[Rumgucker]

Wie Ihr wisst, sind in LTSpice viefältige Logik-Bausteine eingebettet.

LT hat die eigentlich nur für sich selbst implementiert, um damit eigene Schaltkreise (z.B. Schaltregler) besser darstellen zu können.

Trotz grober Dokumentation und Kompatibilitäts-Warnungen lassen sich die Elemente jedoch vorzüglich nutzen und damit sogar umfangreiche Logik-Schaltungen erstellen.

Wesentliche Vorzüge der LT-Logik sind:

1. vollständige Funktionalität
2. Parametrierbarkeit

Ich will in den folgenden Beiträgen dieses Threads exemplarische Logik-Bausteine nach Datenbuch parametrieren und testen.

Dabei werde ich grundsätzlich statische und dynamische Parameter unterscheiden. Unter statischen Parametern sind beispielsweise Stromversorgung, Schwellspannungen, Ausgangswiderstände zu verstehen. Unter dynamischen Parametern verstehe ich u.a. Durchlauf-Zeiten, Flankensteilheiten, Kapazitäten.

Diese Beschreibung des Verhaltens einer komplexen integrierten Schaltung mit der Beschreibung des Verhaltens der wenigen "Terminals" ist die Domäne von "Spice" (Simulation program with Integrated Circuit Emphasis), man nennt das ein "Makromodell".

Im Gegensatz zum Makromodell steht die Darstellung eines ICs als "Device"-Modell, bei der jedes einzelne interne Bauteil komplett dargestellt wird. Dies ist allerdings nur dann möglich, wenn der Hersteller eines ICs diese Interna offenlegt, was ja nur in den seltensten Fällen vorliegt. Hinzu kommt, daß ein Device-Modell im Gegensatz zum Makromodell nur vielfach langsamer simuliert werden kann.

[Rumgucker]

Beginnen wir mal mit dem zufällig ausgewählten CMOS-Baustein 74HC14. Es handelt sich beim HC14 um ein sechs invertierende Schmitt-Trigger im gemeinsamen Gehäuse.

Zuerst mal ist die Betriebsspannungsfrage zur klären. Der HC14 kann in einem sehr weiten Bereich betrieben werden, von 2 - 6V. Tatsächlich wird man in Datenbüchern auch Angaben für 2V, für 4.5V und für 6V Versorgungsspannungen finden. Manchmal tauchen auch Hinweise zum Betrieb bei exakt 5V auf. Bei höheren Spannungen arbeitet der Chip grundsätzlich schneller. Neben der Spannungsversorgung ist auch die Umgegebungstemperatur und die Bauteil-Parameterstreuung zu beachten.

Für 4.5V bei 25°C sind folgende typischen statischen Parameter angegeben:

Positiver Eingangspegel ab 2.7V
Negativer Eingangspegel unter 1.8V
Hystersis-Spannung also 0.9V

Mit diese Werten bestückt man einen LTSpice-"schmtinv" in folgender Weise:

Vhigh = 4.5 (das ist die positive Versorgungsspannung)
Vlow = 0 (muß nicht angegeben werden, weil Spice das sowieso annimmt)
Vt = 2.25 (Mitte zwischen positivem und negativem Eingangspegel)
Vh = 0.45 (halbe Hysteresis-Spannung)

Diese drei einfachen Einstellungen führen zum exakten statischen Schaltverhalten des 74HC14:



Grün ist die Eingangsspannung. Rot die Ausgangsspannung. Bei Überschreitung des Eingangssignals von 2.7V geht die Ausgangsspannung auf Masse, bei Unterschreiten der Eingangsspannung von 1.8V springt der Ausgang auf die Versorgungsspannung "Ub".

[Rumgucker]

Als nächstes sind die statischen Ausgangswerte zu erfassen.

Bei Ub=4.5V und 25°C fällt laut Datenbuch bei einem Ausgangsstrom von 4mA gegen Masse am source-Ausgangstransistor eine Spannung von typ. 300mV ab.

Für MOS-Strukturen ist Angabe eines Source-Widerstands zweckmäßig (man kann alternativ auch Ströme einprägen), der schnell zu 75 Ohm (300mV / 4mA) errechnet wird und als Rsource eingetragen und getestet wird:



Der Spannungsabfall beträgt bei 4mA Belastung, genau wie vorgegeben, also 300mV (4.5V - 4.2V).

[Rumgucker]

Der Spannungsabfall bei einfließendem 4mA-Ausgangsstrom wird mit 200mV angegeben, woraus sich ein Rlow von 50 Ohm errechnet




Damit sind die wesentlichen statischen Parameter exakt erfaßt.

Es fehlen noch statischer Eingangs- und Betriebsstrom, die man einfacherweise mit zusätzlichen Widerständen simulieren könnte. Beim 74HC14 können wir diese statischen Ströme jedoch meist vernachlässigen.

Weiterhin sind auch noch keine Eingangs- und Ausgangsschutzdioden enthalten, die jedoch in jedem MOS-Gatter aus technologischen und EMV-Gründen eingebaut sind.

In solchen Fällen sollte man die Gatteranschlüsse noch mit zusätzlichen Widerständen, Dioden (und evt. Kapazitäten) vervollständigen und aus dem Gebilde ein SUBCKT machen. Wie man das macht, kann ich ja zum Schluß vielleicht nochmal erläutern (falls es jemanden interessiert).

Doch nun sollten wir uns die dynamischen Parameter anschauen....

[Rumgucker]

Wichtigster dynamischer Parameter ist die propagation Delay (Durchlaufzeit) eines Gatters. Auch dieser Parameter ist abhängig von Versorgungsspannung, Temperatur und Fertigungstoleranzen. Die Streuung ist enorm.

Als "typisch" werden bei 4.5V und 25°C 13ns angegeben. Parametriert wird diese Zeit mit dem "Td=13n"-Eintrag.

Die Anstiegs- und Abfallzeiten des Ausgangs werden im Datenbuch mit 8ns spezifiziert und können als "Trise=8n" und "Tfall=8n" direkt angegeben werden.

Getestet wird das ordnungsgemäße Verhalten bei hohen Frequenzen und mit Rechteck:



Damit sind die wichtigsten dynamischen Parameter erfaßt.

Es fehlen noch Eingangs- und Schaltkapaziäten, die eine Modellierung der frequenzabhängigen Eingangs- und Querströme gestattet.

[Rumgucker]

[H4]Diskussion:[/H4]

wie ich schon erwähnt hatte, gibt es noch einige zusätzliche Möglichkeiten, die Funktionsweise der Terminals noch exakter zu beschreiben. Dazu müssen dann allerdings zusätzliche Bauteile angebracht werden, die nur in wenigen Applikationen wirklich sinnvoll sind.

Was nützt zum Beispiel eine exakte Simulation der Ausgangskapazität, wenn allein schon die Streubreite der Propagation Delay mehrere hundert Prozent beträgt?

Sowohl LT als auch ich gehen konform, daß die hier im Thread verwendeten Standard-Parameter "vital" sind! Ohne sie wäre ein Modell nicht verwendbar. Alles weitere gehört jedoch in die Kategorie "Option" und es sollte applikationsspezifisch entschieden werden, ob es sich um eine Ausschmückung oder sinnvolle Erweiterung handelt.

Die im Thread ausgelobten Philips-Device-Modelle leisten jedoch nicht einmal eine saubere Darstellung der Datenbuch-Spezifikationen, weder der statischen noch der dynamischen, und sind daher bestenfalls eingeschränkt verwendbar.