Detail předmětu

Modelling and Simulation in Microelectronics

FEKT-MPA-MSIAk. rok: 2022/2023

Předmět je zaměřen na problematiku počítačového modelování a analýzy elektronických obvodů a mikroelektronických struktur. V rámci předmětu je student seznámen s obecnými principy, možnostmi a omezeními počítačové analýzy elektronických obvodů, významem a použitím jednotlivých typů analýz. Praktické zkušenosti s využitím počítačového modelování a simulací získají studenti při vypracování individuálních projektů zaměřených na vytvoření vlastního modelu elektronické součástky, simulací základních parametrů a chování této součástky a prezentaci získaných výsledků.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

6

Garant předmětu

doc. Ing. Vilém Kledrowetz, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav mikroelektroniky (UMEL)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen:
- obsluhovat nástroj pro počítačovou analýzu a simulaci elektronických obvodů,
- zvolit vhodný typ počítačové simulace a nastavit její parametry v závislosti na požadovaném výstupu,
- provádět počítačovou simulaci elektronických obvodů,
- analyzovat a odstranit případné chyby bránící korektní počítačové simulaci
- získávat, analyzovat a verifikovat výsledky simulací,
- vytvářet modely elektronických analogových i digitálních prvků.

Prerekvizity

Student, který si zapíše tento předmět, by měl být schopen vysvětlit základní fyzikální a elektrotechnické principy; odvodit a analyzovat chování analogových a digitálních elektronických součástek; diskutovat základní pojmy z oblasti pravděpodobnosti a statistiky. Je vhodné absolvování předmětu BMPS a jsou předpokládány znalosti základů počítačových simulací.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky, cvičení na počítači a ostatní aktivity. Předmět využívá e-learning (Moodle). Student odevzdává jeden samostatný projekt.

Způsob a kritéria hodnocení

až 25 bodů za individuální projekt
až 5 bodů za obhajobu individuálního projektu v Cp
až 10 bodů za Cp
až 60 bodů za zkoušku
Odevzdání a obhajoba individuálního projektu jsou nutnými předpoklady pro umožnění absolvování zkoušky. Zkouška je ústní formou a je zaměřena na ověření znalostí možností a způsobů využití počítačového modelování a simulací na příkladech řešených v rámci výuky tohoto předmětu.

Osnovy výuky

1. Úvod do problematiky počítačového modelování a simulací elektronických obvodů a mikroelektronických struktur.
2. Základní postupy, charakteristiky prvků
3. Stejnosměrné analýzy, teplotní analýza
4. Střídavé analýzy, základní kmitočtové a šumové analýzy, zobrazení výsledků střídavé analýzy
5. Časové analýzy, zdroje v časové oblasti, Fourierova analýza
6. Statistické analýzy a optimalizace
7. Hierarchické modelování
8. Základní digitální simulace
9. Digitální zdroje, převod logických úrovní na analogový signál
10. Simulace digitálních obvodů, realizace logické funkce
11. Analýza hazardních stavů digitálních obvodů
12. Smíšené digitálně-analogové obvody a jejich simulace

Učební cíle

Cílem předmětu je navázat na základní znalosti z oblasti návrhu analogových obvodů, polovodičových prvků a mikroelektronických struktur a poskytnout studentům základní orientaci v problematice počítačové analýzy a modelování elektronických a mikroelektronických prvků a obvodů.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Laboratorní výuka a obhajoba individuálních projektů jsou povinné.

Základní literatura

Rashid, M., H.: Introduction to PSpice Using OrCAD for Circuits and Electronics (3rd Edition), Prentice Hall; 2003, ISBN: 978-0131019881 (EN)
Sabah, N. H.: Circuit Analysis with PSpice: A Simplified Approach, CRC Press; 1 edition, 2017, ISBN: 978-1498796040 (EN)

Doporučená literatura

Vladimirescu, A.: The SPICE Book. John Wiley & Sons, Inc., 1994. ISBN 0-471-60926-9. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPA-MEL magisterský navazující 1 ročník, zimní semestr, povinný
  • Program MPAD-MEL magisterský navazující 1 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Vilém Kledrowetz, Ph.D.

Osnova

Modelování, analýza, simulace. Typy modelů, typy analýz. Nejčastější cíle analýzy elektronických obvodů.
Softwarové nástroje pro simulaci. Popis možností dostupných analyzačních a simulačních programů.
Struktura programů založených na symbolických algoritmech. Metody zadávání vstupních dat. Soubory podporující simulaci. Mechanismy výpočtů obvodových funkcí. Mechanismy získávání numerických výsledků.
Struktura numerických simulátorů se zaměřením na OrCadPSpice. Filozofie modelování. Struktura vstupních souborů a jejich tvorba.
Zásady tvorby netlistu. Modely základních obvodových prvků. Příkaz .model. Subobvody a práce s nimi.
Základní typy analýz - rozdělení a vlastnosti. Syntaxe.
Rozšiřující typy analýz - rozdělení a vlastnosti. Teplotní analýza - přehledově.
Zásady práce se schématickým editorem. Práce s projekty v OrCadPSpice. Simulační profily. Práce s postprocesorem PROBE.
Analýza "Transient". Práce s počátečními podmínkami a stejnosměrným pracovním bodem. Hledání ustálených stavů. Fourierova analýza.
Analýza "DC".
Analýza "AC". Šumová analýza.
Analýzy .TF a .SENS.
Teplotní analýza.
Vyhodnocovací analýza.
Statistická analýza.
Optimalizační analýza.
Tvorba hierarchických modelů v PSpice.
Konvergenční problémy a způsoby jejich překonávání. Práce s globálními podmínkami simulace. Práce s příkazem .NODESET.

Cvičení na počítači

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Vilém Kledrowetz, Ph.D.

Osnova

Úvodní hodina. Práce s programem SNAP 2.6.
Práce s programem SNAP 2.6.
Úvod do programu OrCAD PSpice. Práce v textovém módu. Zadání projektu.
Úvod do programu OrCAD PSpice. Práce v schématickém editoru
Řešení vzorových příkladů na různé typy analýz.
Analýza "Transient". Fourierova analýza. Práce na projektu.
Analýzy "AC" a "DC". Šumová analýza. Práce na projektu.
Analýzy .TF, .SENS. Praktické přezkoušení.
Krokování, teplotní a vyhodnocovací analýza. Práce na projektu.
Analýzy "Monte Carlo" a "Worst Case". Práce na projektu.
Optimalizace. Práce na projektu.
Hierarchické modelování. Práce na projektu.
Finální práce na projektu.

Projekt

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Vilém Kledrowetz, Ph.D.

Osnova

Projekty:

Individuální projekt:
Zadání projektu (2. týden).
Průběžná kontrola (3.-11. týden).
Prezentace projektu (12.-13. týden).
Odevzdání (14. týden).