D.1 Versuchsreihe 1: Messtechnik

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D.1: Versuchsreihe 1: Messtechnik
D.1
Versuchsreihe 1: Messtechnik
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.1 im Skript das Kapitel
2.
Widerstände
Diskrete Widerstände sind mit einem Farbcode für den Widerstandswert des Bauelements gekennzeichnet (vergl. Abb. D.1). Die Bedeutung der einzelnen Farbringe
ist der nachstehenden Tabelle D.2 zu entnehmen.
Aufgabe 1
✍
Abbildung D.1: Farbcode für Widerstände.
Geben Sie die Farbcodierung für die folgenden Widerstände an:
120Ω
82 Ω
30 kΩ
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Aufgabe 2
✍
D.1: Versuchsreihe 1: Messtechnik
Geben Sie die Widerstandswerte für die folgenden Farbcodes an:
idealer Wert
gemessener Wert
rot schwarz gelb gold
blau grau braun gold
braun orange braun gold
Tabelle D.1: Widerstände.
Farbe
keine
silber
gold
schwarz
braun
rot
orange
gelb
grün
blau
violett
grau
weiß
Ring 1(1. Ziffer)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Ring 2(2. Ziffer)
Ring 3(Multiplik.)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10−2
10−1
1
101
102
103
104
105
106
107
108
109
Ring 4(Toleranz)
+/- 20%
+/- 10%
+/- 5%
+/- 1%
+/- 2%
+/- 0.5%
+/- 0.25%
+/- 0.1%
Tabelle D.2: Kodierung von Widerständen mittels Farbringen.
Versuch 3
Prüfen Sie mit dem Digitalmultimeter, ob die Widerstände aus Aufgabe 2 den angegebenen Toleranzen genügen und tragen Sie die Messwerte in die Tabelle D.1
ein.
In integrierten CMOS Schaltungen treten Widerstände vor allem als parasitäre Elemente auf, die sich aus den Prozessparametern ergeben. Da bei Leiterbahnen und
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Kontakten die Dicke d durch den Prozess vorgegeben ist, erhält man mit ρ als spezifischem Widerstand einen konstanten „Flächenwiderstand“ RA := dρ und bei Länge
l und Weite w gilt
l
l
R=ρ·
= RA ·
w·d
w
Die Flächenwiderstände für verschiedene Materialien werden von IC-Herstellern
meist als Technologieparameter zur Verfügung gestellt. Abbildung D.2 zeigt das
Layout und die Technologieparameter einer einfachen CMOS Schaltung im Maßstab 5000:1. Der Abstand zwischen beiden CMOS Gattern soll 4 mm betragen und
ist aus Platzgründen nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Die Kontaktpunkte 3 und 4
bilden die Schaltungseingänge, Kontaktpunkt 7 ist der Schaltungsausgang.
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Abbildung D.2: Layout und Technologieparameter einer einfachen CMOSSchaltung.
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Geben Sie die Transistorschaltung an, die das Layout in Abb. D.2 implementiert.
Aufgabe 4
✍
Berechnen Sie den Widerstand der Verbindung zwischen den Punkten 5 und 6 (Leitungswiderstand und Kontaktwiderstände berücksichtigen). Um die Widerstände
von Polygonen zu berechnen, kann die in Abbildung D.3 skizzierte Näherungsmethode (Rechteckzerlegung) verwendet werden.
Aufgabe 5
✍
Abbildung D.3: Rechteckzerlegung.
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Aufgabe 6
✍
Berechnen Sie den Gesamtwiderstand für eine leitende Verbindung zwischen den
Punkten 1 und 6, wenn für einen leitenden p-MOS Transistor ein Innenwiderstand
von 1 kΩ angenommen wird und an den Eingängen 3 und 4 der Wert „0“ (Potential
von VSS ) anliegt.
Aufgabe 7
✍
In fehlerfreien CMOS Schaltungen fließt, abgesehen von vernachlässigbaren
Leckströmen, kein statischer Strom. Bei der Fertigung von CMOS Schaltungen
können jedoch Fehler auftreten, die zu einem erhöhten statischen Strom führen.
In der Netzliste aus Aufgabe 4 sei der n-MOS Transistor an Gateanschluss 6 durch
einen Fehler ständig leitend. Ersetzen Sie in der Netzliste die Transistoren durch
Widerstände und berechnen Sie im erhaltenen Widerstandsnetzwerk alle Teilströme
und Teilspannungen für eine Betriebsspannung von 5 V. Für leitende Transistoren
wird ein Innenwiderstand von 1 kΩ, für sperrende Transistoren wird ein Innenwiderstand von 10 MΩ angenommen. An beiden Schaltungseingängen liege der Wert
„1“ (HIGH) an.
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D.1: Versuchsreihe 1: Messtechnik
Stecken Sie auf der Experimentierplatine das in Aufgabe 7 entworfene Widerstandsnetzwerk und legen Sie eine Betriebsspannung von 5 V an. Stellen Sie dazu vorher
an der stabilisierten Spannungsquelle eine Spannung von 5 V ein und begrenzen Sie
den Strom auf 25 mA. Gehen Sie wie folgt vor:
Versuch 8
• Regeln Sie die Ausgangsspannung der Spannungsquelle auf 0 V.
• Regeln Sie die Begrenzung des Ausgangstroms der Spannungsquelle auf 0 A.
• Wählen Sie am Digitalmultimeter (DMM) den Messbereich 20 V DCV (Direct Current Voltage=Gleichspannung).
• Stecken Sie die schwarze Messleitung in die Buchse COM am DMM.
• Stecken Sie die rote Messleitung in die Buchse V/Ω am DMM.
• Verbinden Sie die schwarze Messleitung mit dem Minuspol der Spannungsquelle.
• Verbinden Sie die rote Messleitung mit dem Spannungsausgang der Spannungsquelle.
• Regeln Sie langsam die Spannung an der Spannungsquelle auf 5 V ein.
• Wählen Sie am zweiten Digitalmultimeter (DMM) den Messbereich 200 mA
DCA (Direct Current Ampere = Gleichstrom)
• Stecken Sie die schwarze Messleitung in die Buchse COM am DMM.
• Stecken Sie die rote Messleitung in die Buchse A am DMM.
• Verbinden Sie die schwarze Messleitung mit der Masse der Spannungsquelle.
• Verbinden Sie die rote Messleitung mit dem Spannungsausgang der Spannungsquelle.
• Regeln Sie langsam den Strom an der Spannungsquelle auf 25 mA ein.
Messen Sie mit den Digitalmultimetern Teilströme und Spannungen und tragen Sie
die Messwerte ins Versuchsprotokoll ein.
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Aufgabe 9
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✍
Warum können Sie die Widerstände im Netzwerk nicht direkt messen?
Kapazitäten
Aufgabe 10
✍
Gegeben sei das RC-Glied aus Abbildung D.4 (Tiefpass) mit einem Widerstand R
von 10 kΩ und einer Kapazität C von 22 nF.
Abbildung D.4: RC-Glied.
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.
Aufgabe 11
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✍
Für das RC-Glied aus Aufgabe 10 sollen die Signallaufzeiten untersucht werden.
Anstiegszeit, Abfallzeit und Verzögerungszeit eines Signals sind wie in Abbildung
D.5 definiert. Die Verzögerungszeit beschreibt die Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt, an dem das Eingangssignal 50% Spannung erreicht, und dem Zeitpunkt, zu
dem das Ausgangssignal 50% der Spannung erreicht (in Abbildung D.5 wird angenommen, dass das Eingangssignal die halbe Versorgungsspannung zum Zeitpunkt
„0“ erreicht).
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Berechnen Sie die Verzögerungszeit td für das RC-Glied aus Aufgabe 10. Es wird
ein ideales Eingangssignal mit einer Anstiegszeit von 0 ns angenommen.
Abbildung D.5: Charakteristische Größen von Signalen.
Das Verhalten des RC-Glieds aus Aufgabe 10 soll experimentell überprüft werden.
Bauen Sie hierzu auf der Experimentierplatine das RC-Glied aus Aufgabe 10 auf.
Versuch 12
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“.
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D.1: Versuchsreihe 1: Messtechnik
• Stellen Sie mit dem Regler „Frequency“ die Frequenz von 200 Hz ein.
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 SpitzeSpitze-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 RCGliedes für die Frequenz 200 Hz auf. Skizzieren Sie das Schirmbild des Oszilloskops.
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Bestimmen Sie Anstiegs- und Abfallzeit des Signals (tr und Abfallzeit tf ) und protokollieren Sie Ihre Messwerte.
tr
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Versuch 13
tf
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D.1: Versuchsreihe 1: Messtechnik
Mit Hilfe von RC-Gliedern (vgl. Abb. D.4) lassen sich eine Reihe von Effekten in
CMOS Schaltungen wie etwa parasitäre Effekte von Verbindungsleitungen oder die
Frequenzabhängigkeit des Schaltverhaltens modellieren. Wenn die Verbindungsleitungen zunächst vernachlässigt werden, kann das Verhalten von CMOS Gattern,
deren Ausgänge weitere Gatter treiben, mit dem Ersatzschaltbild in Abbildung D.6
erklärt werden.
Abbildung D.6: Ersatzschaltbild eines Gatters mit kapazitiver Last.
Die Widerstände repräsentieren die Pull-Up und Pull-Down Netze des Gatters, die
Kapazität CLast die Gatekapazitäten nachfolgender Gatter (die Gatekapazität setzt
sich zusammen aus den Kapazitäten Gate/Source, Gate/Drain und Gate/Substrat).
Verbindungsleitungen können wie in Abbildung D.7.a als Tiefpass modelliert werden, wobei der Widerstand den Leitungswiderstand und der Kondensator die Kapazität zwischen Leiterbahn und Substrat beschreibt. Ein noch genaueres Modell
liefert die Zerlegung in Teilstücke (vgl. Abbildung D.7.b).
Abbildung D.7: Modellierung einer Verbindungsleitung.
Halbleiterhersteller geben meist einen Prozessparameter, die Flächenkapazität an,
welche die Kapazität einer Verbindungsleitung für eine Flächeneinheit näherungsweise beschreibt (vergl. Abbildung D.2). In diesen Parameter gehen auch die Streukapazitäten zu anderen Leitungen ein. Zur Ermittlung der Leitungskapazität muss
die Fläche der Leitung mit dem Parameter Flächenkapazität multipliziert werden.
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Berechnen Sie für das Layout aus Abbildung D.2 die Kapazität von Knoten 5, d. h.
die Kapazität der an Kontakt 5 angeschlossenen Verbindungsleitung (es brauchen
nur die Anteile berücksichtigt zu werden, die über Substrat liegen).
Aufgabe 14
✍
Modellieren Sie eine leitende Verbindung zwischen den Punkten 1 und 6 als RCGlied (vgl. Abb. D.7.a) und berechnen Sie die Zeitkonstante τ . Für einen leitenden
Transistor wird ein Innenwiderstand von 1 kΩ angenommen. Bedenken Sie, dass
auch das Gate am Knoten 6 umgeladen wird.
Aufgabe 15
✍
Skizzieren Sie den Signalverlauf am Ausgang des RC-Glieds aus Aufgabe 15 unter
der Annahme einer 200 MHz Rechteckspannung am Eingang (Amplitude zwischen
0 V und 5 V).
Aufgabe 16
✍
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Aufgabe 17
Versuch 18
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D.1: Versuchsreihe 1: Messtechnik
✍
Mit Hilfe der Modellierung als RC-Glied lassen sich die Signallaufzeiten für die
Verbindung aus Aufgabe 15 untersuchen. Berechnen Sie die Verzögerungszeit td
für die leitende Verbindung aus Aufgabe 15. Es wird ein ideales Eingangssignal mit
einer Anstiegszeit von 0 ns angenommen.
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!
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