Analoge CMOS-Schaltungen

Transkript

1 Analoge CMOS-Schaltungen PSPICE: Rauschanalyse 11. Vorlesung

2 Einführung 1. Vorlesung 8. Vorlesung: Inverter-Verstärker, einige Differenzverstärker, Miller-Verstärker 9. Vorlesung: Miller-Verstärker als Subcircuit 10. Vorlesung: Temperaturanalyse 11. Vorlesung: Rausch-Analyse 1. 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 0. Vorlesung: Abändern von Bauteilen 1. Vorlesung: Optimizer zur Schaltungs-Optimierung. Vorlesung: Smoke zur Schaltungs-Stress-Analyse 3. Vorlesung: Sample-and-Hold-Schaltung 4. Vorlesung: PSPICE und Systemtheorie 5. Vorlesung: Zukünftige analoge CMOS-Schaltungen Analoge CMOS-Schaltungen Folie

3 bei analogen Schaltungen Signal und Rauschen Wichtig: Wie ist das Verhältnis von Signal zu Rauschen (Signal-to-Noise Ratio SNR)? t SNR gut t SNR schlecht Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3

4 bei analogen Schaltungen Signal und Rauschen Meßgröße: Rauschfaktor ( Noise factor ) F: F = gesamte Ausgangsrauschleistung Ausgangsrauschleistung verursacht durch Eingangsrauschleistung damit: Maß für den Einfluß des Zweitores (=Vierpoles) auf das Rauschen = S N S N IN OUT Rauschstrom von Y S I S Y S Eingang rauschendes Zweitor Ausgang Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4

5 bei analogen Schaltungen Signal und Rauschen Meßgröße: Rauschzahl ( Noise figure ) NF: NF= 10 log(f) Angabe in db! damit: Maß für den Einfluß des Zweitores (=Vierpoles) auf das Rauschen Rauschstrom von Y S I S Y S Eingang rauschendes Zweitor Ausgang Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5

6 bei analogen Schaltungen Rauschen Mittelung Auslöschung des Rauschgrößen Quadratur der Rauschgrößen!! (ggfs. Quadratwurzel) V, I ( ) V, I t t T T t Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6

7 Rauscharten Thermisches Rauschen 1. Thermisches Rauschen (weißes Rauschen, Johnson Rauschen, Nyquist Rauschen) Ursache: Brownsche Molekularbewegung Beschreibung: verfügbare Rauschleistung (avaible noise power) PTNA = k T f Boltzmannkonstanstante k=1, J/K T absolute Temperatur (T/ C=T/Kelvin-73,15) weißes Rauschen für alle technisch interessanten f konstant f Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7

8 Rauscharten Thermisches Rauschen 1.1 Thermisches Rauschen bei Wirk-Widerständen/Leitwerten (also nur ohmsche Anteile, keine kapazitiven oder induktiven Anteile!) Ersatzschaltung Spannungsquelle oder Stromquelle P TNA = R V TN R L I TN + R L und G L - angenommen rauschfrei! U I P = U R L R L TNA G L I G L G G L = V TN R R + L R L V R + TN R L = I TN G + G L I TN G L G + G L Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8

9 Rauscharten Thermisches Rauschen 1.1 Thermisches Rauschen bei Wirk-Widerständen/Leitwerten P für TNA R = = V = V R TN R V TN TN L U + - R L RL R + R L R L (Leistungsanpassung) : I R = 4 k T R f L VTN R + R L P TNA für G = I I TN R L und G L angenommen rauschfrei! = = G TN L U I G L TN G + G L I TN G L G (Leistungsanpassung) : I G = 4 k T G f L GL G + G L Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9

10 Rauschmeßgrößen Rauschmeßgrößen 1. Mittelwerte ( mean square ) für Rauschspannung in V² und Rauschstrom in A²!! V TN = 4 k T R f I TN = 4 k T G f.alternativ: root mean square (rms) in V und A V TN = 4 k T R f I TN = 4 k T G f f?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10

11 Rauschmeßgrößen Vermeidung von f: Rauschmeßgrößen W x (f) f 1 f f n f normalerweise mit Frequenzangabe!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11

12 Rauschmeßgrößen Rauschmeßgrößen 3. Spektrale Leistungsdichte ( power spectral density ) W WV TN 4 k T R / Hz = = 4 k T G Hz WI TN / 4. Quadratwurzel aus spektrale Leistungsdichte W = 4 k T R Hz = 4 k T G Hz WV TN / WI TN / Beispiele: f 1kΩ W 4 nv / Hz und 50 Ω W 1nV / V TN V TN Hz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 1

13 Ersatzschaltbild für rauschenden Widerstand Rauschspannungquelle Rauschstromquelle R V TN + - I TN R PSPICE Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13

14 Eingabeformat Gibt an, an welchem Knoten oder Knotenpaar die Rauschspannung anliegen soll (kein Rauschstrom möglich). Gibt die Bezeichnung der unabhängigen Strom- oder Spannungsquelle an, an der die entsprechende "input-referred" Rauschspannung oder -strom berechnet werden soll (Muß-Eingabe). Hier kann festgelegt werden, ob und in welchen Abständen in der *.OUT-Ausgabedatei eine Tabelle ausgeben werden soll, welche Angaben über die Rauschbeiträge der einzelnen Komponenten enthält. Aktiviert die Rauschanalyse (nur bei gleichzeitiger Frequenzanalyse möglich). AC-Analyse: AC-Quellen ein, Rauschquellen aus Rausch-Analyse: AC-Quellen aus, Rauschquellen ein Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14

15 V n "input-referred" Rauschspannung/-strom Rauschende Schaltung + - V n1 + - I n V n,out V n,in + - Nichtrauschende Schaltung V n,out V N, OUT = ( ) V, I N, OUT Übertragungsfkt. V N, IN = V N, OUT Übertragungsfkt Rauschende Schaltung = nicht-rauschende Schaltung mit "input-referred" Eingangsquelle Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15

16 wichtig: Quelleneinspeisung und Rauschabnahmepunkt ein Knoten Eingabeformat (Beispiel) Analog_1r_v Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16

17 Namensgebung für Schaltungsknoten Namensänderung: Doppelklick auf Namen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17

18 Namensgebung für Schaltungsknoten Doppelklick auf Schaltungsknoten: Property Editor aber keine Möglichkeit, den Namen zu ändern!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18

19 Graphische Ergebnisse im Probe-Programmteil: Rauschergebnisse nicht über Marker im Schaltbild sichtbarzumachen Quadratwurzel aus spektrale Leistungsdichte W des "inputreferred" Rauscheingangspannung Spektrale Leistungsdichte W Ein/Auschalten von Rauschparametern Quadratwurzel aus spektrale Leistungsdichte W der Rauschausgangsspannung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19

20 R=10 MΩ, T=7 C 300,15 K 14 W I TN = 4 k T G / Hz 4,07 10 A Hz "Spannungsabfall an 10 MΩ 407 nv" Was ergibt die Simulation? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 0

21 Wie vermeiden Sie diesen Effekt? Stellen Sie dazu das Kleinsignalersatzschaltbild für die Rausch-Analyse auf! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 1

22 500nV R=10 MΩ, T=7 C 300,15 K 14 W I TN = 4 k T G / Hz 4,07 10 "Spannungsabfall an 10 MΩ 407 nv" A Hz 400nV 300nV simuliert: 407,1 nv 00nV 100nV 0V 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz V(ONOISE) Frequency Analoge CMOS-Schaltungen Folie

23 Variieren Sie Temperatur und Widerstandswert und überprüfen Sie das Ergebnis! Integrieren Sie über einen Frequenzbereich z.bsp. 1 khz! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3

24 Integration: Rechenfunktion unter Probe/Trace/Add Trace: Integral S() Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4

25 Ergebnisse im output-file: Spektrale Leistungsdichte W des Beitrages von R am Ausgang Spektrale Leistungsdichte W der Rauschausgangsspannung Quadratwurzel Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5 Vout/input-referred Quelle) = 10MΩ Quadratwurzel aus spektrale Leistungsdichte W der "inputreferred" Rauscheingangsstromquelle

26 Anderer Fall: Quelleneinspeisung und Rauschabnahmepunkt verschiedene Knoten Analog_r_v Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6

27 Ersatzschaltbild für rauschenden Widerstand: Stromquelle Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild für die AC-Analyse (AC-Quellen ein, Rauschquellen aus) und die Rausch-Analyse (AC-Quellen aus, Rauschquellen ein) und leiten Sie die "input-referred" Rauschgrößen ab! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7

28 Ergebnisse im output-file: Spektrale Leistungsdichte W des Beitrages von R1 und R am Ausgang Spektrale Leistungsdichte W der Rauschausgangsspannung Quadratwurzel Vout/input-referred Quelle) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8 Quadratwurzel aus spektrale Leistungsdichte W der "inputreferred" Rauscheingangsspannungsquelle

29 R1=R=10 MΩ, T=7 C 300,15 K W I TNR = 4 k T G / Hz 4, / R 14 A Hz "Spannungsabfall an 5 MΩ 88 nv" "aquivalente Spannung bei VAC 88 nv 576 nv" simuliert: 576 nv simuliert: 88 nv Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9

30 Rauscharten Thermisches Rauschen 1..Thermisches Rauschen bei MOS-Transistoren (Kleinsignalmodell) Ursache: Brownsche Molekularbewegung der Kanalladungsträger Beschreibung Drainstrom (Rauschstromquelle Drain/Source): I = 4 k T γ g, f TNDS DS OV mit g DS,0V =Drainleitwert bei U DS =0V und γ Paßfaktor (durch Vergleich mit Meßwerten) Langkanal: γ =1 bei U DS =0V γ=/3 bei Sättigung Kurzkanal: γ=-3 Kurzkanal hohes E-Feld Aufheizen der Kanalladungträger ( hot electrons )!!! alte Theorie!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30

31 Rauscharten Thermisches Rauschen unter anderem Forschungsgebiet der Instituts Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31

32 Rauscharten Thermisches Rauschen 1..Thermisches Rauschen bei MOS-Transistoren (Kleinsignalmodell) Bemerkung Langkanalmodell: Drainleitwert im Widerstandsbereich: g DS für ( ) [ ] GS T DS ( ) [ ] Steilheit im Sättigungsfall: ( ) [ ] GS T DS DS I ( k W / L U U U U / DS = = U U = k W / L U U U U DS DS 0 Volt: g = k W / L U U g DS, OV GS T M = k W / L [( U U )] GS T DS identische Ausdrücke austauschbar! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3

33 Thermisches Rauschen 1..Thermisches Rauschen bei MOS-Transistoren (Kleinsignalmodell) Beschreibung Drainstrom (Rauschstromquelle Drain/Source): Gate Drain g M U GS g o I TNDS Source I TNDS = 4 k T γ g M f Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33

34 Thermisches Rauschen 1..Thermisches Rauschen bei MOS-Transistoren (Kleinsignalmodell) Beschreibung Drainstrom (Rauschstromquelle Drain/Source): Gate Drain g M U GS g o I TNDS BSIM3v3-Modell (Sättigung): I TNDS Source = 4 k T ( gm + g DS + gm, BULK ) f 3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34

35 Simulieren Sie das Rauschen des MOS-Transistor im Sättigungsbereich in der Schaltung analog1.opj analog1 Ersatzschaltbild für rauschenden MOS-Transistor: Drain-Source-Stromquelle Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35

36 Zeichnen Sie die zugehörige Meßschaltung! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36

37 Rückblick: Analog1 Ergebnisse: mittlerer Stromfluß Sättigungbereich 9,5 ma U DS 1,6 V Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37

38 Ergebnisse im output-file: I = BSIM3v3-Modell: TNDS = 4 k T ( gm + g DS + gm, BULK ) f 3 A Hz I TNDS = A Hz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38

39 Spannungsabfall an (1/g DS )² =(1/g 0 )² : Gate Drain g M U GS g o I TNDS Source U TNDS U TNDS = I = TNDS 1 g 0 = V Hz = V Hz nv Hz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39

40 Ergebnisse im output-file: R-Drain R-Source R-Gate R-Bulk thermisches Rauschen 1/f-Rauschen Gesamt-Rauschen Spektrale Leistungsdichte W des Beitrages am Ausgang Spektrale Leistungsdichte W der Rauschausgangsspannung Vout/input-referred Quelle) Quadratwurzel Quadratwurzel aus spektrale Leistungsdichte W der "inputreferred" Rauscheingangsspannung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40

41 Graphische Ergebnisse im Probe-Programmteil: Quadratwurzel aus spektrale Leistungsdichte W der "inputreferred" Rauscheingangsstrom Quadratwurzel aus spektrale Leistungsdichte W der Rauschausgangsspannung Spektrale Leistungsdichte W Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41

42 Graphische Ergebnisse im Probe-Programmteil: analog1_i, Probe/Trace/Add Spektrale Leistungsdichte W der Rauschspannung am Ausgang herausgerufen durch 1/f-Rauschen R-Bulk R-Drain R-Gate R-Source thermisches Rauschen Gesamt-Rauschen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4

43 Graphische Ergebnisse im Probe-Programmteil: simuliert: 37 nv berechnet: 37 nv numerisches Rauschen (Maßstab beachten!) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43

44 Rauscharten 1/f - Rauschen /f-Rauschen (Flicker-Rauschen, Funkel- Rauschen, rosa Rauschen pink noise ) f bei MOS-Transistoren Grenzschichteffekte Si/SiO ungesättigte Verbindungen Polysilium (Gate) SiO Silizium Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44

45 Rauscharten 1/f - Rauschen /f-Rauschen (Flicker-Rauschen, Funkel- Rauschen, rosa Rauschen pink noise ) bei MOS-Transistoren f Ursache: unbekannt ( Theorien) nur empirische Beschreibung Beschreibung: I FN = K f I n f K f I f V FN = K f V n f K f V f mit K I und K U bauteil- und biasabhängige Parameter und n 1 Beschreibung Drainstrom (Rauschstromquelle Drain/Source): Analoge CMOS-Schaltungen Folie 45

46 Rauscharten 1/f - Rauschen /f-Rauschen (Flicker-Rauschen, Funkel- Rauschen, rosa Rauschen pink noise ) bei MOS-Transistoren f Beschreibung Drainstrom (Rauschstromquelle Drain/Source): I FNDS = K f I W I DS L C ' ox f mit K I : K I (NMOS) 10 K I (PMOS) Beispiel: K I 10-7 A V (NMOS) K I 10 8 A V (PMOS) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 46

47 Thermisches+1/f Rauschen 1..Thermisches + 1/f Rauschen bei MOS-Transistoren Beschreibung Drainstrom (Rauschstromquelle Drain/Source): Gate Drain g M U GS g o I NDS Source Analoge CMOS-Schaltungen Folie 47 I NDS = 4 k T + K f I 3 I g M DS W L C ' ox f f

48 Ersatzschaltbild für rauschenden MOS-Transistor: Drain-Source-Stromquelle Tauschen Sie das MOS-Modell aus gegen "analogn_noi" mit 1/f-Rauschen und überprüfen Sie das Ergebnis! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 48

49 linear Graphische Ergebnisse im Probe-Programmteil: 1/f-Rauschen thermisches Rauschen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 49

50 Graphische Ergebnisse im Probe-Programmteil: logarithmisch 1/f-Rauschen thermisches Rauschen parasitäre Kapazitäten Analoge CMOS-Schaltungen Folie 50

51 MOS-R-Inverter als Analogschaltung Beschreiben Sie das Rauschen des MOS-R-Inverters. Verwenden Sie das angebene File und überprüfen Sie das Ergebnis! Analog3a_noise Analoge CMOS-Schaltungen Folie 51

52 Beschreiben Sie das Rauschen des MOS-R-Inverters. Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5

53 Graphische Ergebnisse im Probe-Programmteil: linear MOS-R-Inverter als Analogschaltung 1/f-Rauschen von M1 thermisches Rauschen von M1 und R1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 53

54 Graphische Ergebnisse im Probe-Programmteil: logarithmisch MOS-R-Inverter als Analogschaltung 1/f-Rauschen von M1 thermisches Rauschen von M1 und R1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 54

55 MOS-R-Inverter mit Gate-Spannungsteiler als Analogschaltung Hat der Gate-Spannungsteiler bei CK =1 F wesentlichen Einfluß?? Warum?? Analog4_noise Analoge CMOS-Schaltungen Folie 55

56 Zeichnen Sie dazu das Kleinsignalersatzschaltbild für die AC-Analyse (AC-Quellen ein, Rauschquellen aus) und die Rausch-Analyse (AC-Quellen aus, Rauschquellen ein). Analoge CMOS-Schaltungen Folie 56

57 Graphische Ergebnisse im Probe-Programmteil: 1/f-Rauschen von M1 thermisches Rauschen von M1 und R1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 57

58 MOS-R-Inverter mit Gate-Spannungsteiler als Analogschaltung Nehmen Sie realitische Werte für CK und beobachten Sie das Ergebnis! (z.bsp. 1pF kleiner Wert, deshalb deutlicher Unterschied zu 1F) Analog4_noise Analoge CMOS-Schaltungen Folie 58

59 Graphische Ergebnisse im Probe-Programmteil: analog4_noise bei CK=1pF MOS-R-Inverter als Analogschaltung Einfluß von CK Analoge CMOS-Schaltungen Folie 59

60 Zusammenfassung -Rauscharten, Rauschmeßgrößen -Vierpoltheorie: input-referred noise -Beispiel: Widerstand, MOS-Transistor, MOS-R-Inverter -numerische Ausdruck für Rauschen -en bestätigt? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 60

61 Aufgabe Simulieren Sie in geeigneter Weise das Rauschen eines Parallel-Schwingkreises!! noise_parallel_rlc C1 1n L1 10uH 0 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 61

62 Aufgabe Simulieren Sie in geeigneter Weise das Rauschen eines Serien-Schwingkreises!! noise_seriell_rlc R1 1k C1 1n L1 10uH 0 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6