D.2 Versuchsreihe 2: Spice

D
D.2: Versuchsreihe 2: Spice
D.2 Versuchsreihe 2: Spice
Name:
Gruppe:
Theorie:
(vom Tutor abzuzeichnen)
Versuch:
(vom Tutor abzuzeichnen)
In dieser Versuchsreihe soll das Frequenzverhalten von RC-Gliedern untersucht
werden. Lesen Sie zur Vorbereitung der Versuchsreihe D.2 im Skript das Kapitel
3 und machen Sie sich im Anhang A mit dem Pool vertraut.
Hinweis: Das Programm ngspice ist auf den Rechnern des Ralabpools installiert.
Um mit SPICE arbeiten zu können, müssen Sie sich im Ralabpool einloggen.
RC Tiefpass
Gegeben sei der bereits in Versuchsreihe 1 behandelte Tiefpass aus Abbildung D.1
mit einem Widerstand R von 10 kΩ und einer Kapazität C von 22 nF.
Aufgabe 1
✍
Abbildung D.1: Tiefpass.
Skizzieren Sie den Signalverlauf am Ausgang, wenn am Eingang eine
Rechteckspannung zwischen 0 V und 5 V mit einer Frequenz von zuerst 200 Hz
und anschließend 4 kHz anliegt.
Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2
1
D
Aufgabe 2
Versuch 3
✍
D.2: Versuchsreihe 2: Spice
Berechnen Sie für den Tiefpass aus Aufgabe 1 die Grenzfrequenz fG .
Bauen Sie auf der Experimentierplatine den Tiefpass aus Aufgabe 1 auf.
Stellen Sie am Funktionsgenerator eine Rechteckspannung mit einer Frequenz von
f = 200 Hz ein. Gehen Sie dazu wie folgt vor:
• Schalten Sie den Funktionsgenerator ein. Der Funktionsgenerator zeigt im
Display die Signalform Sinus an (SINE).
• Drücken Sie den Taster „>“ so oft, bis im Display die Signalform Rechteck
(SQUARE) angezeigt wird.
• Drücken Sie den Taster „Range/Attn“. Mit den Tastern „<“ und „>“ können
Sie nun den Frequenzbereich vorwählen. Wählen Sie den Bereich „Range:
20-200“.
• Drücken Sie wiederholt den Taster „Sub Func“, bis im Display die Funktion
„4. DC Offset: Off“ angezeigt wird.
• Drücken Sie den Taster „>“, um ein Offset zu ermöglichen. Im Display
erscheint die Anzeige „4. DC Offset: On“.
• Stellen Sie mit dem Regler „Frequency“ die Frequenz von 200 Hz ein.
2
Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2
D.2: Versuchsreihe 2: Spice
D
Überprüfen Sie die Einstellungen mit Hilfe des Oszilloskops. Gehen Sie dazu wie
folgt vor:
• Schalten Sie das Oszilloskop ein.
• Verbinden Sie den Ausgang „Func Out“ des Funktionsgenerators mit dem
Eingang „Input CHI“ des Oszilloskops.
• Drücken Sie den Taster „Auto Set“ am Oszilloskop. Damit wird das
Oszilloskop automatisch eingestellt.
• Auf dem Schirm sollte ein symmetrisches Rechtecksignal dargestellt werden.
• Drücken Sie den Taster „AC/DC“ neben dem Eingang „Input CHI“ des
Oszilloskops. Damit messen Sie Gleichspannungen.
• Die Tastköpfe der Oszilloskope teilen das Eingangssignal im Verhältnis
1:10, d. h. am Oszilloskop werden nur 10% der Eingangsspannung
gemessen. Berücksichtigen Sie dies bei der Wahl des Verstärkungsfaktors am
Oszilloskop.
Stellen Sie den Funktionsgenerator so ein, dass das Ausgangssignal zwischen 0 und
5 V schwingt. Gehen Sie dazu wie folgt vor:
• Stellen Sie mit dem Regler „Amplitude“ am Funktionsgenerator eine
Spitze-Spitze-Spannung VP P =5 V ein. Am Oszilloskop wird die Spannung
abgelesen.
• Benutzen Sie den Regler „DC Offset“ am Funktionsgenerator, um das
Signal in den Spannungsbereich zwischen 0 und 5 V zu verschieben. Am
Oszilloskop wird eine Parallelverschiebung des Signals sichtbar.
Nehmen Sie mit dem Oszilloskop das Eingangs- und Ausgangssignal des Tiefpass
für die Frequenzen 200 Hz, 400 Hz, 800 Hz, 1 kHz, 2 kHz und 4 kHz auf. Tragen
Sie alle Signale in ein Diagramm mit normalisierter Zeitachse ein, d. h. unabhängig
von der gewählten Frequenz beträgt die Periodendauer stets 1. Verwenden Sie
unterschiedliche Farben, um die Ausgangssignale für die verschiedenen Frequenzen
kenntlich zu machen.
Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2
3
D
D.2: Versuchsreihe 2: Spice
Die Modellierung einer CMOS Schaltung als RC-Tiefpass verdeutlicht zum
Beispiel, warum mit der Miniaturisierung integrierter Schaltkreise höhere
Betriebsfrequenzen möglich werden.
Aufgabe 4
4
✍
Abbildung D.2 zeigt das Layout und die Technologieparameter einer einfachen
CMOS Schaltung. Die Kontaktpunkte 3 und 4 bilden die Schaltungseingänge,
Kontaktpunkt 7 ist der Schaltungsausgang. Extrahieren Sie aus dem Layout das
Ersatzschaltbild.
Berücksichtigen
Sie
parasitäre
Leitungswiderstände,
Leitungskapazitäten (es brauchen nur Leitungsanteile über Substrat berücksichtigt
zu werden) und Gatekapazitäten.
Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2
D.2: Versuchsreihe 2: Spice
D
Abbildung D.2: Layout und Technologieparameter einer einfachen CMOS
Schaltung.
Modellieren Sie eine leitende Verbindung zwischen den Punkten 2 und 6 als RCTiefpass. Für einen leitenden n-MOS Transistor wird ein Innenwiderstand von 1 kΩ
angenommen und an den Eingängen 3 und 4 liege jeweils „1“ (HIGH) an. Bedenken
Sie, dass auch das Gate am Knoten 6 umgeladen wird.
Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2
Aufgabe 5
✍
5
D
D.2: Versuchsreihe 2: Spice
Aufgabe 6
✍
Berechnen Sie für den RC-Tiefpass aus Aufgabe 5 die Zeitkonstante τ und die
Grenzfrequenz fG .
Aufgabe 7
✍
Schreiben Sie ein SPICE-Programm, das den Tiefpass aus Aufgabe 1 modelliert.
Nehmen Sie eine symmetrische Rechteckspannung zwischen 0 und 5 V mit einer
Frequenz von 200 Hz am Eingang an. Welcher Simulationszeitraum und welche
Zeitauflösung sind sinnvoll?
Hinweis: Sie können die Datei mit scp (siehe A.2.2) auf Ihren HardwarepraktikumAccount kopieren.
Versuch 8
6
Führen Sie mit SPICE eine Transientenanalyse Ihrer modellierten Schaltung mit
der Steueranweisung .tran <Parameter> für die Frequenzen 200 Hz, 500 Hz, 1
kHz und 4 kHz durch. Wählen Sie die Simulationszeiten so, dass jeweils genau 2
Perioden simuliert werden. Geben Sie einen Ausdruck Ihrer Simulationsergebnisse
mit dem Versuchsprotokoll ab.
Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2
D.2: Versuchsreihe 2: Spice
D
RC Hochpass
Gegeben sei der Hochpass aus Abbildung D.3 mit einem Widerstand R von 10 kΩ
und einer Kapazität C von 22 nF.
Aufgabe 9
✍
Abbildung D.3: Hochpass.
Berechnen Sie die Zeitkonstante τ und skizzieren Sie den Signalverlauf am
Ausgang, wenn am Eingang eine Rechteckspannung zwischen 0 V und 5 V mit
einer Frequenz von 200 Hz anliegt. Wie sieht der Signalverlauf bei 4 kHz aus?
Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2
7
D
Aufgabe 10
D.2: Versuchsreihe 2: Spice
✍
Versuch 11
Berechnen Sie für den Hochpass aus Aufgabe 9 die Grenzfrequenz fG .
Stellen Sie am Funktionsgenerator eine symmetrische Rechteckspannung mit einer
Frequenz von 200 Hz und Signalspitzen von 0 V und 5 V ein. Überprüfen Sie die
Einstellungen mit Hilfe des Oszilloskops.
Bauen Sie auf der Experimentierplatine den Hochpass aus Aufgabe 9 auf.
Nehmen Sie mit dem Oszilloskop das Eingangs- und Ausgangssignal des Hochpass
für die Frequenzen 200 Hz, 400 Hz, 800 Hz, 1 kHz, 2 kHz und 4 kHz auf. Tragen
Sie alle Signale in ein Diagramm mit normalisierter Zeitachse ein, d. h. unabhängig
von der gewählten Frequenz beträgt die Periodendauer stets 1. Verwenden Sie
unterschiedliche Farben, um die Ausgangssignale für die verschiedenen Frequenzen
kenntlich zu machen.
Aufgabe 12
8
✍
Mit einem RC Hochpass lassen sich gut Übersprecheffekte zwischen Leiterbahnen
veranschaulichen. Abbildung D.4 zeigt die Gatternetzliste einer einfachen
CMOS Schaltung mit zwei parallelen Verbindungsleitungen l0 und l1 , wie sie
beispielsweise bei einem Bus auftreten. Zwischen den Verbindungsleitungen tritt
aufgrund der geringen Distanz eine Kapazität auf, die nicht vernachlässigt werden
kann.
Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2
D
D.2: Versuchsreihe 2: Spice
Modellieren Sie die Gatternetzliste einschließlich der Koppelkapazität zwischen
den Leitungen l0 und l1 als RC Hochpass. Angenommen wird ein unendlich großer
Eingangswiderstand für Eingänge der Flipflops, ein Innenwiderstand von 1 kΩ
für leitende Tristate-Treiber, ein Innenwiderstand von 1 MΩ gegen Masse für
hochohmige Tristate-Treiber. Die Enable-Eingänge der Tristate-Treiber seien mit
en0 = „1“ und en1 = „0“ belegt, die Dateneingänge seien jeweils komplementär,
d. h. mit d1 = d0 belegt.
Abbildung D.4: Gatternetzliste.
Berechnen Sie die Grenzfrequenz für den Hochpass aus Aufgabe 12.
Aufgabe 13
✍
Schreiben Sie ein SPICE-Programm, das den Hochpass aus Aufgabe 12 modelliert.
Nehmen Sie eine symmetrische Rechteckspannung zwischen 0 und 5 V mit einer
Frequenz von 100 MHz am Eingang an.
Aufgabe 14
✍
Hinweis: Sie können die Datei mit
Hardwarepraktikums-Account kopieren.
Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2
scp
(siehe
A.2.2)
auf
Ihren
9
D
D.2: Versuchsreihe 2: Spice
Versuch 15
Führen Sie mit SPICE eine Transientenanalyse mit der Steueranweisung .tran
<Parameter> für die Frequenzen 100 MHz, 400 MHz, 800 MHz, 1 GHz und
4 GHz durch. Wählen Sie die Simulationszeiten so, dass 7 Perioden dargestellt
werden. Geben Sie einen Ausdruck der Simulationsergebnisse zusammen mit dem
Versuchsprotokoll ab.
Versuch 16
Schalten Sie alle Geräte bis auf den Rechner aus. Überprüfen Sie, ob alle Leitungen,
Multimeter und Tastköpfe aufgeräumt sind. Stellen Sie die Stühle an die Tische und
vergewissern Sie sich nochmals, dass der Platz in ordnungsgemäßem Zustand ist.
Lassen Sie bitte keinen Unrat unter den Tischen stehen!
10
Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2