CC BY
9
DOI 10.36622^ТО.2022.18.2.009 УДК 621.382
РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ ДЛЯ ЛИНЕЙНОГО СТАБИЛИЗАТОРА
НАПРЯЖЕНИЯ
Д.О. Лялин, Е.Д. Алперин Воронежский государственный технический университет г. Воронеж, Poccия
Аннотация: приведен вариант реализации поведенческой модели сложно-функциональных блоков на языке Уеп^-А. Разработаны поведенческие модели источника опорного напряжения, усилителя сигнала ошибки, источника стабильного тока. При помощи данных сложно-функциональных блоков была разработана поведенческая модель линейного стабилизатора напряжения с требуемыми параметрами. Приведены листинги разработанных поведенческих моделей, тестовые схемы для проверки корректной работы, показаны графики зависимостей входных и выходных сигналов. Одним из неоспоримых достоинств поведенческих моделей является минимальное время моделирования, которое на несколько порядков меньше времени моделирования на транзисторном уровне. Для ускорения времени проектирования имеет смысл создать описание модели на Уеп^-А для дальнейшего использования в других устройствах при проектировании микросхем. С помощью этого языка описания аппаратуры можно реализовать в цифровом виде моделирование аналогового устройства. При этом можно легко изменять параметры под необходимые в конкретном устройстве. Представлены результаты моделирования сложно-функциональных блоков и линейного стабилизатора напряжения в статическом режиме. Сопоставлены результаты моделирования сложно-функциональных блоков и линейного стабилизатора напряжения с необходимыми параметрами
Ключевые слова: сложно-функциональный блок, поведенческая модель, Уеп^-А, линейный стабилизатор напряжения
Введение
Существуют различные классы устройств, в которых используются сложно-функциональные (СФ) блоки. Для разработки таких блоков используют языки описания аппаратуры, например Уеп^-А. Одним из устройств, который можно создать из СФ блоков, является линейный стабилизатор напряжения. Типовая схема линейного стабилизатора напряжения включает в себя следующие блоки: источник опорного напряжения, усилитель сигнала ошибки, источники тока. СФ блоки создаются с помощью поведенческого моделирования на языке Уеп^-А. Далее использовать такой СФ блок можно при разработке любых устройств, быстро изменяя параметры под необходимые.
Поведенческие модели - это такие модели, которые имитируют работу необходимого устройства, описывают функционал электронного прибора и реализуют соответствие между входным и выходным сигналом, при этом используется логическое описание работы микросхемы, а не транзисторная логика работы устройства [1]. Структура модели обусловлена основным ее применением - предварительным моделированием работы устройства для анали-
© Лялин Д.О., Алперин Е.Д., 2022
за разработанной архитектуры и принятых принципов работы.
Актуальность заключается в том, что для определенного класса устройств имеет смысл разработать СФ блоки один раз, чтобы в дальнейшем использовать их для разработки других схем. Описание схемы на синтезируемом подмножестве языков Уеп^, VHDL и других позволяет автоматизировать все последующие этапы проектирования - разработку на уровне регистровых передач и разработку топологии схемы. Другой положительный эффект применения языков описания аппаратуры в маршрутах проектирования БИС - существенное уменьшение времени моделирования. Это позволяет сократить длительность этапа разработки ИМС и ускорить выпуск продукции на рынок.
На примере линейного стабилизатора напряжения было выделено три функциональных блока [2]. Рассмотрим разработку каждого из них. В соответствии с техническим заданием, модель стабилизатора должна обладать следующими характеристиками:
• диапазон входного напряжения от 1,7 В до 5,5 В;
• выходное напряжение равно 2,5 В;
• выходной ток равен 150 мА;
• опорное напряжение равно 1,2 В;
• падение напряжения равно 30 мВ;
• напряжения включения от 1,7 В;
• ток включения 20 нА;
рабочая температура от -55 °С до 125 Т.
Разработка поведенческой модели источника опорного напряжения
Была создана модель источника опорного напряжения. Он формирует выходное напряжение, которое не зависит от напряжения источника питания и от температуры. Для этого в САПР Cadence Virtuoso создадим Verilog - A описание. Заданы необходимые входы и выходы источника опорного напряжения: выход, включение, земля, питание, температура [3]. Определены параметры для работы: напряжение включения, напряжение питания, ток потребления, выходное напряжение, выходной ток. Далее описан алгоритм работы источника опорного напряжения, который заключается в том, что его выходное напряжение не зависит от напряжения источника питания и температуры. Описано влияние напряжения включения и температуры на его работу. Поведенческая модель разработана, далее был создан символ модели и проведена проверка правильности работы при помощи тестовой схемы. Листинг программы приведен на рис. 1.
Рис. 1. Листинг модели ИОН на языке Verilog-A
Тестовая схема для проверки работы модели источника опорного напряжения показана на рис. 2. Было произведено моделирование и рассмотрено влияние сигнала на входе включения на выходной сигнал. Результаты моделирования показаны на рис. 3.
Рис. 2. Тестовая схема для проверки работы ИОН
Рис. 3. Выходное напряжение поведенческой модели ИОН в зависимости от входного напряжения
Таким образом, по результатам моделирования видно, что модель работает как требуется источнику опорного напряжения, следовательно, её можно использовать при разработке линейного стабилизатора напряжения.
Разработка поведенческой модели источника тока
Далее была создана модель источника тока. Для этого в САПР Cadence Virtuoso было разработано Verilog - A описание. Заданы необходимые входы и выходы источника стабильного тока (ИСТ): включение, земля, питание. Определены параметры для работы: напряжение включения, напряжение питания, ток. После описан алгоритм работы ИСТ, который заключается в том, что ток не зависит от напряжения и сопротивления нагрузки. Далее описано влияние напряжения включения и питания на его работу. Поведенческая модель готова, далее был создан символ модели и проведена проверка правильности работы при помощи тестовой схемы. Листинг программы приведен на рис. 4.
Рис. 4. Листинг модели ИСТ на языке Verilog - А
Тестовая схема для проверки работы модели источника стабильного тока (ИСТ) показана на рис. 5. Были поданы прямоугольные импульсы на вход включения и рассмотрен полученный ток. Результаты моделирования показаны на рис. 6.
Рис. 5. Тестовая схема для проверки работы модели ИСТ
Модель работает верно, данный СФ блок можно использовать для разработки устройств, в том числе для стабилизатора напряжения.
Разработка поведенческой модели усилителя сигнала ошибки
Далее была создана поведенческая модель усилителя сигнала ошибки. Для этого в программе Cadence было создано Verilog - A описание. Заданы необходимые входы и выходы операционного усилителя: плюсовой вход, минусовой вход, выход, включение, земля, питание. Определены параметры для работы: коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, входное сопротивление, величина обходного конденсатора, напряжение включения. После описан алгоритм работы операционного усилителя, то есть, реализован главный принцип его работы: выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжения на его входах была равна нулю. Поведенческая модель готова, далее создан символ модели и проведена правильность работы при помощи тестовой схемы.
Листинг модели на Verilog - А представлен на рис. 7. Тестовая схема для проверки работы модели операционного усилителя на рис. 8. Результаты моделирования частотных характеристик покажем на рис. 9.
Рис. 7. Листинг модели операционного усилителя на языке Verilog-A
Рис. 6. Номинальный ток на входе включения
Рис. 8. Тестовая схема для проверки работы операционного усилителя
Рис. 9. Частотные характеристики поведенческой модели операционного усилителя
Переходная реакция операционного усилителя на синусоидальный вход, проверяющий функциональность модели, показана на рис. 10.
Рис. 10. Временные характеристики поведенческой модели операционного усилителя
После проверки модели можно сделать вывод, что СФ-блок разработан верно. Его можно использовать для различных моделей схем.
Разработка поведенческой модели линейного стабилизатора напряжения
На основе созданных ранее модулей необходимо собрать схему поведенческой модели, соберем схему в соответствии с базовой структурой стабилизатора напряжения. Чтобы стабилизатор был с малым падением напряжения, необходимо взять мощный проходной NMOS транзистор. Для устранения шумов и плавной работы схемы добавим RC фильтра после каждого блока.
Поведенческая модель линейного стабилизатора напряжения, собранная в программе Cadence Virtuoso Schematic, изображена на рис. 11.
Рис. 11. Поведенческая модель линейного стабилизатора напряжения в программе Cadence Virtuoso Schematic
Произведём исследование параметров поведенческой модели в Cadence. Создадим символ (рис. 12) для нашей модели для дальнейшего использования в тестовой схеме.
Li)О Regulator
■ in out
.end
и en
. Е@шз1апсеМате] . .
Рис. 12. Символ поведенческой модели
Символ имеет 4 вывода: для входного сигнала, для подключения к земле, для сигнала включения и для выходного сигнала.
Далее создадим тестовую схему с необходимыми источниками входных сигналов и подключенной нагрузкой (рис. 13).
Рис. 13. Тестовая схема для проверки модели стабилизатора
У линейного стабилизатора напряжения существует множество параметров. Но одним из самых главных является падение напряжения (Dropout Voltage). Проведём измерение данного параметра с помощью DC анализа. Результаты моделирования показаны на рис. 14.
Рис. 14. Падение напряжение ЬБО стабилизатора
По рис. 14 можно заметить, что падение напряжения равно 30.8 мВ, что соответствует техническому заданию.
Заключение
Таким образом, по полученным результатам видно, что все необходимые параметры удовлетворяют техническому заданию, поведенческая модель стабилизатора работает верно. Данную поведенческую модель теперь можно использовать для разработки аналогичных стабилизаторов напряжения с необходимыми параметрами.
В модели можно изменять параметры её блоков, тем самым можно быстро провести анализ необходимого стабилизатора. Так как используется модульный принцип построения, то в соответствии со структурной схемой анализируемого устройства можно изменять поведенческую модель, дополнять требуемыми модулями для более сложных устройств либо удалять лишние модули для более простых устройств.
В настоящее время поведенческие модели нашли широкое применение при проектировании различных устройств, микросхем, систем на кристалле. Они используются в научно-исследовательских институтах, на предприятиях по разработке радиоэлектронной аппаратуры, как начальный этап проектирования без сложного расчета для анализа поведения требуемого устройства.
Литература
1. Школин А.Н., Дракин А.Ю. Разработка подходов к автопостроению поведенческих моделей интегральных микросхем регуляторов напряжения // САПР и моделирование в современной электронике: сб. науч. тр. II Между-нар. науч.-практ. конф. Брянск: Брянский государственный технический университет, 2018. С. 104-108.
2. Малаханов А.А. Поведенческая модель линейного стабилизатора напряжения на языке spice// САПР и моделирование в современной электронике: сб. науч. тр. III Междунар. науч.-практ. конф. Брянск: Брянский государственный технический университет, 2019. С. 182-186.
3. Дракин А.Ю., Школин А.Н., Пугачев А. А. Использование имитационных моделей при контроле параметров интегральных микросхем // Инженерный вестник Дона. 2019. № 3. 16 с.
Поступила 05.03.2022; принята к публикации 19.04.2022
Информация об авторах
Лялин Денис Олегович - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(920)466-97-55, e-mail: lyalin.denis@mail.ru
Алперин Евгений Данилович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(952)106-86-61, e-mail: aed@yandex.ru
DEVELOPMENT OF FUNCTIONAL BLOCKS FOR LINEAR VOLTAGE STABILIZER
D.O. Lyalin, E.D. Alperin
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article presents a variant of the implementation of the behavioral model of complex-functional blocks in the Verilog-A language. We developed behavioral models of a reference voltage source, an error signal amplifier, and a stable current source. Using these complex functional blocks, we developed a behavioral model of a linear voltage stabilizer with the required parameters. The article contains listings of the developed behavioral models, test schemes for checking the correct operation, shows graphs of input and output signals dependencies. One of the indisputable advantages of behavioral models is the minimum simulation time, which is several orders of magnitude less than the simulation time at the transistor level. To speed up design time, it makes sense to create a model description in Verilog-A for further use in other devices when designing microcircuits. With this hardware description language, a simulation of an analog device can be realized digitally. At the same time, you can easily change the parameters as needed in a particular device. The article presents the results of modeling complex-functional blocks and a linear voltage regulator in a static mode. The results of modeling complex-functional blocks and a linear voltage stabilizer are compared with the necessary parameters
Key words: complex functional block, behavioral model, Verilog-A, linear voltage stabilizer
References
1. Shkolin A.N., Drakin A.Yu. "Development of approaches to auto-construction of behavioral models of integrated circuits for voltage regulators", Proc. of II Intern. Scientific-Practical. Conf.: CAD and Modeling in Modern Electronics (SAPR i modelirovanie v sovremennoy elektronike), Bryansk State Technical University, 2018, pp. 104-108.
2. Malakhanov A.A. "Behavioral model of a linear voltage regulator in the spice language Proc. of III Intern. Scientific-Practical. Conf.: CAD and Modeling in Modern Electronics (SAPR i modelirovanie v sovremennoy elektronike), Bryansk State Technical University, 2019, pp. 182-186.
3. Drakin A.Yu., Shkolin A.N., Pugachev A.A. "The use of simulation models for controlling the parameters of integrated circuits", Engineering Bulletin of the Don (Inzhenernyy vestnik Dona), 2019, no. 3, 16 p.
Submitted 05.03.2022; revised 19.04.2022
Information about the authors
Denis O. Lyalin, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7(920)466-97-55, e-mail: lyalin.denis@mail.ru
Evgeniy D. Alperin, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7(952)106-86-61, e-mail: aed@yandex.ru
