D.2 Versuchsreihe 2: Spice

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1 .2: Versuchsreihe 2: Spice.2 Versuchsreihe 2: Spice Name: Gruppe: Theorie: Versuch: (vom Tutor abzuzeichnen) (vom Tutor abzuzeichnen) In dieser Versuchsreihe soll das Frequenzverhalten von RC-Gliedern untersucht werden. Lesen Sie zur Vorbereitung der Versuchsreihe.2 im Skript das Kapitel 3 und machen Sie sich im Anhang A mit dem Pool vertraut. Hinweis: as Programm ngspice ist auf den Rechnern des Ralabpools installiert. Um mit SPICE arbeiten zu können, müssen Sie sich im Ralabpool einloggen. RC Tiefpass Gegeben sei der bereits in Versuchsreihe 1 behandelte Tiefpass aus Abbildung.1 Aufgabe 1 mit einem Widerstand R von 10 kω und einer Kapazität C von 22 nf. Abbildung.1: Tiefpass. Skizzieren Sie den Signalverlauf am Ausgang, wenn am Eingang eine Rechteckspannung zwischen 0 V und 5 V mit einer Frequenz von zuerst 200 Hz und anschließend 4 khz anliegt. Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2 1

2 .2: Versuchsreihe 2: Spice Aufgabe 2 Berechnen Sie für den Tiefpass aus Aufgabe 1 die Grenzfrequenz f G. Versuch 3 Bauen Sie auf der Experimentierplatine den Tiefpass aus Aufgabe 1 auf. 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. er Funktionsgenerator zeigt im isplay die Signalform Sinus an (SINE). rücken Sie den Taster > so oft, bis im isplay die Signalform Rechteck (SQUARE) angezeigt wird. rücken Sie den Taster Range/Attn. Mit den Tastern < und > können Sie nun den Frequenzbereich vorwählen. Wählen Sie den Bereich Range: rücken Sie wiederholt den Taster Sub Func, bis im isplay die Funktion 4. C Offset: Off angezeigt wird. rücken Sie den Taster >, um ein Offset zu ermöglichen. Im isplay erscheint die Anzeige 4. C Offset: On. Stellen Sie mit dem Regler Frequency die Frequenz von 200 Hz ein. 2 Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2

3 .2: Versuchsreihe 2: Spice 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. rücken Sie den Taster Auto Set am Oszilloskop. amit wird das Oszilloskop automatisch eingestellt. Auf dem Schirm sollte ein symmetrisches Rechtecksignal dargestellt werden. rücken Sie den Taster AC/C neben dem Eingang Input CHI des Oszilloskops. amit messen Sie Gleichspannungen. ie 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 Spitze-Spitze-Spannung V PP =5 V ein. Am Oszilloskop wird die Spannung abgelesen. Benutzen Sie den Regler C 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 Tiefpass für die Frequenzen 200 Hz, 400 Hz, 800 Hz, 1 khz, 2 khz und 4 khz auf. Tragen Sie alle Signale in ein iagramm mit normalisierter Zeitachse ein, d. h. unabhängig von der gewählten Frequenz beträgt die Periodendauer stets 1. Verwenden Sie unterschiedliche Farben, um die Ausgangssignale für die verschiedenen Frequenzen kenntlich zu machen. Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2 3

4 .2: Versuchsreihe 2: Spice Aufgabe 4 ie Modellierung einer CMOS Schaltung als RC-Tiefpass verdeutlicht zum Beispiel, warum mit der Miniaturisierung integrierter Schaltkreise höhere Betriebsfrequenzen möglich werden. Abbildung.2 zeigt das Layout und die Technologieparameter einer einfachen CMOS Schaltung. ie Kontaktpunkte 3 und 4 bilden die Schaltungseingänge, Kontaktpunkt 7 ist der Schaltungsausgang. Extrahieren Sie aus dem Layout das Ersatzschaltbild. Berücksichtigen Sie parasitäre Leitungswiderstände, Leitungskapazitäten (es brauchen nur Leitungsanteile über Substrat berücksichtigt zu werden) und Gatekapazitäten. 4 Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2

5 .2: Versuchsreihe 2: Spice Abbildung.2: Layout und Technologieparameter einer einfachen CMOS Schaltung. Modellieren Sie eine leitende Verbindung zwischen den Punkten 2 und 6 als RC- Aufgabe 5 Tiefpass. Für einen leitenden n-mos Transistor wird ein Innenwiderstand von 1 kω angenommen und an den Eingängen 3 und 4 liege jeweils 1 (HIGH) an. Bedenken Sie, dass auch das Gate am Knoten 6 umgeladen wird. Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2 5

6 .2: Versuchsreihe 2: Spice Aufgabe 6 Berechnen Sie für den RC-Tiefpass aus Aufgabe 5 die Zeitkonstante τ und die Grenzfrequenz f G. Aufgabe 7 Schreiben Sie ein SPICE-Programm, das den Tiefpass aus Aufgabe 1 modelliert. Nehmen Sie eine symmetrische Rechteckspannung zwischen 0 und 5 V mit einer Frequenz von 200 Hz am Eingang an. Welcher Simulationszeitraum und welche Zeitauflösung sind sinnvoll? Hinweis: Sie können die atei mit scp (siehe A.2.2) auf Ihren Hardwarepraktikum- Account kopieren. Versuch 8 Führen Sie mit SPICE eine Transientenanalyse Ihrer modellierten Schaltung mit der Steueranweisung.tran <Parameter> für die Frequenzen 200 Hz, 500 Hz, 1 khz und 4 khz durch. Wählen Sie die Simulationszeiten so, dass jeweils genau 2 Perioden simuliert werden. Geben Sie einen Ausdruck Ihrer Simulationsergebnisse mit dem Versuchsprotokoll ab. 6 Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2

7 .2: Versuchsreihe 2: Spice RC Hochpass Gegeben sei der Hochpass aus Abbildung.3 mit einem Widerstand R von 10 kω Aufgabe 9 und einer Kapazität C von 22 nf. Abbildung.3: Hochpass. 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. Wie sieht der Signalverlauf bei 4 khz aus? Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2 7

8 Aufgabe 10.2: Versuchsreihe 2: Spice Berechnen Sie für den Hochpass aus Aufgabe 9 die Grenzfrequenz f G. Versuch 11 Stellen Sie am Funktionsgenerator eine symmetrische Rechteckspannung mit einer Frequenz von 200 Hz und Signalspitzen von 0 V und 5 V ein. Überprüfen Sie die Einstellungen mit Hilfe des Oszilloskops. Bauen Sie auf der Experimentierplatine den Hochpass aus Aufgabe 9 auf. Nehmen Sie mit dem Oszilloskop das Eingangs- und Ausgangssignal des Hochpass für die Frequenzen 200 Hz, 400 Hz, 800 Hz, 1 khz, 2 khz und 4 khz auf. Tragen Sie alle Signale in ein iagramm mit normalisierter Zeitachse ein, d. h. unabhängig von der gewählten Frequenz beträgt die Periodendauer stets 1. Verwenden Sie unterschiedliche Farben, um die Ausgangssignale für die verschiedenen Frequenzen kenntlich zu machen. Aufgabe 12 Mit einem RC Hochpass lassen sich gut Übersprecheffekte zwischen Leiterbahnen veranschaulichen. Abbildung.4 zeigt die Gatternetzliste einer einfachen CMOS Schaltung mit zwei parallelen Verbindungsleitungen l 0 und l 1, wie sie beispielsweise bei einem Bus auftreten. Zwischen den Verbindungsleitungen tritt aufgrund der geringen istanz eine Kapazität auf, die nicht vernachlässigt werden kann. 8 Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2

9 .2: Versuchsreihe 2: Spice Modellieren Sie die Gatternetzliste einschließlich der Koppelkapazität zwischen den Leitungen l 0 und l 1 als RC Hochpass. Angenommen wird ein unendlich großer Eingangswiderstand für Eingänge der Flipflops, ein Innenwiderstand von 1 kω für leitende Tristate-Treiber, ein Innenwiderstand von 1 MΩ gegen Masse für hochohmige Tristate-Treiber. ie Enable-Eingänge der Tristate-Treiber seien mit en 0 = 1 und en 1 = 0 belegt, die ateneingänge seien jeweils komplementär, d. h. mit d 1 = d 0 belegt. Abbildung.4: Gatternetzliste. Berechnen Sie die Grenzfrequenz für den Hochpass aus Aufgabe 12. Aufgabe 13 Schreiben Sie ein SPICE-Programm, das den Hochpass aus Aufgabe 12 modelliert. Aufgabe 14 Nehmen Sie eine symmetrische Rechteckspannung zwischen 0 und 5 V mit einer Frequenz von 100 MHz am Eingang an. Hinweis: Sie können die atei mit scp (siehe A.2.2) auf Ihren Hardwarepraktikums-Account kopieren. Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2 9

10 .2: Versuchsreihe 2: Spice Versuch 15 Führen Sie mit SPICE eine Transientenanalyse mit der Steueranweisung.tran <Parameter> für die Frequenzen 100 MHz, 400 MHz, 800 MHz, 1 GHz und 4 GHz durch. Wählen Sie die Simulationszeiten so, dass 7 Perioden dargestellt werden. Geben Sie einen Ausdruck der Simulationsergebnisse zusammen mit dem Versuchsprotokoll ab. Versuch 16 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! 10 Hardware-Praktikum 2008: Versuchsreihe 2

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