محاكاة الدوائر الإلكترونية

تستخدم محاكاة الدوائر الإلكترونية نماذج رياضية لمحاكاة سلوك جهاز أو دائرة إلكترونية حقيقية. يتيح برنامج المحاكاة نمذجة عمل الدائرة، وهو أداة تحليلية لا غنى عنها. ونظرًا لقدرته العالية على النمذجة الدقيقة، تستخدم العديد من الكليات والجامعات هذا النوع من البرامج في تدريس برامج فنيي الإلكترونيات وهندسة الإلكترونيات . يُشرك برنامج محاكاة الإلكترونيات مستخدميه من خلال دمجهم في عملية التعلم. تُحفز هذه التفاعلات المتعلمين على تحليل المحتوى وتركيبه وتنظيمه وتقييمه، مما يُسهم في بناء معارفهم بأنفسهم. ^{[ 1 ]}

يمكن لمحاكاة سلوك الدائرة قبل بنائها فعليًا أن تُحسّن كفاءة التصميم بشكل كبير، وذلك من خلال تحديد عيوب التصميم، وتوفير فهم أعمق لسلوك تصميمات الدوائر الإلكترونية. فعلى وجه الخصوص، في الدوائر المتكاملة ، تُعدّ أدوات التصنيع ( الأقنعة الضوئية ) باهظة الثمن، ولوحات التجارب غير عملية، كما أن فحص سلوك الإشارات الداخلية أمر بالغ الصعوبة. لذلك، يعتمد تصميم الدوائر المتكاملة بشكل كبير على المحاكاة. يُعدّ برنامج SPICE أشهر برامج محاكاة الدوائر التناظرية ، بينما تُعتبر برامج محاكاة الدوائر الرقمية القائمة على لغتي Verilog و VHDL من أشهرها .

تتضمن بعض برامج محاكاة الإلكترونيات محررًا للمخططات ، ومحرك محاكاة، وشاشة عرض للموجات (انظر الشكل 1)، مما يسمح للمصممين بتعديل الدائرة المحاكاة بسرعة وملاحظة تأثير التغييرات على المخرجات. كما تحتوي عادةً على مكتبات واسعة من النماذج والأجهزة. تشمل هذه النماذج عادةً نماذج ترانزستورات خاصة بالدوائر المتكاملة مثل BSIM، ومكونات عامة مثل المقاومات والمكثفات والمحاثات والمحولات ، ونماذج مُعرَّفة من قِبل المستخدم (مثل مصادر التيار والجهد المُتحكَّم بها، أو نماذج مكتوبة بلغة Verilog-A أو VHDL-AMS ). يتطلب تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) نماذج خاصة أيضًا، مثل خطوط النقل للمسارات ونماذج IBIS لتشغيل واستقبال الإلكترونيات.

على الرغم من وجود برامج محاكاة دوائر إلكترونية تناظرية بحتة ^{[ 2 ]} ، فإن برامج المحاكاة الشائعة غالبًا ما تتضمن إمكانيات محاكاة تناظرية ورقمية تعتمد على الأحداث ^{[ 3 ]} ، وتُعرف ببرامج المحاكاة المختلطة أو برامج محاكاة الإشارات المختلطة إذا كانت قادرة على محاكاة كليهما في آن واحد. ^{[ 4 ]} يمكن إجراء تحليل كامل للإشارات المختلطة من مخطط متكامل واحد. توفر جميع النماذج الرقمية في برامج المحاكاة المختلطة تحديدًا دقيقًا لزمن الانتشار وتأخيرات زمن الصعود/الهبوط.

تُعدّ خوارزمية الأحداث التي توفرها محاكيات الوضع المختلط خوارزمية عامة الأغراض، وتدعم أنواع البيانات غير الرقمية. على سبيل المثال، يمكن للعناصر استخدام قيم حقيقية أو صحيحة لمحاكاة وظائف معالجة الإشارات الرقمية أو مرشحات البيانات المأخوذة عينات منها. ولأن خوارزمية الأحداث أسرع من حل مصفوفة SPICE القياسي، فإن وقت المحاكاة ينخفض ​​بشكل كبير للدوائر التي تستخدم نماذج الأحداث بدلاً من النماذج التناظرية. ^{[ 5 ]}

تتم معالجة المحاكاة المختلطة على ثلاثة مستويات: باستخدام العناصر الرقمية الأولية التي تستخدم نماذج التوقيت ومحاكي المنطق الرقمي المدمج ذو 12 أو 16 حالة، وباستخدام نماذج الدوائر الفرعية التي تستخدم بنية الترانزستور الفعلية للدائرة المتكاملة ، وأخيرًا، باستخدام تعبيرات المنطق البولياني المضمنة .

تُستخدم التمثيلات الدقيقة بشكل أساسي في تحليل مشاكل خطوط النقل وسلامة الإشارة ، حيث يلزم فحص دقيق لخصائص الإدخال/الإخراج للدوائر المتكاملة. تُعدّ تعابير المنطق البولياني دوالًا لا تتطلب تأخيرًا، وتُستخدم لتوفير معالجة فعّالة لإشارات المنطق في بيئة تناظرية. تستخدم تقنيتا النمذجة هاتان برنامج SPICE لحل المشكلة، بينما تستخدم الطريقة الثالثة، وهي العناصر الرقمية الأولية، إمكانية الوضع المختلط. لكل طريقة من هذه الطرق مزاياها وتطبيقاتها المستهدفة. في الواقع، تتطلب العديد من عمليات المحاكاة (خاصةً تلك التي تستخدم تقنية التحويل التناظري/الرقمي) الجمع بين الطرق الثلاث. لا تكفي أي طريقة بمفردها.

يُستخدم نوع آخر من المحاكاة، وهو الخوارزميات الخطية القطعية ^{[ 6 ]} ، بشكل أساسي في مجال إلكترونيات القدرة . تعتمد هذه الخوارزميات على محاكاة تناظرية (خطية) حتى يُغير مفتاح إلكتروني القدرة حالته. عندئذٍ، يُحسب نموذج تناظري جديد لاستخدامه في فترة المحاكاة التالية. تُحسّن هذه المنهجية سرعة المحاكاة واستقرارها بشكل ملحوظ. ^{[ 7 ]}

ثمة نهج آخر يُقلل بشكل كبير من زمن محاكاة محولات الوضع التبديلية، ويعتمد على دوائر سلوكية متوسطة تُطبق نموذج المحث المُبدَّل. ^{[ 8 ]}  في هذا النهج، تُجرى المحاكاة على الإشارات والجهود والتيارات المتوسطة، وبالتالي تُنفذ بسرعة أكبر. ومن مزايا هذا النهج أيضًا إمكانية إجراء محاكاة في كلٍّ من المجال الزمني والمجال الترددي. ويمكن استخدام المجال الترددي لاستخراج دوال النقل في كلٍّ من الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة. ^{[ 9 ]}

تحدث اختلافات في عملية التصنيع أثناء عملية تصميم الدوائر، وغالبًا ما لا تأخذ برامج محاكاة الدوائر هذه الاختلافات في الحسبان. قد تكون هذه الاختلافات طفيفة، ولكن عند جمعها معًا، يمكنها أن تُغير مخرجات الشريحة بشكل ملحوظ.

يمكن أيضًا نمذجة تغير درجة الحرارة لمحاكاة أداء الدائرة من خلال نطاقات درجات الحرارة. ^{[ 10 ]}

إحدى الطرق الشائعة لمحاكاة أنظمة الدوائر الخطية هي استخدام مصفوفات السماحية ، أو مصفوفات Y. تتضمن هذه التقنية نمذجة المكونات الخطية الفردية كمصفوفة سماحية ذات N منفذ، وإدخال مصفوفة Y الخاصة بكل مكون في مصفوفة سماحية عقدية للدائرة ، وتركيب نهايات المنافذ عند العقد التي تحتوي على منافذ، وإزالة المنافذ التي لا تحتوي على عقد من خلال اختزال كرون ، وتحويل مصفوفة Y النهائية إلى مصفوفة S أو Z حسب الحاجة، واستخراج القياسات المطلوبة من مصفوفة Y أو Z أو S.

• مقارنة بسيطة بين الطرق المختلفة باستخدام WCCA
• محاكاة الدوائر الإلكترونية في مشروع الدليل المفتوح