Analoge CMOS-Schaltungen
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Analoge CMOS-Schaltungen PSPICE: Oszillator-Schaltungen Roland Pfeiffer 18. Vorlesung Barkhausen-Kriterium Barkhausen-Kriterium Prinzip der Oszillator-Schaltungen: Schwingbedingung (hinreichend, aber nicht zwingend): Betrag der Schleifenverstärkung (Loop gain) = 1 und zugleich Phase der Schleifenverstärkung n·180° (n ungerade) bei negativer Rückkopplung m·360° oder 0° bei positiver Rückkopplung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2 Roland Pfeiffer Barkhausen-Kriterium Barkhausen-Kriterium Beispiel für zeitlichen Aufbau der Schwingung: Betrag der Schleifenverstärkung (Loop gain) ≥ 1 und zugleich Phase der Schleifenverstärkung n·180° (n ungerade) bei negativer Rückkopplung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3 Roland Pfeiffer Barkhausen-Kriterium Barkhausen-Kriterium Frage: Was für eine Ursache hat V0 ? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4 Roland Pfeiffer Barkhausen-Kriterium Barkhausen-Kriterium Frage: Was für eine Ursache hat V0 ? Antwort: durch Rauschen entsteht die Spannung V0 !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5 Roland Pfeiffer Oszillator-Schaltung Oszillator-Schaltung Frage: Oszilliert die untere Schaltung ? Antwort: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6 Roland Pfeiffer Oszillator-Schaltung Oszillator-Schaltung Frage: Oszilliert die untere Schaltung ? Antwort: Inverter =180° (A0 negativ) , Pol ω0 maximal 90° ⇒ insgesamt maximal 270° Phasendrehung ⇒ keine Oszillation H (s) = − A0 s 1 + ω0 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7 Roland Pfeiffer Oszillator-Schaltung Oszillator-Schaltung Frage: Oszilliert die untere Schaltung ? Antwort: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8 Roland Pfeiffer Oszillator-Schaltung Oszillator-Schaltung Frage: Oszilliert die untere Schaltung ? Antwort: positive Rückkopplung im "DC-Fall" durch zweimalige Inversion ⇒ keine Oszillation, Latch-up H (s) = + A02 s 1 + ω0 2 Begründung für n·180° (n ungerade) bei negativer Rückkopplung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9 Roland Pfeiffer Oszillator-Schaltung Oszillator-Schaltung Frage: Oszilliert die untere Schaltung ? Antwort: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10 Roland Pfeiffer Oszillator-Schaltung Oszillator-Schaltung Frage: Oszilliert die untere Schaltung ? Antwort: Oszillation, "Ring-Oszillator" H (s) = − A03 s 1 + ω0 3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Frage: Wieviel ist die minimale Verstärkung pro Stufe A0 für eine Oszillation ? Antwort: H (s) = − A03 s 1 + ω0 3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Frage: Wieviel ist die minimale Verstärkung pro Stufe A0 für eine Oszillation ? Antwort: jeder Pol muß bei ωOSZI 60° Phasenverschiebung machen ⇒ insgesamt 3 Pole 180° tan −1 ωOSZI = 60 0 ⇒ ωOSZI = 3 ⋅ ω0 ω0 dabei muß eine Schleifenverstärkung (Loop gain) = 1 herrschen A03 ωOSZI 1 + ω 0 2 3 =1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13 ⇒ A0 ≥ 2 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Frage: Stellen aus analog2.sch eine dreistufigen Ringoszillator (ringoszi_c.sch) zusammen und simulieren diesen Ringoszillator !! Was passiert ?? Antwort: ⇒ analog2.sch ringoszi_c.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator PSPICE-Simulation simuliertes Ergebnis: keine Oszillation !! warum ?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Ursache: fehlendes V0 !! Rauschen in aufgebauter Schaltung, aber PSPICE: Rauschquelle nicht in transienter Simulation !! Möglichkeit der Eingabe in PSPICE ?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Ursache: fehlendes V0 !! Lösung: Vorbelegen der Knotenspannung: durch "Draw/Get new Part/"IC1", ("initial condition")Verbinden mit einem Knoten, Wert zuweisen (hier 500mV) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Frage: Simulieren sie diesen Ringoszillator mit "initial condition" IC1 von 500mV !! Was passiert ?? Antwort: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator PSPICE-Simulation simuliertes Ergebnis: Drainspannung M1 Oszillation abnehmend !! warum ?? Drainspannung M2 Drainspannung M3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Ursache: zu kleine Verstärkung pro Stufe A0 für eine Oszillation !! Lösung: Kleinsignalanlyse: A0=gM·R ⇒ gM∝ W/L ⇒ W/L vergrößern z.Bsp. 160 µm/1µm (Verzehnfachung des ursprünglichen W/L) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Frage: Simulieren sie diesen Ringoszillator mit W/L=160 µm/1µm !! Was passiert ?? Antwort: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator PSPICE-Simulation simuliertes Ergebnis: Oszillation !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Auf die Wafer werden zur Kontrolle des Prozessablaufes Ring-Oszillatoren ohne Lastkapazität eingesetzt. Aus deren Frequenz kann man Rückschlüsse auf den Prozessablauf ziehen. Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Simulieren sie diesen Ringoszillator ohne Lastkapazität. Zur FourierTransformation erhöhen sie die Simulationsdauer auf 3000 ns. Beobachten sie die Amplitude des Signals !! ringoszi.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator PSPICE-Simulation simuliertes Ergebnis: näher betrachtet Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator PSPICE-Simulation simuliertes Ergebnis: unregelmäßige Amplitude !! warum ?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Ursache dafür sind Rundungsfehler, die PSPICE macht. Diese Rundungsfehler können aber mit "Analysis/Setup/Options" beeinflußt werden. ABSTOL Absolute Berechnungsgenauigkeit für Ströme A (Default 1pA) VNTOL Höchste Genauigkeit für Spannungen V (Default 1µV) RELTOL Relativ zulässige Toleranz von Strom- und Spannungswerten, innerhalb deren Grenzen der jeweils iterative Wert konvergieren muß (Default 0.001) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Setzen sie ABSTOL 0.01pA, VNTOL 0.01µV und RELTOL 0.00001 und simulieren sie diesen Ringoszillator ohne Lastkapazität. Beobachten sie jetzt die Amplitude des Signals !! ringoszi.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator PSPICE-Simulation simuliertes Ergebnis: näher betrachtet Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator PSPICE-Simulation simuliertes Ergebnis: regelmäßige Amplitude !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator PSPICE-Simulation simuliertes Fourier-Ergebnis: Grundschwingung bei welcher Frequenz ?? Harmonische Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator PSPICE-Simulation simuliertes Fourier-Ergebnis (W/L=160µm/1µm): Grundschwingung bei ca. 1,2 GHz !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Eine Kenngröße für die maximale Frequenz, die ein MOSTransistor „verkraftet“, ist die sog. Transitfrequenz. I DS 2 ⋅ π ⋅ fT = ωT ⇒ ≡1 I GS Die Transitfrequenz im Kleinsignalfall für Sättigung ist invers abhängig von der Gatelänge zum Quadrat (ungefähr) 1 2 ⋅ π ⋅ fT = ωT ∝ 2 L Diese Gatelängen-Abhängigkeit lässt sich auch am Ring-Oszillator demonstrieren. Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Simulieren sie diesen Ringoszillator bei gleichen W/L mit L=2µm und L=0,5µm (doppelter und halber Wert von 1 µm) und stellen die Frequenz der Grundschwingung fest !! ringoszi.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator PSPICE-Simulation simuliertes Fourier-Ergebnis (L=2µm ⇒ W/L=320µm/2µm): Grundschwingung bei ca. 340 MHz !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator PSPICE-Simulation simuliertes Fourier-Ergebnis (L=0,5µm ⇒ W/L=80µm/0,5µm): Grundschwingung bei ca. 4 GHz !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36 Roland Pfeiffer Ring-Oszillator Ring-Oszillator Simulieren sie diesen Ringoszillator bei gleichen W/L mit L=2µm und L=0,5µm (doppelter und halber Wert von 1 µm) und stellen die Frequenz der Grundschwingung fest !! Frequenz Gatelänge 340 MHz 1,2 GHz 4,0 GHz 2 µm 1 µm 0,5µm Bei Verdoppelung/Halbierung der Gatelänge sinkt/steigt die Frequenz um den ungefähren Faktor 4. Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37 Roland Pfeiffer Zusammenfassung -Barkhausen-Kriterium: Schwingbedingung -verschiedene Schaltung, "Ring-Oszillator", minimale Verstärkung -PSPICE: Vorladung der Knoten "IC1" -PSPICE: Genauigkeit über ABSTOL, VNTOL, RELTOL -Gatelängen-Abhängigkeit der Schwingfrequenz -PSPICE-Simulationen bestätigt? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38 Roland Pfeiffer
