Hardware Praktikum Prof. Dr. H.-J. Wunderlich Dipl.-Inf. M. Imhof Dipl.-Inf. S. Holst

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1 Hardware Praktikum 2008 Prof. Dr. H.-J. Wunderlich Dipl.-Inf. M. Imhof Dipl.-Inf. S. Holst

2 Übersicht Organisatorisches Tiefpass Hochpass SPICE Demo HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 2

3 Organisatorisches Accounts - Sollten freigeschaltet sein, falls nicht fehlt Unterschrift oder Accountname - Bei Problemen Tutor verständigen, oder nach der Vorbesprechung kurz vorkommen. Default-Passwort unbedingt ändern! Verhalten im Pool - Es gilt die unterschriebene Benutzerordnung Rechner nicht herunterfahren, da diese auch für Forschung und Simulationen genutzt werden Bei Problemen mit Rechnern Tutor verständigen! HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 3

4 Überblick Rechnerlandschaft ralab01 ralab26 - Dual Core Athlon ,4 GHz - 4 GB RAM Millionen Transistoren Extrem viele Tiefpässe HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice

5 Nutzung Dateien auf HaPra-Rechner kopieren scp -C inverter.sp Mit ssh auf HaPra-Rechner einloggen ssh -X Näheres zu ssh/scp siehe Skript oder manpages man ssh Grafischer Login mit NX möglich - Client auf erhältlich Linux Doku ist auf der HaPra Homepage verlinkt HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 5

6 Übersicht Organisatorisches Tiefpass - Theoretisch - Messen - Simulieren Hochpass SPICE Demo HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 6

7 Tiefpass wofür? Elementar wichtig für die Modellierung von Verzögerungen in Transistornetzen Source-Drain Widerstände Gate Kapazitäten, die über Widerstände geladen werden müssen Braucht Zeit Maximale Frequenz wird beschränkt

8 Tiefpass - Hintergrund 1. Kirchhoffsches Gesetz Knotenregel - Die Summe der zufließenden Ströme in einem elektrischen Knotenpunkt ist gleich der Summe der abfließenden Ströme. Strom beim Widerstand - Umgekehrt proportional zu R - Proportional zu Spannung U Strom beim Kondensator - Proportional zu Kapazität - Abhängig von Spannungsänderung i I U R du C dt

9 Tiefpass was ist das? Kondensator wird über Widerstand geladen Niedrige Frequenz: Kaum Strom durch C Höhere Frequenz höherer Strom durch C Niedrigere Endspannung, flache Ladekurve Tiefpass filtert hohe Frequenzen, tiefe Frequenzen können passieren U 70% Grenzfrequenz: Unterhalb: Annähernd ungeschwächt Oberhalb: Abgeschwächt 1 0 f f G HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 9 2 RC

10 Übersicht Organisatorisches Tiefpass Hochpass - Theoretisch - Messen - Simulieren SPICE Demo HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 10

11 Übersprechen Kondensator: 2 Elektroden, Isolationsschicht Isolationsschicht, Dielektrikum kann auch Luft sein Benachbarte Leitungen modellieren einen Hochpass

12 Hochpass Kondensator: Niedrige Frequenz: Hoher Widerstand Hohe Frequenz: Niedriger Widerstand du i C dt U I R Hochpass filtert niedrige Frequenzen, ho[c]he Frequenzen können passieren Grenzfrequenz: Unterhalb: Abgeschwächt Oberhalb: Annähernd ungeschwächt f G 2 1 RC HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 12

13 Bandpass Kombination aus Hoch- und Tiefpass Bandbreite B=f 2 -f 1 f 1 untere Grenzfrequenz f 2 obere HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 13

14 Übersicht Organisatorisches Tiefpass Hochpass SPICE Demo HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 14

15 Simulation mit SPICE Nicht Gewürz sondern Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis Simulation mit SPICE - ngspice - Kommandointerpreter für GNU/Linux Unbedingt lesenswert - SPICE-Kapitel im Skript Schaltungsbeschreibung - Knotennetzliste HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 15

16 Beispiel Inverter Schaltung wird als Knotennetzliste modelliert (Kirchhoffsche Knoten- und Maschenregel) U V dd V in V out Knoten festlegen HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 16

17 Beispiel Inverter (2) U 0 Knoten: 0 in SPICE immer Masse HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 17

18 Beispiel Inverter (3) 1 U 0 Knoten: 0 in SPICE immer Masse 1 Versorgungsspannung HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 18

19 Beispiel Inverter (4) 1 U 2 0 Knoten: 0 in SPICE immer Masse 1 Versorgungsspannung 2 Eingang HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 19

20 Beispiel Inverter (5) 1 U Knoten: 0 in SPICE immer Masse 1 Versorgungsspannung 2 Eingang 3 Ausgang HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 20

21 Knotennetzliste SPICE U Knoten: 0 in SPICE immer Masse 1 Versorgungsspannung 2 Eingang 3 Ausgang 0 Jedes Bauteil ergibt eine Zeile im Programm. Intern Matrizen, darauf Simulationen und Analysen. Mehr Infos siehe Vorlesung Algorithmen und Methoden in der Entwurfsautomatisierung HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 21

22 SPICE-Programm CMOS-Inverter erste Zeile immer Kommentar 1 U HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 22

23 SPICE-Programm (2) CMOS-Inverter.tran 0.001us 0.4us Analyseart und -zeitraum festlegen Transienten Analyse: - Untersucht das Zeitverhalten eines Netzwerks - Darstellung von U und I bezüglich einer Zeitachse U HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 23

24 SPICE-Programm (3) CMOS-Inverter.tran 0.001us 0.4us vin 2 0 pulse ( 0V 5V us 0.2us) vdd 1 0 5V Spannungsquellen 1 Eingangssignal Versorgungsspannung U HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 24

25 Transistormodelle in SPICE: Modelldefinition Beispiel ZVN3306A.model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 Genaue Beschreibung der Modelle in der SPICE- Dokumentation HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 25

26 Ersatzschaltbild - Bedeutung einiger Modellparameter.model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 26

27 Transistormodelle in SPICE: Modellanweisung m<name> Drain Gate Source Bulk Model Beispiel: mtransistor zvn3306a Drain 2 Gate 1 Bulk 0 Source HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 27

28 SPICE-Programm (4) mosp 1 U 2 3 CMOS-Inverter.tran 0.001us 0.4us vin 2 0 pulse ( 0V 5V us 0.2us) vdd 1 0 5V.model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1.model zvp3306a pmos vto= rs=5.227 rd=7.524 is=1e-15 kp=.145 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 lambda=6.67 mosn zvn3306a mosp zvp3306a mosn 0 Modeldefinition Modelanweisung HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 28

29 SPICE-Programm (5) 1 U 2 3 CMOS-Inverter.tran 0.001us 0.4us 0 vin 2 0 pulse ( 0V 5V us 0.2us) vdd 1 0 5V.model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1.model zvp3306a pmos vto= rs=5.227 rd=7.524 is=1e-15 kp=.145 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 lambda=6.67e-3 mosn zvn3306a mosp zvp3306a.end.end nicht vergessen! HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 29

30 Arbeiten mit SPICE SPICE-Programm in beliebigen Texteditor eingeben HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 30

31 Arbeiten mit SPICE (2) ngspice starten HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 31

32 Arbeiten mit SPICE (3) Simulation starten HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 32

33 Arbeiten mit SPICE (4) Ergebnisse plotten lassen HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 33

34 Arbeiten mit SPICE (5) Vom Tutor abzeichnen lassen / ausdrucken HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 34

35 Arbeiten mit SPICE (6) Ein Beispiel für eine Strommessung HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 35

36 Tipps Unterschied milli ( m ) / mega ( meg ) beachten 1. Zeile ist immer Kommentar ".end" nicht vergessen ngspice steht unter der GPL - help Kommando verwenden Strommessung ist nur an Quellen möglich HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 36

37 Übersicht Organisatorisches Tiefpass Hochpass SPICE Demo HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 37

38 Digitale Filter Bisher: Analoge Implementierung, Modellierung von parasitären Effekten Equalizer: Viele Bandpässe - Nicht implementiert als analoge RC-Glieder - Digitaler Filter in Digitalem Signalprozessor (DSP): Filterparameter können geändert werden, Weniger Platzbedarf HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 38

39 Digitale Filter (2) Analog-Digital-Wandlung Fast Fourier Transformation - Zeitdomäne Frequenzdomäne Manipulation - Weglassen von Frequenzbereichen Inverse FFT - Frequenzdomäne Zeitdomäne FFT Manipulation I. FFT Digital-Analog-Wandlung HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 39

40 Audio Filtering Demo FPGA basiert Audio Spektrum DSP Implementierung von - Tiefpass - Hochpass - Bandpass Spektrum Analyzer A/D FFT Filter D/A Inv. FFT HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 40

41 Viel Spass im HaPra 2008!