Přednášky

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ


Modelování a simulace v mikroelektronice
Počítačová cvičení
Garant předmětu:
Ing. Jaroslav Kadlec, Ph.D.

Autor textu:
Ing. Jaroslav Kadlec, Ph.D.

Brno 1. 12. 2007
2 FEKT Vysokého učení technického v Brně
Obsah
1  ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU.......................................... 9 
1.1  ÚVOD DO PŘEDMĚTU ....................................................................................................... 9 
1.2  OSNOVA CVIČENÍ ............................................................................................................ 9 
2  ZÁKLADNÍ POSTUPY, CHARAKTERISTIKY PRVKŮ ......................................... 10 
2.1  ODPOROVÝ DĚLIČ ......................................................................................................... 10 
2.2  ODPOROVÁ SÍŤ R-2R ..................................................................................................... 11 
2.3  MODEL KŘEMÍKOVÉ DIODY ........................................................................................... 12 
2.4  VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY BIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU .......................................... 13 
2.5  VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY UNIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU........................................ 15 
3  STEJNOSMĚRNÉ ANALÝZY ...................................................................................... 17 
3.1  ODPOROVÝ MŮSTEK ...................................................................................................... 17 
3.2  ŘÍZENÍ ZDROJE .............................................................................................................. 19 
3.3  TEPLOTNÍ ANALÝZA ...................................................................................................... 19 
3.4  NASTAVENÍ PRACOVNÍHO BODU ZESILOVAČE S BJT ..................................................... 20 
3.5  ODPOROVÝ MODEL ........................................................................................................ 21 
4  STŘÍDAVÉ ANALÝZY .................................................................................................. 23 
4.1  RC ČLÁNEK ................................................................................................................... 23 
4.2  ZÁKLADY KMITOČTOVÉ A ŠUMOVÉ ANALÝZY ............................................................... 24 
4.3  ZOBRAZENÍ VÝSLEDKŮ STŘÍDAVÉ ANALÝZY ................................................................. 26 
4.4  KMITOČTOVÁ ANALÝZA BJT ZESILOVAČE .................................................................... 28 
5  ČASOVÉ ANALÝZY ...................................................................................................... 29 
5.1  LC OSCILÁTOR .............................................................................................................. 29 
5.2  ZDROJE V ČASOVÉ OBLASTI ........................................................................................... 30 
5.3  ČASOVĚ OMEZENÝ SIGNÁL ............................................................................................ 31 
5.4  FOURIEROVA ANALÝZA ................................................................................................. 32 
5.5  ČASOVÁ ANALÝZA BJT ZESILOVAČE ............................................................................ 33 
5.6  DEMODULÁTOR AM SIGNÁLU ....................................................................................... 35 
5.7  LISSAJOUSOVY OBRAZCE .............................................................................................. 35 
6  STATISTICKÉ ANALÝZY A OPTIMALIZACE ....................................................... 37 
6.1  MONTE CARLO ANALÝZA .............................................................................................. 37 
6.2  ANALÝZA NEJHORŠÍHO PŘÍPADU – WORST CASE .......................................................... 38 
6.3  PÁSMOVÁ ZÁDRŽ .......................................................................................................... 39 
6.4  DIODA - OPTIMALIZACE ................................................................................................. 42 
7  HIERARCHICKÉ MODELOVÁNÍ .............................................................................. 46 
7.1  INVERTOR CMOS – STATICKÉ VLASTNOSTI .................................................................. 46 
7.2  INVERTOR CMOS – DYNAMICKÉ VLASTNOSTI .............................................................. 47 
7.3  INVERTOR CMOS – BATERIOVÉ NAPÁJENÍ .................................................................... 48 
7.4  KRUHOVÝ OSCILÁTOR ................................................................................................... 49 
8  ZÁKLADNÍ DIGITÁLNÍ SIMULACE ......................................................................... 53 
8.1  INVERTOR...................................................................................................................... 53 
8.2  KRUHOVÝ OSCILÁTOR ................................................................................................... 54 
8.3  GENERÁTOR PILOVITÉHO PRŮBĚHU ............................................................................... 56 
Modelování a simulace v mikroelektronice 3
8.4  ÚROVNĚ ČÍSLICOVÝCH SIGNÁLŮ .................................................................................... 57 
8.5  HAZARDY ...................................................................................................................... 58 
9  DIGITÁLNÍ ZDROJE .................................................................................................... 60 
9.1  PŘEVOD DIGITÁLNÍCH ÚROVNÍ NA ANALOGOVÝ SIGNÁL ................................................ 60 
9.2  DIGITÁLNÍ ZDROJ SIGNÁLU A BCD DEKODÉR ................................................................ 61 
9.3  ČÍTAČ IMPULSŮ .............................................................................................................. 62 
9.4  DĚLIČKA FREKVENCE .................................................................................................... 64 
9.5  GENERÁTOR S DERIVAČNÍMI ČLÁNKY ............................................................................ 65 
10  DIGITÁLNÍ SIMULACE – REALIZACE LOGICKÉ FUNKCE ............................. 68 
10.1 REALIZACE LOGICKÉ FUNKCE ........................................................................................ 68 
10.2 MINIMALIZACE LOGICKÉ FUNKCE .................................................................................. 70 
10.3 MULTIPLEXOR ............................................................................................................... 72 
10.4 MODEL LOGICKÉ FUNKCE .............................................................................................. 72 
11  DIGITÁLNÍ SIMULACE NEJHORŠÍHO PŘÍPADU ................................................ 76 
11.1 ČASOVÁ NEJEDNOZNAČNOST ......................................................................................... 76 
11.2 KONVERGENČNÍ HAZARD ............................................................................................... 78 
11.3 KRITICKÝ HAZARD ......................................................................................................... 79 
11.4 KUMULATIVNÍ HAZARD ................................................................................................. 81 
11.5 REKONVERGENČNÍ HAZARD ........................................................................................... 82 
12  SMÍŠENÉ DIGITÁLNĚ-ANALOGOVÉ SIMULACE ............................................... 84 
12.1 AD PŘEVODNÍK S DVOJSKLONNOU INTEGRACÍ ............................................................... 84 
13  SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ........................................................................... 90 
14  PŘÍLOHA I: VYTVOŘENÍ MODELU SOUČÁSTKY DO PROGRAMU ORCAD
CAPTURE Z FORMÁTU PSPICE NETLIST ............................................................. 91 
15  PŘÍLOHA II: KONVERGENČNÍ PROBLÉMY ........................................................ 94 
15.1 POŽADAVKY NEWTON-RAPHSON ALGORITMU ............................................................... 94 
15.2 ZÁKLADNÍ ZPŮSOBY ZAJIŠTĚNÍ KONVERGENCE U ANALÝZY PRACOVNÍHO BODU A
STEJNOSMĚRNÉ ANALÝZY .............................................................................................. 94 
15.2.1  Krokování napájecího napětí ..................................................................... 94 
15.2.2  Úprava parametrů modelu součástky ........................................................ 94 
15.2.3  Ošetření P-N přechodu tranzistoru sériovým odporem ............................. 94 
15.2.4  Přidání chybějícího svodového odporu ..................................................... 95 
15.2.5  Úprava spínačů .......................................................................................... 95 
15.3 KONVERGENCE U BEHAVIORÁLNĚ MODELOVANÝCH SOUČÁSTEK .................................. 95 
15.3.1  Omezení rozsahu výstupních veličin .......................................................... 95 
15.3.2  Omezení zdrojů .......................................................................................... 95 
15.4 KONVERGENCE U ČASOVÉ ANALÝZY ............................................................................. 95 
15.4.1  Přeskočení analýzy pracovního bodu ........................................................ 96 
15.4.2  Dynamický rozsah času ............................................................................. 96 
15.4.3  Selhání při prvním simulačním kroku ........................................................ 96 
15.4.4  Volba .LIST ................................................................................................ 96 
15.4.5  Volba .TRAN/OP ........................................................................................ 96 
15.4.6  Nenulový spínací čas ................................................................................. 96 
15.4.7  Ošetření indukčností a transformátorů ...................................................... 96 
15.5 DIAGNOSTIKA PROBLÉMŮ S KONVERGENCÍ ................................................................... 97 
4 FEKT Vysokého učení technického v Brně
16  PŘÍLOHA III: TVORBA DIGITÁLNÍHO MODELU ................................................ 98 
17  PŘÍLOHA IV: SLOVNÍK POUŽÍVANÝCH POJMŮ .............................................. 102 





Modelování a simulace v mikroelektronice 5
Seznam obrázků
OBR. 2.1: SCHÉMA ODPOROVÉHO DĚLIČE .................................................................................. 11 
OBR. 2.2: SCHÉMA ODPOROVÉ SÍTĚ R-2R .................................................................................. 11 
OBR. 2.3: NASTAVENÍ STEJNOSMĚRNÉ SIMULACE ...................................................................... 12 
OBR. 2.4: SCHÉMA ZAPOJENÍ DIODY V PROPUSTNÉM SMĚRU ...................................................... 12 
OBR. 2.5: VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKA DIODY V PROPUSTNÉM SMĚRU .................................... 13 
OBR. 2.6: VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY DIODY V ZÁVĚRNÉM SMĚRU ....................................... 13 
OBR. 2.7: NASTAVENÍ DRUHÉHO ZDROJE U STEJNOSMĚRNÉ ANALÝZY ....................................... 13 
OBR. 2.8: NASTAVENÍ PROUDOVÉHO ZDROJE U STEJNOSMĚRNÉ ANALÝZY ................................ 14 
OBR. 2.9: SCHÉMA ZAPOJENÍ BIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU ........................................................ 14 
OBR. 2.10: VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY BIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU ..................................... 15 
OBR. 2.11: SCHÉMA ZAPOJENÍ UNIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU NMOS ....................................... 15 
OBR. 2.12: VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY UNIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU .................................. 16 
OBR. 3.1: NASTAVENÍ SIMULACE PRACOVNÍHO BODU ............................................................... 18 
OBR. 3.2: SCHÉMA ZAPOJENÍ ODPOROVÉHO MŮSTKU ................................................................ 18 
OBR. 3.3: SCHÉMA ZAPOJENÍ ŘÍZENÉHO ZDROJE ........................................................................ 19 
OBR. 3.4: SCHÉMA ZAPOJENÍ JEDNOSTUPŇOVÉHO ZESILOVAČE ................................................. 20 
OBR. 3.5: SCHÉMA ZAPOJENÍ ODPOROVÉHO MŮSTKU PRO DEMOSTRACI VLIVU TEPLOTNÍHO
KOEFICIENTU ..................................................................................................................... 22 
OBR. 4.1: VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY OBVODU RC ............................................................... 24 
OBR. 4.2: VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY OBVODU RC ............................................................... 24 
OBR. 4.3: SCHÉMA ZAPOJENÍ OBVODU R-C-C-R ....................................................................... 25 
OBR. 4.4: VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY OBVODU R-C-C-R ...................................................... 25 
OBR. 4.5: SCHÉMA ZAPOJENÍ L-C FILTRU .................................................................................. 26 
OBR. 4.6: VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY L-C FILTRU ................................................................ 27 
OBR. 4.7: SCHÉMA ZAPOJENÍ BJT ZESILOVAČE PRO KMITOČTOVOU ANALÝZU .......................... 28 
OBR. 5.1: SCHÉMA ZAPOJENÍ L-C OSCILÁTORU ......................................................................... 30 
OBR. 5.2: SCHÉMA ZAPOJENÍ ZÁKLADNÍCH TYPŮ ZDROJŮ .......................................................... 30 
OBR. 5.3: VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY ZÁKLADNÍCH TYPŮ ZDROJŮ V ČASOVÉ OBLASTI ......... 31 
OBR. 5.4: SCHÉMA ZAPOJENÍ RŮZNÝCH ZDROJŮ SIGNÁLU PRO MODULACI VÝSTUPNÍHO SIGNÁLU
32 
OBR. 5.5: VÝSLEDNÝ GRAF ČASOVĚ OMEZENÉHO SIGNÁLU ....................................................... 32 
OBR. 5.6: SCHÉMA ZAPOJENÍ ZATÍŽENÉHO ZDROJE PRO FOURIEROVU ANALÝZU ....................... 33 
OBR. 5.7: DETAIL NASTAVENÍ FOURIEROVY ANALÝZY .............................................................. 33 
OBR. 5.8: SCHÉMA ZAPOJENÍ BJT ZESILOVAČE PRO ČASOVOU ANALÝZU .................................. 34 
OBR. 5.9: SCHÉMA ZAPOJENÍ DEMODULÁTORU AM SIGNÁLU .................................................... 35 
OBR. 5.10: SCHÉMA ZAPOJENÍ ZDROJŮ SIGNÁLU PRO ZOBRAZENÍ LISSAJOUSOVA OBRAZCE ...... 36 
OBR. 5.11: PŘÍKLAD ZOBRAZENÍ LISSAJOUSOVA OBRAZCE ....................................................... 36 
OBR. 6.1: NASTAVENÍ MONTE CARLO ANALÝZY ....................................................................... 37 
OBR. 6.2: SCHÉMA ZAPOJENÍ ODPOROVÉHO DĚLIČE PRO MONTE CARLO ANALÝZU ................... 38 
OBR. 6.3: VÝSLEDNÉ ZOBRAZENÍ MONTE CARLO ANALÝZY ..................................................... 38 
OBR. 6.4: DETAIL NASTAVENÍ ANALÝZY NEJHORŠÍHO PŘÍPADU ................................................. 39 
OBR. 6.5: DETAIL ZOBRAZENÍ TOLERANČNÍ ANALÝZY .............................................................. 41 
OBR. 6.6: ANALÝZA NEJHORŠÍHO PŘÍPADU ................................................................................ 42 
OBR. 6.7: VÝSLEDEK ANALÝZY NEJHORŠÍHO PŘÍPADU .............................................................. 42 
OBR. 6.8: SCHÉMA ZAPOJENÍ DIODY V PROPUSTNÉM SMĚRU PRO OPTIMALIZACI PARAMETRŮ ... 43 
OBR. 6.9: DETAIL NASTAVENÍ PARAMETRŮ ............................................................................... 43 
OBR. 6.10: DETAIL NASTAVENÍ SPECIFIKACE PARAMETRŮ PRO POŽADOVANÝ VÝKON .............. 44 
OBR. 6.11: DETAIL NASTAVENÍ SPECIFIKACE PARAMETRŮ PRO REZISTOR ................................. 44 
6 FEKT Vysokého učení technického v Brně
OBR. 6.12: DETAIL NASTAVENÍ PARAMETRŮ ODPORU ............................................................... 45 
OBR. 6.13: ZOBRAZENÍ VÝSLEDKŮ OPTIMALIZACE PARAMETRŮ ............................................... 45 
OBR. 7.1: SCHÉMA ZAPOJENÍ INVERTORU CMOS ..................................................................... 46 
OBR. 7.2: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA INVERTORU CMOS .................................................... 47 
OBR. 7.3: DYNAMICKÉ VLASTNOSTI INVERTORU CMOS .......................................................... 48 
OBR. 7.4: HYSTEREZE INVERTORU CMOS ................................................................................ 49 
OBR. 7.5: VYTVOŘENÍ HIERARCHICKÉHO BLOKU ...................................................................... 50 
OBR. 7.6: DETAIL NASTAVENÍ UMÍSTĚNÍ HIERARCHICKÉHO BLOKU .......................................... 50 
OBR. 7.7: VNITŘNÍ SCHÉMA ZAPOJENÍ HIERARCHICKÉHO INVERTORU CMOS .......................... 51 
OBR. 7.8: ZAPOJENÍ INVERTORU PRO MĚŘENÍ ZPOŽDĚNÍ ........................................................... 51 
OBR. 7.9: SCHÉMA ZAPOJENÍ KRUHOVÉHO OSCILÁTORU ........................................................... 52 
OBR. 8.1: SCHÉMA ZAPOJENÍ INVERTORU PRO DIGITÁLNÍ SIMULACE ......................................... 54 
OBR. 8.2: VÝSLEDKY DIGITÁLNÍ SIMULACE INVERTORU ........................................................... 54 
OBR. 8.3: SCHÉMA ZAPOJENÍ KRUHOVÉHO OSCILÁTORU ........................................................... 55 
OBR. 8.4: VÝSTUPNÍ SIGNÁL OSCILÁTORU ................................................................................ 55 
OBR. 8.5: SCHÉMA ZAPOJENÍ GENERÁTORU PILOVITÉHO PRŮBĚHU S 8BIT D/A PŘEVODNÍKEM . 56 
OBR. 8.6: ZOBRAZENÍ VÝSTUPU GENERÁTORU PILOVITÉHO PRŮBĚHU....................................... 56 
OBR. 8.7: SCHÉMA ZAPOJENÍ DIGITÉLNÍCH OBVODŮ PRO DEMOSTRACI RŮZNÝCH ÚROVNÍ
DIGITÁLNÍHO SIGNÁLU ...................................................................................................... 57 
OBR. 8.8: RŮZNÉ ÚROVNĚ DIGITÁLNÍHO SIGNÁLU .................................................................... 58 
OBR. 8.9: SCHÉMA ZAPOJENÍ HRADEL NAND PRO DEMONSTRACI HAZARDNÍCH STAVŮ ........... 59 
OBR. 8.10: ZOBRAZENÍ HAZARDNÍHO STAVU ............................................................................ 59 
OBR. 9.1: NASTAVENÍ DIGITÁLNÍHO ZDROJE ............................................................................. 60 
OBR. 9.2: VÝSTUPNÍ ÚROVNĚ DIGITÁLNÍHO ZDROJE ................................................................. 61 
OBR. 9.3: VÝSTUPNÍ ÚROVNĚ DIGITÁLNÍHO ZDROJE SIGNÁLU ANALYZOVANÉ DIGITÁLNÍ SONDOU
61 
OBR. 9.4: BUZENÍ BCD DEKODÉRU DIGITÁLNÍM ZDROJEM SIGNÁLU ......................................... 62 
OBR. 9.5: VÝSTUPNÍ SIGNÁL DEKODÉRU BCD PŘI BUZENÍ DIGITÁLNÍM ZDROJEM .................... 62 
OBR. 9.6: SCHÉMA ZAPOJENÍ ČÍTAČE IMPULSŮ .......................................................................... 63 
OBR. 9.7: VÝSTUPNÍ ÚROVNĚ ČÍTAČE IMPULSŮ ......................................................................... 63 
OBR. 9.8: NASTAVENÍ VLASTNOSTÍ DIGITÁLNÍHO ZDROJE SIGNÁLU - DIGSTIM ......................... 63 
OBR. 9.9: NASTAVENÍ VÝSTUPNÍHO SIGNÁLU DIGITÁLNÍ ZDROJE DIGSTIM ............................... 64 
OBR. 9.10: SCHÉMA ZAPOJENÍ DĚLIČKY KMITOČTU .................................................................. 65 
OBR. 9.11: SCHÉMA ZAPOJENÍ OSCILÁTORU SLOŽENÉHO Z HRADEL NAND ............................. 66 
OBR. 9.12: VÝSLEDNÝ PRŮBĚH OSCILÁTORU SLOŽENÉHO Z HRADEL NAND ............................ 66 
OBR. 10.1: SCHÉMA KOMPLETNÍ REALIZACE NEMINIMALIZOVANÉ LOGICKÉ FUNKCE ............... 70 
OBR. 10.2: VÝSLEDNÝ PRŮBĚH NEMINIMALIZOVANÉ LOGICKÉ FUNKCE ................................... 70 
OBR. 10.3: SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO REALIZACI MINIMALIZOVANÉ LOGICKÉ FUNKCE ................. 71 
OBR. 10.4: SCHÉMA ZAPOJENÍ MULTIPLEXORU PRO REALIZACI LOGICKÉ FUNKCE ..................... 72 
OBR. 10.5: DIALOGOVÉ OKNO MODEL EDITOR PRO TVORBU MODELŮ ...................................... 73 
OBR. 10.6: PŘÍKLAD VYTVOŘENÍ SOUČÁSTKY Z MODELU.......................................................... 73 
OBR. 10.7: DIALOGOVÉ OKNO PROGRAMU PRO TVORBU SOUČÁSTEK - SCH2CAP ...................... 74 
OBR. 10.8: EDITACE VZH