Giáo trình thực hành phân tích và mô phỏng mạch điện

TS Võ Minh Huân KS Phạm Quang Huy GIAÙO TRÌNH THÖÏC HAØNH PHAÂN TÍCH VAØ MOÂ PHOÛNG MAÏCH ÑIEÄN NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2017 3 LÔØI NOÙI ÑAÀU Khi maïch ñieän trôû neân phöù[.]

TS Võ Minh Huân - KS Phạm Quang Huy GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ÑIEÄN NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2017 LỜI NÓI ĐẦU Khi mạch điện trở nên phức tạp cấu trúc tính sử dụng để đáp ứng nhu cầu ngày tăng người, việc thiết kế thủ công phải tốn nhiều nhân lực từ lúc bắt đầu thiết kế mạch, lắp ráp, chạy mô chế tạo Nếu giai đoạn thiết kế bị lỗi việc truy tìm điểm lỗi dẫn tới chi phí cao tương đương với việc thiết kế ban đầu Hơn nữa, chi phí cho việc chế tạo chip điện tử tốn nhiều tiền thời gian Vì vậy, nhà thiết kế cần công cụ mô để khám phá không gian thiết kế kiểm tra thiết kế trước chúng chế tạo Với phát triển nhanh chóng lãnh vực Điện - Điện tử công nghệ thông tin, trình thiết kế với hỗ trợ máy tính (gọi chung CAD - Computer Aided Design) chương trình chuyên dùng triển khai áp dụng rộng rãi trường Có nhiều chương trình phần mềm ứng dụng cho chuyên ngành điện tử với tên chung EDA (Electronic Design Automation -Tự động Thiết kế Mạch Điện tử) triển khai trường Đại học Kỹ thuật EDA thiết kế hệ thống điện tử mạch tích hợp hay bo mạch in Những người thiết kế chip dùng công cụ để thiết kế phân tích mạch điện tử cho chip bán dẫn, bao gồm hàng tỷ transistor Như kiến trúc sư tạo kế hoạch xây dựng tòa nhà, kiến trúc sư dùng công cụ máy tính để thiết kế tòa nhà tiên đoán đáp ứng cấu trúc để chống chọi với mưa, gió bão Một cách tương tự, người thiết kế vi mạch dùng công cụ máy tính để thiết kế vi mạch, kiểm tra khả thực thi đảm bảo hành vi hoạt động Các công cụ xem EDA EDA cần thiết cho thiết kế EDA đời giúp cải thiện đáng kể thời gian từ thiết kế sản xuất hàng loạt, thời gian quay vòng thiết kế phải lặp lại quy trình thiết kế để khắc phục vấn đề lỗi xảy suốt trình Lợi ích EDA EDA đời giúp người thiết kế hệ thống dùng công nghệ khám phá phương pháp thiết kế khác Những chương trình EDA cho phép người thiết kế mô hình khả thực thi hệ thống ước lượng nhu cầu công suất tiêu thụ EDA giúp người thiết kế vi mạch ứng dụng cụ thể (ASIC), đưa ý tưởng thiết kế cách logic vào máy tính, giúp nhà thiết kế xử lý vấn đề phức tạp mạch tích hợp EDA giúp người thiết kế layout đặt linh kiện điện tử khung chip dây hàng triệu transistor vi mạch tích hợp (IC) EDA giúp kiểm tra hàng trăm quy luật ràng buộc thiết kế mạch điện thiết kế vật lý từ yêu cầu nhà sản suất vi mạch để đảm bảo sản suất không bị lỗi EDA giúp công ty tạo sản phẩm tích hợp nhiều chức chip với chi phí thấp thời gian thị trường ngắn Một cách ngắn gọn, vi mạch IC thành phần nhỏ tạo nên sản phẩm điện tử làm việc phục vụ người Vi mạch IC chứa hàng triệu transistor đường dây kết nối Các công cụ EDA chương trình máy tính giúp người thiết kế thực công việc họ Những người thiết kế xử lý độ phức tạp IC mà không dùng công cụ Hơn số lượng transistor IC tiếp tục tăng gấp đôi hai năm Hình dạng transistor nhỏ gây vấn đề điện phức tạp mà công cụ EDA phải kiểm tra tránh lỗi Việc tạo chip điện tử bao gồm nhiều giai đoạn từ thiết kế đặc trưng hệ thống tới chip sản xuất Những công cụ EDA khác cho bước thiết kế thức nhiệm vụ chuỗi thiết kế Thiết kế chip điện tử thường gồm nhiều kỹ sư làm việc chung với theo công đoạn thiết kế nhiều công đoạn chuỗi thiết kế Tất cần công cụ EDA để thực công việc họ Một lỗi xảy giai đoạn sản xuất phải trả giá đắt thời gian tiền bạc để sửa lỗi Nó tiêu tốn hàng triệu Mỹ kim tiêu tốn tới hàng năm để chỉnh sửa lỗi Một lỗi nhỏ bị lỗi toàn chip, trình kiểm tra toàn diện trước sản xuất cần thiết Những người thiết kế cần chắn vấn đề trước đem sản xuất IC Các công cụ EDA cảnh báo họ lỗi xảy (như ngắn mạch thiếu kết nối) vấn đề công suất, định thời nhiệt độ Thiết kế mạch điện tử bao gồm vài transistor bước đầu để tiến tới mạch điện tích hợp hàng triệu, hàng tỷ transistor Ngành thiết kế vi mạch điện tử ngành công nghệ cao có vai trò quan trọng ngành kỹ thuật khác lợi ích mang lại cho sống người với thiết bị, máy móc ngày thông minh, đại, giá thành rẻ với phát triển công nghệ vi mạch Hiện nay, ngành phát triển mạnh mẽ nhiều quốc gia giới; riêng nước phát triển có từ năm 1980 Nhìn thấy xu hướng công nghệ tích hợp, sách Nhà nước đẩy mạnh phát triển lónh vực mẻ nước ta Những năm gần đây, từ trình hội nhập ngày mở rộng, diễn khu vực giới, nhiều công ty thiết kế vi mạch đến Việt Nam đầu tư người lẫn sở hạ tầng Đây vừa thời cơ, vừa thách thức người lao động, đặc biệt kỹ sư đào tạo từ trường Đại học, Học viện, chưa nhận nhiều quan tâm cộng đồng, thiếu chuyên gia, trang thiết bị chuyên dụng, cập nhật công nghệ công nghệ vi mạch đến sinh viên Bộ sách gồm có hai tập nhằm đưa đọc giả tiếp xúc với việc sử dụng công cụ hỗ trợ máy tính để thiết kế mô mạch điện tử từ đơn giản đến thiết kế mô vi mạch điện tử tích hợp cỡ lớn với mô hình transistor phức tạp đại có hành vi phi tuyến, không lý tưởng Tập 1: Giáo trình thực hành phân tích mô mạch điện Tập 2: Thiết kế, mô phân tích vi mạch tích hợp cỡ lớn Trong tập 1, công cụ mô mạch chương trình OrCAD, chương trình tiếng giới nhiều người quan tâm Sách học sinh, sinh viên, kỹ sư, học viên Cao học sử dụng phổ biến Một chức mạnh OrCAD mà người biết đến sau sát nhập Hãng Microsim với chương trình Pspice qua chức mô mang đến cho OrCAD chương trình mạnh tới thời điểm Trong tập 2, trình thiết kế vi mạch phức tạp giới thiệu, mô phân tích Sự tích hợp cao vi mạch dẫn tới công cụ tự động thiết kế mạch điện tử (EDA) thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) trở nên phức tạp Việc tìm kiếm kết hợp công cụ cách sử dụng công cụ cho thiết kế chuyên dụng xem tìm đường cho dự án vi mạch Tập giới thiệu công cụ để thiết kế, mô phân tích vi mạch Những công cụ dùng tập gồm công cụ từ Cadence Synopsis với phiên hỗ trợ theo dự án tới trường Đại học Dòng thiết kế bắt đầu với sơ đồ vi mạch tích hợp cỡ lớn VLSI-Very Large Scale Integration cho thiết kế thư viện cổng, khối quan trọng mạch lớn đường dẫn liệu quan trọng mức transistor tới thiết kế mức layout để sản suất chip điện tử Quá trình mô với ảnh hưởng trình giảm kích thước transistor mô hình tham số transistor thật, công nghệ nanomet phân tích tham số bao gồm diện tích, định thời, công suất, đề cập tập Để hiểu tận dụng hết công tập 2, người đọc cần bổ sung kiến thức transistor, CMOS, thiết kế vi mạch tích hợp Nhằm phổ biến khai thác chương trình Tự động Thiết kế Mạch Điện tử tới sinh viên, cho thời gian ngắn vẽ, thiết kế mạch in tính toán thiết kế mô mạch điện làm sở cho việc thiết kế vi mạch chuyên dùng hướng phát triển mạnh trường Đại học, Viện từ Việt Nam sản xuất chip bit Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật xin giới thiệu bạn đọc sách biên soạn, cập nhật thông tin chuyên dùng lãnh vực thiết kế mạch điện tử với trợ giúp máy tính EDA: Electronic Design Automation-Tự động Thiết kế Mạch Điện tử, phục vụ cho việc dạy học nhằm giúp sinh viên nhanh chóng tìm hiểu khám phá công cụ chương trình EDA để hỗ trợ thiết kế mạch điện thời gian ngắn nhằm tiết kiệm chi phí, thời gian GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN biên soạn với 1.000 hình minh họa trực quan, cắt trực tiếp từ hình máy tính, giúp sinh viên khai thác chương trình PSPICE, phân hệ PSPICE A/D đầy quyền OrCAD công việc Sách biên soạn theo hướng dẫn bước cho dù sinh viên người bắt đầu hay dùng vi tính thành thạo giáo trình giúp cho bạn sinh viên làm quen với chương trình thời gian thật ngắn Người sử dụng đọc tới đâu làm tới đó, với mục đích đề sách là:   Học nhanh chóng dễ dàng thông qua hình ảnh hướng dẫn trực quan chụp trực tiếp từ hình máy tính Thực hành tới đâu áp dụng học, tài liệu làm giáo trình thực hành trường Đại học Kỹ thuật chuyên ngành Điện - Điện tử Các sinh viên, kỹ sư, học viên cao học Điện tử, giáo viên trường chuyên ngành Điện - Điện tử, Bưu - Viễn thông, Tự động hóa, Cơ điện tử, nhanh chóng sử dụng khai thác cách hữu hiệu chương trình MỘT SỐ ĐIỂM CẦN CHÚ Ý Để phân tích, mô phỏng, sinh viên cần phải cài đặt chương trình vào máy Tùy theo đóa cài đặt sử dụng phiên OrCAD 9.X, 10.0, 16.X mà cách cài đặt giao diện làm việc khác chút so với sách hướng dẫn Lưu ý: Các mạch điện minh họa tập mang tính cách tham khảo để sinh viên nắm cách thức mô OrCAD dù mạnh công cụ hỗ trợ cho việc thiết kế mô mà thôi, muốn phân tích mô mạch tốt sinh viên cần có kiến thức chuyên môn khai thác hết chức chương trình CÁCH TỔ CHỨC QUYỂN SÁCH NÀY Với sinh viên làm quen với thao tác Windows có kiến thức chuyên ngành định thực hành xong sách cách dễ dàng Sách gồm 10 chương với hình thức trình bày tập để diễn giải khả phân tích mô phân hệ PSICE A/D OrCAD Sách trình bày nội dung sau:  Chương 1: Thiết lập phân tích bắt đầu mô  Chương 2: Mô tả cách thiết lập phân tích DC  Chương 3: Phân tích AC  Chương 4: Phân tích độ  Chương 5: Phân tích nhiệt độ thông số  Chương 6: Phân tích Monte Carlo Worst Case  Chương 7: Mô số  Chương 8: Mô hỗn hợp tương tự số  Chương 9: Phân tích dạng sóng  Chương 10: Các tùy chọn biến ngõ khác Với sinh viên muốn tìm hiểu sâu lãnh vực “EDA Tự động Thiết kế Mạch Điện tử” tham khảo thêm tài liệu trình bày mục “TÀI LIỆU THAM KHẢO” cuối sách Đây sách giáo trình thực hành lãnh vực “EDA -Tự động Thiết kế Mạch Điện tử” giảng viên Khoa Điện - Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM biên soạn với cố gắng tận tâm cao Tuy nhiên với trình độ chuyên môn, kinh nghiệm thời gian hạn chế mà nội dung sách đề cập tới cần có kiến thức sâu, đó, lần biên soạn điểm sai sót khiếm khuyết Các tác giả mong nhận nhiều ý kiến đóng góp bạn đọc để nội dung hình thức sách hoàn chỉnh phục vụ bạn đọc tốt Các tác giả chân thành cám ơn đóng góp ý kiến quý báu đồng nghiệp, bạn sinh viên để tài liệu mang tính đại sát thực tế, tập biên soạn dễ học, dễ thực hành để góp phần đổi việc dạy học theo hướng công nghệ Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: TS Võ Minh Huân Tel: 0909437522 Email: huanvm@hcmute.edu.vn Hay KS Phạm Quang Huy Tel: 0903728344 Email: huypq@hcmute.edu.vn Chúc bạn sinh viên thực hành thành công khai thác có hiệu chương trình PSPICE Mong sách giúp thầy cô bạn đọc dạy học tốt hơn, từ vận dụng chức chương trình vào thực công việc GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN MỤC LỤC MỤC LỤC GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TS VÕ MINH HUÂN - KS PHẠM QUANG HUY NỘI DUNG Trang Giới thiệu Chương 1: Thiết lập phân tích bắt đầu mô Chương 2: Mô tả cách thiết lập phân tích DC 23 Chương 3: Phân tích AC 39 Chương 4: Phân tích độ 53 Chương 5: Phân tích nhiệt độ thông số 81 Chương 6: Phân tích Monte Carlo WorstCase 103 Chương 7: Mô số 135 Chương 8: Mô hỗn hợp tương tự số 215 Chương 9: Phân tích dạng sóng 227 Chương 10: Các tùy chọn biến ngõ khác 271 Chương 11: Thiết lập trạng thái ban đầu 283 Phụ lục 291 Mục lục 295 GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN CHƯƠNG 1: THIẾT LẬP CÁC PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG CHƯƠNG THIẾT LẬP CÁC PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG CÁC LOẠI PHÂN TÍCH Sức mạnh OrCAD ngày lớn OrCAD sát nhập Hãng Microsim lại với chương trình Pspice chuyên dùng mô Với phân hệ Pspice A/D, chương trình OrCAD hỗ trợ nhiều loại phân tích để từ mô mạch tương tự, mạch số mạch điện hỗn hợp gồm tín hiệu tương tự số Bảng cung cấp cho nhìn tổng thể phân tích mà chương trình mô Pspice A/D thực Các tham số phân tích rõ với tùy chọn khung Analysis type tương ứng Bảng 1: Các loại phân tích Pspice A/D PHÂN TÍCH LOẠI PHÂN TÍCH/TÙY CHỌN TRONG KHUNG ANALYSIS TYPE Phân tích DC DC Sweep Điểm phân cực Bias Point Truyền tín nhỏ DC CÁC BIẾN BIỂU DIỄN Nguồn -Tham số - Nhiệt độ hiệu Bias Point Độ nhạy DC Bias Point Đáp ứng tần số AC Sweep/Noise Tần số Nhiễu AC Sweep/Noise Tần số Phân tích độ Time Domain (Transient) Thời gian Fourier Time Domain (Transient) Thời gian Nhiệt độ Temperature (Sweep) Monte Carlo Monte Carlo/Worst Case Độ nhạy/Sai số Monte Carlo/Worst Case thiết bò ... 16 GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN CHƯƠNG 1: THIẾT LẬP CÁC PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG Bộ mô đọc tất mạch điện file mạch điện sau xử lý File liệu file mô xuất chứa ngõ từ mạch điện. .. LẬP CÁC PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN Pspice A/D hỗ trợ hoàn toàn cho phân tích mạch số: Bằng cách mô tác động miền thời gian linh kiện số phân tích. .. phân tích điểm phân cực, nên Pspice tự động tính toán điểm phân cực 11 CHƯƠNG 1: THIẾT LẬP CÁC PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN Việc tính toán điểm phân