Conception et simulation de circuits intégrés - ESPCI

TEXTE DES TRAVAUX PRATIQUES
Conception de circuits numériques
Année 2011-2012
Laboratoire SIGMA : Bât. H, 4ème étage
Travaux pratiques d’électronique : Bât. A, 1er étage
Septembre 2011
CONCEPTION(DE(CIRCUITS(LOGIQUES(AVEC(PSPICE(
I.(Buts(
Initiation'au'simulateur'électrique'PSPICE.'
' Etude'd'un'circuit'RC,'précision'de'la'simulation'numérique.'
' Tracé'de'caractéristiques'd'un'transistor,'conception'd’un'modèle'simple.'
' Réponse'transitoire'd'un'inverseur'NMOS'avec'résistance,'vérification'de'la'simulation'en'
régime'permanent'à'l’aide'du'modèle'simple.'
' Réponse'transitoire'd'un'inverseur'CMOS,'introduction'du'PMOS.'
' Etude'd'interrupteurs'MOS.'
' Réalisations' d'une' fonction' booléenne,' choix' d’une' architecture' à' partir' du'
comportement'dynamique.'
Travaux Pratiques d’Électronique, ESPCI 1
ère
année
de'modèles)'sont'positionnés'sur'une'feuille,'reliés'entre'eux'et'leurs'valeurs'sont'spécifiées'
par'l’utilisateur.'Il's’agit'par'exemple'des'tensions'd'alimentation,'des'grandeurs'd'entrée'et'
de'sortie,'des'dimensions'des'transistors.'Ces'valeurs'sont'saisies'dans'des'champs'de'texte'
associés' aux' dessins' des' composants.' Il' est' également' possible' de' décrire' ces' schémas'
directement'dans'des'fichiersMtexte'associés'à'ces'dessins.'
II.3'Déroulement'd'une'simulation
Après' avoir' dessiné' le' schéma' du' montage,' il' est' nécessaire' de' définir' le' profil' de' la'
simulation':' ceci' consiste' à' définir' les' grandeurs' électriques' dont' on' désire' connaître' les'
valeurs,' le' mode' de' simulation' que' l’on' désire' (mode' transitoire,' mode' statique,' étude'
fréquentielle'et'diagramme'de'Bode)','la'durée'de'la'simulation.'
II.4'Edition'et'analyse'des'résultats'
Après'simulation,'PSPICE'génère'un'fichier'contenant'les'résultats'de'la'simulation'(état'des'
entrées' et' des' sorties' en' fonction' du' temps,' ou' état' des' sorties' en' fonction' des' entrées),'
sous'forme'd'un'tableau'de'valeurs'et''de'courbes.''
II.(Déroulement(du(TP(et(principes(de(la(simulation(électrique(
II.1'PSPICE'
Le' simulateur' électrique' PSPICE' est' un' logiciel' de' simulation' de' circuits' électriques'
contenant'des'composants'tels'que'sources'de'tension,'résistances,'capacités'et'transistors.'
Le'simulateur'effectue'ses'calculs'numériques'en'utilisant'des'modèles'de'ces'composants,'
par'exemple'le'modèle'de'Shichman'et'Hodges'(SMH)'pour'les'transistors.'Il'permet'd’évaluer'
les' performances' d’un' montage' avant' de' l’avoir' réalisé.' Un' tel' outil' est' particulièrement'
important'lorsque'l’on'réalise'des'circuits'intégrés'car'le'développement'd’un'prototype'est'
onéreux.'Néanmoins'la'précision'des'résultats'que'fournit'la'simulation'dépend'de'la'qualité'
et' de' la' complexité' des' modèles' que' l’on' utilise.' Plus' le' modèle' se' rapproche' du'
comportement' réel' d’un' composant,' plus' il' fait' intervenir' de' paramètres' et' plus' il' est'
spécifique' d’un' composant' donné.' Cela' signifie' que' le' nombre' de' calculs' nécessaires' à' la'
simulation'augmente'et'qu’il'faut'estimer'un'plus'grand'nombre'de'paramètres.'Ainsi,'si'l’on'
utilise' le' modèle' SMH,' un' transistor' est' caractérisé' par' VT' (noté' VTO' dans' PSPICE)' et' KP,'
auxquels'viennent's’ajouter'les'dimensions'W'et'L.'Mais'ce'modèle'est'peu'précis,'et'il'peut'
être'nécessaire'd’affiner'la'modélisation'du'transistor'et'de'tenir'compte'de'l’effet'Early,'des'
capacités' parasites,' des' effets' de' bord' si' le' canal' est' court,' de' la' différence' de' potentiel'
GrilleMSubstrat,'etc.'Les'modèles'de'transistors'MOS'possèdent'jusqu’à'100'paramètres'dans'
PSPICE.' En' général,' un' paramètre' non' spécifié' n’a' pas' d’effet' sur' le' comportement' du'
transistor'par'rapport'au'modèle'simple.'
II.2'Schéma'électrique'et'paramètres'de'simulation
Pour'simuler'le'fonctionnement'd’un'circuit,'il'faut'tout'd’abord'le'décrire.'Ceci'peut'se'faire'
dans'un'langage'adapté'ou'bien,'plus'simplement,'par'le'tracé'du'schéma.''
Avec'PSPICE,'la'saisie'des'schémas'électriques'se'fait'par'l’intermédiaire'de'l’outil'CAPTURE.'
Les'objets'dont'le'logiciel'peut'simuler'le'fonctionnement'(et'pour'lesquels'il'dispose'donc'
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III.1'Etude'd'un'circuit'RC'
Le'but'de'cette'première'étude'est'de'vous'familiariser'avec'l'environnement'de'travail'mis'à'
votre'disposition.'
On'se'propose'd'étudier'le'fonctionnement'du'circuit'RC'suivant':'
R=10k Ω
3
Vout
Vin
4
I
0
Le'potentiel'Vin'imposé'au'nœud'n°'2'a'la'forme'suivante':'
PER=200ns
année
'
Placez' le' potentiel' de' référence':'
,' symbol' GND/CAPSYM.' Après' avoir' positionné' ce'
composant,' éditez' ses' propriétés' et' donnezMlui' le' nom' 0' (zéro),' comme' à' chaque' fois' que'
vous'utiliserez'ce'symbole.'
Pour' que' les' résultats' de' la' simulation' soient' stockés' dans' un' fichier,' placez' ensuite'
voltmètres'et'ampèremètre'(VPRINT1'et'IPRINT'de'SPECIAL)'aux'points'qui'vous'intéressent,'
à'savoir'en'entrée'(Vin),'en'sortie'(Vout)'et'en'série'(I).'
Pour'établir'les'connexions'entre'les'composants,'utilisez'l’outil'Place%Wire'''
5V
0V
60ns
TR
ère
l’outil'Place%Part…
'pour'la'première'fois.'
'
Placez' les' composants' (R' et' C' de' Analog,' VPULSE' de' SOURCE)' en' les' faisant' tourner' si'
nécessaire'(clic'droit,'Rotate).'Pour'libérer'le'curseur,'utilisez'la'touche'ESC.'
Imposez' les' valeurs' désirées' aux' composants' et' au' générateur' en' cliquant' sur' les' valeurs'
que'vous'désirez'fixer'ou'modifier'ou'en'«'éditant'ses'propriétés'»'(clic'droit).'Le'zoom'peut'
vous'être'utile'
'
C=1pF
2ns
TD
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composants'pour'lesquels'le'logiciel'dispose'de'modèles'se'trouvent'dans'des'bibliothèques'
(Libraries)'que'vous'devez'charger'pour'pouvoir'les'utiliser.'
Ajoutez,'si'besoin,'toutes'les'«'libraries'»'par'Add%Library…qui'apparaît'lorsque'vous'utilisez'
III.(Simulations(et(interprétations(
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70ns
PW
60ns
TF
TD=retard,'TR=temps'de'montée,'TF=temps'de'descente,'PW=temps'de'maintien,'PER=période'
Chargement.(
Lancez''PSPICE':'Démarrer'>>'Programmes'>>'PSPICE'Student'>'Capture'Student'
Puis'File%>>%New%>>%Project.'Comme'dans'la'plupart'des'programmes'actuels,'l’ensemble'des'
fichiers'créés'par'l’utilisateur'et'le'logiciel'sont'regroupés'dans'un'«'projet'».'Vous'allez'créer'
le' dessin' du' circuit' électrique,' préciser' le' profil' de' simulation' et' le' logiciel' créera' tous' les'
intermédiaires'nécessaires'ainsi'que'les'fichiers'de'résultats.'
'
' Appelez' ce' premier' projet' «'RC'»,' cochez' «'Analog' or' Mixed' A/D'»' et' stockezMle' dans'
C:\TP\PSPICE\Travail.'
Ce'projet'est'nouveau'(Blank'project)'
Vous' avez' maintenant' à' votre' disposition' une' feuille' sur' laquelle' vous' allez' dessiner' votre'
schéma.'
'
Définition(de(la(simulation.(
Pour' définir' les' calculs' de' la' simulation,' utilisez' la' commande' PSpice% >>% New% Simulation%
Profile.'DonnezMlui'le'même'nom.'
Afin' d’observer' l’évolution' des' signaux' au' cours' du' temps' (par' opposition' à' une' analyse'
fréquentielle'ou'en'point'de'fonctionnement),'vous'devez'vous'placer'en'Time%Domain.'
Choisissez'une'durée'de'calcul'de'100ns'et,'dans'Output%File%Options'un'stockage'des'valeurs'
dans'le'fichier'de'résultats'toutes'les'nanosecondes.'
Puis'lancez'la'simulation':'PSpice%>>%Run.'
'
Visualisation(des(résultats(
Une'nouvelle'fenêtre's’ouvre'et'va'vous'permettre'd’accéder'aux'résultats.'
Vous' pouvez' choisir' de' visualiser' les' résultats' sous' forme' graphique' (View% >>% Simulation%
Results)'ou'sous'forme'de'tableau'de'valeurs'(View%>>%Output%File).''
'
Pour' visualiser' une' grandeur' électrique' sous' forme' graphique,' sélectionnez' sous' CAPTURE'
une'sonde'de'tension'
'ou'(PSPice'>>'Markers>>'Voltage'Level),'ou'de'courant'(Current'
Tracé(du(schéma(dans(CAPTURE.(
Pour' placer' les' composants' sur' la' feuille' et' les' relier' entre' eux,' utilisez' la' barre' d’outils,'
située' à' droite' de' la' fenêtre' SCHEMATIC' lorsqu’elle' est' active' (le' bandeau' supérieur' de' la'
feuille' de' dessin' est' alors' bleu,' sinon,' il' est' gris),' ou' le' menu' déroulant' Place.' Les'
Into' Pin)'
' et' positionnezMla' au' point' d’intérêt.' Vous' voyez' apparaître' la' courbe' de' la'
réponse'en'fonction'du'temps.'Les'tensions'que'vous'visualisez'sont'comprises'entre'0V'et'
5V,'tandis'que'les'courants'sont'de'l’ordre'du µA.'Il'faut'donc'ajouter'une'échelle'verticale'
pour'visualiser'la'forme'du'courant':'avant'de'placer'le'Marker'du'courant,'ajoutez'un'axe'
vertical'dans'la'fenêtre'de'résultats'graphiques':'Plot%>%>%Add%Y%axis.
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Pour' accéder' aux' valeurs' dans' la' représentation' graphique,' utilisez' le' curseur'
,' une'
fenêtre's’ouvre'et'vous'indique'l’abscisse'et'l’ordonnée'du'point'repéré'par'les'deux'axes.'
C’est'cette'méthode'que'vous'utiliserez'par'la'suite.'Pour'sélectionner'une'courbe,'cliquez'
sur'son'symbole'en'légende.'
Pour'savoir'quels'points'ont'effectivement'été'calculés'(et'non'interpolés),'utilisez'
.'
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III.2'Caractéristiques'd'un'transistor'NMOS
'
' On'se'propose'de'tracer'des'caractéristiques'Ids='f'(Vds)'d'un'transistor'NMOS.''
Pour'cela,'créez'un'nouveau'projet'baptisé'caract.'
I DS
Interprétation(des(résultats.(
a. Exprimez'les'équations'différentielles'qui'relient'I'et'Vin,'et'Vout'et'Vin.''
' RésolvezMles' pour' t' variant' de' 0' et' 62ns' et' calculez' quelques' valeurs' de' Vin,' Vout' et' I.'
Qu’en'déduisezMvous'quant'à'la'précision'de'la'simulation'numérique'?'
'
G
VGS
D
V
DS
S
b. Estimez,'à'partir'des'mesures,'la'constante'de'temps'du'modèle'du'premier'ordre'qui'
décrit'la'relation'entre'Vin'et'I.'
c. Proposez'une'méthode'permettant'd’estimer'cette'constante'de'temps'à'l'aide'de'Vin'
'
et'Vout.''
'
Précisez'dans'les'deux'cas'quelles'sont'les'sources'd’erreur'de'votre'estimation'et'vérifiez'
que'ces'erreurs'permettent'd’expliquer'l’écart'entre'la'constante'de'temps'estimée'et'la'
constante'de'temps'utilisée'pour'la'simulation.'
' Refaites'une'simulation'de'façon'à'observer'la'réponse'complète.'
Le'composant'«'transistor'NMOS'»'se'trouve'dans'la'«'library'»'BREAKOUT.''
' '
Choisissez'MbreakN3.''
Vous'devez'tout'd’abord'spécifier'les'valeurs'des'caractéristiques'du'modèle'que'le'logiciel'
va'utiliser'pour'ce'transistor.'Pour'le'modèle'de'Schichman'et'Hodges,'il'faut'donc'définir'la'
tension'VTO,'le'Kp'et'les'dimensions'W'et'L.'
'
' Sélectionnez'le'transistor,'puis'Edit>>PSPice%Model.''
Nous' choisissons' VTO=0.7V' et' KP=2EM5.' Pour' cela,' complétez' la' ligne' .model( Mbreakn(
NMOS'par'VTO=0.7V(KP=2eO5(IS=0'(IS'est'relatif'au'courant'de'fuite'que'le'modèle'SMH'ne'
prend'pas'en'compte).'Ces'caractéristiques'sont'communes'à'tous'les'transistors'que'vous'
fabriquerez'dans'la'même'zone'de'silicium'et'donc'dans'ce'projet.'
Pour'spécifier'les'dimensions'du'transistor,'doubleMcliquez'sur'le'transistor'et'remplissez'les'
cases' L( (1u)' et' W( (attention,% pas% M%!)( (4u).' Des' transistors' voisins' peuvent' avoir' des'
dimensions'différentes'et'cellesMci'sont'donc'spécifiques'de'chaque'transistor.'
Enfin' placez' un' générateur' de' tension' constante' (VDC' de' SOURCE)' pour' VGS' et' pour' VDS,'
ainsi'que'le'potentiel'de'référence'(mettez'GND'à'0).'Renommez'les'générateurs'et'fixez'la'
valeur'de'VGS'à'5V.'
'
Pour' visualiser' la' caractéristique,' il' est' nécessaire' de' faire' varier' le' potentiel' VDS' et' de'
calculer' le' courant' IDS' correspondant.' Pour' cela,' créez' un' nouveau' profil' de' simulation' et'
choisissez'DC%Sweep'dans'le'menu'Analysis%Type.'Choisissez'la'source'dont'vous'voulez'faire'
varier'la'tension'(VDS'dans'notre'cas),'les'bornes'de'tension'(0V'et'5V),'et'l’incrément'(0.1V,'
par'exemple)'
'
' Visualisez' la' caractéristique' obtenue' en' lançant' la' simulation' et' en' plaçant' un' Marker'
(Current'Into'Pin)'
'
'
'
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'III.3'Réponse'transitoire'd'un'inverseur'NMOS'avec'résistance.
Un#modèle#simple#du#transistor#NMOS#
Quand'Vds'est'«'petit'»,'il'est'possible'de'modéliser'le'dipôle'DS'par'une'résistance.''
''Choisissez' la' valeur' de' la' résistance' qui' vous' semble' adaptée' en' précisant' les' limites( du(
domaine(de(validité(de(ce(modèle(et(la(valeur(maximale(de(l’erreur'que'vous'commettez'dans'
ce' domaine.' Vous' pouvez' comparer' graphiquement' le' modèle' choisi' à' la' caractéristique' en'
utilisant' Trace>>Add% Trace% qui' vous' permet' de' tracer' un' signal' résultant' d’opérations' simples'
sur'les'signaux'existants.'Vous'pouvez'ainsi'également'tracer'la'différence'entre'votre'modèle'et'
la'caractéristique'du'transistor,'en'ajoutant'un'axe'vertical'si'le'besoin's’en'fait'sentir.'
' '
'
Quand'Vds'est'«'grand'»,'le'dipôle'DMS'se'comporte'comme'un'générateur'de'courant.'
' Déterminez'les'caractéristiques'de'ce'générateur'à'partir'de'la'caractéristique.'
Précisez' à' nouveau' dans' quel' domaine' de' tension' vous' pourrez' utiliser' ce' modèle' et' avec'
quelle'précision.'
'
' Tracez,' sur' votre' cahier,' la' caractéristique' du' transistor' à' l'aide' de' quelques' points' du'
tableau.'
'
' '
' Recommencez' la' simulation' pour' VGS' =' +3V' et' déterminez' simplement' l’intensité' du'
courant'de'saturation'et'une'résistance'équivalente.'
'
Vous'disposez'maintenant'de'modèles'simples'du'transistor'MOS'(résistance,'générateur'de'
courant)'dans'des'plages'de'tension'limitées.'Ce'sont'ces'modèles'que'vous'utiliserez'pour'
effectuer'des'calculs'dans'la'suite'de'ce'travail.'''
Vous'pourrez'également'utiliser'la'caractéristique'graphique'que'vous'avez'tracée.''
V DD
R
G
Vin
D
C
S
Vout
' Modifiez' le' projet' caract' afin' de' réaliser' ce' montage' avec' le' même' transistor' que'
précédemment,'C'='0,1pF'et'R=1kohm,'et'un'générateur'de'type'VPULSE'en'entrée.''
' Pourquoi'aMtMon'choisi'une'charge'capacitive'?'
'
' Utilisez'un'profil'de'simulation'permettant'd’observer'l’évolution'temporelle'de'la'tension'
de'sortie'pour'une'entrée'en'échelon'(0V,'5V)'d’une'durée'de'3ns'et'de'période'10'ns.'
Pour' un' échelon,' les' temps' de' montée' et' de' descente' sont' nuls.' Cependant' PSPICE'
échantillonne'le'signal'd’entrée'et'attribue'donc'une'valeur'non'nulle'à'ces'grandeurs'lors'
des' calculs.' Vous' devez' donc' spécifier' une' valeur' non' nulle,' mais' petite' devant' les' temps'
caractéristiques'du'système'que'vous'étudiez,'0,01ns'par'exemple.'
(
' Effectuez' la' simulation' avec' R=1kohm.' Visualisez' la' tension' d’entrée' et' la' tension' de'
sortie' et' relevez' la' valeur' à' laquelle' se' stabilise' Vout' quand' Vin=5V.' Déduisez' cette' valeur'
d'un' résultat' précédent.' Montrez' que' le' résultat' que' vous' obtenez' est' cohérent' avec' la'
précision'que'vous'avez'choisie'pour'votre'modèle.'
' Recommencer'le'même'travail'avec'R=100kohms'et'R=10kohms'et'modifiez'la'durée'de'
l’échelon'si'nécessaire'afin'd’observer'les'résultats'intéressants.'Préciser'à'chaque'fois'quel'
modèle' simplifié' vous' utilisez' pour' tenter' de' retrouver' par' le' calcul' le' résultat' de' la'
simulation'en'régime'permanent'et'quelle'erreur'maximale'vous'commettez'avec'le'modèle'
choisi.'
'
' Retrouver' ces' résultats' à' partir' de' la' caractéristique' du' transistor' que' vous' avez' tracée'
précédemment.'
'
' '
' Calculez' l'expression' de' Vout' (t)' en' réponse' au' front' descendant' pour' R=10kohms.'
Vérifier'sur'quelques'points'si'votre'calcul'correspond'à'la'simulation.'
'
' Caractérisez' les' réponses' obtenues' pour' les' différentes' valeurs' de' R'(tension' de' sortie,'
temps'de'montée,'temps'de'descente,'que'vous'définirez).'
Quel'montage'vous'semble'le'mieux'adapté'?'
'
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A'quelle'condition'une'valeur'de'la'tension'électrique'peutMelle'être'considérée'comme'un'
niveau'logique'0'ou'1'?''
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III.5'Réponse'transitoire'd'interrupteurs'MOS.'
Etude(d'un(interrupteur(NMOS.(
III.4'Réponse'transitoire'd'un'inverseur'CMOS.
VDD
VDD
S
Vin
G
D
G
D
S
Vin
C
C Vout
Vo ut
Modifiez'le'schéma'précédent'afin'de'réaliser'celuiMci.'
Le'transistor'PMOS'se'trouve'dans'la'«'library'»'BREAKOUT.'Utilisez'MbreakP3'et'donnezMlui'
les'caractéristiques'VTO'=''M1V''KP'='2EM5''IS'='0.'
'
Faites'la'simulation'comme'précédemment.'
' Quels'sont'les'avantages'de'ce'montage'par'rapport'aux'précédents'?'
' Mesurez'le'temps'de'retard'relatif'au'front'de'montée'de'l'entrée'et'défini'par'le'passage'
à'VDD/2'de'la'sortie.'
' Mesurez'le'temps'de'descente'de'la'sortie'(de'0,9VDD'à'0,1VDD).'
' Calculez' ce' dernier' temps' à' l'aide' de' la' formule' du' cours' obtenue' par' le' calcul' avec' le'
modèle'SMH.'et'rappelée'en'annexe.'
'
' Réalisez'ce'montage'à'partir'du'précédent'avec'C'='0,1pF.'
'
' L'interrupteur'estMil'ouvert'ou'fermé?'Pour'répondre'à'cette'question,'il'est'nécessaire'de'
considérer'la'fonction'que'l’on'désire'réaliser.'
'
' Appliquez' un' échelon' en' entrée' et' expliquez' les' résultats' de' la' simulation' en' régime'
permanent' pour' Vin' =' 0V' et' ' pour' Vin' =' 5V' en' déterminant' dans' quel' état' se' trouve' le'
transistor'au'moment'de'la'transition'de'l’entrée'et'en'régime'permanent.'
'
' Pourquoi,' si' l’on' applique' une' rampe' à' l’entrée' du' montage,' le' transistor' peutMil' être'
assimilé' à' une' résistance'?' Quelle' est' la' valeur' de' cette' résistance' au' début' de' la' rampe?'
Dessinez'dans'ce'cas'le'schéma'équivalent'au'montage'et'calculez'l'expression'de'Vout(t).'
Effectuez'la'simulation'en'appliquant'une'rampe'en'entrée.'Comparez'les'valeurs'que'vous'
avez'calculées'aux'résultats'de'la'simulation.'
En' utilisant' ce' que' vous' avez' fait' au' tout' début' de' ce' TP,' retrouvez' la' valeur' du' décalage'
temporel'entre'Vin'et'Vout'pour'Vin=2V.'
'
' Observez'Vout'au'début'de'la'rampe.'Quelle'est'la'différence'essentielle'avec'la'réponse'à'
un'échelon?'
Etude(d'un(interrupteur(PMOS.(
Vin
C
Vout
Réalisez'ce'montage'et'comme'précédemment,'appliquez'un'échelon'en'entrée'et'expliquez'
les'résultats'de'la'simulation'en'régime'permanent'pour'Vin'='0V'et''pour'Vin'='5V.'
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ère
année
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Afin'd'obtenir'exactement'les'niveaux'VDD'et'0'en'sortie,'on'propose'le'montage'suivant.'
'
Première(réalisation.(
V DD
Φ
Φ
année
III.6'Réalisations'd'une'fonction'booléenne.
Etude(d'un(interrupteur(CMOS.(
Vin
ère
C
A
D
B
C
A
B
D
C
Vout
Ce'montage'est'déjà'dessiné'dans'le'projet'existant'inter.'
' Ouvrez' ce' projet,' effectuez' la' simulation' proposée' et' vérifiez' que' le' comportement' est'
bien'celui'que'l'on'espère.''
Cch
Vout
Déterminez'quelle'fonction'booléenne'Vout=f'(A,B,C,D)'est'réalisée'par'ce'schéma.'
Ouvrez'le'projet'mont1'et'effectuez'la'simulation'qui'vous'est'proposée.''
Vérifiez'que'le'résultat'de'la'simulation'correspond'bien'à'la'fonction'booléenne.'
Deuxième(réalisation.(
Proposez'une'réalisation'de'la'même'fonction'booléenne'à'l’aide'de'deux'couches'de'portes'
NON'ET'à'deux'entrées.'
Réalisez'la'fonction'NON'ET'à'deux'entrées'dans'le'projet'nand2.'
La' version' (gratuite)' de' PSPICE' que' vous' utilisez' ne' vous' permet' pas' de' construire' des'
montages'comprenant'plus'de'10'transistors.'Il'ne'vous'est'donc'pas'possible'de'construire'
le'schéma'complet'de'cette'seconde'réalisation.'
Étude(dynamique(des(deux(réalisations.(
Première%réalisation%(mont1).%
' Cherchez'un'ensemble'de'valeurs'constantes'pour'les'trois'entrées'B,'C'et'D'telles'que'le'
circuit'réalise'la'fonction'booléenne'Vout'='A.'
Tel'qu’il'est'proposé,'le'montage'ne'fait'intervenir'qu’un'condensateur.'Ses'caractéristiques'
dynamiques'ne'dépendent'donc'que'de'l’étage'de'sortie.'
' Dans' cette' situation,' comment' calculeriezMvous' la' valeur' de' la' tension' d’entrée' de'
l’inverseur'(V6)'en'réponse'à'un'échelon'et'en'réponse'à'une'rampe'?''
' Effectuez'la'simulation'en'visualisant'cette'tension.'
'
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Septembre 2011
Travaux Pratiques d’Électronique, ESPCI 1
ère
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Il'est'possible'que'le'logiciel'vous'indique'un'défaut'de'convergence.''
Expliquez' d’où' vient' ce' problème' en' analysant' la' réponse' d’un' inverseur' CMOS' à' une'
rampe,'en'particulier'quand'les'deux'transistors'sont'en'saturation.''
Modifiez'le'modèle'du'transistor'en'faisant'intervenir'sa'résistance'd’effet'Early.'Pour'cela,'
ajoutez' le' paramètre' LAMBDA' au' modèle' du' transistor' et' calculez' sa' valeur' afin' que' la'
résistance'd’effet'Early'soit'de'l’ordre'de'50kΩ.'Tracez'la'caractéristique'du'transistor'ainsi'
modifié'afin'de'visualiser'l’effet'Early.'
'
Les' transistors' réels' possèdent' tous' une' impédance' d’entrée' capacitive' que' l’on' peut'
modéliser'dans'PSPICE'en'ajoutant'cette'caractéristique'dans'la'description'du'transistor.'
' Modifiez' le' projet' en' ajoutant' cette' caractéristique':' CGSO=1EO9' aux' modèles' des'
transistors' et' choisissez' un' profil' de' simulation' qui' permette' de' visualiser' précisément' le'
temps' de' montée' de' Vout' lorsque' le' temps' de' montée' de' A' est' de' 0,01ns' (ie' A' est' un'
échelon).'
La'capacité'parasite'de'charge'vaut'0,01'pF.'
' Recommencez' la' simulation' pour' des' temps' de' montée' et' de' descente' égaux' à' 1ns.
' Caractérisez'les'réponses'(temps'de'retard';'temps'de'montée';'temps'de'descente).'
'
' EstMce'que'les'résultats'seraient'différents'si'l’on'réalisait'Vout'='B'?'
'
Deuxième%réalisation.%
Il'n’est'pas'possible'de'simuler'le'fonctionnement'du'circuit'complet,'mais,'dans'le'cas'où'
Vout' =' A,' le' fonctionnement' du' montage' peut' être' simulé' avec' deux' portes' NAND2'
seulement,'puisque'la'sortie'de'la'troisième'est'toujours'égale'à'1.'
' Complétez'le'projet'NAND2'afin'de'pouvoir'caractériser'ce'second'montage.'
' Reprenez' les' simulations' effectuées' pour' le' montage' 1' et' relevez' les' temps'
caractéristiques'de'ce'second'montage.'
'
' Proposez'un'choix'de'montage'en'précisant'quels'critères'vous'utilisez.'
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ère
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Modèle(utilisé(par(le(simulateur(
(
(
Normal(mode:(Vds(>(0(
(
Case(1(
for'cutoff'region:'VgsMVto'<'0'
then:'Idrain'='0'
'
Case(2(
for'linear'region:'Vds'<'VgsMVto'
then:'Idrain'='(W/L)w(KP/2)w(1+LAMBDAwVds)wVdsw(2w(VgsMVto)MVds)'
'
Case(3(
for'saturation'region:'0'<'VgsMVto'<'Vds'
then:'Idrain'='(W/L)w(KP/2)w(1+LAMBDAwVds)w(VgsMVto)2'
where'
Vto'='VTO+GAMMAw((PHIMVbs)1/2MPHI1/2)'
'
'
Inverted(mode:(Vds(<(0(
Switch'the'source'and'drain'in'the'normal'mode'equations'above.'
Par'défaut,'LAMBDA'et'GAMMA'sont'nuls.'
Temps(de(descente(de(l’inverseur(CMOS(
(
!!! !!"#
!!
!!! !!" − !, !!!!
!! =
−
!!!!"# = !
(
!!"#
!! !!! − !!" !
!,!!!!
!! −!!! =
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−
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!!
!!!!"# = !
!!"#
!! !!! − !!"
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!"!!! − !"!!"
!!!
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Travaux Pratiques d’Électronique, ESPCI 1
Utilisation(de(PSPICE(pour(la(simulation(de(circuits(analogiques((
NOTCH'FILTER'
Saisissez'le'schéma'suivant'avec'Capture'
10kΩ
10kΩ
20nF
ère
année
Septembre 2011
Travaux Pratiques d’Électronique, ESPCI 1
ère
année
Cela' signifie' que' le' logiciel' va' simuler' le' fonctionnement' de' ce' circuit' en' réponse' à' une'
entrée'sinusoïdale'pour'des'fréquences'comprises'entre'10Hz'et'10MHz.'
'
Pour'afficher'le'gain'en'dB,'allez'dans'Markers,'puis'Advanced'et'sélectionnez'dB'Magnitude'
of'Voltage.'Placez'le'Marker'sur'la'sortie.'
Lancez'la'simulation'(PSpice>Run).'
'
'
'
'
AMPLIFICATEUR'A'TRANSISTOR'BIPOLAIRE'
Vin
1Vac
0Vdc
10nF
10nF
5kΩ
Créez'un'New%Simulation%Profile'et'entrez'les'valeurs'indiquées'ciMdessous'
Effectuez'une'simulation'similaire'avec'le'circuit'ciMdessus.'
'
Proposez' un' circuit' permettant' de' déterminer' le β du' transistor.' EstMce' que' sa' valeur'
dépend'du'point'de'polarisation?'Si'oui,'quelle'valeur'choisiriezMvous?'
'
Caractérisez'numériquement'l’effet'Early.'
'
Vérifiez'par'le'calcul'le'résultat'des'simulations'(fréquence'de'coupure,'gain).'
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