Задание

Лабораторная работа выполняется по подгруппам (табл.1).

Таблица 1

Варианты заданий для подгрупп

1.Описать предложенный логический элемент как макромодель.

2.Выполнить моделирование входной и передаточной характеристик логического эле- мента для различных вариантов коэффициента разветвления по выходу (N = 0; 1; 2).

3. Провести моделирование выходной характеристики логического элемента при VIN = VIN1 для различных вариантов коэффициента объединения по входу (L = 1; 2).

4. Провести моделирование выходной характеристики логического элемента при VIN = VIN0

для различных вариантов коэффициента объединения по входу (L = 1; 2).

5. По полученным в результате моделирования характеристикам определить измеряемые статические параметры и заполнить форму табл.2.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Форма таблицы 2

Измеряемые параметры логического элемента

Методика выполнения лабораторной работы

1. Каждую электрическую схему можно представить как макромодель функциональ- ного элемента с внешними выводами: подключенным источником питания VDD, имею- щим вход (или входы) и выход (или выходы) (рис.4).

VDD

Рис.4. Представление функционального элемента

в виде макромодели

Если в описании схемы имеется функциональный (или повторяющийся) элемент, то используют компонент в виде макромодели (subcircuit). Описание макромодели начинает- ся с директивы .SUBCKT и заканчивается директивой .ENDS. Между этими директивны- ми строками помещается описание компонентов, входящих в состав макромодели, в фор-

мате PSpice.

.SUBCKT <имя макромодели> <список внутренних узлов для соединения с внешними цепями>

(описание компонентов функционального элемента)

.ENDS

Имена узлов и компонентов в описании макромодели являются локальными. Поэтому в основной схеме и в макромодели могут быть использованы совпадающие имена. При обращении к какому-нибудь компоненту макромодели применяют составные имена. На-

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

пример, резистор R1 в макромодели X1 будет иметь составное имя X1.R1. При описании компонентов макромодели можно использовать другие макромодели, т.е. использовать иерархическую структуру описания схемы. Включение макромодели в описание верхнего уровня осуществляется предложением:

X<идентификатор> <список внешних узлов в соответствии с порядком списка внут- ренних узлов в макромодели > <имя макромодели>

Например: схема элемента, приведенная на рис.5,а,

Рис.5. Схема элемента как макромодели: а – RTL-элемент; б – n-МОП-элемент

имеет внешние выводы 1-VDD, 2-Input, 4-Output. При описании ее в виде макромоде- ли запишем:

.SUBCKT RTL 1 2 4 Q1 4 3 0 0 MODT R1 2 3 10K

R2 1 4 1K

.ENDS

Модель транзисторов может быть описана в верхнем уровне описания схемы. Пара- метры моделей транзисторов можно взять из лабораторной работы № 2.

2. Для моделирования входной и передаточной характеристик можно использовать одну схему моделирования (рис.6), поскольку в этих характеристиках снимается зависи- мость от источника входного напряжения VIN. Для получения входной характеристики выводим входной ток I(VIN) (рис.6,а), а для передаточной характеристики – выходное на- пряжение V(3). Передаточная характеристика моделируется при разных коэффициентах разветвления по выходу N (количество подобных элементов, подключенных к выходу ис- следуемого элемента) (рис.6,б,в).

Три схемы моделирования можно описать в одном пакете данных. Включение макро- модели в основное описание схемы (рис.6,а) будет следующим: все внутренние выводы элемента-макромодели должны быть подсоединены к соответствующим узлам в схеме верхнего уровня.

X<идентификатор> <узлы соединения> <имя макромодели>

Например: элемент RTL имеет внутренние выводы, описанные в порядке VDD, Input, Output. В соответствии с выбранным порядком описания внутренних выводов макромо- дель соединяют с внешними узлами схемы моделирования (см. рис.6,а) VDD-1, Input-2, Output-3.

X1 1 2 3 RTL

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Рис.6. Схема для моделирования входной и семейства передаточных характеристик (N = 0, N = 1, N = 2): а – входной и передаточной характеристик при N = 0; б – входной и передаточной характеристик при N = 1; в – входной и передаточной характеристик при

N = 2

3. Схема моделирования выходной характеристики приведена на рис.7.

б

Рис.7. Схема моделирования выходной характеристики: а – L = 1; б – L = 2

Для формирования входных напряжений на исследуемом элементе необходимых уровней используются задающие элементы. При моделировании выходной характеристи- ки вводится источник выходного напряжения VOUT и по результатам моделирования вы- водится значение его выходного тока I(VOUT) равного сумме токов, протекающих через выходной резистор и коллектор транзистора.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Количество подобных элементов, соединенных входами, обозначается L – коэффициен- том объединения по входу. На рис.7 приведены две схемы моделирования для различных значений коэффициента L. Можно объединить эти две схемы моделирования в одном пакете исходных данных.

Выходную характеристику моделируют для двух случаев: когда входное напряжение со- ответствует наибольшему значению VIN1 = VDD и наименьшему значению VIN0 = земля. Для получения семейства выходных характеристик при высоком напряжении VIN1 на входе иссле- дуемого элемента необходимо к задающему элементу подключить VIN = 0 (так как элемент инвертирующий), для низкого входного напряжения VIN0 задают VIN = VDD.

4. Статические измеряемые параметры определяются по статическим характеристикам.

бочих точках 0 и 1.

VPп – напряжение в точке переключения передаточной характеристики (пороговая точка), т.е. точка пересечения передаточной характеристики с прямой VOUT = VIN В этой точке соот- ветственно VOUTРп = VINРп . Также Рп называют точкой неустойчивого равновесия, поскольку из этого состояния элемент равновероятно может перейти в состояние 1 или 0.

VПЗ0 , VПЗ1 – помехозащищенность по уровню 0 и 1, определяется как минимально допусти- мое постоянное напряжение помехи, которое приводит к изменению логического состояния.

VПЗ0 = VРп - VIN0 ;

VПЗ1 = VIN1 - VРп .

VIN0 D , VIN1 D – входное напряжение в точках единичного усиления.

реключения).

VПУ0 , VПУ1 – помехоустойчивость по уровню 0 и 1, определяется как максимально допусти-

мое постоянное напряжение помехи, которое не приводит к изменению логического состоя- ния.

VПУ0 = VIN0 D - VIN0 ;

VПУ1 = VIN1 - VIN1 D .

Многие эти параметры, за исключением входных и выходных токов, можно определить по передаточной характеристике (рис.8).

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Для определения точек единичного усиления выполним дополнительное построение, чтобы получить зависимость коэффициента усиления. Для этого после моделирования пере- даточной характеристики выполним следующее:

Trace → Add Trace → в левой колонке выбираем VOUT → в правой колонке Analog Operators and Functions параметр ∂(VOUT) – обозначает дифференциал выходного напря- жения, а ∂(VOUT)/∂(VIN) – коэффициент усиления. В точках D0 и D1 коэффициент усиления должен быть равен 1.

Рис.10. Определение точки переключения Рп и точек единичного усиления D0 и D1

По входной характеристике можно определить входные токи в рабочих точках Р0 и Р1, соответствующих входным напряжениям VIN0 , VIN1 (рис.11).

IIN

I1IN P1

Рис.11. Определение входных токов по входной характеристике

По выходным характеристикам, соответствующим входным напряжениям VIN0 , VIN1 , мож- но определить выходные токи в рабочих точках Р0 и Р1 при выходных напряжениях VOUT0 , VOUT1

(рис.12).

Рис.12. Определение выходных токов по выходным характеристикам

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com