实验39数字电路的模拟与仿真分析

1、实验39 数字电路的模拟与仿真分析数字集成电路在集成电路领域中起着越来越重要的作用，数字集成电路产品占据着越来越多的市场份额，应用领域日趋宽泛。采用集成电路EDA软件对各种数字集成电路单元进行功能模拟、仿真分析和设计优化，是集成电路设计开发的重要手段，是电子线路产品设计开发环节中必不可少的重要步骤。本实验要求学生在掌握场效应器件物理、集成电路EDA基础、数字集成电路设计和集成电路制造技术等专业知识的基础上，独立在OrCAD PSpice软件环境下，对给定的数字集成电路单元进行功能模拟、仿真分析和结构优化，提高学生对数字集成电路设计思想的认知，加强学生运用理论知识解决实际问题的能力，培养学生的数

2、字集成电路设计与分析能力。一、实验原理1. OrCAD Pspice软件简介OrCAD PSpice软件的前身是SPICE，是在1972年推出的，1975年达到实用化程度。1983年OrCAD公司推出了可以在PC机上运行的PSpice软件，它并不只是单纯地将SPICE移植到PC机，与SPICE相比，OrCAD PSpice具有下述三方面重大变革：(1) 不仅可以对模拟电路进行直流、交流、瞬态等基本电路特性分析，而且可进行蒙特卡罗统计分析，最坏情况分析、最优设计等复杂的电路特性分析。(2) 不仅可以对模拟电路进行计算机辅助分析，而且可对数字电路、模数混合电路进行计算机模拟。(3) 一改批处理运行

3、模式，可以在Windows环境下，以人机交互方式运行。绘制好电路图后，即可直接进行电路模拟，无需用户编辑繁杂的输入文件。在模拟过程中，随时分析观察模拟结果，从电路图上修改设计。OrCAD PSpice软件是由项目管理模块、电路绘制模块、设计后处理模块和编辑建库模块等四个部分构成。在项目管理模块中，用户完成对整个设计项目的各种资源和结果进行管理；在电路绘制模块中，可以方便地调用各种库文件中的元器件来完成电路网表的连接；设计后处理模块以人机交互方式为用户提供了简便、高效的模拟控制，模拟结果观测等干预手段；编辑建库模块允许用户建立自己的元器件库，以此来达到对特殊用途项目的设计。2. 电路网表输入和仿

4、真流程当运行Capture CIS软件以后，即可进入主菜单，通过建立模数混合类工程项目，进入电路模拟环境中，添加库文件中某些型号的元器件后，使用短线将各元器件引脚连接起来，对各个元器件参数进行修改后，就完成了数字电路的网表输入工作。通过在网表中添加不同类型的激励源、新建模拟和设定模拟参数范围完成对电路的各种仿真操作。点击模拟按钮等待计算完成后，Capture CIS软件会自动弹出模拟结果图浏览窗口PSpice A/D，通过对仿真曲线的观察、测量和分析，即可对电路进行修正，不断重复直至达到设计预期。3. 模拟仿真控制对绘制完成的电路网表进行检查无误后，在主菜单中Pspice栏目下，选择建立一个模

5、拟文件，即可实现模拟。模拟文件中分析类型共有四种：1) Time Domain(Transient)时域(瞬态)分析；2) DC Sweep直流扫描分析；3) AC Sweep/Noise交流扫描/噪声分析；4) Bias point直流偏置点分析。针对电路网表中添加的不同类型激励源，只能进行相应类型的分析。在Options选项中可以选择在每种基本分析类型基础上要附加进行的分析，其中General Setting是最基本的必选项。每种分析类型都有各自不同的操作对象和仿真参数控制范围，正确设定模拟参数范围是得到正确模拟结果的基础。4. 仿真结果观测控制正确设定好模拟文件后，点击运行Run Psp

6、ice，待仿真计算完成后，软件自动进入模拟结果浏览器Probe界面，这时可以添加不同的模拟结果进行观察、测试和分析，以测试和分析结果作为电路仿真参数设定和电路性能的评价标准。如果发现电路模拟结果存在不足，可以通过修改电路参数来完成电路整体的设计优化目标。二、实验内容1. 完成图39.1所示数字电路单元的输入，添加图39.2所示输入信号波形，有关元器件信息在表39.1中给出，通过对仿真波形的分析，简要描述该数字单元电路的功能，写出该电路的真值表和逻辑表达式，并截取有关模拟波形；图39.1 数字电路单元的原理图图39.2 上述电路对应的输入信号波形表39.1 有关元器件信息名 称功能和例元件库名

7、称功能和例元件库74LS86A异或门，U5A74LSDigStim1数字信号端口，XSOURCSTM74LS08与门，U7C74LSNet alias端口名称，Sum 74LS32或门，U9C74LSVoltage Marker探针 2. 绘制图39.3所示的五管单元TTL门电路，元器件信息在表39.2中给出，完成如下内容，并截取有关模拟波形。1) 完成Vin=1V时的偏置点扫描，将各电阻电流和输出电压记录在表39.3内；2) 求Vin为频率100kHz峰值为2V的方波时，该电路输出的瞬态响应，测量上升延时、下降延时和输出电压峰值；3) 当Vin为直流幅值1.4V交流幅度1mV的信号时，在1K

8、Hz至1GHz频率范围内，分析该电路输出端的频率响应，求出该电路的增益和截止频率。4) 对输入信号Vin，完成初值0V，终值5V，步长0.2V的直流扫描，从模拟结果中读出电路输出波形发生跳变的输入电压范围（以高电平的90和10为界）和临界电压VCKT。图39.3 数字电路单元的原理图表39.2 有关元器件信息名 称功能和例元件库名 称功能和例元件库40238NPN晶体管，Q1BipolarR电阻，R1AnalogVdc直流电源，V2SourceVac交流电源，V4SourceVplus方波，瞬态源，V1SourceGnd电源地，Source 0表39.3 实验内容记录IR1IR2IR3IR4IR5Vout三、实验思考题1. 在OrCAD软件环境下元器件库中的双极晶体管和MOS晶体管与集成电路芯片中的晶体管有何差别，请简要描述其差别。2. 试采用非门和传输门完成“同或”逻辑，画出电路。3. 在对五管TTL门电路进行瞬态分析时，求得的上升延时和下降延