDL的。

一些電子仿真系統(tǒng)集成了原理圖編輯器、仿真引擎、波形顯示功能，這樣使用戶可以輕松地觀察電路行為的即時狀態(tài)。通常，仿真系統(tǒng)也會包括擴展模型以及電子元件庫。其中模型主要包括集成電路專用的晶體管模型，例如BSIM；而元件庫會提供很多通用元件，如電阻器、電容器、電感元件、變壓器和用戶定義的模型（例如受控的電流源、電壓源），此外還可以提供Verilog-A或VHDL-AMS中的一些模型）。印刷電路板設(shè)計還要求專用的模型，例如線路走線的傳輸線模型和IBIS模型等。1

類型盡管存在嚴格的模擬信號電子電路仿真器，大多數(shù)仿真器同時包含模擬和事件驅(qū)動的數(shù)字仿真器。它們通常被稱為混合模式仿真器（mixed-mode simulators）。這意味著，大多數(shù)仿真系統(tǒng)都包含模擬、數(shù)字兩部分元件。這樣，混合信號處理就可以在同一個集成原理圖上完成。在混合模式仿真系統(tǒng)中，數(shù)字模式提供了對于時序、上升沿、下降沿延遲的準確規(guī)定。

混合模式模擬器提供了事件驅(qū)動的算法，并支持非數(shù)字類型的數(shù)據(jù)。例如，可以使用實型數(shù)（real）和整數(shù)（integer）來模擬數(shù)字信號處理器或數(shù)據(jù)采樣濾波器的功能。由于事件驅(qū)動算法比標準的SPICE矩陣解決方案更快，因此使用事件驅(qū)動算法來替代模擬類型的模型，可以節(jié)省時間。

混合模式仿真分為以下三個層次：

采用原始的數(shù)字化元素和時序模型的數(shù)字邏輯仿真器

采用集成電路實際晶體管拓撲結(jié)構(gòu)的子電路模型

采用邏輯代數(shù)表達式

在傳輸線模型、信號完整性的分析中，需要對集成電路的輸入輸出端口的性質(zhì)進行仔細檢查，這時要應(yīng)用精確的電路描述。邏輯代數(shù)表達式是不具備時間延遲函數(shù)的，在模擬環(huán)境中，它們可以提供對于邏輯信號的處理。這兩個模型使用了SPICE來解決問題，而在第三種方法中，則使用了仿真器的混合模型。上述的每一種方法，都有各自的優(yōu)點，并適應(yīng)著不同的應(yīng)用場合。事實上，許多仿真系統(tǒng)（尤其是那些涉及模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換的情況）需要各種方法的綜合，單獨依靠某一個途徑不足以解決問題。

另外一類仿真主要是針對電力電子技術(shù)，它們具有分段線性（piecewise linear）的算法模型。2

復(fù)雜性在硅集成電路的制造中，由于工藝的水平，可能造成其電氣屬性與標稱值有一定的偏差，而電路仿真器常常并沒有考慮到這些在實際的硅集成電路中存在的偏差。這些參數(shù)的偏差可能很小，但是常常在整個電路中累積起來會嚴重地影響芯片的輸出。

溫度也會造成偏差，不過有一些技術(shù)可以對溫度的影響進行建模，從而允許設(shè)計人員在對電路仿真時檢查它在不同溫度下的性能。3

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

方正 - 副教授 - 江南大學(xué)