浅谈仿真软件在集成电路教学中的应用

 

作者：张强

 

 

 

摘要：集成电路是微电子技术专业的一门必须课程，它是一门涉及学科知识面广、理论分析比较复杂、逻辑性较强、实践性很强的学科。集成电路教学的主要任务是为学生学习专业知识和从事微电子技术工作打好强大的理论基础，并通过实验使学生对集成电路的设计和分析产生浓厚的兴趣。本课程在教学过程中由于存在教学学时较少且社会产品更新速度快等原因，普遍存在理论与实践不能完美的结合。EDA计算机仿真软件的出现，给集成电路教学提供了一个可靠的理论与实践联系的平台。通过EDA教学试验让学生加深理解知识并提高学习兴趣。

 

 

 

关键词：集成电路教学；EDA；Protel；集成模拟乘法器

 

 

 

1序言

 

 

 

随着微电子技术技术的不断发展，半导体（芯片或集成电路）越来越便宜，越来越普遍。笔者经过调查发现，由于学生在集成电路的学习过程中，理论学习完成后不能及时的对对应的集成电路进行实验以加深对集成线路的进一步了解，学生在学习过程中不能系统的了解自己所学的是什么、能干什么，以致对集成线路产生不了浓厚的兴趣。

 

 

 

电子设计自动化 EDA 技术的发展，开创了利用“虚拟仪器”、“虚拟器件”通过计算机对电子线路进行设计和实验验证的新方法，是电子线路教学改革的一各新高潮。Protel是近年比较流行的仿真软件之一，它在计算机上虚拟出一个元件、设备齐备的硬件工作台。在教学过程中，合理的引用Protel进行教学，不仅可以加深学生对电子线路结构、原理的认识与理解更好地掌握教学内容，还可以训练学生使用仪器动手能力，进一步培养学生的综合能力和创新能力，提高对电子线路设计的兴趣。

 

 

 

2 计算机仿真

 

 

 

计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。

 

 

 

2.1 仿真概念

 

 

 

仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟现实过程或者建立假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改造实际系统的目的。它是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理论依据。

 

 

 

2.2 计算机仿真步骤

 

 

 

计算机仿真的一般过程可以表述如下：

 

 

 

 (1) 描述仿真问题，明确仿真目的。

 

 

 

 (2) 项目计划、方案设计与系统定义。根据仿真目的确定相应的仿真结构(实时仿真还是非实时仿真，纯数学仿真还是半物理仿真等)，规定相应仿真系统的边界条件与约束条件。

 

 

 

(3) 数学建模：根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数。注意要确保模型的有效性和经济性。

 

 

 

(4) 仿真建模：根据数学模型的形式、计算机类型、采用的高级语言或其它仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型，也即获得系统的仿真模型

 

 

 

(5) 试验：设定实验环境/条件和记录数据，进行实验，并记录数据。

 

 

 

(6) 仿真结果分析：根据实验要求和仿真目的对实验结果进行分析处理(整理及论文化)。

 

 

 

在集成电路仿真实验前，需要将以上步骤方法向学生讲解清楚，防止学生在实验过程中形成出现乱接或者错接的坏习惯，必须让学生形成科学的实验观点，才能通过计算机获得理想的结果，从而提高学生对集成电路实验的兴趣爱好，才能提高他们的科学精神。

 

 

 

3 仿真软件简介

 

 

 

集成电路课程是微电子专业的支柱性课程，它要求学生熟悉各种半导体器件，掌握电路图的识读、绘制以及电路工作原理，还要学会掌握和合理运用分析方法。EDA（Electronic Design Automation ）是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成功的电子CAD通用软件包，它将计算机技术应用于电子电路设计过程的一门崭新技术。它强大的仿真功能及其各功能模块与现实生活中的仪器十分相像，有利于学生更快更好的接受各种期间，更能把实践带入课堂，带入教学的每一个环节中去。

 

 

 

Protel是近年比较流行的仿真软件之一，它在计算机上虚拟出一个元件、设备齐备的硬件工作台，用它进行教学，可以加深学生对电路结构、原理的认识与理解，训练学生熟练地使用仪器和正确的测量方法。

 

 

 

Protel功能强大，可以利用其信号仿真的功能对该电路作信号分析。具体方法在实验步骤中详述。有一点需要注意的是：若要进行信号分析，绘制原理图时必须全部选用Sim.ddb(仿真元件库)中的元器件。

 

 

 

4 集成电路仿真实例

 

 

 

4.1实验目的

 

 

 

集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。

 

 

 

集成电路实验是作为集成电路课程的重要组成部分，目的是使学生进一步理解课程内容，基本掌握集成电路设计和调试的方法，增加集成电路应用知识，培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的能力。

 

 

 

4.2 集成模拟乘法器电路工作原理

 

 

 

幅度调制就是载波的振幅（包络）随调制信号的参数变化而变化。采用集成模拟乘法器可以综合实现振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程，而且性能优越。目前无线通信、广播电视系统等方面得到较好的应用。

 

 

 

集成模拟乘法器常见产品有BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等。本实验采用MC1496集成模拟乘法器来进行模拟仿真。图1是MC1496的内部结构图。

 

 

 

 

 

 

图1  MC1496的内部结构图

 

 

 

在本实验中采用集成模拟乘法器MC1496来完成调幅作用，其内部引脚图如图2所示。

 

 

 

 

 

 

图2  MC1496的内部引脚图

 

 

 

其中V1、V2与V3、V4组成双差分放大器，以反极性方式相连接，而且两组差分对的恒流源V5与V6又组成一对差分电路，因此恒流源的控制电压可正可负，以此实现了四象限工作。V7、V8为差分放大器V5与V6的恒流源。

 

 

 

4.3 集成电路工作方式

 

 

 

静态偏置电流主要由恒流源I0的值来确定。

 

 

 

当器件为单电源工作时，引脚14接地，5脚通过一电阻VR接正电源+VCC由于I0是I5的镜像电流，所以改变VR可以调节I0的大小，即：

 

 

 

                         （1）

 

 

 

当器件为双电源工作时，引脚14接负电源-Vee，5脚通过一电阻VR接地，所以改变VR可以调节I0的大小，即

 

 

 

                          （2）

 

 

 

根据MC1496的性能参数，器件的静态电流应小于4mA，一般取。在本实验电路中VR用6.8K的电阻R15代替.

 

 

 

4.3 仿真分析

 

 

 

（1）、打开Protel,在窗口新建一个SCH文件。

 

 

 

（2）、J1端输入载波信号VC(t),其频率fC=465KHz,峰－峰值VCP－P＝500mV。J5端输入调制信号VΩ(t)，其频率fΩ＝1KHz，先使峰－峰值VΩP－P＝0，调节W1，使输出VO=0(此时ν4＝ν1)，再逐渐增加VΩP－P，则输出信号VO（t）的幅度逐渐增大。

 

 

 

（3）、在Protel的菜单中，选命令SimulateàRun。

 

 

 

4.4 仿真结果

 

 

 

通过仿真获得抑止载波及普通调幅波的调幅信号仿真波形，如图3、图4所示：

 

 

 

 

 

 

图3 抑制载波调幅仿真波形

 

 

 

 

 

 

图4 普通调幅波仿真波形

 

 

 

通过仿真软件Protel仿真的电子线路图能够精确的放映真实电路图的特性，可靠性较高，是研究集成线路特性的一种新手段，也是集成线路教学的一种新方法。

 

 

 

5 结束语

 

 

 

电子产品随着科学技术的发展其更新速度非常迅速，因此半导体集成电路课程的内容改革也需要与时俱进、不断更新。Protel将先进的计算机仿真技术和现代教学结合起来，有利于理论与实践的结合，可以有效的激发学生对微电子技术的兴趣。

 

 

 

参考文献：

 

 

 

[1] 段吉海.“半导体集成电路"课程建设与教学实践[J].电气电子教学学报，2007，29（05）：11-13.

 

 

 

[2] 李惠军，赵凯.集成电路工艺设计仿真平台的交互设计[J].山东科学，2003，16（03）：42-46.

 

 

 

[3] 王红.集成电路技术发展动态[J]. 徽电子学，2007，37（04）：515-522.

 

 

 

[4] 李东生，尹学忠.改革传统课程教学强化EDA和集成电路设计[J].实验技术与管理，2005（04）：1-5. 

 

 

 

[5] 李 冰.两门集成电路课程的教学模式改革[J].电气电子教学学报，2009，31（03）：6-8.

 

 

 

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