МОДЕЛИРОВАНИЕ_И_РАСЧЕТ_ХАРАКТЕРИСТИК_ЭЛЕМЕНТОВ_ИНТЕГРАЛЬНЫХ_СХЕМ

Лабораторная работа № 2 Исследование видов анализа и характеристик активных компонентов при

моделировании по программе SPICE

Цель работы:

-ознакомление с видами анализа SPICE-моделирования;

-расчет схем с помощью программы схемотехнического анализа SPICE.

Порядок выполнения работы

1.Создание проекта с помощью программы формирования принципиальных схем Capture.

2.Создание списка соединений Netlist.

3.Анализ схем с помощью AC Sweep analysis.

4.Модуляция сигнала в SPICE(AM modulation).

5.Сглаживающий фильтр. Параметрические зависимости. Использование режима parametric sweep.

AC Sweep analysis

Рассмотрим данный вид анализа на примере схеме с синусоидальным напряжением, частота которого изменяется в заданном диапазоне. Программа вычислит соответствующие напряжение, амплитуду и фазу для каждой частоты. Если входная амплитуда установлена 1V, то выходное напряжение – это по существу передаточная функция. В отличие от анализа переходных процессов, в котором моделирование выполняется в некотором промежутке времени, AC Sweep – это моделирование устойчивых состояний схемы. Если схема содержит нелинейные элементы, например диоды или транзисторы, то эти элементы будут заменены на модели для малых сигналов с соответствующими параметрами.

В качестве примера рассмотрим простой RC-фильтр:

Рис. 2.1. Схема RC-фильтра

1.Создайте новый проект и соберите схему.

2.В качестве источника напряжения используйте VAC из библиотеки

Source.

3.Установите значение входной амплитуды 1V.

12

4.Выберите тип анализа AC Sweep/Noise (PSPICE\New Simulation Profile).

5.Введите начальное и конечное значение частоты и число точек. В нашем случае мы используем 0.1Hz, 10kHz и 11 соответственно.

6. Запустите моделирование (PSPICE\Run).

7. Напряжение может быть показано в децибелах. Для этого из списка Functions or Macros выберите функцию DB(), а затем из списка Simulation Output Variables – V(out). Для фазы используйте функцию P().

Построить графики P(V(OUT)) и DB (V(OUT)).

Модулированный сигнал (AM modulation)

Амплитуда модулированного сигнала определяется следующим выражением

vam (t) = [ A + Vm cos(2pf m t)] cos(2pf c t ) = A[1 + m cos(2pf m t)] cos(2pf c t ) ,

13

в котором синусоидальный высокочастотный сигнал несущей частоты модулируется синусоидальным сигналом частоты f m. Частотой модуляции может быть любой сигнал, где m – индекс модуляции.

Для модуляции сигнала в PSPICE может использоваться функция умножения MULT из библиотеки ABM.

Рассмотрим следующую схему:

Рис. 2.2. Схема модулятора

Рис. 2.3. Результат анализа переходных процессов (Transient)

Посмотрите анализ Фурье смоделированного выходного сигнала. Для этого

нажмите иконку на главной панели инструментов. Спектр Фурье будет отображен. Вы можете изменить значения на оси X: для этого щелкните прямо на ней левой кнопкой мыши два раза. Появится окно Axis Settings, в котором вместо

Auto Range установите User Defined и введите значения 0Hz и 10kHz.

14

Parametric sweep

Постройте зависимость выходного напряжения от сопротивления резистора нагрузки. Для этого необходимо использовать элемент PARAM из библиотеки

Special.

Рис. 2.5. Схема сглаживающего фильтра с элементом PARAM

1.Щелкните два раза левой кнопкой мыши на значении резистора R1 и измените его на {RLval} (обязательно в фигурных скобках). PSPICE интерпретирует выражение, стоящее в фигурных скобках, как числовое выражение. Нажмите OK.

2.Добавьте к схеме элемент PARAM из библиотеки Special.

3.Щелкните два раза левой кнопкой мыши на этом элементе. Откроется таблица свойств. Добавьте новую колонку, нажав на кнопку New Column, и в поле Name введите RLval (без фигурных скобок), а в поле Value введите 500, как показано ниже.

4. Вы увидите, что новая колонка RLval появилась и в ней записано значение 500.

16

11.Запустите моделирование PSPICE\Run.

12.Когда моделирование закончится, появится окно Available Sections. Выберите All и нажмите OK.

Результат моделирования представить в графическом виде.

Контрольные вопросы.

1.В каком формате описываются резисторы для моделирования в программе

PSpice?

2.В каком формате описываются конденсаторы для моделирования в программе PSpice?

3.В каком формате описываются постоянные источники напряжения для моделирования в программе PSpice?

4.В каком формате описываются импульсные источники напряжения для моделирования в программе PSpice?

5.Показать, как рассчитывается номинал резистора по вольт-амперной характеристике.

6.Каков формат описания и список параметров модели биполярного транзистора?

7.Каков формат описания и список параметров модели полевого транзистора?

8.В каком режиме моделирования в программе PSpice можно получить частотные характеристики схемы?

18

Лабораторная работа № 3

Программа параметрической оптимизации SPICE Optimizer

Цель работы: исследование возможностей программы параметрической оптимизации.

Анализ схемы по переменному току в заданном частотном диапазоне

(AC Sweep)

Создайте схему оптимизируемого блока - блока дифференциального усилителя (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Дифференциальный усилитель по КМОП–технологии.

На затвор транзистора M4 с помощью источника переменного напряжения подается синусоидальный сигнал с параметрами Offset value (смещение) 2 B, Amplitude (амплитуда) –700 мкВ, Frequency (частота) 100 Гц, Phase angle (фаза) 90°. На затвор транзистора M3 подается постоянное напряжение, равное 2 В.

Рис.3.2. Текстовое описание моделей транзисторов Построить зависимость малосигнального коэффициента усиления (дБ) от

частоты (диаграмма Боде), полученная с использованием частотного анализа AC Sweep/ Noise на малом сигнале 1 В (1 Vac).

19

Спецификация (specification) описывает желательное поведение проекта в терминах целей и ограничений.

Изменяя геометрические размеры МОПТ, необходимо добиться некоторого улучшения технических характеристик дифференциального усилителя:

1.полоса пропускания (BW) при коэффициенте усиления 12,87 дБ была равной

35кГц - цель оптимизации;

2.малосигнальный коэффициент усиления по напряжению (Gain) на частоте

10кГц был не менее 25 дБ - ограничение.

Начальные значения L и W принимаются равными 5 мкм, максимально допустимые значения — 100 мкм.

Попытайтесь улучшить технические характеристики усилителя на частотах до 100 кГц - «приподнять» частотную характеристику выходного напряжения Vout по коэффициенту усиления и «расширить» по полосе пропускания.

Наиболее важная характеристика — это ширина полосы пропускания. Обычно ее измеряют по уровню 3 дБ от максимального коэффициента усиления: LPBW(Vdb(out),3) или так называемая полоса пропускания 3 дБ, на границах которой выходное напряжение падает до 70,7%.

а) б)

Рис.3.3. Оптимизация схемы дифференциального усилителя:

а) по малосигнальному коэффициенту усиления; б) по полосе пропускания

Контрольные вопросы.

1.Объяснить зависимость тока стока ID от напряжения VDS и температуры.

2.Какие статические характеристики необходимо моделировать для элемента?

3.Как определяются статические параметры по передаточной характеристикам ЛЭ?

4.Как определяются статические параметры по входной и выходной характеристикам ЛЭ?

20