Entwurf heterogener Systeme ¨Ubung 2
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Institut für Informatik Lehrstuhl für Entwurfsmethodik Prof. Dr.-Ing. Lars Hedrich Markus Meissner Entwurf heterogener Systeme Übung 2 Hinweise zu PSPICE PSPICE von Microsim ist ein Schaltungssimulator der SPICE-Familie zur Simulation analoger, digitaler und gemischt analog-digitaler Schaltungen auf Windows basierten PCs. Es gibt eine Student-Version von PSPICE, die von http://www.electronics-lab.com/downloads/schematic/013/ heruntergeladen werden kann. Diese Version ist lediglich hinsichtlich der maximalen Schaltungsgröße eingeschränkt. Darüber hinaus findet man bei den oben genannten Link zahlreiche Tutorials über die Benutzung von PSPICE! Schematic Editor Der Schematic Editor von PSPICE dient zur grafischen Eingabe von Schaltplänen. Außerdem können von hier aus Simulationen gestartet und Ergebnisse angezeigt werden. Starten des Schematic Editors Start → Programme → PSpice → Schematics Auswahl eines Bauelements STRG-g Plazieren linke Maustaste Rotieren STRG-r Bauelement konfigurieren Doppelklick auf Bauelement Plaziermodus beenden rechte Maustaste Verbinden STRG-w Verbindungsnetz benennen Doppelklick auf Verbindungsnetz Simulation konfigurieren Analysis→Setup Simulation durchführen F11 Anzeige des Arbeitspunktes Analysis→Display Results on Schematics Einige Bauelemente in PSPICE AGND Analog Ground C Kapazität R Ohmscher Widerstand VAC AC Spannungsquelle VDC DC Spannungsquelle NMOS3 PMOS3 NMOS Transistor PMOS Transistor Aufgabe 1 - Widerstandsnetz simulieren (DC-Analyse) Gegeben sei folgende Schaltung: Iges R1 R2 R3 V1 = = = = 370Ω 330Ω 1kΩ 12V I1,2 I3 V1 R1 U1 Uges R3 R2 U2 a) Erstellen Sie eine neue Schaltung in PSPICE und übertragen Sie die obige Schaltung in den Schematic Editor, b) Simulieren Sie die Bias Punkte der Schaltung (Analysis → Simulation oder F11 ), c) Bestimmen Sie Iges , I1 sowie I1,2 indem Sie sich die Ströme in der Schaltung anzeigen lassen. (Icon: Enable Bias Current Display), d) Setzen Sie eine DC Simulation auf (Analysis → Setup...) , sweepen Sie dabei die Spannung an der Spannungsquelle V1 von 0V bis 12V in 0.1V Schritten. Aufgabe 2 - Simulation eines RC-Glieds (AC-Analyse) Ein RC-Glied ist nichts anderes als ein passives Filter, in der Audiotechnik auch als Frequenzweiche bekannt. Diese wird unter anderem dazu verwendet Lautsprechern nur bestimmte Frequenzen zur Verfügung zu stellen. So braucht ein Hochtöner lediglich die hohen Frequenzen und ein Subwoofer/Basslautsprecher lediglich die niedrigen Frequenzen. Ansonsten verringert sich die Klangqualität erheblich und die Lautsprecher können beschädigt werden. In diesem Zusammenhang ist die Grenzfrequenz eine wichtige Größe. Dies ist die Frequenz, ab der ein RC-Glied eine Abschwächung des Signals um 3dB (also etwa 50%) erwirkt. Zur Berechnung der Grenzfrequenz benötigt man lediglich die Zeitkonstante der Schaltung, so kann man dann mittels folgender Formel die Grenzfrequenz der Schaltung bestimmen: 1 fG = 2πτ Wohingegen τ für ein RC-Glied immer genau R · C entspricht. Somit kann man entsprechend die Berechnungsvorschrift für die Grenzfrequenz eines RC-Gliedes wie folgt formulieren: fG = 1 2πRC Auffrischung Dezibel Bei Dezibel handelt es sich um eine logarithmische Hilfsmaßeinheit, die benutzt wird um das Verhältnis zweier Leistungen zu veranschaulichen. Dabei ist es wichtig zu wissen, dass die Einheit selbst lediglich Bel (nach Alexander Graham Bell) heißt und dezi eine Skalierung ist, wie zum Beispiel bei Dezimeter. Die Berechnung erfolgt somit wie folgt: L = log10 20 · P1 dB P2 Der Faktor 20 ist einerseits für die Skalierung auf dezi zuständig andererseits spiegelt sich hier die Leistung wieder. Da offensichtlich gilt: 1dB = 1 U2 U1 P1 B und P = , also L = 2 log10 B = log10 B 10 R U2 P2 Entsprechend gilt also für eine ,,Verstärkung” von −50% bzw. für eine Abschwächung der Leistung um etwa die Hälfte, bzw. für eine Verringerung der Spannung auf √12 : 1 −3dB ≈ log10 20 · √ B 2 Betrachten wir nun folgende Schaltung: R1 V1 C1 a) Ist die hier vorgestellte Schaltung ein Hoch- oder Tiefpass? Wie groß sollte C1 sowie R1 dimensioniert werden um eine Grenzfrequenz von 120Hz zu erreichen? b) Übertragen Sie die Schaltung in den Schematic Editor und verifizieren Sie Ihre Berechnungen aus der vorausgegangenen Teilaufgabe mittels einer AC Simulation (Analysis → Setup...). Simulieren Sie die Schaltung im Frequenzbereich von 10Hz bis 100kHz mit 100 Schritten pro Oktave bei einer Spannungsamplitude von 100mV. c) Wie könnte eine Schaltung aussehen, die sowohl sehr niedrige als auch sehr hohe Frequenzen abschneidet? d) Designen und dimensionieren Sie eine Schaltung im Schematic Editor, die alle Frequenzen unter 16Hz sowie alle über 3.2kHz um 3dB verringert. Aufgabe 3 - Erstellen eines Kennlinienfeldes für einen MOS-Transistor Der MOS-Transistor stellt das elementare Bauteil integrierter analoger Schaltungen dar. Um sein Verhalten zu beschreiben benutzt man unter anderem sogenannte Kennlinienfelder, ein Schaltungssimulator eignet sich hervorragend um genau diese zu erstellen. NM1 V1 V2 V1 = 2V V2 = 2V NM1 → W = 1µ , L = 1µ a) Erstellen und dimensionieren Sie die Schaltung im Schematic Editor. Für den Transistor benutzen Sie die Komponente NMOS3 aus der Bibliothek. b) Erstellen Sie einen DC-Sweep für V2 , wobei Sie die Spannung von 0V bis 5V mit 0.1V laufen lassen. c) Parametrisieren Sie zusätzlich den Simulationslauf. (Analysis → Setup... → Parametric) Lassen Sie dabei die andere Spannungsquelle V1 von 0V bis 5V mit 0.5V laufen. – Wo lassen sich die drei Betriebsbereiche des Transistors ablesen? d) Variieren Sie den Kanal des Transistors (W und L) und führen Sie die Simulation erneut aus? (Berechnen Sie den Widerstand RDS ) – Wie verhält sich IDS bei Veränderungen von W /L? Aufgabe 4 - Ein-Transistor Verstärker / Source-Schaltung Eine der einfachsten Schaltungen mit einem Transistor ist die einfache Verstärkerschaltung. Hierbei wird am Gate Anschluß des Transistors ein Signal angeschlossen, dieses ,,Signal” könnte ein Mikrofon sein, oder im Idealfall einfach ein Sinussignal mit einer bestimmten Frequenz. Es gilt dieses Signal möglichst zu verstärken, ohne es dabei zu verfälschen. R1 V2 NM1 V3 UOUT V1 = 1V V2 = 10V V3 → freq = 1k , vampl = 100mV R1 = 2kΩ NM1 → W = 200µ , L = 1µ V1 a) Übertragen Sie die gegebenne Schaltung in den Schematic Editor und dimensionieren Sie alle Komponenten. Die Spannungsquelle für das Sinussignal trägt den Namen: VSIN. b) Setzen Sie eine Transientensimulation (Analysis → Setup... → Transient). Simulieren Sie dabei die ersten 10m sec mit einer Schritweite von 10µ sec c) Setzten Sie V1 auf 0.8V , welchen Effekt können Sie beobachten, wieso? d) Variieren Sie W und L am Transistor und analysieren Sie die Auswirkungen auf die Verstärkung. (Hängen Sie eine Ohmsche Last und einen Koppelkondensator an den Ausgang) e) Führen Sie eine Fourier-Transformation für das Eingangs sowie das Ausgangssignal aus (FFT Icon im Auswertefenster), offensichtlich ist das Ausgangssignal nicht optimal. Bestimmen Sie den Klirrfaktor (Signalverzerrungen) indem Sie die Transientensimulation anpassen: ,,Enable Fourier” markieren, Center frequency: 1kHz Number of harmonics: 15 und Output Vars: V (out). Den Klirrfaktor muss man direkt dem Simulatoroutput entnehmen: (Auswertung → View → Output File) Cheatsheet MOS-Transistor NMOS Transistor D PMOS Transistor Es gibt verschiedene Symbole für S MOS-Transistoren, ein Beispiel hierfür G G sind die hier Links gezeigten. Man sollte sich mit den verschiedenen DarstellungsD S formen anfreunden. In der Regel hat man an einem MOS-Transistor drei Anschlüsse zur Verfügung, das sind Gate, Source und Drain. Zusätzlich gibt es noch Modelle, sowie Symbole, die einen vierten Anschluß bereitstellen, den Bulk Anschluß, der aber für die von uns betrachteten Schaltungen nicht relevant ist. U DS, sat= U GS −U th UGS =5 V I DS linearer Bereich Sättigungsbereich UGS =4 V UGS =3 V UGS =2 V UGS =1 V UDS Zu sehen ist ein sogenanntes Kennlinienfeld für einen NMOS-Transistor. Ein Kennlinienfeld zeigt grafisch leicht das charakteristische Verhalten eines bestimmten Transistors. Dabei wird der Strom (IDS ) angegeben, der für eine bestimmte Gate-Source-Spannung (UGS ), sowie Drain-Source-Spannung (UDS ) durch den Transistor fließt. Man liest dieses Kennlinienfeld indem man eine bestimmte Kurve für eine gegebenne Gate-SourceSpannung auswählt und dann entsprechend für die anliegende Drain-Source-Spannung abließt wieviel Strom nun durch den Transistor fließt. Offensichtlich gibt es zwei verschiedene Bereiche beim Betrieb eines MOS-Transistors, dabei unterscheidet man den linearen und den Sättigungsbereich. Zusätzlich gibt es einen Sub-Threshold Bereich, der dazu führt, dass der Transistor vollständig sperrt (er ist ausgeschaltet). Dieser Bereich wird definiert durch eine vom Transistor vorgegebene Schwellspannung (VTH ) zwischen Gate und Source. Aufgabe 5 - Ein Stromspiegel Bitte beachten: Drehen Sie die Transistoren NICHT um (Strg+r)! Wir simulieren einen einfachen Stromspiegel, • die Spannungsquelle hat 9V • der Widerstand liegt bei 10kΩ • Halten Sie die Kanallänge der beiden Transistoren gleich, drehen sie an der Kanalweite von N 2, was läßt sich beobachten? Aufgabe 6 - Ein Differenzverstärker Ein Differenzpaar mit einem Stromspiegel ergibt einen Differenzverstärker: • die Spannungsquelle, sowie die Widerstände seien wie in Aufgabe 1 dimensioniert • Es fehlt noch eine Signalquelle ⇒ schlißen Sie eine VSIN Quelle an N3 und N4 an, (voff=0V , vampl=100m, freq=1k), darüber hinaus fehlt noch eine Offsetspannung, schließen Sie also eine VDC Quelle in Reihe an das Sinussignal und entsprechend auch an den anderen Eingang des Differenzverstärkers. • Stellen Sie das Verhältnis von W zu L am Differenzpaar gleich und hoch ein • Entnehmen sie das verstärkte Signal zwischen N4 und R3 Aufgabe 7 - Ein Differenzverstärker mit aktiver Last • Erweitern Sie die Schaltung aus Aufgabe 2 um eine aktive Last (p-Kanal Stromspiegel) • Welche Beobachtungen können Sie am Ausgangssignal machen • Variieren Sie den Kanal an N3 und N4, wie erreicht man eine hohe Verstärkung • Messen Sie die Grenzfrequenz! (Einige Änderungen der Schaltung nötig) Zusatzaufgabe • Bauen Sie beliebige Schaltung aus dem Kapitel 8 der Vorlesung nach
