宏模型

宏模型（Macromodel）是一種能夠模擬積體電路和系統靜態和動態特性的等效表示，它可以是電路、符號，也可以是數學公式或表格。宏模型建模方法主要有簡化法、構造法、列表法、符號法。目前的宏模型應通用化，加強適應性，能套用於通用的電路分析程式。

基本介紹

• 中文名：宏模型
• 外文名：Macromodel
• 學科：控制科學與工程
• 表示方法：電路、符號等
• 優勢：通用性、適應性強
• 建模方法：簡化法、構造法等

基本概念

宏模型（Macromodel）是一種能夠模擬積體電路和系統靜態和動態特性的等效表示，它可以是電路、符號，也可以是數學公式或表格。若是電路，它可能由最少元件最簡結構來組成宏模型電路，因此用宏模型代替元件級模型來分析電路，可以極大地節省時間，節省計算機記憶體。

對宏模型的基本要求

（1）摸擬精度要高：要求在外端特性上， 宏模型能夠精確地模擬原電路的主要特性，一般要求誤差小於10%。

（2）結構要力求簡單： 和原電路相比， 一般要求宏模型在節點數量上、元件數量上大大減少，計算時間減少到五分之一到十分之一。必要時根據分析目的不同，可以把宏模型分解成為直流、交流小信號或交流大信號等幾個密梗型以求簡化。

（3）參量要易於提取易於計算： 要求壘部密模犁參量能從產品手冊上給出的原電路數據方便地計算得出。

（4）通用性強： 宏模型的輸入輸出端子應和原電路管腳一一對應， 便於使用。調節宏模型參量，應能適應同一類型中更多積體電路的規格和型號。

（5）適應性強： 宏模型的形式應能適應多數通用電路分析程式。

宏模型的建模

宏模型設計框圖如下：

宏模型有多種不同的建模方法，現簡述如下：

簡化法

簡化法就是簡化原電路的方法，簡化的步驟，可逐步刪去對電路性能影響不大的元件。必要時可先計算電路中各元件的靈敏度，然後刪去靈敏度低的元件。此外，對複雜的偏置電路，有源負載電路可以用理想的元件取代等等。簡化法是在原電路的基礎上進行的，宏模型和原電路很相象，因此物理概念清楚，計算靈敏度也容易用計算機實現，但是簡化程度往往受到限制。

構造法

構造法也就是“黑盒法”， 它可能脫離原有電路重新建立一個新的電路模型，使它的外端特性和原電路一致。宏模型的結構可以和原電路無關，甚至沒有什麼物理意義，構造法建立的宏模型可以使電路得到很大程度的簡化，但要求設計者有較高的水平。

列表法

這種宏模型不包含電路元件，首先是對原電路進行預分析或電路實測，得出在不周負載下所有輸入輸出特性，然後將這些數據全部存放在表格中。作電路分析時，只需要很少的計算時間，但要求精度較高時，則必須列出大量的多維數表，將會占用很大的記憶體。

符號法

符號法是用代數一差分方程來代替原電路的數學表達式，然後用符號運算方法來化簡。這種宏模型多數是與功能有關，不要求有準確一致的拓撲結構，有較大的適應性。

模擬積體電路和系統的特點是電路的性能指標比較複雜，它不僅依賴於輸入信號的大小、波形和頻率，還和負載的大小、性質等許多因素有關。宏模型常用的建模方法是簡化法和構造法或是兩者的綜合運用。在上述的運放宏模型例子中，前級運用了簡化法，中間級和後級是運用了構造法。

數字積體電路和系統的特點是存在著大量重複出現的於網路，而分析的重點在於電平的高低以及上升、下降、延遲的時間關係等等。目前宏模型常用的建模方法是列表法、符號法等。

宏模型技術的發展

宏模型不僅用於分析單片積體電路，而且對於分析整個電路系統都有著重要的意義。因此白70年代以來，宏模型的研究就受到國內外學者的重視，現已有了很大的發展，但仍有許多問題有待於研究和探索。

廣泛研究各種電路的宏模型

目前對於運放宏模型的研究已經發表了不少文章，但在大信號條件下能同時適用於分析時域和頻域的運放宏模型還有待於深入探討，電視機用的積體電路和功能塊的宏模型也有人在研究，只是尚不成熟，很少看到正式的報導乘法器、鎖相環以及摸擬和數字的VESI電路系統等都是急待開發的領域。

建立宏模型庫

宏模型庫具有重大的實用價值，在作電路系統分析時可以方便地調。為此應使宏模型通用化，加強適應性，能套用於通用的電路分析程式。

研究模擬一數字混合積體電路宏模型

目前在一個晶片上有模擬一數字電路的混合積體電路日益增多，要研究有統一接口能兼容模擬電路和數字電路的宏模型。

宏模型參數的自動提取和自動建摸

宏模型參數的確定有時是很困難的，因此需要利用最佳化方法實現自動提取參量，這樣宏模型就能取得更好的模擬效果。此外要研究原電路主要特性對應於主要元件的依賴關係，將這些關係和建模原則輸入計算機，計算機將能自動地建立起宏模型。

實例分析

為了開展積體電路計算機分析的研究工作，我們在BCM-S68000小型計算機上引進移植了SPICE程式。這個程式是由美國加州大學伯克萊分校開發研製成功的，目前已成為世界公認的最有效最為流行的程式之一。SPICE程式的全名是Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis，因此特別適宜於積體電路的分析，這個程式為我們研究積體電路宏模型提供了重要的分析工具。

為建立實用的宏模型庫， 我們開展了運放宏摸型的研究，並對各種不同類型的電路進行模擬。根據用戶的要求，新設計了負穩壓電源的宏模型，這個宏模型是綜合了簡化法和構造法而建立的，利用SPICE程式來修改參數井驗證結果。圖1是負穩壓電源LM120H-15的基本電路，圖2是它的宏模型，圖中e1、g1、h 是三種不同性質的非線性受控，表1列出了技術指標和模擬的結果。這個模型還可以很好地模擬出紋波抑制比和輸出阻抗隨頻率變化的關係。若在宏模型中增加熱敏電阻和相應的受控源，就可以模擬-55℃、+25℃ 、+125℃ 等不同溫度時，靜態電流隨輸入電壓和輸出電流變化的規律，所得的模擬曲線和原特性曲線的一致性很好。

圖1

圖2

表1