Circuite Integrate Numerice – 6. Circuite BiCMOS 1 ...

Circuite Integrate Numerice – 6. Circuite BiCMOS
DETERMINAREA CARACTERISTICILOR DE REGIM STATIC ŞI DINAMIC
PENTRU UN INVERSOR BICMOS
Din considerente de simplitate, pentru etajul de iesire, realizat cu tranzistoare bipolare, s-
a ales drept componentă un tranzistor bipolar discret, de comutaţie, de tip 2N2222, ale cărui
caracteristici sunt similare cu realizarea monolitică dintr-un circuit BICMOS.
I. Analiza regimului static
Toate informaţiile vor fi obţinute prin vizualizarea caracteristicii statice de transfer –CST
Vout=f(Vin) obţinută printr-o analiză de cc (DC Sweep) pentru un inversor BiCMOS. Se vor
determina nivelele logice de intrare/ieşire, tensiunea de prag VP a inversorului, şi se va mai
vizualiza evoluţia curentului de alimentare I CC = I CC (Vin) pentru a pune în evidenţă una din
proprietăţile esenţiale ale acestui tip de inversor.
Inversor BiCMOS
M2
Mbreakp_1
5V
VCC
Intrare
Q1
V
M1
Mbreakn_1
Q2N2222
0
0Vdc
VIN
M4
Mbreakn_1
Q2
V
Iesire
C1
OUT
50p
Q2N2222
0
M3
Mbreakn_1
0
Etapele de lucru sunt următoarele:
I.1. Se va construi circuitul din figura alăturată. Procedura utilizată este cea din
exemplele anterioare. Tranzistoarele bipolare npn cu modelul (tipul) Q2N2222 se aleg din
biblioteca EVAL. Se stabilesc apoi proprietăţile dispozitivelor (valori, nume).
Tranzistoarele de tip NMOS (M1,M3,M4), cu modelul MbreakN3, si tranzistorul
PMOS M2, cu modelul MbreakP3, se aleg iniţial din biblioteca BREAKOUT.
Se vor edita (modifica) proprietăţile si numele modelului implicit pentru ambele tranzistoare
MOS. Se selectează tranzistorul -> "Edit" -> "PSpice model", iar în "OrCAD Model Editor"
sintaxa care defineşte proprietătile modelului este:
.model Mbreakn_1 NMOS VTO=1.5 KP=1E-4 W=100 L=25
.model Mbreakp_1 PMOS VTO= -1.5 KP=1E-4 W=100 L=25
Atenţie la poziţia terminalelor tranzistorului PMOS M2, sursa fiind cea conectată la V CC .
Tranzistoarele M3 si M4 sunt de tip NMOS fiind utilizate ca rezistoare comandate in tensiune!
Se plasează markeri de tensiune (tip V) pe intrarea si repectiv iesirea circuitului.
1

Circuite Integrate Numerice – 6. Circuite BiCMOS
Pentru obţinerea primelor CST sursa din intrare VIN îşi va modifica valoarea
între 0 şi 5V (=V CC ), cu pasul de 0.1V prin configurarea corespunzătoare a analizei de cc (DC
Sweep….).
I.2. Se lansează analiza (PSPICE -> Run) rezultând graficul care reprezintă imaginea
CST. Se vor determina nivelele logice de intrare V IL , V IH (delimitare zone de stabilitate 0..V IL
max şi V IH min..Vcc) respectiv ieşire V OL , V OH (valori unice în acest caz ).
I.3. Se va determina tensiunea de prag a inversorului ca fiind valoarea tensiunii de intrare
pentru care VOUT=VIN (dată de intersecţia dreptei de ecuaţie Vout=Vin cu CST ). Punctul de
intersecţie se proiectează pe axa orizontală Vin, rezultând tensiunea de prag VP.
I.4. Se va vizualiza evoluţia doar a curentului de alimentare I CC =f(Vin). Pentru aceasta
cu Trace, Add Trace..., se introduce în linia de comandă: -I(Vcc). Semnul minus este necesar
pentru a da sensul real al curentului prin raportare la nodul de alimentare al inversorului.
Se va identifica valoarea maximă a curentului de alimentare I CC max şi se va preciza
pentru ce valoare a tensiunii de intrare Vin = Vin (I CC max) se obţine acesta.
II. Analiza de regim dinamic
Scopul analizei este determinarea timpului de propagare al unui inversor BICMOS şi
vizualizarea curentului de alimentare în regim dinamic Icc=Icc(t). Se va pune în evidenţă si
comportarea circuitului în prezenta unor sarcini capacitive mari.
II.1. Se va utiliza circuitul anterior (parametrii si numele modelelor celor 2 tranzistoare răman
cei stabiliti analiza de cc), cu următoarele observaţii si modificări:
- sursa din intrare se va înlocui cu o sursă de tip VPULSE ale cărei caracteristici vor
fi date în continuare; se păstrează modelele tranzistoarelor utilizate în analiza de cc
Parametrii semnalului de tip impuls (VPULSE) oferit de sursa din intrare se stabilesc la :
- valoare iniţială: V1 = 0.1V;
- valoarea impulsului de tensiune: V2 = 5V; (trebuie să fie egală cu VDD !)
- timpul de întârziere: TD = 50ns;
- timpul de creştere: TR = 5ns;
- timpul de cădere: TF = 5ns;
- lăţimea impulsului: PW = 200ns;
- perioada impulsului: PER = 500ns;
Se stabilesc parametrii analizei de regim tranzitoriu - "Time Domain (Transient)":
- momentul de început al vizualizării (Start saving data after): 0ns;
- momentul de terminare a simulării (Run to time): 1000ns;
- pasul maxim de timp pentru simulare (Maximum step size): 1ns;
II.2. Se lansează analiza (Pspice,Run) şi va rezulta un grafic pe care se vizualizează,
simultan, cu aceiaşi axă a timpului, intrarea şi ieşirea circuitului (V(VIN:+), V(VOUT)). Aşa
cum s-a procedat la celelalte inversoare (bipolar, CMOS) se măsoară (determină) timpii de
propagare t PLH şi t PHL . Se pot utiliza si markeri de tensiune V plasati pe intrare si iesire.
Atentie: Cele două impulsuri, de la intrare si respective iesire, nu vor avea aceiasi
amplitudine, astfel că punctele corespunzătoare la 50% din amplitudine nu se află pe aceiasi
dreaptă orizontală !
Se va vizualiza apoi evoluţia doar a curentului de alimentare I CC = I CC (t). Pentru aceasta cu
Trace, Add Trace..., se introduce în linia de comandă: -I(Vcc). Semnul minus este necesar
pentru a da sensul real al curentului prin raportare la nodul de alimentare al inversorului.
2

Circuite Integrate Numerice – 6. Circuite BiCMOS
Se va identifica valoarea maximă a curentului de alimentare I CC max şi se va preciza la
ce moment semnificativ de timp apare acesta.
II.2.1 Efectul capacităţii de sarcină
a. Se măreşte capacitatea de sarcină la C1 = 100PF. Se repetă analiza şi se determină
timpii de propagare si I CC max.
b. Se măreşte apoi capacitatea de sarcină la C1 = 500PF. Se repetă analiza şi se
determină timpii de propagare si I CC max. Care este efectul asupra timpilor de propagare ?
Sinteza mărimilor determinate si a vizualizărilor
I.2., I.3 Caracteristica statică de transfer Vout=Vout(Vin), valori: V IL , V IH ,V OL , V OH , tensiune
de prag V P
I.4. Caracteristica de alimentare I CC = I CC (Vin), valori: I CCmax si Vin (I CCmax )
II.2 Formele de undă si timpii de propagare pentru C1=50PF, forma de unda I CC = I CC (t) si I CCmax
II.2.1 a. Formele de undă si timpii de propagare pentru C1=100PF, forma de undă I CC = I CC (t) si
I CCmax
II.2.1 b. Formele de undă si timpii de propagare pentru C1=100PF, forma de undă I CC = I CC (t) si
I CCmax
TEMA
1. Pentru punctul II.2.1 b., pe baza evoluţiei in timp a impulsului de curent corespunzător
lui I CC max se va determina viteza de variaţie a curentului de alimentare ∆I CC / ∆t [A/sec] cu
∆I CC = 0.9I CC max - 0.1I CC max si cu ∆t rezultat din momentele de timp corespunzătoare celor 2
valori de curent.
2. Dacă inductanţa parazită a conexiunii de alimentare (pentru simulare puteţi
introduce un inductor între borna + a sursei Vcc si nodul comun sursa M2 colector Q1) ar fi Lcc
= 30nH (30E-9 H) care ar fi variaţia maximă ∆V CC max a tensiunii de alimentare la bornele
circuitului (intre borna de alimentare a circuitului si masa)?
Lcc
M2
30nH
5V
VCC
Mbreakp_1
Q1
Q2N2222
0
3