Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen
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Analoge CMOS-Schaltungen PSPICE: Temperaturanalyse Roland Pfeiffer 10. Vorlesung Einführung 1. Vorlesung – 8. Vorlesung: „Inverter-Verstärker“, einige Differenzverstärker, Miller-Verstärker 9. Vorlesung: Miller-Verstärker als Subcircuit 10. Vorlesung: Temperaturanalyse 11. Vorlesung: Rausch-Analyse 12. Vorlesung: Fourier-Analyse 13. Vorlesung: Einfluß des Layouts auf analoge Schaltungen 14. Vorlesung: Monte-Carlo-Analyse, Worst-Case-Analyse 15. Vorlesung: Transfer-Analyse, Sensitivity-Analyse 16. Vorlesung: Parameter-Analyse 17. Vorlesung: ABM-Bauelemente 18. Vorlesung: Transmission Line 19. Vorlesung: Oszillator-Schaltungen 20. Vorlesung: Abändern von Bauteilen 21. Vorlesung: „Optimizer“ zur Schaltungs-Optimierung 22. Vorlesung: „Smoke“ zur Schaltungs-Stress-Analyse 23. Vorlesung: Sample-and-Hold-Schaltung 24. Vorlesung: PSPICE und Systemtheorie 25. Vorlesung: Zukünftige analoge CMOS-Schaltungen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen Wieso Temperaturanalyse ? bisher nur simuliert: Raumtemperatur 27°C T Temperaturverhalten der Schaltung bzw. der Bauelemente ?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen MOS-Temperaturverhalten Analog-Verstärkerschaltungen: MOS in Sättigung Sättigungsbereich NMOS: I DS kN W 2 = ⋅ ⋅ (U GS − U TN ) 2 L µ N ⋅ Cox' W 2 = ⋅ ⋅ (U GS − U TN ) 2 L Temperaturverhalten ?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen MOS-Temperaturverhalten Sättigungsbereich NMOS: I DS (T ) = µ N (T ) ⋅ Cox' W 2 ⋅ L ⋅ (U GS − U TN (T )) 2 Temperaturverhalten der Beweglichkeit (Spice): T µ (T ) = µ (T0 ) ⋅ T0 −UTE allein betrachtet: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5 T ↑ ⇒ IDS ↓ Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen MOS-Temperaturverhalten Sättigungsbereich NMOS: I DS (T ) = µ N (T ) ⋅ Cox' W 2 ⋅ L ⋅ (U GS − U TN (T )) 2 Temperaturverhalten der Einsatzspannung (Spice): T U TN , P (T ) = U TN , P (T0 ) − KT 1 ⋅ − 1 T0 allein betrachtet: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6 T ↑ ⇒ IDS ↑ Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen MOS-Temperaturverhalten Sättigungsbereich NMOS: I DS (T ) = µ N (T ) ⋅ Cox' W 2 ⋅ L ⋅ (U GS − U TN (T )) 2 Wie wird der Drainstrom verhalten im Bereich kleiner und großes Gate-Source Spannung ? kleines UGS: T↑ großes UGS: T↑ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen MOS-Temperaturverhalten Zeichnen Sie den Drainstrom in Abhängigkeit von der Gate-Source Spannung ! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen MOS-Temperaturverhalten Geben Sie ein numerisches Verfahren zur Gewinnung von UGS(Drainstrom ≠ Funktion der Temperatur) ? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Möglichkeit der PSPICE-Simulation ? Simulation bei verschiedene Temperaturen (°C): Eingabe Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Simulation bei verschiedene Temperaturen (°C): andere Möglichkeit der Eingabe (selber Effekt) auch mit trennenden Kommas möglich Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Simulation bei verschiedene Temperaturen (°C) nach Simulation beim Aufruf von Probe: Anzeige der darstellbaren Simulationen bei verschiedene Temperaturen blau unterlegt: Auswahl der Simulationen bei angegebenen Temperatur Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Simulation bei verschiedene Temperaturen (°C) Verwenden Sie das angebene File und simulieren Sie bei einer Temperatur von -25°C, 25°C und 75°C. Stellen Sie dann das Simulationsergebnisse geeignet dar ! Analog1_temp Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Simulation bei verschiedene Temperaturen (°C) Wieviel beträgt die optimale Gate-Source-Spannung für Drainstrom≠f(T) ? Ist der Wert von der Gateweite abhängig? Analog1_temp Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Rechenfunktion unter Trace/Add Traces: Quadratwurzel SQRT() Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation W 100 µm = L 1µm Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen MOS-Temperaturverhalten praktisches Problem: mehrere Stromspiegel unter Temperaturgradienten: Wärmequelle Lösung: UGS geeignet wählen !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Simulation bei verschiedene Bauteil-Temperaturen Problem: PSPICE erlaubt keine direkte Temperaturangabe für einzelne Bauelemente !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Simulation bei verschiedene Bauteil-Temperaturen Trick: Temperaturänderung analog RC ! aber vollständig neues Modell! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Simulation bei verschiedenen Bauteil-Temperaturen Trick: mehrere Modelkarten mit unterschiedlichem Modellparameter "T_REL_GLOBAL=Temperaturunterschied zu globalen Temperatur" für einzelne Bauelemente !! Beispiel: .model analogn10 NMOS level=7 +TNOM = 27, TOX = 6.0E-9, ... +MJ = 0.346, CJSW = 1.00E-10, +T_REL_GLOBAL=10 XJ = 1.81E-7 MJSW = 0.255, ⇒ Model analogn10 wird immer bei Temperaturen simuliert, die um 10° C/K über der globalen Temperatur liegen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Verwenden Sie das angebene File und simulieren Sie bei einem W/L=100µm/1µm für alle Transistoren. Wie verhält sich der Drainstrom ? Überprüfen Sie das Output-File bezüglich der Temperaturen der einzelnen MOS-Transistoren ! Stromspiegel Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Bei welchem W/L-Verhältnis beträgt Gate-Source-Spannung den vorher festgestellten temperaturoptimierten Wert ? StromspiegelWL Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation W µm ≈ L 1µm Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Verwenden Sie das angebene File und simulieren Sie bei einem W/L= µm/1µm für alle Transistoren. Wie verhält sich jetzt der Drainstrom ? Stromspiegel Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Parameter mehrerer Bauelemente gleichzeitig verändern: Bauelemente auswählen (blau auf lila), dann rechte Maustaste, Edit Properties, eventuell Parts Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Parameter mehrerer Bauelemente gleichzeitig verändern: Parameter der betreffenden Bauelemente verändern, dann Apply, Exit Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Referenzspannungsquelle Auf Analogschaltungen meist vorhanden: Bandgap-Referenzspannungquelle erzeugt eine temperaturstabile Spannung (typischer Wert 1,25 V). Diese Spannung wird über eine off-chip Präzisionswiderstand in einen temperaturstabilen Biasstrom umgewandelt (sehr genaue Analogschaltungen) oder der Strom wird aus der Bandgap-Referenzspannungsquelle direkt entnommen, wobei der Strom leicht temperaturabhängig ist (allgemeine Analogschaltungen). Dieser sog. „Biasstrom“ dient als Versorgung für die Analogschaltungen. BandgapReferenzspannungsquelle Biasstrom Präzisions-R Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen Bandgap-Referenz Verhalten von UBE mit der Temperatur k ⋅T I ⋅ ln U BE (T ) = q I S (T ) lineare Näherung: U BE (T ) = U GO − N ⋅ T N ≈1,6 mV/Kelvin UGO Bandabstand ("Bandgap")/q für T → 0 Kelvin ≈1,2 V Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen Bandgap-Referenz Idee: "Proportional To Absolute Temperature" PTAT addieren, damit URef temperaturstabil !! PTAT PTAT ?? PTAT Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen Bandgap-Referenz Verhalten von ∆UBE mit der Temperatur bei verschiedenen Emitterflächen (A ⇔ n·A) A n·A k ⋅T U BE,1 (T ) - U BE,2 (T ) = ∆U BE (T ) = ⋅ ln (n ) q ∆UBE geeignet als PTAT-Spannung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen Bandgap-Referenz U Ref k ⋅T = U GO − N ⋅ T + K 0 ⋅ ⋅ ln (n ) ≠ f (T ) q ⇒ U Ref = U GO = 1,2 V ≠ f (T ) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen Bandgap-Referenz ungenaues Ergebnis durch lineare Näherung etc. ⇒ besseres Ergebnis bei URef ≈ 1,25 V bei Zimmertemperatur für URef ≈ f(T) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen Bandgap-Referenz Schaltung (Prinzip): A n·A Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35 OpAmp bei geeigneter Rückkopplung: V(-) = V(+) !! Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen Bandgap-Referenz Schaltung (Realisierung): A n·A Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen Bandgap-Referenz Schaltung (Design): Verhältnis der Emitterflächen: n=10 (festgelegt) I=100µA (festgelegt) ⇒ R1 = R2 = A n·A = 100 µA 1,25 V − U BE ,1 100 µA R3 = Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37 U Ref − U BE ,1 U BE,1 − U BE , 2 100 µA Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Schaltung (Design): Feststellen der Werte von UBE,1 und UBE,2: Bandgap1 Eigenschaften des Bipolartransistors: Emitterfläche Area Defaultwert 1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Schaltung (Design): Feststellen der Werte von UBE,1 und UBE,2: U BE ,1 ≈ 0, V U BE , 2 ≈ 0, Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39 V Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen Bandgap-Referenz Schaltung (Design): Verhältnis der Emitterflächen: n=10 (festgelegt) hier: user_opamp I=100µA (festgelegt) ⇒ R1 = R2 = A n·A U Ref − U BE ,1 100µA 1,25 V − 0, V ≈ 100 µA R3 = Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40 U BE,1 − U BE , 2 100 µA ≈ = Ω Ω Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Simulieren Sie die untere Schaltung bei -25°C, 25°C, 75°C und 125°C und beobachten Sie die Ausgangsspannung ! Bandgap2 hier user_opamp einfügen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Achtung: unter PSPICE/Edit Simulation Setting/Configuration Files unter Category: Library die *.lib des Subcircuits angeben und unter "Add as Design" hinzufügen !! "Add to Design" nicht "Add as Global" Analoge CMOS-Schaltungen Folie 42 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Simulieren Sie die untere Schaltung bei -25°C, 25°C, 75°C und 125°C und beobachten Sie die Ausgangsspannung ! Bandgap2 VDD auf 30V erhöhen wenn nicht erfolgreich: UA741 aus library OPAMP Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Ausgangsspannung bei -25°C, 25°C, 75°C und 125°C ungefähr konstant ⇒ Biasstrom ungefähr konstant Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen Bandgap-Referenz Ist die Bandgap-Schaltungstechnik für CMOS-Technologie (p-Substrat) kompatibel ? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 45 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Simulation bei verschiedene Temperaturen (°C) Verwenden Sie das angebene File und simulieren Sie bei einer Temperatur von -25°C, 25°C und 75°C. analog7opt Biasstrom aus BandgapSchaltung ≠f(T) !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 46 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Simulation bei verschiedene Temperaturen (°C) ADIFFDC = g M ,M 1 g 0, M 1 + g 0, M 2 2 ⋅ µ N (T ) ⋅ Cox' ⋅ (W / L) M 1 ⋅ I M 1 = λ N ⋅ I M 1 + λP ⋅ I M 2 Biasstrom konstant ⇒ Differenzverstärkung ungefähr konstant Analoge CMOS-Schaltungen Folie 47 Roland Pfeiffer Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen PSPICE-Simulation Ausgangsspannung bei -25°C, 25°C, 75°C Differenzverstärkung ungefähr konstant Analoge CMOS-Schaltungen Folie 48 Roland Pfeiffer
