集成電路測試儀電源電路的仿真設計研究與應用

孫承庭,朱春江

摘 要:針對實驗室某種集成電路測試儀使用中存在的因電源電路的設計不夠完善、帶負載能力差而存在死機或復位不正常的問題,在原有電路基礎上,對電源電路進行改進設計,增加了擴流電路,并對改進電路用EDA仿真技術進行對比驗證,并在實際應用中解決了問題。

關鍵詞:EDA仿真;負載能力;擴流設計;仿真對比驗證

中圖分類號:TN702文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-199-02

Research and Application of IC Test Instrument Power Circuit Simulation Design

SUN Chengting,ZHU Chunjiang

(Lianyungang Technical College,Lianyungang,222006,China)

Abstract:According to the problems of certain lab IC test instrument not being perfect on power circuit design and the system halted or restoration not being unusual on lower load capacity,the power circuit design and current-amplification circuit are being improved based on the original circuit,the contrastive verificafion is used for improving circuit with EDA simulation technique,and the problem in practical application is also solved.

Keywords:EDA simulation;load capacity;current-amplification design;simulation contrast verification

0 引 言

集成電路測試儀可用來測量集成電路的好壞,在電子實驗室中應用廣泛。在實際使用中,發現部分廠家生產的測試儀存在一些問題,如電網電壓波動或負載加重后容易出現死機或復位不正常現象,這對實驗進程和實驗室管理有很大影響,也是困擾實驗指導老師的常見問題,必須予以解決。本文通過某一種測試儀電源電路的改進的試驗,會給實驗室管理者以借鑒。

在電路設計中用到EDA(Electronics Design Automation,電子設計自動化)技術。在進行電路改進前,從電路參數設計,電路功能仿真驗證等都在計算機上先用EDA軟件完成,不但縮短了電路設計時間,而且大大地節約了成本。

EDA 技術是隨著集成電路和計算機技術的飛速發展應運而生的一種高級、快速、有效的電子設計自動化工具。它經歷了計算機輔助設計(Computer Assist Design,CAD)、計算機輔助工程設計(Computer Assist Engineering Design,CAE)和電子設計自動化(Electronic Design Automation,EDA)三個發展階段[1]。利用EDA技術進行電子系統的設計,具有以下幾個特點[2]:用軟件的方式設計硬件;用軟件方式設計的系統到硬件系統的轉換是由有關的開發軟件自動完成的;對設計電路功能是否正確可進行仿真分析。

目前流行的EDA軟件有Protel 99 SE,EWB,Multisim,PSpice等幾種[3]。本文運用Protell 99 SE 中的Advanced SIM 99仿真功能對所改進的電路進行仿真和應用。

1 EDA仿真在測試儀電源電路設計中的應用

學校電工電子實驗室有多臺LM-800C數字集成電路測試儀,在使用中有時會出現死機,復位不正常現象。通過研究,發現電源電路存在問題:電源擴展能力差,帶負載能力弱。筆者根據其PCB(Printed Circuit Board,印制電路板)繪制出其電源電路原理圖,如圖1所示。

圖1 LM-800C數字集成電路測試儀電源電路圖

圖1中,78M05為5 V三端穩壓器[4],RL為測試儀負載,實際上是待測集成電路。

限于篇幅,只繪制主要部分,電源線路濾波器在圖中未畫出。通過研究,發現電源電路存在問題:電源擴展能力差,帶負載能力不強,有時會出現死機、無法復位現象。通過對其電源電路的改進,增加了擴流電路,從而解決了實際使用中存在的問題。

1.1測試儀電源電路的擴流設計

為了節約成本,不能對原來電路進行全新設計,只能在原來電源電路基礎上,通過增加部分電路來增強其帶負載能力。

改進中需要考慮的問題[5]:

(1) 選擇合適的濾波電容。電源輸出直流電壓要穩定,紋波小。

(2) 增加了擴流電路,當電源電壓不穩定或測試系統負載增大時,電源帶負載能力強,輸出電壓穩定。

圖2為經過改進的帶擴流功能的電路,帶負載能力較強,能擴大電路的輸出電流。Q1為外接擴流功率三極管,R1為Q1的偏置電阻。該電路帶負載能力與Q1的參數有關。C1,C4為濾波電容,C2為0.33 μF,可抵消輸入接線的電感效應,C3可防止高頻自激,消除高頻噪聲,改善負載的瞬態響應[6,7]。

圖2 帶擴流功能的電路

電源電路擴展輸出電流的工作原理:

二極管D1用于消除三極管Q1的發射結Ube對輸出電壓的影響(相當于發射結的導通電壓0.7 V),并提供電容C4的放電回路。設三端穩壓器78M05的最大輸出電流為Imax,則晶體管的最大基極電流Ib=Imax-IRL,因而負載RL上電流的最大值I可表示為:

I=(1+β)(Imax- IRL)

一般三極管的基極電流Ib很小,與Imax相比可忽略不計,I比Imax大許多,可見輸出電流提高了,從而可提高電源的帶負載能力。

1.2 兩種電路帶負載能力的仿真對比驗證

可用Protell 99 Advanced SIM 99[6,7]對原電路(圖1)和改進后的電路(圖2)進行仿真分析,以驗證二者的帶負載能力。

(1) 仿真參數設置

首先進行仿真參數設置,進行瞬態分析與傅里葉分析[8,9],仿真參數設置對話框如圖3所示。

圖3 仿真參數設置對話框

為了突出顯示,顯示器上只顯示兩個波形,其中in為輸入端,out為輸出端。

(2) 仿真波形對比分析

用Protell 99 Advanced SIM 99對圖1所示電路進行仿真,發現當負載變重,超過78M05最大輸出電流(0.7 A)時[10],將使輸出電壓的紋波增大,輸出電壓(out)下降且不穩定,out波形有明顯的波動,5 V下降為4 V左右,且輸出(out)波形不平滑,紋波大。負載變重后的仿真波形如圖4所示。

圖4 負載變重后的波形

為了增大電源的帶負載能力,在原電路的基礎上加擴展電流三極管Q1后,帶同樣的負載,輸出電壓很穩定(5 V),仿真波形如圖5所示。

圖5 加擴流三極管后仿真波形

從輸出波形(out)可以看出,電壓很穩定,沒有紋波。

1.3 設計電路的應用效果

經改進后的電源電路,在實驗室的實際使用中,再未發現死機或不能正常復位現象,證明通過EDA仿真所設計的電路在使用中獲得成功。

2 結 語

用EDA仿真技術能方便電路設計,并可驗證電路

設計的正確性。通過對兩種電路的仿真對比,說明改進后電源電路帶負載能力強,這在實際使用中得到驗證。

參考文獻

[1]王濤.數字集成電路的故障診斷和故障仿真技術的研究 [D].成都:電子科技大學,2005.

[2]National Instruments.The Measurement and Automation Catalog 2004[Z].2004.

[3]伏家才.EDA原理與應用 [M].北京:化學工業出版社,2006.

[4]周紹慶.模擬電子技術基礎[M].北京:北京交通大學出版社,2007.

[5]羅敏.專用集成電路邏輯測試儀系統總體實現[D].西安:西北工業大學,2006.

[6]Cheng K T,Jou J Y.Functional Test Generation for Finite State Machines [A].Proc. ITC[C].2006:160-168.

[7]陳松.電子設計自動化[M].南京:東南大學出版社,2005.

[8]朱勇.Protel DXP范例入門與提高[M].北京:清華大學出版社,2004.

[9]Rudnick E M,Patel J H.Methods for Reducing Events Insequential Circuit Fault Simulation[A].Pro.Conf.on CAD[C].2005:546-549.

[10]華榮茂.電路與模擬電子技術基礎[M].北京:中國電力出版社,2007.