集成電路測(cè)試儀電源電路的仿真設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

0 引 言

　　集成電路測(cè)試儀可用來(lái)測(cè)量集成電路的好壞，在電子實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用廣泛。在實(shí)際使用中，發(fā)現(xiàn)部分廠家生產(chǎn)的測(cè)試儀存在一些問(wèn)題，如電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載加重后容易出現(xiàn)死機(jī)或復(fù)位不正常現(xiàn)象，這對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和實(shí)驗(yàn)室管理有很大影響，也是困擾實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師的常見問(wèn)題，必須予以解決。本文通過(guò)某一種測(cè)試儀電源電路的改進(jìn)的試驗(yàn)，會(huì)給實(shí)驗(yàn)室管理者以借鑒。

　　在電路設(shè)計(jì)中用到EDA(Electronics Design Au-tomation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)。在進(jìn)行電路改進(jìn)前，從電路參數(shù)設(shè)計(jì)，電路功能仿真驗(yàn)證等都在計(jì)算機(jī)上先用EDA軟件完成，不但縮短了電路設(shè)計(jì)時(shí)間，而且大大地節(jié)約了成本。

　　EDA技術(shù)是隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一種高級(jí)、快速、有效的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具。它經(jīng)歷了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Assist De-sign，CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)(Computer Assist Engineering Design，CAE)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Elec-tronic Design Automation，EDA)三個(gè)發(fā)展階段。利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：用軟件的方式設(shè)計(jì)硬件；用軟件方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)的開發(fā)軟件自動(dòng)完成的；對(duì)設(shè)計(jì)電路功能是否正確可進(jìn)行仿真分析。

　　目前流行的EDA軟件有Protel 99 SE，EWB，Multisim，PSpice等幾種。本文運(yùn)用Protell 99 SE中的Advanced SIM 99仿真功能對(duì)所改進(jìn)的電路進(jìn)行仿真和應(yīng)用。

　　1 EDA仿真在測(cè)試儀電源電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　學(xué)校電工電子實(shí)驗(yàn)室有多臺(tái)LM-800C數(shù)字集成電路測(cè)試儀，在使用中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)死機(jī)，復(fù)位不正?，F(xiàn)象。通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)電源電路存在問(wèn)題：電源擴(kuò)展能力差，帶負(fù)載能力弱。筆者根據(jù)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中，78M05為5 V三端穩(wěn)壓器，RL為測(cè)試儀負(fù)載，實(shí)際上是待測(cè)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(guò)研究，發(fā)現(xiàn)電源電路存在問(wèn)題：電源擴(kuò)展能力差，帶負(fù)載能力不強(qiáng)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)死機(jī)、無(wú)法復(fù)位現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)其電源電路的改進(jìn)，增加了擴(kuò)流電路，從而解決了實(shí)際使用中存在的問(wèn)題。

　　1．1 測(cè)試儀電源電路的擴(kuò)流設(shè)計(jì)

　　為了節(jié)約成本，不能對(duì)原來(lái)電路進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，只能在原來(lái)電源電路基礎(chǔ)上，通過(guò)增加部分電路來(lái)增強(qiáng)其帶負(fù)載能力。改進(jìn)中需要考慮的問(wèn)題：

　　(1)選擇合適的濾波電容。電源輸出直流電壓要穩(wěn)定，紋波小。

　　(2)增加了擴(kuò)流電路，當(dāng)電源電壓不穩(wěn)定或測(cè)試系統(tǒng)負(fù)載增大時(shí)，電源帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸出電壓穩(wěn)定。圖2為經(jīng)過(guò)改進(jìn)的帶擴(kuò)流功能的電路，帶負(fù)載能力較強(qiáng)，能擴(kuò)大電路的輸出電流。Q1為外接擴(kuò)流功率三極管，R1為Q1的偏置電阻。該電路帶負(fù)載能力與Q1的參數(shù)有關(guān)。C1，C4為濾波電容，C2為0．33μF，可抵消輸入接線的電感效應(yīng)，C3可防止高頻自激，消除高頻噪聲，改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。

電源電路擴(kuò)展輸出電流的工作原理：二極管D1用于消除三極管Q1的發(fā)射結(jié)Ube對(duì)輸出電壓的影響(相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的導(dǎo)通電壓0．7 V)，并提供電容C4的放電回路。設(shè)三端穩(wěn)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(fù)載RL上電流的最大值I可表示為：

一般三極管的基極電流Ib很小，與Imax相比可忽略不計(jì)，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(fù)載能力。

　　1．2 兩種電路帶負(fù)載能力的仿真對(duì)比驗(yàn)證

　　可用Protell 99 Advanced SIM 99對(duì)原電路(圖1)和改進(jìn)后的電路(圖2)進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證二者的帶負(fù)載能力。

　　(1)仿真參數(shù)設(shè)置

　　首先進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行瞬態(tài)分析與傅里葉分析，仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖3所示。

　
為了突出顯示，顯示器上只顯示兩個(gè)波形，其中in為輸入端，out為輸出端。

　　(2)仿真波形對(duì)比分析

　　用Protell 99 Advanced SIM 99對(duì)圖1所示電路進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)載變重，超過(guò)78M05最大輸出電流(0．7 A)時(shí)，將使輸出電壓的紋波增大，輸出電壓(out)下降且不穩(wěn)定，out波形有明顯的波動(dòng)，5 V下降為4 V左右，且輸出(out)波形不平滑，紋波大。負(fù)載變重后的仿真波形如圖4所示。

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

從輸出波形(out)可以看出，電壓很穩(wěn)定，沒有紋波。

　　1．3 設(shè)計(jì)電路的應(yīng)用效果

　　經(jīng)改進(jìn)后的電源電路，在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際使用中，再未發(fā)現(xiàn)死機(jī)或不能正常復(fù)位現(xiàn)象，證明通過(guò)EDA仿真所設(shè)計(jì)的電路在使用中獲得成功。

　　2 結(jié) 語(yǔ)

　　用EDA仿真技術(shù)能方便電路設(shè)計(jì)，并可驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性。通過(guò)對(duì)兩種電路的仿真對(duì)比，說(shuō)明改進(jìn)后電源電路帶負(fù)載能力強(qiáng)，這在實(shí)際使用中得到驗(yàn)證。