整理第10章可编程模拟器件与电子电路仿真软件.docx
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整理第10章可编程模拟器件与电子电路仿真软件
第10章可编程模拟器件与电子电路仿真软件
内容提要近年来,模拟集成电路的设计工艺,模拟器件的功能,模拟电子电路的设计方法、设计手段等得到了快速的发展。
本章简单介绍功能可通过编程方式改变的模拟器件-ispPAC的原理及应用;改变了传统的模拟电子电路设计方法、设计手段的EDA软件-Multisim8的功能及应用。
10.1在系统可编程模拟电路(ispPAC)原理与应用
在系统可编程模拟电路(InSystemProgrammableAnalogCircuit,简称)是Lattice公司推出的一种新型模拟集成电路,目前主要有5种芯片:
ispPAC10,ispPAC20,ispPAC30,ispPAC80和ispPAC81。
通过开发软件PAC-Designer及相应的配套硬件,可以改变ispPAC的内部连接和元件参数,从而获得用户所需的特定功能集成电路。
在系统可编程模拟电路可用于工业自动化、电子测量、通信等领域。
器件的在系统可编程性能给用户设计、修改电路带来了极大的方便,在PAC-Designer环境下,输入、编辑电路,进行电路特性仿真,仿真通过后,只要用编程电缆将计算机的并行口和电路板联接起来,就可将设计的电路下载至ispPAC中,完成硬件的设计和修改。
10.1.1ispPAC10的结构和原理
1.电路结构
ispPAC10的功能方框图如图10-1所示,包括四个独立的PAC(ProgrammableAnalogCircuits)块、配置存贮器(ConfigurationMemory)、模拟布线池(ARP:
AnalogRoutingPool)、参考电压&自校正单元(Reference&Auto-Calibration)以及isp接口等。
其中,PAC块是ispPAC的核心部分,ARP实现器件内部电路的互连、内部电路与输入/输出引脚之间的连接。
ispPAC10的内部原理图如图10-2所示。
2.PAC块的工作原理
如图10-3所示,每一个PAC块由两个差分输入的仪表用放大器(IA1,IA2)和一个双端输出的输出放大器(OA1)组成。
由于OA1兼有滤波/相加功能,故该PAC块称为Fi/Sum(Filtering/Summation)PAC块。
电路的输入阻抗高达109Ω,共模抑制比为69dB(输入信号频率为10KHz条件下测试),增益调节范围为-10~+10。
输出放大器的反馈电容CF有128种值(1pF~62pF),反馈电阻RF可接入或断开。
各PAC块或PAC块之间可通过模拟布线池ARP实现可编程和级联,以构成1~10000倍的放大器或复杂的滤波器电路。
PAC块的内部结构如图10-4所示。
两个仪表用放大器(IA1,IA2)是具有差分输入、差分输出的放大器,能够将输入差模电压转换为输出差模电流,如图10-5所示,故这种放大器称为跨导运算放大器(OTA:
OperationalTransconductanceAmplifeer)。
该类电路是一种输入电压控制输出电流的增益器件,用跨导gm来表征其放大能力。
当一对差模电压信号Ui+、Ui-输入时,输出端会产生正比于输入电压Ui=Ui+-Ui-的电流,即
图10-1ispPAC10的功能方框图
图10-2ispPAC10的内部原理图
图10-3PAC块的等效电路
图10-4PAC块的内部结构
图10-5仪表用放大器结构
(10-1-1)
(10-1-2)
式中,跨导gm在2μA/V和20μA/V范围内可分10级步进编程,且其极性也可编程控制。
输出放大器是一个双端输入双端输出的运算放大器,其中反馈支路中的电容CF是一个具有128种数值的可编程阵列,反馈放大器IAF的跨导gm固定为2μA/V,其等效为一个反馈电阻RF。
RF的存在,便于组成信号求和电路或去除RF后构成理想积分器。
对图10-4,假设只有一个输入信号Ui1加到IA1,对于a,b两点,根据基尔霍夫电流定理,有
(10-1-3)
即
(10-1-4)
式(10-1-4)中U+、U-分别为OA1同相、反相输入端的电压,Uo=Uo+-Uo-。
根据运放的虚短特性,可知U-=U+,所以可得PAC块的传递函数为
(10-1-5)
令s=jω,则有
(10-1-6)
式中,
、
分别为低频增益、上限截止角频率。
由此可见,PAC块构成了一个有耗积分器(一阶低通滤波器)电路。
与图7-37(d)反相输入式一阶低通有源滤波器的上限截止角频率
对比,可知等效电阻
。
若令IAF的gm3=0,则相当于等效电阻RF断开。
电路则由有耗积分器变成无耗积分器(即理想积分器),其传递函数为
(10-1-7)
若输入放大器IA1、IA2分别输入信号Ui1、Ui2,则总的输出电压Uo应为
(10-1-8)
式中:
IA1的跨导gm1=k1gm=k1×2μA/V;IA2的跨导gm2=k2gm=k2×2μA/V;k1、k2均为可编程的放大倍数,其范围为±1~±10,步进为1。
跨导放大器IAF的跨导gm3是一个固定值,且gm3=2μA/V。
在低频区,式(10-1-8)可改写为
(10-1-9)
式(10-1-6)中PAC块的单边低频增益H(0)为
(10-1-10)
10.1.2其它ispPAC器件的结构和原理
1.ispPAC20器件的结构和原理
ispPAC20的功能方框图如图10-6所示,包括两个独立的PAC块、两个比较器(CP:
Comparator)、一个8位DAC、配置存贮器(E2CMOSMem)、模拟布线池、参考电压、自校正单元以及isp接口等。
图10-6ispPAC20的功能方框图
ispPAC20的内部原理图如图10-7所示。
图10-7ispPAC20的内部原理图
(1)输入控制
外部引脚MSEL作为二选一多路选择器的地址输入端,从两个输入中选择一个作为IA1的输入。
(2)极性控制
跨导放大器IA1、IA2、IA3的增益为-10~+10,IA4的增益极性可控,当外部引脚PC=1时,增益调整范围为-10~-1,当PC=0时,增益调整范围变为+1~+10。
(3)比较器
CP1、CP2为两个可编程双差分比较器,其正、负输入端均可输入差分电压,只有当正输入端的差分电压高于负输入端的差分电压时,比较器才输出高电平。
比较器的输入是可编程的,可以是外部输入、PAC块的输出、固定的参考电压1.5V(或3V)、DAC的输出等。
比较器的输出有两种选择:
直接输出或经异或门(XOR)输出。
(4)DAC
ispPAC20包含一个电压输出型的8位DAC,输入方式可选择:
并行输入、串行JTAG输入、串行SPI输入。
输出为差分形式的双端输出,可以连接器件内部的比较器输入端、仪表放大器的输入端或直接输出。
2.ispPAC30器件的结构和原理
ispPAC30的内部结构与引脚如图10-8所示,内部原理图如图10-9所示,包括四个输入仪表用放大器(IA1~IA4)、两个增强型8位数/模转换器(MDAC1和MDAC2)、两个参考电压基准源(VREF1和VREF2)、两个输出放大器(OA1和OA2)、配置存贮器、模拟布线池、自校正单元以及isp接口等。
图10-8ispPAC30的内部结构与引脚
四个跨导放大器IA1~IA4的增益为-10~+10,其中IA1、IA4的输入端由外部引脚MSEL1、MSEL2确定。
两个输出放大器OA1、OA2为单端输出方式,输出信号范围0~5V,增益带宽积大于15MHz,可偏置为放大器、滤波器、积分器和比较器等模式。
两个独立的内部可控参考电压基准源VREF1和VREF2可分为7级,分别为0.064V、0.128V、0.256V、0.512V、1.024V、2.048V、2.5V。
两个增强型MDAC的参考电压可以为外部信号、内部信号或内部固定DC信号(如内部参考电压基准源VREF1和VREF2)。
模拟布线池的功能强大,所有I/O引脚均可与任何IA或DAC连接,所有IA和DAC的输出也可叠加到任何输出放大器上。
图10-9ispPAC30的内部原理图
3.ispPAC80器件的结构和原理
ispPAC80和ispPAC81都是低通有源滤波器,两者的结构和工作原理完全相同。
它们的滤波频率范围不同、实现的滤波器类型不同。
ispPAC80的滤波范围为50KHz~750KHz,ispPAC81的滤波范围为10KHz~75KHz。
ispPAC80、ispPAC81可实现五阶低通有源滤波器,无需外部元件或时钟。
ispPAC80可实现的滤波器类型有:
Elliptical(椭圆型)、Chebyshev(切比雪夫型)、Bessel(贝赛尔型)、Butterworth(巴特沃斯型)、LinearPhase(线性相位型)、Gaussian(高斯型)和Legendre(拉格朗日型)。
ispPAC81可实现的滤波器类型有:
Elliptical(椭圆型)、Chebyshev(切比雪夫型)、Butterworth(巴特沃斯型)。
可设计两组滤波器,其参数分别偏置在A、B两组E2CMOS存储器中。
ispPAC80的内部结构与引脚如图10-10所示,内部原理图如图10-11所示。
包括一个增益为1、2、5或10可选的差分输入仪表用放大器(IA)、一个五阶低通有源滤波器、一个差分输出放大器(OA)、参考电压基准源&自校正单元、配置存贮器以及isp接口等。
通过片内E2CMOS可配置增益设置和电容器的值,双存储器结构(E2CMOSCfgA、E2CMOSCfgB)可为两个完全不同的滤波器保存配置。
图10-10ispPAC80的内部结构与引脚
图10-11ispPAC80的内部原理图
10.1.3ispPAC的典型应用
1.ispPAC的接口电路设计
要设计ispPAC的接口电路,首先要知道输入信号在器件的输入端IN+(IN-)的允许范围。
需注意,ispPAC系列中不同型号有着不同的输入信号范围。
另外还有两个相关的电压:
共模电压和差分电压。
共模电压是指两个输入端电压的平均值。
差分电压是指两个输入端电压的差值。
信号的共模电压是非常重要的,因为它涉及到可以精确测量的差分信号范围。
例如ispPAC10,输入范围在+1V到+4V之间,最大差分输入范围是3V。
若共模电压选在两个极限电压的中间,即2.5V,则差分信号的范围可达到3V。
如果把共模电压(CMV)移至2V,那么就导致差分信号的范围减少至2V。
ispPAC10器件用+5V电源供电,其内部包含+2.5V基准参考电压,由VREFOUT引脚输出。
VREFOUT引脚只能提供小于50/350μA的输出/输入电流。
在接口电路设计中,若需要+2.5V基准电压,可由VREFOUT引脚直接提供或采用VREFOUT缓冲电路提供。
VREFOUT缓冲电路由图10-3所示的PAC块构成,让输入端开路,反馈通路闭合,则输出放大器OA1的输出电压即为VREFOUT,如图10-12所示。
图10-12VREFOUT缓冲电路
2.增益为整数的电压放大器的设计
如果需要的电压放大倍数绝对值小于10,则只需要利用一个仪表用放大器。
例如,电压放大倍数为8,可将仪表用放大器IA1的增益设置为8,而IA2的增益设置为1且没有输入信号,输出放大器OA1的反馈电阻闭合。
若要求电压放大倍数绝对值在10~20之间,则需要利用两个仪表用放大器(在一个PAC块内)。
例如,要求电压放大倍数为18,可将仪表用放大器IA1的增益设置为10,而IA2的增益设置为8,且两个仪表用放大器的输入信号为同一个输入信号,输出放大器OA1的反馈电阻闭合,根据式(10-1-9),此时的输出为两路增益的相加,如图10-13所示。
图10-13电压放大倍数为18的PAC块
3.开发软件简介
Lattice公司的PAC-Designer软件支持ispPAC系列可编程模拟器件的开发,它为用户提供了一个图形设计输入环境,若选择ispPAC10器件,则其初始界面如图10-2所示,用户只需按设计电路要求,对ispPAC的PAC块内部或PAC块之间进行连线并选择参数(如IA1、IA2等的增益k1、k2,反馈电容CF的数值)即可,电路的设计和调整非常方便。
对于滤波器的设计,PAC-Designer软件中含有专门的“宏”(Macro),只要输入f0、Q等参数,软件即可自动连线、选择参数,生成所需的滤波电路,如双二阶滤波器、巴特沃斯(Butterworth)滤波器、切比雪夫(Chebyshev)滤波器,简化了设计工作。
PAC-Designer软件还集成了一个模拟器(simulator),用于模拟放大器或滤波器的幅频特性及相频特性。
该软件可同时仿真四条幅频特性和四条相频特性,只需输入仿真频率的起始值和终止值、仿真点数、输入节点及输出节点,软件即可绘制相应的频率响应曲线。
10.2Multisim软件及其应用
计算机技术的发展和人们对电子系统设计的新需求,推动了电子电路设计方法和手段的进步,传统的设计手段逐步被EDA(ElectronicDesignAutomation)所取代。
目前常见的EDA软件有:
Protel、Orcad、Pspice和EWB系列软件。
Multisim8软件的前身是EWB(ElectronicsWorkbench),该软件是加拿大IIT(InteractiveImageTechnologies)公司在20世纪80年代后期推出的用于电子电路设计与仿真的EDA软件。
2001年前后,IIT公司对EWB软件进行了较大的改动,将其分为4个基本模块:
Multisim(设计、仿真模块)、Ultiboard(PCB设计模块)、Ultiroute(布线引擎)、Commsim(通信电路分析与设计模块),能完成从电路的设计、仿真到电路板图生成的全过程,这四个模块相互独立,可以分别使用。
10.2.1Multisim8的基本界面
从图10-14可以看出,Multisim8的基本界面主要由菜单栏(MenuBar)、标准工具栏(Standardtoolbar)、视图工具栏(Viewtoolbar)、主工具栏(Maintoolbar)、使用中元件列表(“InUse”List)、仿真开关(SimulateSwitch)、元件工具栏(Componenttoolbar)、设计工具箱(DesignToolbox)、电路工作区(Circuitwindow)、仪器工具栏(Instrumentstoolbar)、电子数据表观察区(Spreadsheetview)、状态栏(Statusbar)等项组成。
1.菜单栏
菜单栏中提供了Multisim8的所有功能的命令,共包含11个菜单,如图10-15所示。
梯形图工具栏
视图工具栏
菜单栏
标准工具栏
仪器工具栏
仿真开关
元件工具栏
使用中元件列表
主工具栏
设计工具箱
状态栏
电路工作区
电子数据表观察区
电路标签
图10-14Multisim8的基本界面
10-15菜单栏
从左到由分别为File(文件)、Edit(编辑)、View(视图)、Place(放置)、Simulate(仿真)、Transfer(传输)、Tools(工具)、Reports(报告)、Options(选项)、Window(窗口)和Help(帮助)。
每个菜单又包含若干个子菜单或菜单项,以执行相关的功能。
2.主工具栏
主工具栏共包含14个按钮和1个下拉列表框,如图10-16所示。
从左到右分别为ToggleDesignToolbox(设计工具箱显示切换)、ToggleSpreadsheetView(电子数据表观察区显示切换)、DatabaseManagement(数据库管理)、CreateComponent(创建元器件)、Run/stopSimulation(运行/停止仿真)、Grapher/Analyses(仿真结果图形显示/分析类型列表)、Postprocessor(仿真结果后处理器)、ElectricalRulesChecking(电气规则检查)、ShowBreadboard(显示当前电路的三维面包板视图)、BackAnnotatefromUltiboard(反向标注)、ForwardAnnotate(正向标注)、InUseList(当前电路使用元器件列表)、Help(帮助)、EducationalWebsite(进入教育网站)、EDA(进入EDA网站)。
10-16主工具栏
3.元件工具栏
Multisim8将所有的元件模型分类后放在13个元件组(componentgroup)中,如图10-17所示。
从左到右分别为Source(信号源)、Basic(基本元件)、Diode(二极管)、Transistor(晶体管)、Analog(模拟元件)、TTL(TTL元件)、CMOS(CMOS元件)、MiscellaneousDigita(其它数字元件)、Mixed(混合元件)、Indicator(显示元件)、Miscellaneous(其它元件)、Electromechanical(机电类元件)、RF(射频元件)。
图10-17最右边的两个按钮方别为PlaceHierarchicalBlock(放置低层模块)、PlaceBus(放置总线)。
图10-17元件工具栏
4.设计工具箱
设计工具箱如图10-18所示。
通过设计工具箱,可以浏览一个工程(project)中包含的不同类型文件,如原理图(schematics)、印制板图(PCBs)、报告(reports);可以观察原理图的层次结构等。
设计工具箱共包含3个标签:
Hierarchy(层次结构)、Visibility(可视图层控制)、ProjectView(工程包含资源查看)。
图10-18设计工具箱
5.电路工作区
电路工作区相当于一个现实工作中的操作平台,电路原理图的绘制、编辑、仿真及波形显示等都在此窗口完成。
6.仪器工具栏
仪器工具栏含有19种用来对电路工作状态进行测试的仪器,如图10-19所示。
从左到右分别为Multimeter(万用表)、FunctionGenerator(信号发生器)、Wattmeter(瓦特表)、Oscilloscope(示波器)、FourChannelOscilloscope(4通道示波器)、BodePlotter(波特仪)、FrequencyCounter(频率计)、WordGenerator(字发生器)、LogicAnalyzer(逻辑分析仪)、LogicConverter(逻辑转换器)、IV-Analysis(伏安特性分析仪)、DistortionAnalyzer(失真分析仪)、SpectrumAnalyzer(频谱分析仪)、NetworkAnalyzer(网络分析仪)、AgilentFunctionGenerator(安捷伦信号发生器)、AgilentMultimeter(安捷伦万用表)、AgilentOscilloscope(安捷伦示波器)、TektronixOscilloscope( 泰克示波器)、MeasurementProbe( 测量探针)。
图10-19仪器工具栏
7.电子数据表观察区
通过电子数据表观察区,用户可以快速地查看、编辑参数,如元件的封装(footprints)、编号(RefDes)、属性(attributes)、设计约束条件(designconstraints)等。
可以一次改变部分或全部元件的参数。
共包含4个标签:
Results(结果)、Nets(网络标号)、Components(元件)、PCBLayers(印制板图层),如图10-20所示。
图10-20电子数据表观察区
8.状态栏
状态栏显示关于当前操作的一些有用信息及鼠标当前所指对象的描述信息。
10.2.2元件库
任何一个电子仿真软件都要有一个供仿真用的元件数据库,习惯称之为元件库。
元件库中元件的数量将直接影响该软件的使用范围,而元件模型的精确程度则影响仿真结果的准确性。
Multisim8中的元件存放在三种不同的数据库中,执行“Tools\Database\DatabaseManager…”命令即可看见数据库管理信息,分别为MasterDatabase、CorporateDatabase、UserDatabase三个数据库。
MasterDatabase存放Multisim8提供的所有的元件,用户不能添加或移动该库中的元件;CorporateDatabase仅在专业版中有效,用于多人共同开发项目时建立共用的元件库;UserDatabase用来存放用户使用Multisim提供的编辑器自行开发的元件模型,或者将MasterDatabase库中的元件修改后存放于此。
MasterDatabase中包含14个元件组(componentgroup),该分类中的前13个与图10-17元件工具栏中的元件组图标相对应,最后一个为梯形图(Ladder_Diagrams),与图10-14中的梯形图工具栏中左边的图标相对应。
每个组中包含若干个系列(componentfamily),每个系列中包含若干个具体的元件。
1.信号源
单击图10-17元件工具栏的左数第1个按钮-Source(信号源)图标
,弹出如图10-21所示的信号源元件选择对话框。
由图10-21可见,Sources组包含6个系列,第2个系列中包含8个元件。
对话框右边各项的说明如下。
(1)Symbol(ANSI)栏:
显示所选择元件的符号,此处采用的是美国国家标准学会标准(ANSI:
AmericanNationalStandardsInstitute)。
(2)Function栏:
显示所选择元件的功能描述。
(3)ModelManuf.\ID栏:
显示元件模型对应真实元件的生产商及元件模型在元件库中的标识符。
(4)FootprintManuf.\Type栏:
显示元件模型对应真实元件的引脚封装的生产商及类型。
(5)OK按钮:
单击该按钮将选择的元件放到工作区(Circuitwindow)。
(6)Close按钮:
单击该按钮不放置元件并关闭该对话框。
(7)Search…按钮:
单击该按钮将弹出如图10-22所示对话框,根据元件所属的组、系列、元件名等信息搜索所需要的元件。
(8)DetailReport…按钮:
单击该按钮将显示元件的详细报告,包括所属的库、组、系列,符号,封装,模型数据等。
(9)Model…按钮:
单击该按钮将仅显示元件的模型数据报告(ModelDataReport)。
(10)Help按钮:
单击该按钮将获得有关放置元件的帮助信息。
图10-21信号源元件选择对话框
图10-22元件搜索对话框
由图10-21可见,Sources组包含6个系列的信号源,分别说明如下。
(1)POWER_SOURCES(电源):
包括交、直流电源,地,数字地,星型、三角形连接的三相电源等。
(2)SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES(信号电压源):
包括交流电压,AM电压,时钟电压,指数电压,FM电压,分段线性电压,脉冲电压,热噪声电压。
(3)SIGNAL_CURRENT_
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