Analoge CMOS-Schaltungen
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Analoge CMOS-Schaltungen Prof. Dr. Bernhard Hoppe Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Hochschule Darmstadt University of Applied Sciences Einleitung Einleitung In diesem Lehrbrief werden integrierte CMOS-Analogschaltungen behandelt. Die am häufigsten benutzte analoge elektronische Komponente ist der Operationsverstärker (OpAmp), den wir schon im Lehrbrief Signalumwandlung häufig eingesetzt haben. Auf die Realisierung dieser grundlegenden Struktur wollen wir in diesem Lehrbrief hinarbeiten. Analoge Schaltungen unterscheiden sich von digitalen Schaltungen dadurch, dass hier nicht nur bestimmte Spannungspegel eine Rolle spielen, sondern die gesamte Bandbreite von Spannungen und Strömen, die die verwendete Technologie zulässt. Aufgrund der vielfältigen Freiheitsgrade war im Gegensatz zu Digitalschaltungen die Entwicklung praxistauglicher Synthesewerkzeuge für die automatisierte analoge Schaltungsentwicklung bisher noch nicht möglich. Analogschaltungen werden deshalb auf der Basis von Handrechnungen und einfachen physikalischen Modellen entworfen. Simulationen mit Schaltkreissimulatoren, wie etwa SPICE, werden nur abschließend zur Verifikation der Schaltung und zur Feinjustierung der Transistorabmessungen herangezogen. Deshalb ist hier ein weitergehenderes Verständnis der physikalischen Bauelemente erforderlich, als in der digitalen Domäne. Die elementaren Methoden der Schaltkreisanalyse wie die Kleinsignalwechselbetrachtung, Bode Diagramme, Kennlinien und die Großsignaltransientenanalyse spielen beim Entwurf von Analogschaltungen eine ganz wesentliche Rolle und müssen beherrscht werden. Damit unterscheidet sich das Analogdesign wesentlich von der üblichen computerorientierten Entwicklungsmethodik. Der Ingenieur muss verstehen, wie seine Schaltung arbeitet und was zu tun ist, um bestimmte Schaltungseigenschaften zu erreichen. Computersimulation mit noch so genauen Bauelementmodellen ohne Verständnis für die Schaltung kann in der Regel keine Designaufgabe lösen. Wie kann man dieses Verständnis gewinnen? Zuerst muss man die Bauelemente, die in integrierten CMOS-Schaltungen zur Verfügung stehen, in ihrer Funktion, Genauigkeit, Parameterbereich und ihren physikalische Grenzen kennen lernen. Dann muss man lernen, analoge Schaltungen mit den Methoden der Elektrotechnik zu analysieren. Das Ergebnis einer solchen Analyse sind einfache mathematische Formeln, aus denen man das Schaltungsverhalten ableiten kann und die sich auf ähnliche Schaltungen verallgemeinern lassen. Dann ist es wichtig, Schaltungen hierarchisch in Blöcke aus Grundschaltungen zerlegen zu können, die einzeln für sich analysiert und für das gegebene Designziel angepasst werden können. Dieses Vorgehen führt zu Designstrategien, mit denen die Transistorabmessung und Ströme in der Schaltung aus den Spezifikationsparametern ermittelt werden können. Das Ergebnis dieses Entwurfsablaufs ist ein Transistorschaltplan, in dem die I Einleitung benötigten Gleichströme und die Abmessungen der Transistoren eingetragen sind und der nach Eingabe in ein Simulationswerkzeug mit den technologiespezifischen elektrischen Parametern der Bauelemente simuliert werden kann. In den 1980er Jahren war es noch nicht klar, dass die CMOS-Technologie die bestimmende Technologie für analoge Schaltungen werden wird. Damals wurden die meisten Analogschaltungen in Bipolartechnik gefertigt. CMOS als Technologie für die Umsetzung analoger Funktionen ist bestimmt nicht die erste Wahl aus Sicht des Ingenieurs, denn die Transistoreigenschaften von NMOS- oder PMOS Feldeffekttransistoren sind weniger gut, als die von Bipolartransistoren. Die Wahl wurde von der Industrie aus Kostengründen getroffen. In der Praxis sollen analoge und digitale Funktionen in einem MixedSignal-Chip in einer preiswerten Standardtechnologie gefertigt werden. Speicher und Mikroprozessoren sind die dominierenden Halbleiteranwendungen für CMOS-Schaltungen. Aufgrund der involvierten Stückszahlen sind CMOSProzesse die Standardfertigungstechnologien. Damit führt an der CMOS-Analogtechnik kein Weg vorbei. Dieser Lehrbrief ist wie folgt aufgebaut: Im ersten Kapitel wird der analoge Entwurfsablauf dem digitalen Entwurfsverfahren gegenüber gestellt und die Problematik des Analogdesigns herausgearbeitet. Im zweiten Kapitel werden die in CMOS-Chips zur Verfügung stehenden Bauelemente besprochen. Da die Technologie primär auf die Fertigung von Transistoren ausgelegt ist, bestehen bei passiven Komponenten Einschränkungen und dies hat Konsequenzen für Entwurfsmethodik und Schaltungstechnik. In Kapitel 3 geht es um analoge Grundschaltungen, die Stromquellen und Verstärker. Anschließend wird in Kapitel 4 auf die Differenzstufe eingegangen, die in fast allen analogen Schaltungen vom Operationsverstärker bis zum ADU vielfältig eingesetzt wird. Abschließend behandeln wir den Operationsverstärker, der als komplexere Analogschaltungen aus den vorher besprochenen Grundschaltungen zusammengesetzt wird. Da diese Schaltung meist in Rückkopplung arbeitet, ist hier die Stabilität gegenüber Schwingen und Übersteuern ein wichtiges zusätzliches Entwurfskriterium. In allen Kapiteln wird der Stoff mit Übungsaufgaben vertieft und es werden konkrete Designbeispiele durchgerechnet und mit SPICE simuliert. Die Educational Version von SystemVision ist völlig ausreichend für die nötigen Simulationen (siehe Lehrbrief Simulation [ET-SIM-A32]). II Einleitung Lehrziele Ziel dieser Kurseinheit ist es, grundlegende Kenntnisse über Methoden, physikalische Grundlagen und Designstrategien des CMOS-Analog-Designs zu vermitteln und anhand der wichtigsten analogen Grundschaltungen praktisch einzuüben. Analoge Schaltungen sind auch und gerade bei der fortschreitenden Digitalisierung wichtig, denn die Umgebung in der elektronische Systeme arbeiten, ist in der Regel nicht digitalisiert, sondern hier sind werte- und zeitkontinuierliche Größen bestimmend. Die Schnittstellen zwischen analogem und dem digitalem Verhalten werden von analogen Schaltungen gebildet. Nach dem Studium dieser Kurseinheit sollten Sie • • • • • die Eigenschaften der in CMOS-Technologien verfügbaren aktiven und passiven Bauelemente und ihre parasitären Zusatzkomponenten kennen, Kleinsignal- und Großsignalmodelle für MOS-Transistoren anwenden können, die wichtigsten analogen Grundschaltungen (Stromquellen, Verstärker, Differenzstufen) mit einfachen Designstrategien entwerfen und anschließend simulieren können, einen einfachen Operationsverstärker aus den genannten Grundschaltungen aufbauen können und dabei die Stabilität des Verstärkers bei einer rückkoppelnden externen Beschaltung zu garantieren. III Einleitung IV Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Einleitung Lehrziele I III Inhaltsverzeichnis V 1. Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken 1 1.1 Digitale und analoge Signale und Designverfahren ..................................... 2 1.2 Analog-Design und Digital-Entwurf im Vergleich ...................................... 3 1.3 Ablauf eines Analog-Designs....................................................................... 7 1.3.1 Leitlinien für die analoge Simulation ................................................. 9 1.3.2 Analoge Schaltkreisberechnungen.................................................... 10 1.5 Zusammenfassung ...................................................................................... 12 2. Aktive und passive Komponenten 13 2.1 Der pn-Übergang ........................................................................................ 13 2.1.1 Eigenschaften der Halbleiter-Diode.................................................. 14 2.2 MOS-Transistoren ...................................................................................... 21 2.2.1 Großsignalmodell.............................................................................. 22 2.2.2 Parasitäten ......................................................................................... 25 2.2.3 Kleinsignalmodelle ........................................................................... 27 2.3 Widerstände und Kondensatoren................................................................ 29 2.3.1 Kondensatoren .................................................................................. 29 2.3.2 Widerstände ...................................................................................... 31 2.4 MOS-Schalter und aktive Widerstände ...................................................... 32 2.4.1 Aktive Widerstände .......................................................................... 35 2.5 Zusammenfassung ...................................................................................... 36 3. Quellen, Senken und Verstärker 39 3.1 Einfache Stromspiegel................................................................................ 39 3.1.2 Designstrategie für Stromspiegel ...................................................... 42 3.1.2 Verbesserte Stromspiegelschaltungen .............................................. 44 3.2 Verstärkerschaltungen ................................................................................ 47 3.2.1 Die Common-Source-Stufe............................................................... 47 V Inhaltsverzeichnis 3.2.2 CS-Stufe mit aktiver Last .................................................................. 51 3.3 Verstärkerdesign ......................................................................................... 55 3.4 Zusammenfassung....................................................................................... 56 4. Differenzstufen 59 4.1 MOS-Differenzverstärker im Überblick ..................................................... 59 4.2 Verstärkungsberechnung............................................................................. 62 4.3 Spannungsbereiche, Slew Rate und Frequenzgang .................................... 65 4.4 Designstrategie............................................................................................ 67 4.4 Praktische Durchführung ............................................................................ 68 4.5 Zusammenfassung....................................................................................... 71 5. Operationsverstärker 73 5.1 Eigenschaften von Operationsverstärkern .................................................. 73 5.2 Frequenzgang.............................................................................................. 74 5.2 Zweistufiger OpAmp .................................................................................. 76 5.2.1 Stabilität von OpAmps mit Rückkopplung ....................................... 77 5.2.2 Frequenz- und Phasenkorrekturen..................................................... 80 5.3 Designbeispiel............................................................................................. 84 5.3.1 Transistordimensionierung für 0,8µm CMOS .................................. 89 5.3.2 Simulation ......................................................................................... 92 5.4 Zusammenfassung....................................................................................... 95 VI 6. Zusammenfassung und Schluss 97 Literaturverzeichnis 99 Stichwortverzeichnis 100 Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken 1. Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken Halbleiterschaltungen aus Millionen von Transistoren sind im Alltag allgegenwärtig. Die weite Verbreitung integrierter elektronischer Komponenten, die hoch komplexe Aufgaben kostengünstig schaltungstechnisch umsetzen und zuverlässig mit geringem Energiebedarf ausführen, hängt mit der revolutionären Entwicklung der Herstellprozesse von integrierten Schaltungen zusammen. Heute ist es möglich, einzelne Transistoren auf einer Fläche von weniger als 1µm2 herzustellen und auf Chips mit einigen 100 mm2 millionenfach zu platzieren. Für die Verschaltung stehen bis zu 10 Verdrahtungsebenen zur Verfügung. Früher waren ICs im wesentlichen Komponenten eines Systems, das auf einer Leiterplatte aufgebaut wurde. Sie erfüllten entweder rein analoge oder rein digitale Funktionalitäten, mit klaren Trennlinien zwischen diesen beiden Signaldomänen. Heute verschwinden diese Trennlinien und wir haben es mit Systemen auf einem Chip (System on a Chip, SOC) zu tun, in denen sowohl digitale wie auch analoge Funktionsblöcke zusammengefasst sind (Mixed-Signal-Designs). Die wichtigste Technologie für solche komplexen Systeme ist die CMOS-Technik (Complementary-MetalOxide-Semiconductor), bei der Oberflächenfeldeffekttransistoren mit n- oder p-Leitung die elektronischen Grundelemente im Design darstellen. Diese Technologie ist am besten für komplexe SOC-Schaltungen geeignet, denn sie bietet zum einen höchste Packungsdichten (100.000 Logikgatter pro mm2) und niedrige Verlustleistung (pJ pro Schaltvorgang) für den digitalen Bereich und gleichzeitig ein brauchbares Portfolio an Bauelementen für den Analogentwurf. Aus diesen Gründen konzentrieren wir uns in diesem Lehrbrief auf die CMOS-Technologie. Digitale Schaltungen weisen eine sehr reguläre Struktur auf. Sie sind aus einer überschaubaren Anzahl von verschiedenen digitalen Gattern und Registertypen zusammengesetzt. Die boolesche Algebra ermöglicht verschiedene systematische Optimierverfahren, die es erlauben, gegebene Verknüpfungen optimal (d.h. mit einer minimalen Zahl von Gattern) aufzubauen. Deshalb kann der Entwurf von Digitalschaltungen weitgehend automatisiert werden. Es gibt verschiedene CAD-Tools mit deren Hilfe aus einer abstrakten Verhaltensbeschreibung das fertige Schaltungslayout als Vorgabe für den Halbleiterherstellprozess generiert werden kann. Der analoge Entwurf ist nicht in gleichem Maße automatisierbar, sondern hier muss der Entwicklungsingenieur selbst beginnend mit Handrechnungen unter Nutzung von Schaltkreissimulatoren wie SPICE jeden einzelnen Transistor dimensionieren. Die bekannten Designmethoden vom analogen Leiterplattenentwurf lassen sich nicht anwenden, denn in der CMOS-Silizium-Planartechnik fehlen Induktivitäten. Widerstände und Kondensatoren mit hoher absoluter Genauigkeit und großen Widerstands- bzw. Kapazitätswerten stehen ebenfalls nicht zur 1 Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken Verfügung. Bipolartransistoren, die auf Leiterplatten meist eingesetzt werden, können in CMOS-Technik nur mit bescheidenen Leistungsdaten in parasitärer Form realisiert werden. Für die CMOS-Analogtechnik wurden deshalb neue Schaltungskonzepte entwickelt, wenn sich die bipolaren Konfigurationen nicht übertragen lassen. In diesem Lehrbrief wird Ablauf des analogen Design-Prozesses für die CMOS-Technologie für die verschiedenen geläufigen analogen Grundkomponenten durchgeführt: • Transistoren, Widerstände und Kondensatoren • Analogschalter • Stromquellen und Senken • Verstärker • Operationsverstärker In diesem Kapitel diskutieren wir zunächst den Begriff des analogen elektrischen Signals und die Signalverarbeitung in Analogschaltungen im Vergleich mit digitalen Signalen und Schaltungen. 1.1 Digitale und analoge Signale und Designverfahren Ein Signal ist eine messbare physikalische Größe, die Information über den Zustand oder die zeitliche Entwicklung eines Systems transportiert. Die physikalischen Größen, die bei elektronischen Schaltungen als Signale verwendet werden, sind Spannungen, Ströme oder Ladungen, also elektrische Größen. Bei analogen Signalen ändert sich der Strom-, Spannungs- oder Ladungswert wert- und zeitkontinuierlich (Bild 1.1). Ein solches Signal kann also in seinem zeitlichen Verlauf unendlich viele Wertigkeiten besitzen. Analoge Signale haben in der Regel einen Amplitudenbereich und ändern sich häufig periodisch (z.B. zwischen Massepotential und Versorgungsspannung). Im Gegensatz dazu besitzt ein digitales Signal nur wenige diskrete Zustände, z.B. nur die Wertigkeiten "1" ("HIGH") und "0" ("LOW"). Diese beiden Pegel lassen sich mit der An- oder Abwesenheit von bestimmten Ladungsmengen, Spannungen oder Stromflüssen leicht darstellen. Digitale Signale auf mehreren (N) Signalleitungen b0 bis bN-1 werden zu Datenbussen zusammengefasst und repräsentieren dann im Rahmen eines Stellenwertsystems eine Dualzahl oder Binärzahl B = b0 2−1 + b1 2 −2 + b2 2−3 + .. + bN −1 2 − N = 2 N i =1 bi −1 2− i Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken Diese Binärzahl ist im Intervall von 0 bis 1 definiert und kann auf die übliche unnormierte Darstellung durch Multiplikation mit 2N überführt werden. b0 ist das wichtigste Bit (MSB) und bN-1 das unwichtigste (LSB). Bild 1.1 Signale: A(t), analoger Zeitverlauf zwischen Massepotential und Betriebsspannung VDD; D(t), wertediskreter zeitlich diskontinuierlicher Verlauf eines Digitalsignals Wie analoge Signale in digitale gewandelt werden können und umgekehrt hatten wir schon im Lehrbrief „Signalumwandlung“ besprochen. 1.2 Analog-Design und Digital-Entwurf im Vergleich Digitale Signale nutzen also den zur Verfügung stehenden Parameterbereich nicht aus, beinhalten also auch weniger Information. Sie sind deshalb zwar störsicherer, benötigen aber für die gleiche Funktionalität wesentlich mehr Schaltelemente (Transistoren), um den reduzierten Informationsgehalt elektronisch zu verarbeiten. Digitale Signalverarbeitung ist also weniger effizient als analoge Verfahren. Die entsprechenden digitalen Schaltungen erscheinen zwar wegen der vielen (Millionen) Transistoren komplexer, sind aber paradoxerweise viel leichter zu generieren, als die analogen Gegenstücke, die aus vergleichsweise sehr wenigen Bauelementen (10 -50) bestehen. Die Unterschiede zwischen analoger und der digitaler Signalverarbeitungselektronik und der entsprechenden Designverfahren zeigt schon der Vergleich 3 Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken zweier Komparatoren in analoger bzw. digitaler Ausgestaltung (Bild 1.2), die zwei Binärworte oder zwei Spannungen vergleichen: • Digital: 4 Bit ≈ 35 Gatter ≈ 200 Transistoren, • Analog: Differenzverstärker mit einem Eingang auf der Referenzspannung ≈ 5 Transistoren). Der Schaltplan des analogen Komparators ist zwar einfacher, die Transistoren müssen aber für jede Technologie neu ausgelegt werden, d. h. es sind geeignete Weiten/Längen-Verhältnisse als kontinuierliche Größen für die Transistoren zu ermitteln. Dabei sind, wie wir noch später genauer sehen werden, Spezifikationen für das Einschwingverhalten, die Schaltschwellen, die Ein- und Ausgangspegel, die Verlustleistung usw. vorzugeben und dann im Design einzuhalten. Das Designproblem umfasst damit 10 kontinuierlich veränderbare Entwurfsparameter. Auch wenn man nur 10 Weiten- und Längenstufen probieren würde, um zu testen ob die Spezifikationen erfüllt sind, wären 1010 Simulationen erforderlich. Die Versuchs- und Irrtummethode scheidet damit klar aus. Wir brauchen also eine Strategie, in welcher Reihenfolge die Weiten und Längen der einzelnen Transistoren bestimmt werden und einen Satz von (einfachen) Formeln, die Spezifikationswerte und Transistorgeometrien verknüpfen, die sich per Hand auswerten lassen. Dann wird dieses Handdesign mit Simulationen für die gegebene Technologie nachsimuliert und ggf. nachjustiert. Bild 1.2 Komparatoren: links analoger Komparator, der die Spannung VP und VN miteinander vergleicht. Ist VP > VN , dann ist die Ausgangsspannung Vo positiv, andernfalls negativ. Rechts: digitaler Komparator (DM74LS85 von National Semiconductors), der die 4Bit-Worte A = (A0A1A2A3) und B = (B0B1B2B3) vergleicht und A > B, A < B und A = B über das Setzen von drei Ausgabebits mitteilt. 4 Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken Der Schaltplan der digitalen Variante kann aus einer einfachen VHDL-Beschreibung [ET-SYS-A21] per Synthese erstellt werden: PACKAGE comp_pack IS TYPE bit4 is range 0 TO 15; TYPE t_comp IS (greater_than, less_than, equal, not_equal); END comp_pack; LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; USE WORK.comp_pack.ALL; ENTITY compare IS PORT( A, B : IN bit4; ctrl : IN t_comp; gt, lt, eq: OUT std_logic); END compare; ARCHITECTURE synth OF compare IS BEGIN PROCESS(a, b, ctrl) BEGIN gt <= '0'; lt <= '0'; eq <= '0'; neq <= '0'; gte <= '0'; lte <= '0'; CASE ctrl IS WHEN greater_than => IF (a > b) THEN gt <= '1'; END IF; WHEN less_than => IF (a < b) THEN lt <= '1'; END IF; WHEN equal => IF (a = b) THEN eq <= '1'; END IF; END CASE; END PROCESS; END synth; Timing und Pegel brauchen nicht weiter analysiert werden. Es genügt entsprechende Synthese-Constraints (Constraint: Randbedingung) vorzugeben, die die Signalverzögerung begrenzen. Die Spannungsbereiche sind schon mit Zuladen der zur Verfügung stehenden ASIC-Zell-Bibliothek festgelegt. Wird eine andere Technologiebibliothek verwendet, dann steht die Schaltung sofort und ohne weitere Designarbeiten in einer anderen Technologie zur Verfügung (einfache Portierbarkeit von digitalen Schaltungen). Die Genauigkeit dieser digitalen Schaltung (und von digitalen Schaltungen allgemein) lässt sich leicht erhöhen, indem statt 4 Bit 12 Bit Eingabeworte 5 Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken vorgegeben werden, dazu ist lediglich der Datentyp bit8 durch den Typ TYPE bit12 is range 0 TO 4095; zu ersetzen. Die Umsetzung besorgt die Logik-Synthese, die jetzt ggf. etwas länger dauert. Bei analogen Schaltungen liegt die Genauigkeit für eine gegebene Architektur im Prinzip fest, denn Transistoren lassen sich nur innerhalb bestimmter geometrischer und damit elektrischer Toleranzen fertigen. Diese Toleranzen stellen eine obere Grenze für die erzielbare Genauigkeit dar, die aus prinzipiellen Gründen nicht überschritten und in der Praxis meist noch nicht mal erreicht werden kann, da beim Design Kompromisse zwischen den verschiedenen oft gegenläufigen Anforderungen getroffen werden müssen. Technologische Ungenauigkeiten betreffen bei digitalen Schaltungen hingegen nie die Funktion, sondern nur das Zeitverhalten. Die Schaltung arbeitet also bei höheren Technologischwankungen etwas langsamer aber immer noch funktional korrekt. Dies kann aber durch entsprechende Vorhalte in den Timing-Constraints ausgeglichen werden. Digitale Schaltungen verwenden nur wenige Gattertypen. Eine typische Zellbibliothek umfasst vielleicht 350 Zelltypen, aus denen sich jede beliebige digitale Schaltung, vom besprochenen Komparator bis zum kompletten Mikroprozessor aufbauen lässt. Die Schaltungsaufbauten sind folglich sehr regulär und können, wenn die Zellen bestimmte geometrische Vorgaben in Bezug auf Höhe und Lage der Versorgungsanschlüsse einhalten, fast automatisch in ein Layout umgesetzt werden. Bei diesem Standardzellendesign-Flow werden die Zellen in Zellreihen gesetzt und automatisch an den Anschlüssen mit Signalleitungen untereinander und mit den Schaltungspins verbunden. Bei analogen Designs muss das Layout per Hand an der CAD-Station aus Polygonen in verschiedenen Maskenebenen zusammengesetzt werden, denn hier kommt es auf Ausrichtung und Platzierung jedes einzelnen Transistors an. Bild 1.3 Rechts: Layout des analogen Komparators aus Einzeltransistoren (3 NMOS, 2 PMOS) erstellt mit Polygon-Editierung. Links: Standardzellenlayout des digitalen Komparators. In der Mitte sind drei Standardzellreihen gezeigt und am Rand die Power-Busse, die Betriebspannung VDD und Massepotential VSS zuführen. 6 Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken Nicht nur zwischen den Entwurfabläufen von integrierten analogen und digitalen Schaltungen existieren deutliche Unterschiede. Auch bei analogen Schaltungen, die aus diskreten Komponenten auf Leiterplatten bestehen, und integrierten Analogchips bestehen Unterschiede in Designmethodik und Implementierungsmöglichkeiten. Diskrete Schaltungen bestehen aus aktiven und passiven Bauelemente, die nicht dasselbe Halbleitersubstrat verwenden, und deshalb in den Parametern streuen. Bei integrierten Schaltungen kann die enge Nachbarschaft zwischen den Komponenten genutzt werden, um die Passung der Bauelementparameter zu verbessern (Matching, siehe Lehrbrief [ET-SIUA31]). Dadurch ergeben sich neue Designmöglichkeiten. Gleichzeitig können die geometrischen Abmessungen der Bauelemente in bestimmten Grenzen frei variiert werden. Diese geometrische Kontrolle eröffnet ebenfalls neue DesignDimensionen. Allerdings ist man beim Entwurf von den zur Verfügung stehenden Parametern her beschränkt. Es sind z.B. nur relativ kleine Kapazitäten und Widerstandswerte realisierbar. Auch schwanken die Absolutwerte der Parameter wesentlich stärker, als bei diskreten Elementen. Widerstände mit 1% Genauigkeit sind in Chips kaum zu realisieren. Probeaufbauten (Breadboarding) zu Testzwecken, wie bei Leiterplatten sind beim Design integrierter Analogschaltungen ebenfalls nicht möglich. Man ist also beim Design fast vollständig auf Handrechnungen und Simulationen angewiesen. Das eigentliche Funktionieren lässt sich nur mit Messungen an Prototypen nachweisen, die eigens in der Halbleiterfabrik gefertigt werden und die Entwicklung verteuern. Bei AnalogDesigns sind meistens nach der Prototypenmessung Nacharbeiten erforderlich, deshalb werden Redesigns von im Zeitplan von Chipentwicklungen berücksichtigt. Bei digitalen Designs ist die Entwurfssicherheit so hoch, dass meisten die ersten Prototypen schon voll funktionsfähig sind. 1.3 Ablauf eines Analog-Designs Das Design einer Analogschaltung kann in verschiedene Schritte zerlegt werden. Die wesentlichen Punkte sind in Bild 1.4 als Ablaufdiagramm dargestellt. Wir können den Ablauf in die Definitionsphase, die Umsetzung in eine Schaltung, die Simulation der Schaltung, die Erstellung der Layoutgeometrien mit anschließender Layoutverifikation sowie die Extraktionsphase unterteilen. Am Ende folgt die Prototypenuntersuchung und dann beginnt die Produktion. In der Definitionsphase wird das Schaltungskonzept entwickelt. Die Konzeptfindung ist von besonderer Bedeutung, weil hier die elektrischen Möglichkeiten des späteren Chips in Bezug auf Performance, Ausbeute und Herstellkosten 7 Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken weitgehend vorbestimmt werden. Hier werden die Bauelemente nach Maßgabe der Spezifikation mit einfachen Handrechnungen vordimensioniert. Dann erfolgt die Erfassung in einem Schaltplan als strukturelle Beschreibung der Schaltung. Die Schaltung wird simuliert, um sicherzustellen, dass alle Spezifikationswerte auch bei Verwendung der vollständigen Bauelementmodelle eingehalten werden. Die Schaltplansimulation abstrahiert noch von den geometrischen Gegebenheiten, die erst nach der Layouterstellung bekannt sind und die in Form von parasitären Schaltelementen in den Schaltplan eingehen. Bild 1.4 Ablaufdiagramm eines analogen Designprojekts Die Layouterstellung wird begonnen, wenn die Simulation des Schaltplans die vollständige Übereinstimmung mit der Spezifikation gezeigt hat. Die Layoutgeometrien werden einer Designregelprüfung unterzogen. Dann werden die Parasitäten für die Leiterbahneinflüsse und andere geometrische Effekte extrahiert. Der Schaltplan wird um diese Zusatzbauelemente ergänzt und erneut 8 Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken simuliert. Wird die Spezifikation nach wie vor erfüllt, werden Prototypen gefertigt und vermessen und wieder wird mit der Spezifikation verglichen. Danach wird die Schaltung in die Applikation eingebaut und überprüft ob das gesamte Gerät funktioniert. Dieser Test verifiziert, dass die Spezifikation tatsächlich alle Geräteanforderungen enthalten hat. Sollte keine Applikationsfreigabe möglich sein, weil der Chip sich nicht so verhält, wie erwartet, muss die Spezifikation angepasst werden und der gesamte Designablauf beginnt von vorne. Ein solches Redesign wird auch durchgeführt, wenn die Prototypen Parameterwerte aus der Spezifikation nicht erfüllen. 1.3.1 Leitlinien für die analoge Simulation An zentraler Stelle im Entwurfsablauf steht die Simulation, denn die korrekte Umsetzung der Spezifikation in den Schaltplan und die Korrektur jedes Designfehlers, der sich u. U. erst am Ende des Designzyklus zeigt, müssen mit Simulationen überprüft werden. Sonst könnte die Funktion des Chips und die Wirksamkeit der Korrektur erst Wochen später an teuren Musterchips überprüft werden. Die leistungsfähigen Simulationstools, wie wir sie heute verwenden, sind ursprünglich für den analogen Schaltkreisentwurf entwickelt worden. Die Vorteile der Simulation sind: • Probeaufbauten auf Leiterplattenniveau sind unnötig; • Jeder Knoten in der Schaltung ist zugänglich und die zugehörigen Potentiale und Ströme können ausgegeben werden; • Rückkoppelschleifen können aufgetrennt werden; • Die Schaltung kann leicht verändert werden; • Die Schaltung kann durch einfaches Eintippen von Werten bei erhöhten Temperaturen und für verschiedene Prozessvarianten analysiert werden. Um die Simulation beim Design effizient einzusetzen, sollte man sich, wie im Lehrbrief Simulation [ET-SIM-31] schon angesprochen, an folgende Regeln halten: • Verwende keinen Simulator, wenn der Bereich der zu erwartenden Ergebnisse nicht von vorneherein bekannt ist. • Beschränke Dich bei der Simulation auf die wesentlichen Systemkomponenten und simuliere nie mehr vom System als nötig! • Ändere nie mehr als eine Designvariable zwischen zwei Simulationen, sonst sind die Auswirkungen der Designverbesserung nicht zuzuordnen. • Lerne die wesentlichen Funktionsprinzipien des verwendeten Simula- 9 Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken • tors kennen, sonst kann man dieses Werkzeug nur eingeschränkt benutzen! Simulationen ersetzen nicht das Nachdenken! 1.3.2 Analoge Schaltkreisberechnungen Analoge Schaltungen werden mit mathematischen Methoden analysiert. Dazu werden diese systematisch in Zweipolersatzschaltungen überführt, die Zweipole in linearer Näherung betrachtet und dann in einer Gleichstromanalyse die Spannungen und Ströme in der Schaltung berechnet. Um Zeitabhängigkeiten zu betrachten führen wir in der Regel Wechselstrombetrachtungen durch. Dazu werden sinusförmige Signalverläufe vorausgesetzt und es wird mit komplexen Amplituden und Widerständen für die Schaltelemente gerechnet. Die mathematischen Methoden bleiben gegenüber der Gleichbetrachtung unverändert. Die Rechnungen werden lediglich in der komplexen Ebene ausgeführt. Als Methoden zur Schaltungsanalyse stehen uns folgende Methoden zur Verfügung. • Bei der Knotenanalyse stellen wir mit Hilfe des Kirchhoffschen Knotensatzes Gleichungen für die Knoten in der Schaltung auf und lösen das sich ergebende lineare Gleichungssystem mit Hilfe der Cramerschen Regel. • Bei der Maschenanalyse verenden wir den Kirchhoffschen Maschensatz und erhalten Gleichungen für die Maschenspannung, die wir wieder auflösen können. • Die Methode der Ersatzspannungsquelle ist dann sinnvoll wenn wir nur einen Zweig des Netzwerks untersuchen wollen und dort Spannung und Strom ermitteln sollen. Dann wird der fragliche Zweig aus der Schaltung genommen und die restliche Schaltung als verallgemeinerte Zweipol-Spannungsquelle angesehen, für die wir Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom ermitteln. Diese Parameter tragen wir in das Schaltbild einer Spannungsquelle mit Innenwiderstand ein, schalten den zunächst entfernten Widerstand zwischen die Klemmen der Quelle und berechnen Klemmenspannung und -strom der belasteten Quelle. Hier und im Weiteren benutzen wir die folgende Notation für die Variablen (Tabelle 1.1). 10 Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken Signaldefinition Größe Index Beispiel Großsignal- Kleinbuchstabe Großbuchstabe vOL Gleichwert Großbuchstabe Großbuchstabe ISS Wechselwert Kleinbuchstabe Kleinbuchstabe i0 Komplexe Größe Großbuchstabe Kleinbuchstabe Adiff Augenblickswert Tabelle 1.1 Schreibweise für verschiedene Signalklassen Übungsaufgaben In diesen Übungsaufgaben wiederholen wir die Methoden der in Netzwerkanalyse, die die Grundlage jedes Simulationsprogramms bildet, und rechnen die folgenden Beispiele für die Knotenanalyse, die Maschenanalyse sowie für die Methode der Ersatzspannungsquelle (siehe Kapitel 3, Lehrbrief „Simulationstechnik“, [ET-SIM-31]). Knotenanalyse: Gesucht ist vout/iin für die folgende Schaltung Maschenanalyse: Gesucht ist vout/vin für die Schaltung Methode der Ersatzspannungsquelle: Berechnen Sie Strom und Spannung im 11 Analoge Schaltungen und Entwurfstechniken Widerstand RAB: 1.4 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde eine Einführung in die Probleme der analogen Schaltungstechnik gegeben und den entsprechenden Entwicklungsablauf vorgestellt. Die Unterschiede zwischen analogen und den gebräuchlicheren digitalen Schaltungen wurden herausgearbeitet. Im Unterschied zum Leiterplattenentwurf bestehen beim Design integrierter Schaltungen generell keine nachträglichen Änderungsmöglichkeiten, sondern hier muss stets auch beim kleinsten Fehler die gesamte Schaltung korrigiert und neu in den Fertigungsdurchlauf eingeschleust werden. Deshalb werden beim Entwurf von analogen Schaltungen, bei dem die Möglichkeit zur automatischen Schaltungssynthese fehlt, systematische Zugänge benötigt, die auf Netzwerkanalysen und Simulationsläufen beruhen. Die Rolle der Simulation im Designablauf wurden erörtert und die Grenzen des Verfahrens aufgezeigt. Die Übungsaufgaben behandeln die verschiedenen Methoden für die Netzwerkanalyse. Wir haben abschließend eine Notation für die Signalbezeichnungen im gesamten Lehrbrief festgelegt. 12 Literaturverzeichnis Literaturverzeichnis [AllanHolberg02] P. E. Allan und D. R. Holberg: CMOS Analog Circuit Design, 2nd ed., Oxford University Press, Oxford, 2002 [Sansen06] W.M.C. Sansen, Analog Design Essentials, Springer, Dordrecht, 2006 [BeRaz03] Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill Higher Education, 2003 [ET-SYS-A21] B. Hoppe und T. Schumann, Systemspezifikation und Hardwarebeschreibungssprachen, Schriften des Master of Science Studiums Elektrotechnik, Koblenz 2007 [ET-SIU-A31] B. Hoppe, Signalumwandlung, Schriften des Master of Science Studiums Elektrotechnik, Koblenz 2008 [ET-SIM-A32] B. Hoppe, Simulation, Schriften des Master of Science Studiums Elektrotechnik, Koblenz 2007 [LVDS08] International Engineering Consortium: LowVoltage Differential Signaling (LVDS), www.iec.org/online/tutorials/low_voltage 99 Stichworte Stichwortverzeichnis 3dB Frequenz 57 Einheits-Verstärkungs-Bandbreite 80 Abschwächungskoeffizient 18 Einsatzspannung 24 aktive Widerstände 36 Elektronenbeweglichkeit 23 Akzeptoren 14 Elementarladung 16 Applikationsfreigabe 9 Ersatzspannungsquelle 10 Arbeitspunkt 34 Feldoxid 31 Arbeitspunkte 57 Frequenzkompensation 81 Ausgangsanstiegsgeschwindigkeit 68 Fußpunkttransistor 73 Ausgangsleitwert 29 Gateoxid 21 Ausgangswiderstand 42, 48 Gauss-Formel 16 Austrittsarbeiten 17 Gleichstromverstärkung 63, 85 Binärzahl 2 Gleichtakteingangsspannungsbereich 91 Bipolartransistor 13 Gleichtaktunterdrückung 91 Bipolartransistoren 2 Gleichtaktunterdrückungsfaktor 64 Boltzmannkonstante 17 Gleichverstärkung 80 Breadboarding 7 ICMR 64 Bulk-Anschluss 22 Impedanz 54 clamping 82 Induktivitäten 30 CMOS-Analog-Prozess 31 Input Common Mode Voltage 63 CMRR 64 Input Differential Mode Voltage 63 Common-Source-Stufe 49 Kanallängenmodulationsfaktor 24, 44, Constraint 5 100 45 CS-Verstärker 81 Kaskodenschaltung 47 Designregeln 45 Kleinsignal-Modelle 28 dielektrische Konstante 16 Knotenanalyse 10 Differenzpaar 49 Komparatoren 4 Differenzstufe 63, 80 Kompensation 77 Differenzverstärker 61 Kondensatoren 30 Diffusion 15 Kontaktpotenzial 17 Diffusionskonstanten 20 Laplace-Transformierte 82 Diffusionslängen 21 Logik-Synthese 6 Diffusionsströme 20 LSB 3 Diode 14 LVDS 61 diode connected 36 Majoritäten 15 Dioden 13 Maschenanalyse 10 Donatoren 14 Matching 7, 86 Drain 21 Miller Kompensation 84 Dualzahl 2 Millerkapazität 84 Eingangsgleichtaktbereich 68 Millerkapazitäten 26 Eingangsleitwert 29 MOS-Kapazität 31 Stichworte MOS-Switch 38 SOC 1 MSB 3 Source 21 NMOS-Last 53 Spannungsteiler 38 NMOS-Transistorschalter 35 Sperrschichtkapazität 19, 27 Nullstelle 85 Sperrschichtkapazitäten 26 Nullstellen 79 SPICE 1 Nutzsignal 61 SPICE-Modell 97 N-Wannen-Technik 21 Sprungantwort 83 OpAmp 41, 77 Stabilität 83 Open Loop Gain 78 Standardzellendesign 6 Operationsverstärker 77 Step-Junction 14 Overdrive-Spannung 45 Stromsenke 44 Parasitäten 9 Stromspiegelschaltung 41, 80 Phasengang 85 strukturelle Beschreibung 8 Phasenreserve 83 Subcircuit 97 Phasenverschiebung 82 Substratsteuereffekt 47 PMOS-Widerstand 56 Substratsteuerfaktor 24 pn-Übergang 13 SystemVision 99 Polfrequenzen 84 Temperaturspannung 17 Polstellen 79 thermische Energie 20 Polygon 6 Tiefpasses 79 Raumladungen 14 Toleranzen 6 Raumladungsdichte 16 Transistorleitwert 23 Raumladungszone 18 Transistorparasitäten 26 Redesigns 7 Überlappkapazitäten 26 Referenzstrom 42, 45 Übertragungskennlinie 50 Rekombinationsraten 20 Unity Gain Bandwidth, GB 80 Rekombinationsvorgänge 20 Verarmungszone 18 Sättigungssperrstrom 14, 20 Verlustleistung 95 Schalter 34 Verstärkung 51, 52, 67 Schaltplan 8 VHDL 5 Schaltungsanalyse 10 virtuelle Masse 78 Schwingkreis 82 Vorwärtsspannung 14, 20 Signal 2 Widerstände 32 Simulation 9 Worst Case Parameterwerte 46 Slew Rate 68 101
