Einführung zur Vorlesung. Analoge CMOS-Schaltungen. Roland Pfeiffer 1. Vorlesung
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- Arthur Rothbauer
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1 Einführung zur Vorlesung Analoge CMOS-Schaltungen 1. Vorlesung
2 Einführung Analog-Schaltungen dienen meist zur Vermittelung zwischen analoger Außenwelt und Digital-Schaltungen Elektronik analoge Außenwelt Analog Analog Digital Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2
3 Einführung Beispiel: Handy Handy Sprechen Hören Analog Analog Digital Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3
4 Einführung Herz des Handys : Mixed-Signal-ICs, d.h. analoge und digitale Schaltungen werden gemeinsam integriert Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4
5 Einführung Chipfläche eines Mixed-Signal-ICs: Digital Analog Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5
6 Einführung Entwicklungszeit eines Mixed-Signal-ICs: Digital Analog Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6
7 Einführung Gründe für dieses Mißverhältnis Chipfläche-Entwicklungszeit: - mangelnde Unterstützung durch CAD im Analog-Bereich - Expertenwissen im Analog-Bereich - viel mehr Spezifikationen als bei Digital-Schaltungen - low-voltage, low-power Problematik (z.b. für Handys ) - große Einarbeitungszeit in neue Anwendungsgebiete - stärkere Layoutabhängigkeit bei Analogschaltungen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7
8 Einführung Gründe für diese Gründe: - verbesserungswürdige Ausbildung von Studenten auf Transistor-Ebene (nicht auf System-Ebene!!) - weitgefächertes Feld von Analogschaltungen: Verstärker, Komparatoren, Analog-Digital-Wandler, Digital-Analog-Wandler, Oszillatoren, Phase-Locked-Loop, Filter-Schaltungen, Sensorik, Aktuatorik... in CMOS-, Bipolar-, BiCMOS-, GaAs-Technologie Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8
9 Einführung Ziel dieser Vorlesung: wenige Schaltungen gründlich kennenlernen! dazu nötig: Beschränkungen auf - Transistorlevel - Verstärkerschaltungen, "Handy-Schaltungen" - CMOS-Technologie Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9
10 Einführung empfehlenswerte Vorkenntnisse: -Grundlagen der MOS-Transistoren aus Vorlesung Professor Hoffmann, Grundlagen der Mikroelektronik mit PSPICE (Grundlagen) -Analogschaltungen mit diskreten Aufbau aus Vorlesung Professor Barabas, Grundlagen elektrischer Schaltungen, Teil: Analoge Grundschaltungen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10
11 Einführung Unterschied: diskreter Aufbau - ICs diskreter Aufbau mit einzelnen Bauelementen Simulation und Messung an allen Punkten jederzeit möglich! in dieser Vorlesung: Schaltungen zum Einbau in eine integrierte Schaltung Simulation an allen Punkten möglich, aber: Messung nur an sehr wenigen Punkten ( Pads ) der Schaltung möglich! deshalb zwingend erforderlich: verläßliches Simulationsprogramm z.bsp. PSPICE Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11
12 Einführung -Verstärkerschaltungen: Überblick Inverter-Verstärker einige Differenzverstärker, Miller-Verstärker Handy-Schaltungen -Prinzipielles Verständnis für die Schaltungen -Numerische Ausdrücke für die Verstärkereigenschaften -Überprüfung durch geeignete -Mismatch und Einfluß des Layouts, Layouterstellung -weitere Analyse-Arten von PSPICE Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12
13 Spezifikation: digital Spezifikationen Inverter: digital Inverter bedeutet Umkehrer : ein 0(1) -Eingangssignal soll in ein 1(0) -Ausgangssignal umgekehrt werden 1. Spezifikation -klare Unterscheidung zwischen Low und High Wunsch: 0 = 0 Volt, 1 = U CC Realität: höchste 0 -Spannung, niedrigste 1 -Spannung 2. Spezifikation -verzögerungsfreie Invertierung Wunsch: Verzögerungszeit = 0s Realität: Verzögerungszeit = 0s Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13
14 Schaltungen: digital Schaltungen: digital Digitale Schaltungen werden meist nach ihrem zeitlichen Verhalten beurteilt. Dies wird simuliert als Großsignalverhalten in einer transienten (zeitlichen) Analyse. Das digitale Ausgangssignal U A hängt von den digitalen Eingangssignalen U E ab! kein zeitlich fester Arbeitspunkt bei digitalen Schaltungen! Beispiel für digitale Schaltungen: Einfacher MOS-R-Inverter mit Kondensatorlast (Hoffmann-Buch S.328 VLSI-Entwurf, S.263 Systemintegration ) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14
15 Schaltungen : digital U E = 0 : MOSFET sperrt (U GS = 0) U CC U A = U CC U E = U CC : MOSFET leitet U A = U CC -RI DS U E G D S R C L U A Inverter (Negation, NOT - Gatter) E A E 1 A 0 : Lowpegel (L) 1 : Highpegel (H) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15
16 Schaltungen : digital Eingangssignal 0 U E = 0 U CC (z.b. 2,5V) U A = U CC R I DS I DS U E G D U A S C L U A U E Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16
17 Schaltungen : digital Eingangssignal 1 U E = U CC U CC U A = U CC -RI DS R I DS I DS U E G D U A S C L U A U E Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17
18 Schaltungen : digital Übergang 0 auf 1 bzw. 1 auf 0 U E 1/2U CC U CC (z.b. 2,5V) U A 1/2 U CC R I DS I DS U E G D U A S C L U A U E digital: unerwünschter Zustand!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18
19 en: digital digitale Transienten-Simulation eines einfachen MOS-R-Inverter mit Kondensatorlast Spezifikation: t Rise =t Fall =1 ns bei C L =1 pf, Transistor-Parameter analogcmos.lib unter analogn Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19
20 en: digital Überschlägige Dimensionierung des MOS-R-Inverters: t Rise =1ns: wegen U GS 0V kein Stromfluß über den MOS-Transistor einfaches RC-Glied, Formel 2,3 RC 1ns für Einstellgenauigkeit 10% R = 1ns 2,3 1pF 435 Ω G D S 2,5V R C L Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20
21 en: digital Überschlägige Dimensionierung des MOS-R-Inverters: t Fall =1ns: wegen U GS U CC Stromfluß über den MOS-Transistor Ladung des Kondensators/1ns 2,5V 2,5 V 1pF 1ns = 2,5 ma + Stromfluß über Widerstand (Näherungsformel U CC /2 R)= 2,5 V Ω = 2,9 ma G D S R C L ingesamt ungefähr 5,5 ma = I DS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21
22 en: digital Überschlägige Dimensionierung des MOS-R-Inverters: t Fall =1ns: Annahme: I DS bei Sättigung NMOS 2,5V R I DS = k 2 N W L ( U U ) 2 GS TN G D S C L Transistor-Parameter U TN, k N?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22
23 en: digital I DS = k 2 N W L ( U U ) 2 GS TN analog1.sch Model: analogn in Library analogcmos.lib U TN : U GS bei festem U DS verändern merklicher Stromfluß, W/L=100µm/1µm U TN =???? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23
24 en: digital Einsatzspannung willkürliche Größe, da auch unterhalb der Einsatzspannung Strom fließt ( schwache Inversion ) merklicher Stromfluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24
25 en: digital I DS = k 2 N W L ( U U ) 2 GS TN analog1.sch Model: analogn in Library analogcmos.lib U TN : U GS bei festem U DS verändern merklicher Stromfluß, W/L=100µm/1µm U TN 0,4 Volt!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25
26 en: digital I DS = k 2 N W L ( U U ) 2 GS TN analog1.sch Model: analogn in Library analogcmos.lib Trick: W/L festlegen z.bsp. W/L=100µm/1µm, U DS bei festem U GS verändern, mittlerer Stromfluß I DS im Sättigungsbereich ermitteln k n berechnen!! k N I 2 DS = 2 GS TN W ( U U ) L Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26
27 en: digital mittlerer Stromfluß Sättigungbereich 9,5 ma Sättigungsbereich U DS > U GS -U TN hier U GS =1,5 V und U TN =0,4 V 1,1 V - 2,5 V U DS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27
28 en: digital I DS = k 2 N W L ( U U ) 2 GS TN analog1.sch Model: analogn in Library analogcmos.lib Trick: W/L festlegen z.bsp. W/L=100µm/1µm, U DS bei festem U GS verändern, mittlerer Stromfluß I DS im Sättigungsbereich ermitteln k n berechnen!! k N I 2 DS = 2 GS TN W ( U U ) L µ A 160 V 2 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28
29 en: digital mit den Werten für U TN und k n : W L = k N I DS 2 ( U U ) 2 GS TN 2,5V R W L = 5,5 ma 2 ( 2,5 V ) 2 k N U TN W L mit Gatelänge 1 µm: 16 16µ m = 1µ m G D S C L eingesetzt in analog2.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29
30 en: digital Test der überschlägigen Dimensionierung: Pulse-Quelle: t Rise = t Fall = 0,1ns, Zeitdauer eines Zustandes 5ns Test: t Rise = t Fall = 1 ns?? analog2.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30
31 en: digital Grundlagen der Bedienung: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31
32 en: digital Risetime und Falltime: Goal Functions Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32
33 en: digital Risetime und Falltime: Goal Functions Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33
34 en: digital Risetime und Falltime: Goal Functions ausführen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34
35 en: digital Test der überschlägigen Dimensionierung: Pulse-Quelle: t Rise = t Fall = 0,1ns, Zeitdauer eines Zustandes 5ns Test: t Rise = t Fall = 1 ns?? Ja, ungefähr!! analog2.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35
36 Schaltungen: analog Schaltungen: analog Analoge (Verstärker-)Schaltungen werden meist nach ihrem Frequenzverhalten beurteilt. Dies wird simuliert als linearisierte Kleinsignalverhalten um einen zeitlich festen Arbeitspunkt in einer Kleinsignal (AC)-Analyse. Beispiel für analoge Schaltungen: zunächst auch: Einfacher MOS-R-Inverter mit Kondensatorlast als Spannungsverstärkerschaltung Problem: linearisierte Kleinsignalverhalten???? um einen zeitlich festen Arbeitspunkt???? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36
37 Schaltungen: analog Idee zum Einstellen eines zeitlich festen Arbeitspunktes? s. : digital Übergange U E 1/2U CC U CC U A 1/2 U CC R I DS I DS U E G D U A U E S 0 U A Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37
38 en: analog eine Realisierung: Spannungsteiler Bekannt aus Vorlesung Prof. Barabas: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38
39 en: analog eine Realisierung: Spannungsteiler U E 1/2U CC U CC U A 1/2 U CC R I DS I DS U E G D U A U E S 0 U A Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39
40 en: digital analog Vorgeschlagene Vorgehensweise: DC-Simulation eines einfachen MOS-R-Inverter: U A 1/2 U CC (besser 2/3 U CC wegen Low-Pegel 0 Volt) bei welchen U E? analog2.sch DC-Sweep: VPULSE variiert Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40
41 en: digital analog Cursor im Probe-Programmteil: schaltet die zwei Cursor ein/aus (linke Maustaste Cursor A1, rechte Maustaste Cursor A2) X Y Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41
42 en: digital analog dazu benötiges U E 1,8 V gewünschtes U A 2/3 U CC 1,5 V Analoge CMOS-Schaltungen Folie 42
43 en: analog analog3.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43
44 en: analog Frage: Wieviel Spannungsverstärkung hat dieser "MOS-R-Inverter" bei 10 mv Sinusschwingung bei 10 khz? In welchen Arbeitsbereich befindet sich der Transistor? Antwort:??? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44
45 en: analog Betrag der Spannungverstärkung 1 da aus Inverter abgeleitet -1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 45
46 en: analog Arbeitsbereich: Analysis/Display Results on Schematic/Enable Analoge CMOS-Schaltungen Folie 46
47 en: analog oder Arbeitsbereich: Analysis/Examine Output Output-File anschauen: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 47
48 en: analog oder Arbeitsbereich: Ausschnitt aus Output-File: wichtige Informationen zu den im Schematic verwendeten aktiven Bauelementen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 48
49 en: analog Frage: Wieviel Spannungsverstärkung hat dieser "MOS-R-Inverter" bei 10 mv Sinusschwingung bei 10 khz? In welchen Arbeitsbereich befindet sich der Transistor? Antwort: Spannungverstärkung -1, Transistor U DS > U GS -U TN Sättigungsbereich Analoge CMOS-Schaltungen Folie 49
50 Zusammenfassung -Wichtigkeit des Analogentwurfs -Ziel dieser Vorlesung, Einbau in die Vorlesungsstruktur -Überblick über Vorlesungsverlauf -en Von einer Digitalschaltung zur Analogschaltung (Verstärkerschaltung) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 50
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