Расчет ТТЛ схемы со сложным инвертором

При расчете ТТЛ схем на Pspice необходимо учитывать следующее:

- К выходу исследуемой схемы необходимо подключить такую же схему, иначе данная схема будет функционировать некорректно, это относится к большинству логических схем, за исключением схем на МДП-транзисторах,

- Для схемы И-НЕ в качестве нагрузочной схемы выступает схема НЕ,

- В PSpice отсутствует модель многоэмиттерного транзистора, поэтому такой транзистор необходимо представить несколькими обычными, подключая их базы и коллекторы к одинаковым узлам

 

Файл с описанием схемы:

 

Переходная характеристика ТТЛ схемы с нагрузкой

Vsup 5 0 5V

* Подаем на входы ступеньки разной длины

Vin1 2 0 PULSE(0 5 0NS 20NS 20NS 200NS 440NS)

Vin2 3 0 PULSE(0 5 0NS 20NS 20NS 90NS 220NS)

* Многоэмиттерный транзистор моделируем двумя обычными

Q1a 7 1 2 ktme

Q1b 7 1 3 ktme

* Остальные транзисторы

Q2 6 7 8 kt317

Q3 9 6 10 kt317

Q4 11 8 0 kt317

* Нагрузочной схемы

Q5 12 4 11 ktme

Q6 13 12 14 kt317

Q7 15 13 16 kt317

Q8 17 14 0 kt317

* Прочие элементы

R1 5 1 2.5k

R2 5 6 800

R3 5 9 60

R4 8 0 500

D1 10 11 D226

R5 5 4 2.5k

R6 5 13 800

R7 5 15 60

R8 14 0 500

D2 16 17 D226

Cn 11 0 15p

* Модели транзисторов и диода

.model KT317 NPN(Is=1.e-13 Bf=200 Vaf=74 Var=30

+ Rb=230 Rc=15 Re=2 Cje=1pF Cjc=3pF Tf=12.e-9 Tr=7.e-8)

* Многоэмиттерный транзистор должен иметь маленький коэффициент

* передачи базового тока в инверсном режиме (Br<0.1)

.model KTme NPN(Is=1.e-13 Bf=200 Br=0.05 Vaf=74 Var=30

+ Rb=230 Rc=15 Re=2 Cje=1pF Cjc=3pF Tf=12.e-9 Tr=7.e-8)

.model D226 D(Is=1.e-10 N=1.2 TT=2.2e-9 Cjo=2pF)

* Расчет переходной характеристики

.TRAN 10nsec 500nsec

.PROBE

.end

 

 

Рис. 64. ТТЛ схема с нагрузкой и пронумерованными узлами

 

 

3.3. ГРАФИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР PROBE

Результаты моделирования, полученные с помощью программы PSpice, заносятся в файл с расширением.DAT (по умолчанию <имя входного файла>.DAT), если в задание на моделирование включена директива.PROBE. Графическая обработка этих данных производится с помощью программы Probe. Программа вызывается с клавиатуры командой

 

>probe [опции] <файл данных>

 

или автоматически из управляющей оболочки после успешного завершения работы программы PSpice, если предварительно установлен режим Auto-Run. Здесь используются следующие опции:

/C <имя файла> - задание имени командного файла, который будет выполняться в текущем сеансе работы с Probe. Он создается с помощью обычного текстового редактора и может содержать те же команды, что и доступны в меню Probe, со следующими дополнениями: 1) имя команды может вводиться целиком или только по его первой букве; 2) любая строка, начинающаяся с символа *, воспринимается как комментарий; 3) пустые строки игнорируются и могут добавляться для улучшения «читаемости» командного файла; 4) команды @CR, @DWN, @UP используются для представления клавиш <Enter>, <вниз>, <вверх> соответственно; 5) команда Pause прерывает выполнение командного файла до нажатия любой клавиши. В каждой строке должна располагаться одна команда. После того, как командный файл выполняется до конца, пользователь может вводить команды с клавиатуры;

/D <имя файла> - задание имени файла конфигурации для текущего сеанса работы с Probe. Файл содержит описание типов дисплея и принтера.

/L <имя файла> - задание имени файла протокола, в который записываются все команды текущего сеанса работы. В дальнейшем файл протокола может по желанию редактироваться и использоваться в качестве командного файла (см. опцию /C). В процессе редактирования можно добавить пустые строки для улучшения «читаемости», вставить команду Pause для наблюдения промежуточных результатов, удалять команду Exit Program, чтобы после окончания выполнения командного файла не происходил автоматический выход из программы. Кроме того, возможно добавление или удаление любой команды:

/M <имя файла> - значение имени файла макроса (по умолчанию PROBE.MAC). Макросы, определенные в файле макросов, считываются во время работы программы Probe;

/S <имя файла> - задание имени файла (по умолчанию PROBE.DSP), в котором сохраняются текущие атрибуты вывода результатов на дисплей. К ним относятся число графиков на экране, характер масштаба по координатным осям (линейный или логарифмический), вид разметки по осям (автоматическая или ручная) и т. д.

После вызова программы Probe на экран выводится начальное меню:

Graphic Post-Processor for PSpice

Circuit: <заголовок задачи>

Date/Time run: <дата и время текущего сеанса>

Temperature: <температура>

Exit_program De_sweep Ac_sweep Transient_analysis

 

В начальном меню перечислены виды расчетов, выполненных при моделировании рассматриваемой цепи, заголовок который указан в верхней левой части экрана. Поэтому состав меню для каждой конкретной задачи определяется перечнем директив в задании на моделирование. В нем предусматривается набор следующих режимов:

Exit_program – завершение работы с процессором Probe;

Dc_sweep – построение графиков передаточной функции по постоянному току;

Ac_sweep – построение графиков частотных характеристик;

Transient_analysis – построение графиков переходных процессов.

Если входной файл содержит задание на моделирование нескольких схем или одной схемы при нескольких значениях температуры или другого параметра (файл данных для Probe в этом случае состоит из нескольких секций), то после указания вида расчета выводится меню выбора:

Exit – возвращение в начальное меню;

All_<тип анализа> - построение графиков всех вариантов расчета (предлагается только при вариации параметров схемы или температуры);

Select_sections – выбор из выводимого на экран списка только тех данных, графики которых должны быть построены.

После выбора того или иного режима на экран выводится координатная сетка графика, по горизонтальной оси которого откладывается независимая переменная, соответствующая выбранному режиму (эта переменная изменяется в последующем по желанию пользователя). В нижней части экрана выводится меню режима. Команды этого меню имеют следующий смысл:

Exit – возвращение в предыдущее меню.

Add Trace – добавление кривой на графике. На графики выводятся зависимости выходных переменных или арифметических выражений, содержащих эти переменные (см. ниже).

Remove Trace – удаление одного или всех графиков.

X (Y) Axis – установка диапазона изменения переменных по оси X(Y) с помощью подкоманд:

Log (Linear) – установка логарифмического (линейного) масштаба по координатным осям;

Auto_Range – вывод части графика в заданном диапазоне значений переменных, задаваемого по формату:

<значение>, <значение> или (<значение>, <значение>)

Restruct_data – установка диапазона переменных по оси X для вычисления преобразования Фурье и других функций, таких как s(x), AVG(x), RMS(x), MIN(x), MAX(x);

X_variable – изменение имени переменной, откладываемой по оси X (так, например, можно построить базовый портрет). По умолчанию по оси X откладывается независимая переменная;

Fourier – преобразование Фурье всех функций, графики которых выведены на экран дисплея (отметим, что в отличие от этого режима по директиве.FOUR рассчитывается спектр процесса по последнему периоду его реализации, т.е. спектр процесса в стационарном режиме). Спектр процесса представляет собой комплексную величину, модуль, фаза, действительная и мнимая части которой выводятся на экран по тем же правилам, что и в режиме AC. Если на экран выведен график частной характеристики, то рассчитывается обратное преобразование Фурье;

Quit_fourier – завершение работы с преобразованием Фурье;

Plot_Control – управление построением графиков с помощью следующих команд:

Add_Plot – размещение на одном экране графиков отдельных (до 20) координатных сетках с одинаковым масштабом по оси X и произвольным по оси Y;

Remove_Plot – удаление с экрана выбранной координатной сетки вместе с построенными графиками. Оставшиеся координатные сетки масштабируются таким образом, чтобы заполнить весь экран;

Select_Plot – активация одной из координатных сеток, в которой в данный момент строятся графики. Слева от активной координатной сетки устанавливается метка SEL>>;

Use_sybols (Do_not_use_symbols) – разрешение (запрещение) нанесения на различные графики специальных графических символов (кружки, ромбики и др.);

Display_control – сохранение в файле атрибутов дисплея для последующей автоматической установки при запуске программы Probe. К данным атрибутам относится число координатных сеток на экране, выбор линейного или логарифмического масштаба по осям X и Y и т. д. Перечислим подкоманды этого режима:

Restore – считывание атрибутов из файла с указанным именем;

List_displays – вывод списка имен всех файлов, в которых сохранены атрибуты дисплея;

View_display_detail – просмотр атрибутов, хранящихся в файле с указанным именем;

One (All)_delete – удаление одного (всех) файлов атрибутов. При выходе из программы Probe атрибуты экрана всегда сохраняются в файле LAST_SESSION.

Macros – вызов меню макросов, содержащего следующие команды:

Define_macro – создание нового макроса. Стандартная форма макроса следующая:

<имя макроса>([аргумент[, аргумент])] = <описание>

Аргументы описываются непосредственно вслед за именем макроса без пробелов. Макросы могут содержать ссылки на другие макросы, однако рекурсивные вызовы не допускаются. Макро-файл PROBE.MAC может редактироваться с помощью обычного текстового редактора;

Modify_macro – изменение любого макроса;

Copy_macro – копирование существующего макроса под другим именем;

List_Macros – вывод списка всех макросов;

One_delete – удаление определенного макроса;

All_delete – удаление всех макросов.

Примеры записи макросов: ADD (A, B) = A + B 10X(A) = 10*A

Hard_copy – вывод графиков на принтер или графопостроитель. При этом драйвер конкретного устройства вывода должен быть указан в файле конфигурации PROBE.DEV (см. разд. 1.2);

Cursor – считывание координат точек на графиках с помощью двух электронных курсоров. Курсоры могут быть связанны с одной или двумя кривыми. Первый курсор перемещается с одной кривой на другую нажатием клавиш <Ctrl><влево> и <Ctrl><вправо>, второй – соответственно <Shift><Ctrl><влево> и <Shift><Ctrl><вправо>. Первый курсор перемещается вдоль выбранной кривой с помощью клавиш <влево> и <вправо>, второй – соответственно <Shift><Ctrl><влево> и <Shift><Ctrl><вправо>. Первый курсор перемещается вдоль выбранной кривой с помощью клавиш <влево> и <вправо>. Каждое нажатие приводит к перемещению по графику на один пиксель. Если клавиша удерживается в нажатом состоянии, то перемещение происходит блоками по 10 пикселей. Для перехода в начало или конец графика используются клавиши <Home> и <End> соответственно. Для перемещения второго курсора используются те же клавиши, но с добавлением <Shift>. Манипулятором «мышь» также можно управлять курсорами: левая клавиша управляет первым курсором, правая – вторым. Текущие значения координат курсоров и их разность выводятся непосредственно в нижней правой части экрана.

В режиме Add_Trace выводится запрос на ввод нескольких или одной переменной или выражений, откладываемых по вертикальной оси графика:

Enter variable or expressions:

Различные кривые на одном графике выделяются на цветном мониторе цветом, при выводе на черно-белый принтер или графопостроитель – различными значками.

При вводе переменных в программе Probe соблюдаются следующие условия. Символы в верхнем и нижнем регистрах не различаются, за исключением масштабных суффиксов m=10 и M=10. Остальные суффиксы в программе Probe имеют те же значения что и программе PSpice, за исключением отсутствующих в программе Probe суффиксов MEG и MIL. Кроме того, в программе Probe используются следующими суффиксами для простановки единиц размерности на осях координат:

V – ватты;

A – амперы;

W – ватты;

d – градусы;

s – секунды;

H – герцы.

 

В программе Probe также определено, что W = V*A, V = W/A, A=W/V. Так, если построить график выражения V(5)*ID(M13), то ось ординат автоматически будет размечена в ваттах. Формат переменных такой же, как в программе PSpice, за небольшим исключением. Во-первых, по формату В(Кххх) выводится магнитная индукция сердечника трансформатора (в гауссах): по формату Н(Кххх) - напряженность магнитного поля, где Кххх — имя магнитного сердечника. Во-вторых, при входе спектральной плотности напряжения выходного шума вместо имени переменной ONOISE следует указать V(ONOISE), аналогично при выводе спектральной плотности напряжения входного шума вместо INOISE указывается V(INOISE), а при выводе спектральной плотности тока входного шума — I(INOISE).

В качестве независимых переменных в режиме DC выступает напряжение или ток варьируемого источника, в режиме АС -частота, а в режиме TRAN — время. Размерность вертикальной оси графика устанавливается автоматически в соответствии с ти­пом имени переменной. Например, в режиме АС при построении графики модуля напряжения V(t) ось у получит размерность в вольтах, фазы этого напряжения VP(1) — в градусах, а группового времени запаздывании VG(1) — и секундах.

На график можно вывести не только значения отдельных переменных, но и выражения, вкоторых допускаются следующие математические операции:

+, —, *, / — арифметические операции;

ABS(x) — абсолютное значение х;

SGN(x) — знак числа х (+ 1 при х>0, 0 при х = 0 и —1 при х<0);

SQRT(x) — корень квадратный из х;

EXP(x) — экспонента числа х;

LOG(x) — натуральный логарифм х;

LOG10(x) — десятичный логарифм х;

DВ(х) — значение числа х в децибелах, равное 201g(ABS(x))

PWR(x, у) — степенная функция х^у;

SIN(x) — синус х (х в радианах);

СOS(x) — косинус х (х в радианах);

TAN (x) — тангенс х (х в радианах);

ATAN(x). ARCTAN(x) — арктангенс x врадианах;

d(у) — производная от переменной у по переменной, откладываемой на горизонтальной оси,

S(у) — интеграл от переменной y по переменной, откладываемой на горизонтальной оси;

AVG(y) — текущее среднее значение переменной у;

RMS(y) — текущее среднеквадратическое отклонение переменной у.

MIN(x) — минимальное значение переменной х;

MAХ(х) — максимальное значение переменной х;

Например, можно вывести графики переменных V(5), V(INOISE) или выражений SIN(V(5))/7.536, V (3, 5)*I(D2), RMS(V(R1)*I(RI)).

 

Литература

 

1. У. Тилл, Дж. Лаксон Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление. М. 1985.

2. Р. Маллер, Т. Кейминс Элементы интегральных схем. М. 1989.

3. Сугано Т., Икома Т., Такэиси Ё. Введение в микроэлектронику. Пер. с яп. - М.: Мир, 1988.-320с., ил.

4. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. М, “Радио и связь”, 1990, 254с

5. Шагурин И.И. Транзисторно-транзисторные логические схемы. Под редакцией Ю.Е. Наумова. М, “Сов. радио”, 1974, 160с

6. Пономарев М.Ф., Коноплев Б.Г. Конструирование и расчет микросхем и микропроцессоров: Учеб. Пособие для вузов. М, “Радио и связь”, 1986, 176с

7. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и Pspice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ, Выпуск 2. М, “Радио и связь”, 1992, 64с

8. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / П.П. Мальцев, Н.С. Долидзе, М.И. Критенко и др. - М.: Радио и связь, 1994. - 240 с.: ил.

9. Богданович М.И., Грель И.Н. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник. Минск. 1996.

10. Д. Линн, Ч. Мейера. Анализ и расчет интегральных схем

11. Валиев К.А., Кармазинский А.Н., Королев М.Р. Цифровые схемы на МДП-транзисторах. М. 1971.

12. Коледов А.А., Волков Н.И. и др. Конструирование и технология микросхем. М. 1984.

13. Аваев И.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. М. 1991.

14. Р. Кроуфорд. Схемные применения МОП-транзисторов. Мир 1970.

15. Интегральные схемы на МДП-транзисторах. Пер. с англ. под ред. А.И. Кармазинского. М. 1975.

16. Р Кобболд. Теория и применение полевых транзисторов. Энергия 1975.

17. Агаханян Т.М., Плеханов. Интегральные триггеры устройств автоматики.

18. Арсенид галлия в микроэлектронике. Под ред. Н. Айненрука, У. Уиссмена Мир 1988.

19. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология. Под ред. Д.В. Ди Лоренцо, Д.Д. Канделуола. М. Радио и связь. 1988.

20. Шур Михаил, Современные приборы на основе арсенида галлия: Пер. с англ.-М.: Мир, 1991.-632 с., ил.

21. И.И. Шагурин, К.О. Петросянц Проектирование цифровых микросхем на элементах инжекционной логики.

22. Н.А. Аваев, В.Н. Дулин, Ю.Е. Наумов. Большие интегральные схемы с инжекционным питанием.