[科普中国]-宏模型

基本概念

宏模型（Macromodel）是一种能够模拟集成电路和系统静态和动态特性的等效表示，它可以是电路、符号，也可以是数学公式或表格。若是电路，它可能由最少元件最简结构来组成宏模型电路，因此用宏模型代替元件级模型来分析电路，可以极大地节省时间，节省计算机内存。

对宏模型的基本要求（1）摸拟精度要高：要求在外端特性上， 宏模型能够精确地模拟原电路的主要特性，一般要求误差小于10%。

（2）结构要力求简单： 和原电路相比， 一般要求宏模型在节点数量上、元件数量上大大减少，计算时间减少到五分之一到十分之一。必要时根据分析目的不同，可以把宏模型分解成为直流、交流小信号或交流大信号等几个密梗型以求简化。

（3）参量要易于提取易于计算： 要求垒部密模犁参量能从产品手册上给出的原电路数据方便地计算得出。

（4）通用性强： 宏模型的输入输出端子应和原电路管脚一一对应， 便于使用。调节宏模型参量，应能适应同一类型中更多集成电路的规格和型号。

（5）适应性强： 宏模型的形式应能适应多数通用电路分析程序。

宏模型的建模宏模型设计框图如下：

宏模型有多种不同的建模方法1，现简述如下：

简化法简化法就是简化原电路的方法，简化的步骤，可逐步删去对电路性能影响不大的元件。必要时可先计算电路中各元件的灵敏度，然后删去灵敏度低的元件。此外，对复杂的偏置电路，有源负载电路可以用理想的元件取代等等。简化法是在原电路的基础上进行的，宏模型和原电路很相象，因此物理概念清楚，计算灵敏度也容易用计算机实现，但是简化程度往往受到限制。

构造法构造法也就是“黑盒法”， 它可能脱离原有电路重新建立一个新的电路模型，使它的外端特性和原电路一致。宏模型的结构可以和原电路无关，甚至没有什么物理意义，构造法建立的宏模型可以使电路得到很大程度的简化，但要求设计者有较高的水平。

列表法这种宏模型不包含电路元件，首先是对原电路进行预分析或电路实测，得出在不周负载下所有输入输出特性，然后将这些数据全部存放在表格中。作电路分析时，只需要很少的计算时间，但要求精度较高时，则必须列出大量的多维数表，将会占用很大的内存。

符号法符号法是用代数一差分方程来代替原电路的数学表达式，然后用符号运算方法来化简。这种宏模型多数是与功能有关，不要求有准确一致的拓扑结构，有较大的适应性。

模拟集成电路和系统的特点是电路的性能指标比较复杂，它不仅依赖于输入信号的大小、波形和频率，还和负载的大小、性质等许多因素有关。宏模型常用的建模方法是简化法和构造法或是两者的综合运用。在上述的运放宏模型例子中，前级运用了简化法，中间级和后级是运用了构造法。

数字集成电路和系统的特点是存在着大量重复出现的于网络，而分析的重点在于电平的高低以及上升、下降、延迟的时间关系等等。目前宏模型常用的建模方法是列表法、符号法等。

宏模型技术的发展宏模型不仅用于分析单片集成电路，而且对于分析整个电路系统都有着重要的意义。因此白70年代以来，宏模型的研究就受到国内外学者的重视，现已有了很大的发展，但仍有许多问题有待于研究和探索。

广泛研究各种电路的宏模型目前对于运放宏模型的研究已经发表了不少文章，但在大信号条件下能同时适用于分析时域和频域的运放宏模型还有待于深入探讨，电视机用的集成电路和功能块的宏模型也有人在研究，只是尚不成熟，很少看到正式的报导乘法器、锁相环以及摸拟和数字的VESI电路系统等都是急待开发的领域。

建立宏模型库宏模型库具有重大的实用价值，在作电路系统分析时可以方便地调。为此应使宏模型通用化，加强适应性，能应用于通用的电路分析程序。

研究模拟一数字混合集成电路宏模型目前在一个芯片上有模拟一数字电路的混合集成电路日益增多，要研究有统一接口能兼容模拟电路和数字电路的宏模型。

宏模型参数的自动提取和自动建摸宏模型参数的确定有时是很困难的，因此需要利用优化方法实现自动提取参量，这样宏模型就能取得更好的模拟效果。此外要研究原电路主要特性对应于主要元件的依赖关系，将这些关系和建模原则输入计算机，计算机将能自动地建立起宏模型。

实例分析为了开展集成电路计算机分析的研究工作，我们在BCM-S68000小型计算机上引进移植了SPICE程序。这个程序是由美国加州大学伯克莱分校开发研制成功的，目前已成为世界公认的最有效最为流行的程序之一。SPICE程序的全名是Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis，因此特别适宜于集成电路的分析，这个程序为我们研究集成电路宏模型提供了重要的分析工具。

为建立实用的宏模型库， 我们开展了运放宏摸型的研究，并对各种不同类型的电路进行模拟。根据用户的要求，新设计了负稳压电源的宏模型，这个宏模型是综合了简化法和构造法而建立的，利用SPICE程序来修改参数井验证结果。图1是负稳压电源LM120H-15的基本电路，图2是它的宏模型，图中e1、g1、h 是三种不同性质的非线性受控，表1列出了技术指标和模拟的结果。这个模型还可以很好地模拟出纹波抑制比和输出阻抗随频率变化的关系。若在宏模型中增加热敏电阻和相应的受控源，就可以模拟-55℃、+25℃ 、+125℃ 等不同温度时，静态电流随输入电压和输出电流变化的规律，所得的模拟曲线和原特性曲线的一致性很好。

图1

图2

表1