Analoge CMOS-Schaltungen
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- Christin Kneller
- vor 7 Jahren
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Transkript
1 Analoge CMOS-Schaltungen Von dem Großsignalschaltbild (Transienten-Analyse) zum Kleinsignalersatzschaltbild (AC-Analyse) 2. Vorlesung
2 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 Problem: linearisierte Kleinsignalverhalten???? um einen zeitlich festen Arbeitspunkt Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2
3 PSPICE-Simulationen: analog PSPICE-Simulation analog3.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3
4 Einleitung -Von dem Großsignalschaltbild (Transienten-Analyse) zum Kleinsignalersatzschaltbild (AC-Analyse) -Beispiel: MOS-R-Inverter -numerische Ausdruck für Verstärkung -PSPICE-Simulationen bestätigt? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4
5 PSPICE-Simulation Transiente Simulation: x-achse Zeit analog3.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5
6 PSPICE-Simulation Frage: ieviel Spannungsverstärkung hat dieser "MOS-R-Inverter" bei 10 mv Sinusschwingung bei 10 khz? Idee: bei verschiedenen Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz transient simulieren Frequenzverhalten!! aber... Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6
7 PSPICE-Simulation Aber: langwierige transiente Simulation, Ergebnisse nur von Hand ermittelbar!! PSPICE: auch AC-Simulation (AC-Quellen werden frequenzmäßig gesweept ) vorgesehen Voraussetzung kleine Amplitude, da lineares Kleinsignalersatzschaltbild in der AC-Simulation verwendet!! Kleine Amplitude stark schaltungsabhängig Meßgröße: 1dB compression point Eingangsspannung, bei die Meßgröße (z. Bsp. Spannungsverstärkung) um 1 db gegenüber dem extrapolierten ert abgefahren ist t f Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7
8 PSPICE-Simulation AC-Simulation: x-achse Frequenz analog4.sch AC-Quelle (variable Frequenz) statt Sinus-Quelle (feste Frequenz) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8
9 inearisierte Kleinsignalverhalten: Schaltung: ie wirken kleine Änderungen aus, wobei die Kennlinie der nichtlinearen Bauelemente linearisiert wird? U CC R I I U E G D U A U E S 0 U A Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9
10 inearisierte Kleinsignalverhalten: Schaltungselemente aktive Bauelemente: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS Aufgabe: wie wirken kleine Änderungen (Kennlinie linear angenähert) von U GS und von U aus im Sättigungs- und iderstandsbereich auf den MOS-Transistor aus? I I U GS G D U U GS S 0 U Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10
11 inearisierte Kleinsignalverhalten: inearisierung heißt Ableitung bilden: I (iderstand) U GS oder I (Sättigung) U GS I I (iderstand) U oder I (Sättigung) U I U GS U Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11
12 inearisierte Kleinsignalverhalten: iderstandsbereich NMOS: I k N I (iderstand) U GS 2 U ( U GS UTN ) U 2 I (iderstand) U?????? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12
13 inearisierte Kleinsignalverhalten: iderstandsbereich NMOS: I k N I (iderstand) U GS 2 U ( U GS UTN ) U 2 I (iderstand) U kn U kn ( U GS UTN ) U [ ] Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13
14 inearisierte Kleinsignalverhalten: Sättigungsbereich NMOS: I I k 2 N I (Sättigung) U GS ( U U ) 2 GS TN I (Sättigung) U U?????? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14
15 inearisierte Kleinsignalverhalten: Sättigungsbereich NMOS: I I k 2 N I (Sättigung) U GS k N k N ( U U ) GS 2 I TN ( U U ) 2 GS TN I (Sättigung) U U Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15
16 inearisierte Kleinsignalverhalten: I Sättigungsbereich NMOS: k I (Sättigung) U GS N k N k 2 ( U U ) ( 1+ λ U ) GS 2 I TN ( 1+ λ U ) I Kanallängenmodulation 2 ( U U ) ( 1+ U ) N GS TN λ I I (Sättigung) U k 2 N GS λ 1+ λ U ( U U ) TN 2 U λ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16
17 inearisierte Kleinsignalverhalten: Kanallängenmodulation nimmt mit wachsender Gatelänge ab I λ klein : ( 1 λ U ) 1 + U I (Sättigung) U GS I (Sättigung) U k k N N 2 I λ 2 I ( 1+ U ) I I λ 1+ λ U λ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17
18 inearisierte Kleinsignalverhalten: iderstandsbereich NMOS: I (iderstand) I (iderstand) U GS U kn U kn ( U GS UTN ) U Sättigungsbereich NMOS: I (Sättigung) U GS [ ] I (Sättigung) U kn 2 I I λ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18
19 inearisierte Kleinsignalverhalten: Bezeichnungen (GSGroßsignal, KSKleinsignal): Steilheit g m Ausgangsleitwert g 0 g M I ( GS) U ( GS) I U GS GS ( KS) ( KS) g 0 I ( GS) U ( GS) I U ( KS) ( KS) von GS-Spannung gesteuerte Stromquelle zwischen Drain und Source (g M Einheit A/V) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19 eitwert zwischen Drain und Source (g 0 Einheit 1/ΩA/V)
20 inearisierte Kleinsignalverhalten: Bezeichnungen des Kleinsignalerschaltbildes: Ausgangsleitwert g 0 Steilheit g m eitwert zwischen Drain und Source (Einheit 1/ΩA/V) von GS-Spannung gesteuerte Stromquelle zwischen Drain und Source (Einheit A/V) meist: g M >> g o!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20
21 inearisierte Kleinsignalverhalten: iderstandsbereich NMOS: g M (iderstand) g 0 (iderstand) kn U kn ( U GS UTN ) U Sättigungsbereich NMOS: [ ] g M (Sättigung) g 0 (Sättigung) kn 2 I kn UGS U ( ) TN k 2 N I λ ( ) 2 U U λ GS TN Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21
22 inearisierte Kleinsignalverhalten: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS Aufgabe: ist der iderstands- oder der Sättigungsbereich aufgrund der gerade abgeleiteten Größen besser für analoge (Spannungs-)Verstärkerschaltungen geeignet? iderstandsbereich: Sättigungsbereich: g M k N U g M kn 2 I g 0 k N [( U U ) U ] GS TN g 0 I λ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22
23 inearisierte Kleinsignalverhalten: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS Aufgabe: ist der iderstands- oder der Sättigungsbereich aufgrund der gerade abgeleiteten Größen besser für analoge (Spannungs-)Verstärkerschaltungen geeignet? A f ( gm, g0) gut: g M, g0 f ( UGS ) schlecht: g M, g0 f ( UGS, U ) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23
24 inearisierte Kleinsignalverhalten: Antwort: Es ist für Verstärkerschaltungen störend, wenn U die Kleinsignalparameter und damit die Verstärkung beeinflußt. Betrachtet man die abgeleiten Formeln, so ist der Sättigungsbereich besser für analoge Spannungverstärkerschaltungen geeignet!! iderstandsbereich: Sättigungsbereich: g M k N U g M kn 2 I g 0 k N [( U U ) U ] GS TN g 0 I λ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24
25 inearisierte Kleinsignalverhalten: Allgemein: Analogschaltungen werden meist im Sättigungsbereich betrieben!! iderstandsbereich: Sättigungsbereich: g g 0 M k k N N U [( U U ) U ] GS TN g M g 0 k N 2 I I λ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25
26 inearisierte Kleinsignalverhalten: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS: Sättigungsbereich: g M I k N 2 U GS I k N ( U U ) GS TN g 0 I I U λ k 2 N ( ) 2 U U λ GS TN keine Frequenzabhängigkeit wegen Einfachheit des MOS-Modells Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26
27 inearisierte Kleinsignalverhalten: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS: Sättigungsbereich: g M I k N 2 U GS I noch nicht bekannt!! g 0 I U I λ Parameter λ noch nicht bekannt!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27
28 PSPICE-Simulation AC-Simulation: x-achse Frequenz analog4.sch AC-Quelle (variable Frequenz) statt Sinus-Quelle (feste Frequenz) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28
29 PSPICE-Simulation I analog4.sch: Ausschnitt aus Output-File: I 2,23 ma Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29
30 Definition von λ Die Drainströme bei verschiedenen U GS -Spannung treffen sich (theoretisch) in einen Punkt, der zur Ermittlung des Parameters λ dient. λ 1 U, Treff Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30
31 PSPICE-Simulation Frage: Bestimmen Sie den Parameter λ!! analog1.sch Antwort: λ?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31
32 PSPICE-Simulation Frage: Bestimmen Sie den Parameter λ!! λ 1 35 V 0,03 1 V Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32
33 inearisierte Kleinsignalverhalten: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS: Sättigungsbereich: g M I k N 2 U GS I?? g 0 I U I λ?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33
34 inearisierte Kleinsignalverhalten: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS: Sättigungsbereich: g M I k N 2 U GS I 3, A V g 0 I U I λ 6, A V Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34
35 PSPICE-Simulation g M, g 0 besser aus Output-File, da genauere Gleichungen!! g M 2, A/V g 0 1, A/V g M und g 0 aus Output-File werden verwendet Grund: bessere Gleichungen speziell bei Kurzkanal-Transistoren Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35
36 inearisierte Kleinsignalverhalten: Schaltungselemente aktive Bauelemente: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS Aufgabe: wie wirken kleine Änderungen (Kennlinie linear angenähert) von U GS und von U aus im Sättigungs- und iderstandsbereich auf den MOS-Transistor aus? Steilheit g m Ausgangsleitwert g 0 I U GS G D I U S U GS 0 U Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36
37 Schaltungen: analog Schaltungen: analog Analoge 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 Problem: linearisierte Kleinsignalverhalten???? um einen zeitlich festen Arbeitspunkt Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37
38 inearisierte Kleinsignalverhalten: Schaltelemente im linearisierten Kleinsignalersatzschaltbild: iderstand bleibt R U/I Kondensator bleibt 1/(2 π f C) U/I Spule f bleibt 2 π f U/I DC-Spannungsquelle Kurzschluß DC-Spannungsquelle Kondensator-Analogie DC-Stromquelle eerlauf DC-Stromquelle Spulen-Analogie AC-Spannungsquelle AC-Stromquelle bleibt als Anregung bleibt als Anregung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38
39 inearisierte Kleinsignalverhalten: Aufgabe: Geben Sie das Kleinsignalersatzschaltbild für den MOS-R- Inverter an. Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39
40 inearisierte Kleinsignalverhalten: Antwort: Kleinsignalersatzschaltbild für MOS-R-Inverter Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40
41 inearisierte Kleinsignalverhalten: Frage: Geben Sie einen analystischen Ausdruck für die Spannungsverstärkung U A /U E aus dem Kleinsignalersatzschaltbild für MOS-R-Inverter an, wobei Sie die Kondensatorlast nicht berücksichtigen und den Eingangskondensator als Kurzschluß ansehen! Kurzschluß U A U E nicht berücksichtigt! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41
42 inearisierte Kleinsignalverhalten: Frage: Geben Sie einen analystischen Ausdruck für die Spannungsverstärkung U A /U E aus dem Kleinsignalersatzschaltbild für MOS-R-Inverter an, wobei Sie die Kondensatorlast nicht berücksichtigen und den Eingangskondensator als Kurzschluß ansehen! Antwort: Großsignalschaltbild zum Kleinsignalersatzschaltbild U A U A A0 gm R1 U E gm*u E vernächlassigt Analoge CMOS-Schaltungen Folie 42
43 inearisierte Kleinsignalverhalten: Frage: Geben Sie den ert der Spannungsverstärkung aus den berechneten erten an!! Antwort: A 0?? A 0 U U A E 2, g M 3 0 db R1 A V 435Ω gm*u E vernächlassigt U A Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43
44 inearisierte Kleinsignalverhalten: Berücksichtigung der Kondensatorlast: Kondensator : R nimmt mit der Frequenz ab U/I1/(2 π f C) ichtig: RC-Zeitkonstante, Pol 1/ RC-Zeitkonstante Frequenzabhängigkeit der Verstärkung darstellbar als U A U E ( f ) A 1+ 1 j 2π Pol 0 f gm*u E U A vernächlassigt Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44
45 inearisierte Kleinsignalverhalten: aus Vorlesung Professor Barabas, Grundlagen elektrischer Schaltungen Teil: Analoge Grundschaltungen bekannt!? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 45
46 inearisierte Kleinsignalverhalten: R V OUT V IN C 0 0 dual zu V OUT I IN R C Analoge CMOS-Schaltungen Folie
47 inearisierte Kleinsignalverhalten: Frage: Berechnen Sie A 0 und die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung bei MOS-R-Inverter! elcher welcher Frequenz ist der Betrag der Spannungsverstärkung um 3 db gesunken (3dB-Frequenz)? A 0 U A U E Großsignalschaltbild zum Kleinsignalersatzschaltbild U U ( f ) A E g ( f 0 Hz) M R1 1 A 1+ 0 db 1 j 2π Pol 0 f U E vernächlassigt Pol"3 db-kreis-frequenz" 1/(R1 C1): 2,3 GHz 3 db-frequenz 1/(2 π R1 C1): 366 MHz U A Analoge CMOS-Schaltungen Folie 47
48 PSPICE-Simulation Überprüfung durch AC-Simulation: x-achse Frequenz analog4.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 48
49 PSPICE-Simulation Verstärkung: Rechenfunktion unter Probe/Add Analoge CMOS-Schaltungen Folie 49
50 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: A0 gm R1 1 x-achse linearer Maßstab Analoge CMOS-Schaltungen Folie 50
51 PSPICE-Simulation 1. Möglichkeit der Ablesung in db: direkt in "Probe" berechnen: unter "Trace, Add bei "Analog Operators and Functions DB() auswählen und gewünschte Kurven in die Klammern einsetzen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 51
52 PSPICE-Simulation 2. Möglichkeit der Ablesung in db: in "Schematics" vorbereiten: unter "Markers, Mark Advanced" vdb oder idb auswählen, auf Schaltungspunkt plazieren und unter "Probe" erfolgt die Ausgabe in db Analoge CMOS-Schaltungen Folie 52
53 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: A0 gm R1 0 db x-achse logarithmischer Maßstab Analoge CMOS-Schaltungen Folie 53
54 PSPICE-Simulation 3dB-Frequenz: Goal Functions, PB, Eval, gewünschte erte Analoge CMOS-Schaltungen Folie 54
55 simulierte 3dB-Frequenz: PSPICE-Simulation berechnet: 366 MHz simuliert: 383 MHz Grund: bei Berechnung Vernächlassigung von g 0 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 55
56 PSPICE-Simulation Frage: Ist die AC-Simulation von der AC-Amplitude abhängig (Verhältnisse von Spannungen/Ströme)? analog4.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 56
57 PSPICE-Simulation AC-Quellen gelten nur für das Kleinsignalersatzschaltbild!! U A U E variable Frequenz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 57
58 PSPICE-Simulation Antwort: Nein, da Kleinsignalersatzschaltbild ist ein lineares System!! Am besten 1 Volt/Ampere vorteilhaft bei db-ablesung analog4.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 58
59 Zusammenfassung -Von dem Großsignalschaltbild (Transienten-Analyse) zum Kleinsignalersatzschaltbild (AC-Analyse) -Beispiel: MOS-R-Inverter -numerische Ausdruck für Verstärkung -PSPICE-Simulationen bestätigt?! -Spezifikation: Versorgungsspannungbereich, Verstärkung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 59
60 Spezifikationsliste Spezifikationsliste Spezifikation: unsch: Einheit: Versorgungsspannungsbereich minimales V CC Volt Verstärkung hoch db Analoge CMOS-Schaltungen Folie 60
61 maximale Frequenz Eine Kenngröße für die maximale Frequenz, die ein MOS- Transistor verkraftet, ist die sog. Transitfrequenz. I 2π ft ωt 1 I Frage: eiten Sie einen Ausdruck für die Transitfrequenz im Kleinsignalfall für Sättigung her, wenn Sie näherungsweise veranschlagen GS C GS ' 2 / 3Cox Analoge CMOS-Schaltungen Folie 61
62 Formeln: maximale Frequenz I 2π ft ωt 1 IGS I gm UGS kn U ' µ N Cox UGS U I GS 2π f C U 2π GS GS ( U ) GS ( TN ) UGS f TN U GS 2 / 3C Kleinsignalfall!! ' ox U GS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 62
63 maximale Frequenz Antwort: 2π f T ω T 3 2 µ N ( U U ) GS 2 TN bei sonst gleichen Bedinungen ergibt sich eine inverse Abhängigkeit von der Gatelänge zum Quadrat (ungefähr)!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 63
64 maximale Frequenz Mit MOS-Transistoren, die eine Transitfrequenz von x GHz besitzen kann Schaltungen bauen, die mit ungefähr x/10 GHz als Arbeitsfrequenz betrieben werden können. 2π f T ω T 3 2 µ N ( U U ) GS 2 TN Analoge CMOS-Schaltungen Folie 64
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