SIMULACIÓN LÓGICA Y DE MODO MIXTO USANDO PSPICE

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1 SIMULACIÓN LÓGICA Y DE MODO MIXTO USANDO PSPICE DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES DIGITALES: Primitivas digitales Modelos temporales Modelos entrada/salida PUERTAS LÓGICAS FLIP-FLOPS Y LATCHES ESTÍMULOS DIGITALES LIBRERÍAS DE COMPONENTES DIGITALES USO DE LA CAPTURA DE ESQUEMÁTICOS ANÁLISIS DE PEOR CASO: Ambigüedades Azares de convergencia Azares de ambigüedad cumulativa Azares de setup, hold y width Azares críticos Azares persistentes SIMULACIÓN DE CIRCUITOS EN MODO MIXTO Dispositivos mixtos: Convertidores A/D y D/A Simulación mixta Simulación de Circuitos Electrónicos 1

2 Descripción de Componentes Digitales DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES DIGITALES: COMPONENTES DIGITALES RECONOCIDOS EN PSPICE: COMPONENTE TIPO DESCRIPCIÓN Puertas Standard BUF Buffer INV Inversor AND Puerta AND NAND Puerta NAND OR Puerta OR NOR Puerta NOR XOR Puerta exclusive-or NXOR Puerta exclusive-nor BUFA Array de buffers INVA Array de inversores ANDA Array de puertas AND NANDA Array de puertas NAND ORA Array de puertas OR NORA Array de puertas NOR XORA Array de puertas exclusive-or NXORA Array de puertas exclusive-nor AO Puerta compuesta AND-OR AOI Puerta compuesta AND-NOR OAI Puerta compuesta OR-NAND Puertas tri-estado BUF3 Buffer INV3 Inversor AND3 Puerta AND NAND3 Puerta NAND OR3 Puerta OR NOR3 Puerta NOR XOR3 Puerta exclusive-or NXOR3 Puerta exclusive-nor BUF3A Array de buffers INV3A Array de inversores AND3A Array de puertas AND NAND3A Array de puertas NAND OR3A Array de puertas OR NOR3A Array de puertas NOR XOR3A Array de puertas exclusive-or NXOR3A Array de puertas exclusive-nor Puertas de NBTG Puerta de transferencia de canal n transferencia PBGT Puerta de transferencia de canal p Simulación de Circuitos Electrónicos 2

3 Descripción de Componentes Digitales COMPONENTE TIPO DESCRIPCIÓN Flip-flops y JKFF Flip-flop J-K disparado por flanco de bajada Latches DFF Flip-flop D disparado por flanco de subida SRFF Latch R-S DLTCH Latch D Resistores pull-up PULLUP Array de resistores pull-up y pull-down PULLDN Array de resistores pull-down Líneas de retraso DLYLINE Línea de retraso Arrays de lógica PLAND Array AND programable PLOR Array OR PLXOR Array exclusive-or PLNAND Array NAND PLNOR Array NOR PLXOR Array exclusive-nor PLANDC Array AND, verdad y complemento PLORC Array OR, verdad y complemento PLXORC Array exclusive-or, verdad y complemento PLNANDC Array NAND, verdad y complemento PLNORC Array NOR, verdad y complemento PLNXORC Array exclusive-nor, verdad y complemento Memorias ROM Memoria solo-lectura RAM Memoria de acceso aleatorio Convertidores ADC Convertidor A/D multi-bit A/D y D/A DAC Convertidor D/A multi-bit Para describir un componente digital se necesita: PRIMITIVA DIGITAL: Definición del tipo de componente y los nudos de entrada y salida. MODELO TEMPORAL: Descripción de las características temporales del componente tiempos de propagación, tiempo de setup, tiempo de hold,... MODELO ENTRADA/SALIDA: Descripción de las características de carga de los nudos de entrada (loading) y la capacidad de carga de los nudos de salida (driving). Simulación de Circuitos Electrónicos 3

4 Puertas Lógicas PUERTAS LÓGICAS: Existen dos clases de puertas lógicas: Puertas standard: cuyas salidas están siempre disponibles. Puertas triestado: cuya salidas sólo son válidas si una señal de control (enable) está activa. Cuando está inactiva la salida se encuentra en alta impedancia (Z) y los estados son indeterminados (X). PUERTAS STANDARD: U<name> <type> [(number of inputs)] + <$D_DPWR> <$D_DGND> <input nodes> <output nodes> + <timing model name> <I/O model name> donde U: símbolo de PSPICE para dispositivos que son primitivas digitales. <name>: nombre de la puerta (hasta 8 caracteres). <type>: tipo de puerta standard (INV, AND, NOR, BUF,...). [<number of inputs>]: número de entradas de la puerta. <$D_DPWR> <$D_DGND>: Nudos de polarización y tierra digitales (por defecto SPICE supone que los valores de las polarizaciones son 5V y 0V respectivamente). <input nodes> <output nodes>: nudos de entrada y salida. <timing model name>: nombre del modelo en el que se describen las características temporales de la puerta. <I/O model name>: nombre del modelo en el que se describen las características de carga y driving de la puerta. Simulación de Circuitos Electrónicos 4

5 Puertas Lógicas MODELO TEMPORAL:.MODEL <timing model name> UGATE [model parameters] UGATE: clave para modelos temporales de puertas standard. [model parameters]: parámetros disponibles del modelo. PARÁMETRO DESCRIPCIÓN VALOR DEF. UNIDAD TPLHMN Retraso: de bajo a alto, mínimo 0 s TPLHTY Retraso: de bajo a alto, típico 0 s TPLHMX Retraso: de bajo a alto, máximo 0 s TPHLMN Retraso: de alto a bajo, mínimo 0 s TPHLTY Retraso: de alto a bajo, típico 0 s TPHLMX Retraso: de alto a bajo, máximo 0 s MODELO ENTRADA/SALIDA:.MODEL <I/O model name> UIO [model parameters] UIO: clave para modelo I/O de componentes digitales. [model parameters]: existen 20 hasta parámetros. PARÁMETRO DESCRIPCIÓN VALOR DEF. UNIDAD INLD Carga capacitiva en la entrada 0 F OUTLD Carga capacitiva en la salida 0 F DRVH Resistencia de salida en nivel alto 50 Ω DRVL Resistencia de salida en nivel bajo 50 Ω U1 NAND (2) $D_DPWR $G_DGND A B X T1 IO1 U2 NOR (2) $D_DPWR $G_DGND C X Y T1 IO1.MODEL T1 UGATE.MODEL IO1 UIO Simulación de Circuitos Electrónicos 5

6 Flip-flops y Latches FLIP-FLOPS Y LATCHES: El simulador soporta tanto biestables disparados por flancos (edge-triggered flip-flops), cuyo estado cambia en el flanco de bajada o en el de subida de la señal de reloj, como disparados por nivel (latches), cuyo estado cambia siempre que el reloj esté en alto. - Flip-flop J-K disparado por flanco de bajada - Flip-flop D disparado por flanco de subida - Latch R-S - Latch D donde U<name> DFF <no. of flip-flops> <$D_DPWR> <$D_DGND> + <presetbar node> <clearbar node> <clock node> + <D node 1>... <D node n> + <Q output 1>... <Q output n> + <Qbar output 1>... <Qbar output n> + <timing model name> <I/O model name> DFF: símbolo de PSPICE para flip-flop D. <no. of flip-flops>: número de flip-flops. <presetbar node>: nudo de la señal de preset (síncrona). <clearbar node>: nudo de la señal de clear (asíncrona). <clock node>: nudo de la señal de reloj. <D node n>: nudo de entrada D del n-ésimo flip-flop D. <Q output n>: nudo de salida Q del n-ésimo flip-flop D. <Qbar output n>: nudo de salida Q del n-ésimo flip-flop D. Simulación de Circuitos Electrónicos 6

7 Flip-flops y Latches MODELO TEMPORAL:.MODEL <timing model name> UEFF [model parameters] UEFF: modelos temporales de flip-flops. [model parameters]: existen hasta 30 parámetros. PARÁMETRO DESCRIPCIÓN VALOR DEF. UNIDAD TPPCQLHMN Retraso: pre/clr a q/q de bajo a alto, mínimo 0 s TWPCLTY Anchura: pre/clr en bajo, típico 0 s TSUDCLKMN Setup: j/k/d hasta flanco clk/clk, mínimo 0 s THDCLKMX Hold: j/k/d despues de flanco clk/clk, máximo 0 s Los parámetros del modelo temporal fijan los tiempos de propagación, de setup y de hold del flip-flop. Estos parámetros tienen valores mínimos, típicos y máximos. MODELO ENTRADA/SALIDA: Semejante al de las puertas standard. Por defecto, todos los biestables son inicializados a un estado indeterminado (X) hasta que se produce un cambio en alguna de sus entradas. El estado inicial se puede controlar mediante: Modo texto: DIGINITSTATE (0 ó 1) en.options Captura de esquemáticos: Analysis Setup Digital Setup. Simulación de Circuitos Electrónicos 7

8 Estímulos Digitales ESTÍMULOS DIGITALES: Generación de formas de onda digitales que sirvan como excitación a los circuitos digitales. Similar al uso de fuentes independientes de tensión e intensidad en simulación eléctrica. PSPICE utiliza niveles lógicos y no valores de tensión. ESTADO SIGNIFICADO 0 Bajo, falso, no, OFF 1 Alto, verdadero, sí, ON R En subida (cambio de 0 a 1 durante flanco de subida) F En bajada (cambio de 1a 0 durante flanco de bajada) X Indeterminado Z Alta impedancia GENERADOR DE ESTÍMULOS (STIM): donde U<name> STIM (no. of signals, format) <$D_DPWR> <$D_DGND> + < node(s)> IO_STM [TIMESTEP=<stepsize>] <command> U: símbolo de PSPICE para dispositivos de estímulo digital (Uclk, Uset,...). STIM: símbolo de generador de estímulos. (no. of signals, format): existen tres formatos binario, octal y hexadecimal que se seleccionan poniendo <format> como 1, 3 ó 4, respectivamente. Simulación de Circuitos Electrónicos 8

9 Estímulos Digitales <node(s)>: nudos de las señales generadas. IO_STM: nombre del modelo entrada/salida del generador. [TIMESTEP]: anchura de pulso del estímulo digital. Útil para relojes. <command>: define la forma de la onda a generar. La forma más básica es <<time> <value>>: - El tiempo se puede especificar en segundos (s) o en periodos de reloj (c). - Los valores de tiempo pueden ser absolutos (15ns, 10c) o relativos al tiempo anterior (+15ns, +10c). PSICE también soporta comandos variados para generar distintas formas de onda digitales; p.ej. lazos para señales periódicas: <<time> <value>> <LABEL>=<label name> <<time> GOTO <label name> <n> TIMES> Simulación de Circuitos Electrónicos 9

10 Estímulos Digitales: Ejemplos (1) U1 STIM(1,1) $G_DPWR $G_DGND S1 IO_STIM 0ns 0 10ns 1 (2) (3) (4) U2 STIM(1,1) $G_DPWR $G_DGND S2 IO_STIM + 0ns 0 +4ns 1 +2ns 0 +2ns 1 +2ns 0 +6ns 1 +4ns ns 1 +2ns 0 U3 STIM(1,1) $G_DPWR $G_DGND S3 IO_STIM TIMESTEP=2ns + 0c 0 + LABEL=LOOP + 1C 1 + 2C 0 + 3C GOTO LOOP -1 TIMES U4 STIM(2,11) $G_DPWR $G_DGND S4 S5 IO_STIM TIMESTEP=2ns + 0c 01 + LABEL=LOOP + 1C C C GOTO LOOP -1 TIMES (1) (2) (3) (4) Simulación de Circuitos Electrónicos 10

11 Simulación Lógica: Ejemplo Simulación de Circuitos Electrónicos 11

12 Librerías de Componentes Digitales LIBRERÍAS DE COMPONENTES DIGITALES: Hemos visto que son necesarias tres descripciones: Primitiva digital Modelo temporal Modelo entrada/salida Las primitivas son dispositivos de bajo nivel cuyo uso en combinación con información temporal y de entrada/salida permite la definición de los elementos de una librería digital. Para simplificar el proceso, PSPICE ofrece librerías de componentes digitales, descritas como subcircuitos. Elemento de librería = Primitiva + modelo temporal + modelo I/O - 74XX00-74XX CD Dispositivos ECL - Dispositivos PAL - Dispositivos GAL - Resistores pull-up y pull-down - Líneas de retraso - Convertidores A/D y D/A Más de 1800 componentes digitales de librería. Simulación de Circuitos Electrónicos 12

13 Librerías de Componentes Digitales Elemento de librería = Primitiva + modelo temporal + modelo I/O El modelo temporal y el de entrada/salida se pueden describir según valores mínimos, típicos y máximos. Cada subcircuito tiene dos parámetros opcionales: MNTYMXDLY: Permite seleccionar los valores mínimos, típicos o máximos para los tiempos de conmutación de los elementos de librería (propagación, setup, hold,...). 1 = Mínimos 2 = Típicos (valor por defecto) 3 = Máximos 4 = Peor caso (mínimo/máximo) IO_LEVEL: Permite seleccionar la complejidad del modelo entrada/ salida. 1 = Simulaciones simples (valor por defecto) 2, 3, 4 = Simulaciones con mayor precisión X1 C CBAR 7404 PARAMS: MNTYMXDLY=3, IO_LEVEL=2 Simulación de Circuitos Electrónicos 13

14 Librerías de Componentes Digitales: Ejemplo Simulación de Circuitos Electrónicos 14

15 USO DE LA CAPTURA DE ESQUEMÁTICOS: Uso de la Captura de Esquemáticos GENERADORES DE ESTÍMULOS PUERTAS STANDARD (TTL Serie 74) RUTADO SIMPLE BUSES DE DATOS Simulación de Circuitos Electrónicos 15

16 Uso de la Captura de Esquemáticos CONTADORES MOD-10 MOD REGISTROS COMPARADORES Simulación de Circuitos Electrónicos 16

17 Uso de la Captura de Esquemáticos CODIFICADORES DECODIFICADORES MULTIPLEXORES DEMULTIPLEXORES CONVERTIDORES A/D CONVERTIDORES D/A Simulación de Circuitos Electrónicos 17

18 Uso de la Captura de Esquemáticos MEMORIAS RAM Simulación de Circuitos Electrónicos 18

19 Análisis de Peor Caso ANÁLISIS DE PEOR CASO: Los componentes digitales presentan determinados parámetros de tolerancia. Cuando se combinan componentes digitales para crear un circuito más complejo, la combinación de sus tolerancias individuales puede producir un mal funcinamiento del circuito global. PSPICE permite: Aplicar técnicas de análisis de peor caso a circuitos digitales. Identificar y corregir violaciones temporales. Analizar el efecto de ambigüedades. PARÁMETROS DE TOLERANCIA: Propagation delay: intervalo de tiempo entre la transición de una señal de entrada y la respuesta resultante a la salida. Setup: intervalo de tiempo durante el cual una señal se debe mantener estable antes de realizar una determinada acción. Width: anchura de un pulso de reloj. Hold: intervalo de tiempo durante el cual una señal se debe mantener estable después de que se haya realizado una determinada acción. Estados posibles en señales digitales: R y F son regiones de ambigüedad. No se conoce el tiempo exacto de la transición, sólo que se pasa de bajo a alto, o viceversa. Simulación de Circuitos Electrónicos 19

20 AMBIGÜEDAD: Análisis de Peor Caso: Ambigüedad La mayor fuente de ambigüedad (imprecisión en las transiciones) es la variación del tiempo de propagación de los componentes. En la mayoría de los casos, el tiempo de propagación estará en torno a un valor típico. Sin embargo, no es una constante, sino un rango de valores entre los extremos mínimo y máximo. Se define la ambigüedad en el tiempo de propagación como la diferencia entre el tiempo máximo y el mínimo. Por definición, la ambigüedad también debe estar comprendida entre los tiempos mínimo y máximo. Tiempo de propagación para una puerta AND 7408: PSPICE permite estudiar las tolerancias de circuitos digitales mediante el análisis de peor caso. En un análisis de peor caso, se generan todas las posibles combinaciones de tiempos de propagación y las regiones de ambigüedad del peor caso se muestran de forma automática. Simulación de Circuitos Electrónicos 20

21 Análisis de Peor Caso: Ambigüedad Análisis transitorio con tiempos de propagación mínimos: Analysis Setup Digital Setup Minimum Análisis transitorio con tiempos de propagación de peor caso: Analysis Setup Digital Setup Worst-Case [Min/Max] Simulación de Circuitos Electrónicos 21

22 AZAR DE CONVERGENCIA: Análisis de Peor Caso: Azar de Convergencia Ocurre cuando dos o más señales con regiones de ambigüedad que se solapan en el tiempo confluyen en un mismo punto de un circuito y provocan un intervalo de ambigüedad en la salida del circuito. Idealmente: D0 D1 OUT En el peor caso: 0ns 4ns 8ns Simulación de Circuitos Electrónicos 22

23 Análisis de Peor Caso: Azar de Ambigüedad Cumulativa AZAR DE AMBIGÜEDAD CUMULATIVA: Ocurre cuando las señales se propagan a través de niveles de puertas: A medida que la señal pasa por cada puerta, la ambigüedad se acumula se ensancha la región de ambigüedad. Cuando el límite de ambigüedad de subida (R) se solapa con el de ambigüedad de bajada (F), se crea una región de indeterminación (X) y PSPICE predice el azar. Simulación de Circuitos Electrónicos 23

24 Análisis de Peor Caso: Azares de Setup, Hold y Width AZARES DE SETUP, HOLD Y WIDTH: Es común que ocurran en circuitos con reloj (p.ej. flip-flops). Si la anchura de la señal de reloj es demasiado pequeña Azar de Width. Si un comando o una señal de datos no permanece estable un tiempo suficiente antes del reloj Azar de Setup. Si un comando o una señal de datos no permanece estable un tiempo suficiente despues del reloj Azar de Hold. Simulación de Circuitos Electrónicos 24

25 Análisis de Peor Caso: Azares Críticos Los azares y violaciones temporales vistos anteriormente (ambigüedades, azares de ambigüedad cumulativa, de setup, hold, width,...) son considerados como warnings Pueden causar problemas serios de funcionamiento o no, y se debe comprobar si el diseño está garantizado en esos casos. Se identifica un warning de setup en t = 20ns. Sin embargo, probablemente no suponga un problema para el circuito, ya que el segundo ciclo de reloj pasa el dato correctamente Se podría ignorar este warning en particular. Simulación de Circuitos Electrónicos 25

26 AZARES PERSISTENTES: Es una violación temporal o azar que provoca que se pase un estado incorrecto a un circuito interno (p.ej. un flip-flop) o a una salida primaria del circuito. Azar persistente en puerto externo: Análisis de Peor Caso: Azares Críticos El warning de azar por convergencia de ambigüedades en la salida de U1A se detecta esta vez como azar persistente al añadir el puerto de salida P1. Simulación de Circuitos Electrónicos 26

27 Azar latcheado: Análisis de Peor Caso: Azares Críticos El warning de azar por convergencia de ambigüedades en la salida de U4A (Data) se detecta esta vez como azar persistente al ser latcheado al flip-flop D Data está en el estado ambigüo R cuando se activa el reloj CLK y se genera una salida indeterminada X en el flip-flop. Simulación de Circuitos Electrónicos 27

28 SIMULACIÓN DE CIRCUITOS EN MODO MIXTO: CONVERTIDORES A/D: Dispositivos Mixtos: Convertidores A/D Los convertidores A/D (ADC) se usan para digitalizar señales Pasar de señales analógicas (normalmente tensiones) a digitales (normalmente binarias). Su característica fundamental es la resolución (número de bits de la salida digital). Cuanto mayor sea ésta más fina es la conversión. Para una entrada V(in,gnd) la salida es el valor binario del número entero más cercano a: V ( in, gnd) V ( ref, gnd) nbits 111 Convertidor A/D de 3 bits 110 Salida Digital V ref 2V ref 3V ref 4V ref V ref Entrada Analógica 6V ref V ref V ref Simulación de Circuitos Electrónicos 28

29 Dispositivos Mixtos: Convertidores A/D Simulación de Circuitos Electrónicos 29

30 CONVERTIDORES D/A: Dispositivos Mixtos: Convertidores D/A Los convertidores D/A (DAC) se utilizan para pasar señales digitales (en representación binaria) al plano analógico (representación mediante señales eléctricas: tensión o intensidad). Su característica fundamental es la resolución (número de bits de la entrada digital). Cuanto mayor sea ésta más fina es la conversión. Se suelen modelar mediante un fuente de tensión entre los nudos out y gnd de valor: Valor entero de la entrada binaria V ( out, gnd) = V ( ref, gnd) ( ) 2 nbits 7V ref V ref Convertidor D/A de 3 bits Salida Analógica 5V ref V ref V ref V ref V ref Entrada Digital Simulación de Circuitos Electrónicos 30

31 Dispositivos Mixtos: Convertidores A/D y D/A V ref = 256V V ref = 10V Simulación de Circuitos Electrónicos 31

32 Simulaciones Mixtas SIMULACIÓN EN MODO MIXTO: PSPICE es capaz de realizar simulaciones eléctricas, digitales o de modo-mixto. Para ello trabaja con 3 tipos de nudos: analógicos, digitales y de interfaz. Si todos los dispositivos conectados a un nudo son analógicos Nudo analógico. Si todos los dispositivos conectados a un nudo son digitales Nudo digital. Si existen tanto dispositivos analógicos como digitales conectados a un mismo nudo Nudo de interfaz. PSPICE asigna determinadas variables para cada tipo de nudo: Nudos analógicos: tensiones y corrientes. Nudos digitales: estados, los cuales se calculan a partir de: - El modelo entrada/salida del dispositivo - El nivel lógico del nudo (0 ó1) - El nivel de fuerza de salida (strength) de los dispositivos que cargan el nudo. Los niveles de fuerza de los dispositivos pueden ir desde 1 (Z) a 64 (valor fuerte) y, determinan, junto con los parámetros DRVH (high-level driving resistance) y DRVL (low-level driving resistance) del modelo entrada/salida, el estado de los distintos nudos digitales. Nudos de interfaz: tensiones/intensidades analógicas y estados digitales: PSPICE inserta automáticamente subcircuitos de interfaz A/D o D/A en todos los nudos de interfaz. Estos subcircuitos se ocupan de la traducción necesaria entre tensiones/intensidades analógicas y estados digitales. Simulación de Circuitos Electrónicos 32

33 Simulaciones Mixtas Circuito en modo mixto dibujado con la captura de esquemáticos: Circuito simulado por PSPICE: Los subcircuitos de interfaz son ocultos en la captura de esquemáticos, pero sí aparecen descritos en el fichero de salida (.out). Nudos añadidos: Vin$AtoD, Vout$DtoA. Simulación de Circuitos Electrónicos 33

34 Simulaciones Mixtas En simulaciones mixtas, se pueden representar a la vez tanto señales analógicas como digitales. Los nudos de interfaz tendrán representación analógica y digital. Las formas de onda digitales y analógicas se pueden seleccionar con los cursores de forma independientemente. Simulación de Circuitos Electrónicos 34