- 1.3 Bản quyền sử dụng
4.5. Thiết kế mạch số
Cho phép thiết kế mạch số dựa vào phương trình hoặc bảng trạng thái 4.5.1 : Thiết kế mạch số dựa vào phương trình:
Vào : TOOLS/ LOGIC DESIGN
H4: Bảng thiết kế dựa vào phương trình
• Number of variables: số ẩn của phương trình
• Ghi phương trình cần thực hiện vào ô “ Fout=…..”
• Sau đó nhấn ô: “Schematic diagram”
• Để được mạch đơn giản , ta có thể chỉnh chế độ : “Mintern” ở trong phần Draw. Và ta có thể lưu lại bằng cách “Save to file” để dùng lại khi cần. Để đưa ra màn hình ta nhấn “ Save to Tina” Hoặc có thể lưu dạng “Save to Macro” để tạo ra 1 linh kiện mới.
H5: Sơ đồ mạch số đơn giản được thiết kế từ phương trình
H6: Bảng trạng thái
• Ta thay đổi các trạng thái ngõ ra tại “Fout” dựa vào các đầu vào
• Sau khi thiết lập các thông số xong ta nhấn “ Schematic Diagram”
4.6. OP-AMP
4.6.1: Các h tạo và phân tích một mạch op-amp
Ví dụ tạo sơ đồ mạch dùng OPA121E theo hình sau:
- Click vào biểu tượng Voltage Generator trong thẻ Sources. Con trỏ sẽ có biểu tượng của nguồn phát. Có thể dùng chuột hoặc nhấn phím [ +]/ [Ctrl-R] hay[-]/ [Ctrl- L] để quay linh kiện ,sau đó nhấn chuột trái để cố định linh kiện trên màn hình
- Thiết lập các thông số của máy bằng cách click đôi vào linh kiện, sẽ xuất hiện bảng sau:
+ Giữ nguyên thông số của DC Level và IO State.Chú ý rằng việc chấp nhận thông số Input cho IO State,nghĩa là bạn đã lựa chọn đầu ra của linh kiện này là đầu vào của mạch
Sau đó ấn vào biểu tượng . Một box mới sẽ hiện ra
Khi ta chọn 1 trong các tín hiệu này, sẽ xuất hiện các thông số đi kèm. Ở đây chọn xung vuông với các thông số được thay đổi như sau:
• Amplitude : 500m (nghĩa là 500mV đỉnh)
• Freq.:100k (100kHz)
• Rise/Fall time: 1p (1ps)
Sau đó nhấn OK,và quay về hộp trước nhấn OK lần nữa.Chương trình sẽ tự đặt nhãn VG1 bên cạnh linh kiện.Và ta có thể thay đổi vị trí của linh kiện.
Tương tự cho các nguồn khác
-Click vào thẻ Spice Macros,sau đó ấn vào biểu tượng Operational Amplifier .Một box mới sẽ xuất hiện:
Sau đó ta chọn linh kiện OPA121E bằng cách kéo list tên các linh kiện.Hoặc ta có thể dùng Find Component để tìm kiếm
Trong mạch trên,ta thiết lập : R1=10k,R2=10k,R3=1k
Cuối cùng ta lấy các thành phần như: tụ C=1p; pin V1=12V; V2=15V; và Ground Chú ý: Nếu có nhiều Op-amp khác nhau , để sự liên kết được đơn giản,ta có thể dùng Jumper Component tại vị trí đầu tiên của Special Toolbar
4.6.2 : O p_amp DC transfer
Chú ý:
Mặc dù các điện áp,dòng điện ,tín hiệu vẫn đang sẵn có sau khi chạy mạch phân tích,thì ta cũng cần phải có ít nhất 1 output.Ta có thể đặt chúng trong màn hình nhưng chúng vẫn không được nối dây. Để nối các thiết bị ,ta di chuyển con trỏ tới gần nút ghim,cho tới khi xuất hiện cây bút vẽ nhỏ.Khi cây bút này xuất hiện,click chuột trái để nối dây,sau đó click chuột trái lần nữa tại điểm cuối của nó
Sau cùng để đặt tên cho mạch.ta vào biểu tượng trên toolbar
Để kiểm tra mạch vừa tạo,ta vào: Analysis/ ERC. Nếu mạch đúng thì sẽ xuất hiện bảng sau,còn ngược lại sẽ xuất hiện thông báo lỗi
4.6
.3: Tính toán các đặc trưng của DC Transfer: Chọn Analysis/ DC Analysis/ DC Transfer Characteristic. Sẽ xuất hiện bảng sau:
Đặt các thông số : Start value: -7.5 End value: +7.5
Sẽ xuất hiện bảng biểu diễn đường cong Curcuit’s Transfer,giữa điện áp vào và điện áp ra
Mạch SMPS (Switching-Mode Power Supply circuits) là 1 phần quan trọng của điện tử hiện đại.Những phân tích tạm thời cần để mô phỏng 1 mạch cần nhiều thời gian và khả năng dự trữ của máy tính.Vì vậy, TINA cung cấp các công cụ hữu ích và các mode để phân tích
4.6.4.1. Dùng Steady State Solver (Giải pháp trạng thái đều)
Khi phân tích 1 mạch SMPS thì phần tiêu tốn hầu hết thời gian là khi nó đạt tới trạng thái đều, điện áp 1 chiều không thay đổi, dạng sóng ra chỉ có dạng gợn sóng nhỏ, định kì Xét ví dụ sau:
Chọn Analysis/ Steady State Solver. Xuất hiện bảng sau:
Có những đặc tính mới so với bảng phân tích tức thời(Transient Analysis dialog box)
• Max searching time: sẽ cố gắng tìm ra giải pháp trạng thái đều trong tối đa 20ms. Sau khoảng thời gian đó , việc phân tích sẽ được dừng lại cho dù sau đó có tìm được giải pháp đi chăng nữa
• Final checking time: Sau việc tìm kiếm trạng thái đều,sẽ có 1 kiểm tra sau cùng cho độ dài đặc trưng ở đây.Ta phải có 1 dạng sóng dừng(không chuyển động) trong khoảng thời gian này
• Final Accuracy: cho phép mức tối đa mà nguồn 1 chiều có thể thay đổi.Nếu sự thay đổi nhỏ hơn mức tối đa này thì việc phân tích sẽ dừng lại.Chú ý rằng 100m trong ví dụ trên là = 0.1%
• Method: có thể chọn các phương thức khác nhau cho việc tìm trạng thái đều +Transient: trạng thái đều được tìm sẽ dùng phân tích tạm thời
+Finite-difference Jacobian / Broyden updateJacobian: trạng thái đều được tìm bởi phương thức mô tả trên giấy
Chú ý: 2 phương thức cuối có thể sẽ tìm trạng thái đều nhanh hơn nhưng do chúng không thông qua các trạng thái tạm thời thông thường nên kết quả là dạng sóng ban đầu và dạng sóng sau cùng không tương ứng với quá trình thật
Bây giờ,ta sẽ chạy Solver.Sau vài phút (cỡ 2 phút cho máy tính Pentium2GHz),kết quả cho ra dạng sóng sau;
Những dạng sóng này chỉ ra các chi tiết tức thời từ lúc chuyển mạch tới khi tìm ra điện áp ra đều.Nếu phóng to dạng sóng thì ta thấy chu kì của chuyển mạch là khoảng 500KHz và thời gian cần để đạt tới trạng thái đều là 4ms.Tuy nhiên ,nếu muốn thấy tất cả dạng sóng tức thì, ta phải tính toán cả hàng trăm ,thậm chí hàng ngàn chu kì .
Vậy tại sao phải tìm trạng thái đều- là quá trình tiêu tốn thời gian? Lí do của điều này là: Thời gian khởi động dài của mạch SMPS so sánh với tần số chuyển mạch của nó.Thời gian khởi động này được quyết định cơ bản bởi tụ lọc ở đầu ra.Tu có giá trị càng lớn thì thời gian khởi động càng lâu.
• Trigger voltage level: Điện áp ngưỡng dẫn của trường hợp Trigger
• Hysteresis width: Giá trị trễ của trường hợp Trigger. Giá trị này xác định 1 vùng tại đó điện áp kích khởi được cho phép dao động mà không cần tạo ra 1 trường hợp kích khởi.
• Trigger State: Lên / Xuống. Chiều của điện áp lên hay xuống tùy thuộc vào trường hợp kích khởi
• Trigger Count: ta có thể lấy vài thời điểm cho phân tích dạng sóng
Trong trường hợp tín hiệu ra thay đổi rất chậm thì việc dùng cái này rất hữu ích 4.6.4.3. Sensor
Chọn Meter, vào biểu tượng
Mục đích của thành phần này là để thiết lập điện áp đích( target voltage) trong suốt quá trình tìm trạng thái đều.
Ta có thể thêm vào 1 hay nhiều sensor vào mạch.Việc thêm các sensor ,ta có thể làm tăng nhanh đáng kể quá trình tìm trạng thái bền.Có thể làm nhanh hơn nữa nếu ta có thể cho điện áp cuối cùng vào 1 node chắc chắn.
Chọn Analysis/ Set Analysis parameters / Max. no. of saved TR. Points, ta có thể giới hạn tối đa số lượng các điểm được đặt trong Diagram. Điều này hữu ích cho việc phân tích rộng để tăng nhanh quá trình vẽ diagram. Với việc tăng thông số này,sẽ cải tiến diagram nhưng thời gian vẽ sẽ tăng lên.
Duy nhất 1 thông số điện của thành phần Sensor: End Value: Voltage / Not Used.
4.6.4.4: Đẩy nhanh mô phỏng SMPS bằng việc dùng các giá trị ban đầu
Như đã giới thiệu ở phần trên,thời gian phân tích dài để đạt tới trạng thái đều hầu như chỉ được dùng cho việc nạp điện của các thiết bị lọc và các tụ.Nếu ta bắt đầu việc phân tích bằng cách dùng các giá trị ban đầu cho tụ và cuộn dây , thì thời gian phân tích sẽ giảm xuống đáng kể.Trong TINA, giải pháp trạng thái đều (SSS) sẽ tự động đặt các giá trị ban đầu vào các tụ điện lớn và cuộn dây. Kéo theo đó,sự phân tích tạm thời (Transient Analysis) sẽ chạy nhanh hơn.Ví dụ nếu ta muốn biết hiệu quả của sự thay đổi tụ lọc ở đầu ra, thì nó sẽ không làm thay đổi đột ngột điện áp ra 1 chiều.Bởi vậy,việc bắt đầu phân tích mới với các giá trị ban đầu được tính toán bởi giải pháp trạng thái đều cho các tụ ra ,sẽ làm cho việc phân tích nhanh hơn rất nhiều.Ta cũng có thể tăng nhanh việc phân tích cho sự thay đổi đầu ra và tải với cách làm tương tự
Theo ví dụ trên, giờ ta sẽ chạy phần phân tích tạm thời. Chọn Analysis / Transient. Một box sẽ xuất hiện :
Chú ý: Chọn “Use initial conditions” rồi nhấn OK. Ta sẽ thấy việc phân tích chạy nhanh hơn rất nhiều so với dùng phân tích trạng thái đều trước đó.Dạng sóng ra sẽ có dạng như sau:
Vậy tại sao việc phân tích lại chạy nhanh hơn trước???
Phân tích tạm thời sẽ được đến trước về mặt thời gian so với phân tích trạng thái đều và giá trị ban đầu của tụ chính ( Initial DC Voltage của tụ)sẽ được lập tới giá trị điện áp một chiều sau cùng.Theo ví dụ trên, nếu ta click đôi vào tụ C3,ta sẽ thấy Initial DC Voltage = 11.876V. Tương tự như vậy,tất cả các giá trị ban đầu của tụ đều được thiết lập.
4.6.4.5: Phân tích các bước đầu vào:
Một trong những bước phân tích của mạch SMPS là tính toán đáp ứng của sự thay đổi đầu vào để kiểm tra khả năng thiết kế SMPS , từ đó điều chỉnh đầu ra cho phù hợp với sự thay đổi từng bước của đầu vào. Điều này có thể thực hiện bằng cách thêm vào 1 xung ở điện áp đầu vào,sau đó kiểm tra đầu ra và các điện áp khác. Sự thay đổi đầu vào có quan hệ với trạng thái đều , do đó ta có thể từ các giá trị ban đầu trạng thái đều được tính toán bởi giải pháp trạng thái đều của TINA
Ta lấy 1 mạch từ
,có mạch tương tự như ở trên Để xem dạng sóng ở đầu vào ,ta click đôi vào máy phát điện áp VG1,sẽ xuất hiện bảng sau:
Theo đó: điện áp vào =1.2 V. Nó được chuyển đổi bởi mạch SMPS là = 3.3V Click vào dòng Signal ở bảng trên,sau đó nhấn vào nút , ta sẽ được bảng sau
Theo dạng sóng: điện áp vào sẽ giảm từ: 1.2 xuống còn 0.8V trong chu kì T2=1ms và Starting Edge(T1) và Ending Edge(T2) đều là 10us
Để xem đáp ứng của mạch,ta vào : Analysis / Transient 4.6.4.6. Phân tích các bước ở tải:
Bước phân tích khác để quyết định đáp ứng của SMPS khi tải thay đổi.Trong mô phỏng, đáp ứng của sự thay đổi tải được duy trì bằng cách thêm xung dòng điện (current pulse) vào tải để phân tích đầu ra và các điện áp khác
Xét ví dụ trong . Thiết kế mạch
tương tự như trên ,chỉ khác là có thêm máy phát nguồn dòng ILoad Current Generator ở đầu ra.
Click đôi vào ILoad Current Generator và kiểm tra dạng sóng của nó thì ta sẽ th ấy phần một chiều là:
Nếu xung có biên độ = 5mA.; độ rộng =500us,thì dòng điện tải từ 5mA,sẽ tăng lên tới 50mA,sau đó giảm xuống 5mA lại. Lưu ý rằng dòng điện ra được biểu diễn thông qua chiều mũi tên của nguồn dòng (ILoad Current ) tại ngõ ra
4.6.4.7: Phân tích xoay chiều:
Trong phân tích AC, phân tích trạng thái ,ta có thể dùng Average models được cung cấp bởi TINA. Average models (hình thức trung bình cộng) trình bày 1 phương thức,dựa trên việc lấy trung bình cộng các yếu tố trong suốt quá trình chuyển mạch.Phương thức này đặc biệt nhanh trong việc vẽ đồ thị Bode và Nyquist cần cho sự phân tích trạng thái. Chú ý rằng để dùng phân tích AC thì ta cần hình thức trung bình cộng,còn hình thức tạm thời (transient) sẽ không thích hợp và sẽ cho kết quả sai.
Ta xét ví dụ : Mạch Average model TPS61000.TSC ở trong thư mục Examples / SMPS / QS manual circuits
4.7. Phân tích một mạch số:
Kiểm tra một mạch số HALF-ADD.TSC nằm trong thư mục EXAMPLES
Chọn Analysis / Digital Step-by-Step. Một hộp Control Panel sẽ xuất hiện, ta có thể kiểm tra hoạt động của mạch từng bước một bằng cách nhấn nút Step Forward. Nhấn Play để chọn chế độ chạy tự do. Tại mỗi nút sẽ có một hình vuông nhỏ biểu diễn mức Logic (Đỏ- Mức cao; Xanh lục - Mức thấp; Xanh lá cây- Trở kháng cao; Đen- không xác định) Dưới đây sẽ biểu diễn hiển thị các mức trạng thái
Bây giờ sẽ kiểm tra hoạt động tạm thời của mạch
Kết quả sẽ được hiển thị dưới đây:
Ta có thể chọn Transient thay cho Digital Timing Analysis. Trong trường hợp chọn Transient thì chương trình sẽ carry out 1 phân tích tương tự ,cho ra các dạng sóng liên tục và điện áp liên tục thay cho lí tưởng hóa các mức Logic.
Lưu ý rằng : Các mạch này chỉ chứa toàn các thành phần số nhưng có thể được phân tích bởi cả hai phương thức số và tương tự
Bây giờ sẽ xét ví dụ khác: Bởi vì mạch này
chứa 2 phần tử thụ động (điện trở và tụ). TINA phải dùng phân tích tạm thời tương tự (Analog Transient Analysis). Kết quả là cho đáp ứng thời gian tiếp sau đó:
CHÚ Ý:
• Ta có thể thiết lập thứ tự (bậc) của các đường cong bằng cách viết thêm vào dấu hai chấm (:) và 1 con số vào tên của đầu ra . Điều này rất quan trọng khi trình bày kết quả của việc phân tích số - nơi mà mỗi đầu ra sẽ hiển thị riêng biệt trong sơ đồ Ở ví dụ trên: Nếu ta sử dụng tên của các đầu ra là: OutA, OutB, Carry, Sum. Ta có thể làm cho chắc chắn rằng chúng sẽ hiển thị theo thứ tự (bậc) bằng cách dùng các nhãn sau: OutA:1; OutB:2 ; Carry:3 ; Sum:4
• Các kết quả của việc phân tích tương tự thuần nhất thông thường xuất hiện trong 1 biểu đồ.Tuy nhiên ta có thể buộc TINA hiển thị các kết quả trong nhiều biểu đồ riêng biệt (nếu muốn) bằng cách dùng các nhãn theo cách đặt tên ở trên. Ta phải dùng View / Separate Curves trong cửa sổ biểu đồ để phân chia các đường cong. Nếu ta không dùng phương thức đặt tên nhãn như trên, thì TINA sẽ trình bày các đường cong theo thứ tự Anphabet.
CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH MỘT MẠCH SỐ DÙNG NGÔN NGỮ VHDL
*VHDL=VHSIC Hardware Description Language VHSIC=Very High Speed Integrated Circuit
5.1. Sơ lược về VHDL.
- VHDL là một tiêu chuẩn IEEE về ngôn ngữ mô tả phần cứng được dùng trong thiết kế mạch điện tử để mô tả, mô phỏng chip và các hệ thống ưu tiên.
- Bất cứ mạch số nào trong TINA đều có thể chuyển đổi tự động sang mã VHDL và được phân tích như một dạng VHDL.
- Có thể phân tích trên phạm vi rộng giá trị của phần cứng trong VHDL và xác định các phần tử mạch số và phần cứng trong VHDL.
- Ưu điểm lớn nhất của VHDL là nó có thể được thực hiện một cách tự động trong linh kiện logic có thể lập trình được như FPGAs và CPLDs.
- VHDL có thể mô tả một hệ thống số dưới các dạng: behavioral(hành vi của hệ theo các tác nhân ngõ vào), data flow(các biểu thức logic), structure(kết nối các cổng logic).
Ví dụ cho 3 kiểu mô tả trên cho bộ cộng.
- VHDL được thiết kế theo kiểu Top-down. - VHDL được thiết kế độc lập về công nghệ.
- Dưới dạng đơn giản nhất, VHDL với công dụng mô tả một hệ thống phần cứng sẽ bao gồm một giao diện và một kiến trúc. Giao diện của hợp phần(component/module) bắt đầu với từ entity. Phần kiên trúc với từ architecture mô tả chức năng của hợp phần.