1 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung. CMOS - Simulation mit Micro - Cap (Demo) / Hardware-Messungen

Transkript

1 1 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung Versuch 3: CMOS - Simulation mit Micro - Cap (Demo) / Hardware-Messungen Das Programm Micro-Cap (Demo) ist ein Simulationsprogramm zur Schaltungsanalyse von analogen und digitalen Schaltungen mit passiven und aktiven Bauelementen. Es beruht wie fast alle Simulationsprogramme für analoge und digitale Schaltungen auf der Spice - Software und kann auch Spice - Textfiles direkt verarbeiten (leider nicht in der vorhandenen Demo-Version!). 1. Vorbereitung im Heimlabor 1.0 Zur Vorbereitung des Versuches können Sie das Simulationsprogramm unter der Internetadresse: finden, indem Sie unter "Downloads" Demos und dann "Demo.zip" anklicken. Sie sollten sich dann vorab mit dem Programm vertraut machen, das in der Version auch im Praktikum zur Verfügung steht. Kleiner Tipp: nach Aufruf des Programms MicroCap finden Sie unter Help im dritten Block eine General Demo bzw. Einzel-Demos zu verschiedenen Bereichen. Laden Sie dann die Datei 3 CMOS Inverter in Reihe.cir (Bild) von der Seite des Elektroniklabors herunter. Mit dieser neuen Datei können Sie dann versuchen, z. B. Die Übertragungsfunktion zeichnen zulassen. Weiter finden Sie unter: und dann unter Documentation u.a. ein Manual.

2 2 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung 1.1 Bitte bestimmen Sie (von Hand, ohne Simulator) bei dem folgenden, aus einem NMOS Transistor und einem Widerstand bestehenden Inverter (RT Inverter genannt), in welchem Betriebszustand sich der Transistor jeweils bei U E =0, im Umschaltpunkt ( U A =U E ) und bei U E =V dd befindet! 1.2 Im Anlauf kann der Transistorstrom in der Form I = ß { U GS U T U DS 1 2 U 2 DS} beschrieben werden. Bei Sättigung (Kanalabschnürung) gilt in nullter Näherung I = ß 2 U GS U T 2. Der Übergang zwischen Anlauf und Sättigung findet bei U GS U T = U DS statt. Bitte zeichnen Sie die Kennlinie U A (U E ) des RT Inverters für ß = 0,1 A/V 2 und U T = 2V (mit ß= К W L und W К = KP = 0,02, L = 5 und U T = U VTO ) für den Typen Q1 (BS170) und R=1kΩ. Im Bereich 0<U E <4V. (Tipp: es könnte sein, dass es in einigen Bereichen einfacher ist, die Eingangsspannung als Funktion zur Ausgangsspannung zu berechnen als umgekehrt. Nur das Ergebnis zählt. Wie herum Sie rechnen ist egal.) 1.3 Bestimmen Sie die Verstärkung V U = du A / du E des RT Inverters für den Fall, dass der Transistor in Sättigung ist. Bitte zeichnen Sie das Ergebnis für die in 1.2 genannten Parameter. 1.4 Ein CMOS -Inverter besteht aus einem PMOS- und einem NMOS -Transistor (siehe Zeichnung in 3.1.2). Zeigen Sie, dass bei einem CMOS Inverter, dessen Ein- und Ausgänge verbunden sind, diese beiden Transistoren in Sättigung sind. 2. Mitbringen 2.1 Lineare Zeichnung und Wertetabelle der Kennlinie UA(UE) des RT Inverters (1.2) mit Hinweisen auf die Betriebszustände (1.1) 2.2 Lineare Zeichnung und Wertetabelle der Spannungsverstärkung des RT Inverters 2.3 Beweis der Sättigung (1.4) 2.4 Das Mitbringen von vorgefertigten Schaltungen auf einem Datenträger ist nicht erlaubt.

3 3 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung 3. Durchführung der Simulation im Praktikum im Elektroniklabor Für die Durchführung der Simulation der verschiedenen Schaltungen, benötigen Sie die Transistoren BS170_2 und BS250_2. Da es in der Demoversion nicht möglich ist eingestellte Parameter in der Libary zu speichern, finden Sie sie auf der Seite des Elektroniklabors, unter folgender Adresse: Nun gehen Sie mit der rechten Maustaste unter Praktika Versuch 3, auf -Anfangsdatei für die Simulation im Praktikumund klicken den Menüpunkt Ziel speichern unter an. Nach Speicherung in Ihrer Datei, können Sie nun mit den Transistoren, mit den passend voreingestellten Parametern, aus folgender Datei Versuch3.cir, arbeiten. Wenn Sie einen der beiden Transistoren neu in eine Datei einfügen wollen, finden Sie ihn in der Micro-Cap Bibliothek unter folgendem Pfad: Analog Primitives/Active Devices/BSXXX_2. Dann aber nur, in der Ur-Version. Bauen Sie auf der Grundlage dieser Datei Ihre Versuche auf, indem Sie die Datei öffnen und gleich unter einem neuen Namen, im selben Ordner abspeichern. Bitte speichern Sie Ihre Simulation zwischendurch ab (hierzu schließen Sie gegebenenfalls die Analysis)! 3.1 Inverter Bauen Sie nun den oben beschriebenen RT Inverter mit einem ohmschen Widerstand von 1 k auf. Hierzu verwenden Sie bitte den Transistor BS170_2. Den BS250_2 löschen Sie bitte aus der ersten Simulation. Die weiteren Bauteile finden Sie unter dem Pulldownmenü Components. Hier folgen Sie dem Punkt Analog Primitives. Wählen Sie dann eine Versorgungsspannung von 6 V, indem Sie eine Batterie im Unterpunkt Waveform Sources auswählen. Setzen Sie diese, wie folgt in den Schaltplan ein: Klicken Sie auf Battery. Das Pulldownmenü verschwindet. Das Schaltzeichen klebt am Mauszeiger. Setzen Sie es mit einem Linksklick in den Schaltplan ein. Es öffnet sich das Attributsfenster der Batterie. Wenn nicht, hilft ein Doppelklick auf das Schaltzeichen. Hier tragen Sie unter dem Punkt Value eine 6 für 6 Volt ein. Bitte überprüfen Sie Ihre Einstellungen mit einem Klick auf den Plot - Button. Mit der ESC Taste werden Sie das Schaltzeichen wieder von der Maus los. Speisen Sie den Eingang mit einem Dreiecksignal von 1 khz mit einer Spannung, die zwischen dem Eingangswert 0 und 6 Volt Spitzenwert variiert. Dazu wählen Sie den Puls Source, welcher sich im selben Pulldownmenü unter dem Punkt Waveform Sources befindet. Für das Dreiecksignal sind einige Einstellungen im Attributsfenster vor zu nehmen. Wählen Sie für das Dreiecksignal unter dem Punkt Model Triangle aus. Übernehmen Sie nun die in der unten abgebildeten Tabelle stehenden Werte. Bitte überprüfen Sie auch hier Ihre Einstellungen mit der Plott - Funktion. Vervollständigen Sie nun die Schaltung, indem Sie die restlichen Bauteile einfügen (einige finden Sie unter diesen Symbolen: ) und die einzelne Komponenten miteinander verbinden ( ).

4 4 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung Außerdem ziehen Sie die Masseverbindungen, indem Sie das Masse Symbol ( ) aus der Leiste wählen. Diese setzen Sie an den negativen Pol der Batterie und des Puls Sources. Der Sourceanschluss des Transistor wird ebenfalls mit Masse verbunden. Dann müssen die Knotenpunkte sichbar gemacht werden. Dazu klicken Sie auf folgende Schaltfläche in der Leiste:. Nun oszillographieren Sie das Ausgangssignal. Dazu öffnen Sie das Pulldownmenü Analysis. Folgen Sie hier dem Punkt DC.... Es öffnet sich das unten zu sehende Fenster. Hier nehmen Sie folgende Einstellungen vor: Unter dem Punkt Name wählen Sie bei Variable 1 den Puls Source aus, indem Sie V1 bzw. V2 einfügen (je nach dem ob Sie die Batterie oder den Puls Source zuerst in den Schaltplan eingefügt haben, kann die Zahl variieren.). In die Spalte X Expression tragen Sie die Nummer des Knotenpunktes ein, an dem die Eingangsspannung liegt und in die Spalte Y Expression die Nummer des Knotenpunktes, an dem die Ausgangsspannung liegt. Hierzu ein Beispiel: V(1). Wenn Sie die Analysis zum ersten Mal durchführen, setzen Sie einen Haken in das Feld Auto Scale Range. Übernehmen Sie schließlich die Rangeangaben aus dem unten stehendem Bild. Achten Sie außerdem darauf, dass die Angabe unter Maximum Change % mit 3 angegeben ist. Zaubern Sie die Inverterkennlinie auf den Bildschirm, indem Sie den Run Button drücken und vergleichen Sie mit Ihrer Vorhersage. Bitte speichern Sie jeden Versuch unter seinem Namen im Ordner Praktikum WS10 ab! Um speichern zu können, schließen Sie zunächst die DC Analysis!

5 5 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung Bauen Sie nun einen CMOS Inverter mit den Transistoren BS 170_2 und BS 250_2 auf dem gleichen Wege wie in Aufgabe auf. Bestimmen Sie die Übertragungskennlinie U A (U E ), indem Sie sie gleiche Analysis, wie in Versuch 3.1.1, durchführen. Bitte drehen Sie den Transistor BS250_2 so, dass der Sourceanschluss oben liegt. Hierzu helfen Ihnen folgende Schaltflächen:. Um Legen Sie nun an den Eingang ein Dreiecksignal (immer die gleiche Frequenz), welches zwischen 0 und der Versorgungsspannung variiert. Verwenden Sie dazu den gleichen Puls Source, wie in Aufgabe Die konstante Spannung von 6 V am Drain, bzw. Source, bleibt bei den Versuchen und gleich Leitwert MOS Transistor als spannungsabhängiger Widerstand. Wird ein MOS Transistor so beschaltet, dass die Spannung zwischen Drain und Source viel kleiner als die Spannung zwischen Gate und Source ist, so wird er im Anlauf betrieben. Da in diesem Fall der Term U DS ² sehr klein wird, steigt der Draistrom fast linear mit der Drain-Source Spannung an. Bitte simulieren Sie folgende Schaltung mit R S =100 Ω: 1 Stellen Sie den Leitwert R = I als Funktion der Eingangsspannung U U E im DS Bereich 0<U E <6 Volt dar. Löschen Sie den BS250_2 und drehen Sie den BS170_2 entsprechend! Dazu beschalten Sie den Transistor am Sourceanschluss mit einem 100 Ω Widerstand. Ans Gate legen Sie eine feste Spannung von 6 V. Schließen Sie an den Drainanschluss wieder den gleichen Puls Source wie in den Teilversuchen und an. Um den Leitwert dar zu stellen muss folgen Formel in das Feld

6 6 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung Y Expression eingetragen werden: 1 R T = I Transistor U e U a In das Feld X-Expression Tragen sie bitte die Nummer des Knotenpunktes ein, an welchem die Eingangsspannung anliegt. Außerdem tragen Sie in das Feld Name nun noch die Bezeichnung des Puls Sources ein (V1 bzw. V2). 4. Messungen mit Hardware im Elektroniklabor Als Hilfe dienen die Beschreibungen im Anhang. Wenn Sie die Spannungen mit dem Oszilloskop messen, muss auf dem Bildschirm wenigstens eine ganze Periode und die ganze Amplitude zu sehen sein, damit Ihre Messungen genau werden! Bauen Sie den oben beschriebenen RT Inverter mit einem ohmschen Widerstand von 1 kω und dem Transistor BS 170 wie folgt auf: Legen Sie an R D eine Versorgungsspannung von 6V. An das Gate wird ein Dreieckssignal mit U SS 4 V, überlagert von einer Gleichspannung von 2 V und einer Frequenz von 1kHz, angelegt. Stellen Sie hierzu die Amplitude auf 2 V ein und aktivieren Sie den DC-Offset. Diesen stellen Sie ebenfalls auf 2 V. Als Hilfe dient Ihnen hier die Measure-Funktion des Oszilloskops. Mit Ihr messen Sie die Spitzt- Spitze-Spannung von Chanel 1 und den Mittelwert der Spannung von Chanel 1, welche Sie, wie beschrieben, einstellen. Messen Sie nun mit dem Oszilloskop die Spannung U A und stellen Sie die Inverterkennlinie dar. Hierzu hilft Ihnen die Display - Funktion (Formatwechsel) des Skops. Sie ändern Das Format, indem Sie erst die Displaytaste und dann die XY - Taste drücken Bauen Sie nun einen CMOS Inverter mit den Transistoren BS 170 und BS 250 auf und zeichnen Sie die Übertragungskennlinie U A (U E ). Hier hilft Ihnen wieder die Display - Funktion. Legen Sie eine Versorgungsspannung von 6 V an den Sourceanschluss des BS250. An das Gate wird ein Dreiecksignal mit der Frequenz von 1 khz und einer zwischen 0 V und 6 V variierenden Spannung angelegt. Stellen Sie hierzu die Amplitude auf 6 V ein und erhöhen Sie den DC - Offset auf 3 V. Bei der Einstellung hilft Ihnen wieder die Measure-Funktion des Skops. Messen Sie nun Sie Spannung U A mit dem Oszilloskop.

7 7 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung CMOS Transistor als spannungsabhäniger Widerstand Gleichspannung Gleichstrom Buchsenauswahl: COM und VΩ,Temp,Hz METRAHIT Pro METRAHIT X - TRA Buchsenauswahl: COM und ma/a Bitte verwenden Sie für die Spannungsmessungen (U DS und U E ) das METRAHIT Pro und für die Strommessungen (I T ) das METRAHIT X - TRA! Nutzen Sie für die Spannungsversorgung von U E bitte den rechten Ausgang des Netzteils. Dieser ist für eine feinere Abstimmung mit 10 - Gang Potentiometern ausgestattet. Beschalten Sie nun einen NMOS Transistor (BS170) so, dass er zu einem spannungsabhänigen Widerstand wird. Hierzu legen Sie ein feste Spannung von 6 Volt an das Gate. Der Sourceschluss wird über einen 100 Ω Widerstand an Masse angeschlossen. Messen Sie mit dem Strommessgerät den Strom I T, der durch den Transistor fließt. Messen Sie außerdem die Spannung U A mit einem weiteren Messinstrument. Die Eingangsspannung U E, am Drain, wird wie folgt eingestellet. Nehmen Sie die Spannung U DS und den Strom I T im Bereich 0 V<U E <6 V tabellarisch 1 auf, damit Sie nachher den Leitwert R = I berechnen können (Messblatt im U DS Anhang). Bitte nehmen Sie Ihre Messergebnisse mit ausreichend Nachkommastellen in die Tabelle auf Tragen Sie die unter aufgenommenen Werte in ein Diagramm ein. (Blatt quer nehmen!) X-Achse: 4 cm = 1 V Y-Achse: 1 cm = 50 ms

8 8 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung 5. Auswertung 5.1 Welchen Vorteil hat der CMOS-Inverter gegenüber dem RT-Inverter? 5.2 Sie haben einen Transistor so beschaltet, dass er zu einem spannungsabhängigen Widerstand wird. Wie verhält sich hierbei der Strom I T zur Spannung U DS? 5.3 Bitte beschreiben Sie wie sich die Wirklichkeit von der Simulation unterscheidet.

9 9 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung 6.0 Anhang 6.1 Kurzeinführung für das Tektronix TDS 2002B Oszilloskop Measure Funktion Measure - Funktion des Oszilloskops. Wenn Sie die Measure Funktion des Oszilloskops aufrufen, dann erscheint am rechten Bildrand mehrere Felder, in denen direkt Messergebnisse angezeigt werden. Die Taste, welche sich direkt neben jedem Feld befindet, dient hier zur Auswahl der Quelle pro Feld und zur Wahl des Messtyps pro Feld. Wenn Sie Ihre Auswahl getroffen haben kommen Sie mit der Zurück Taste zum normalem Measure Bild zurück Display Funktionen (Formate XY und YT ) Display - Funktionen des Skops, hier können Sie vom XY Modus zum YT Modus wechseln. Wenn Sie die Display - Taste drücken, erscheint am rechten Bildrand eine Auswahl. Hier betätigen Sie die Format - Taste, um zwischen den Formaten XY und YT zu wechseln. Um die Kennlinien im XY - Format zu vergrößern und zu verschieben, dienen Ihnen die unter beschriebenen Drehknöpfe.

10 10 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung Autoset Für die Darstellung der Signale hilf Ihnen die Autoset Taste. Bei Betätigung stellt das Oszilloskop automatisch Volts/Div und Sec/Div ein.ein anderer Weg die Signale passend auf dem Schirm darzustellen ist die manuelle Einstellung Manuelle Einstellungen (2) (1) Für die manuelle Einstellung der Divisionen auf dem Schirm, steht pro Kanal ein Einstellknopf zur Veränderung der Spannung/Div zur Verfügung. Im YT Modus: Vergrößern der Kennlinien (1). Mit den Darüber liegenden, kleineren Knöpfen ist es möglich die Kurve auf dem Schirm in der vertikalen Lage zu verschieben. Im YT Modus: Verschieben der Kennlinien (2).

11 11 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung (2) Um die Zeit/Div einzustellen steht Ihnen ein Drehknopf zur Verfügung (1). Mit dem darüber liegenden, kleinen Knopf können Sie die Kurve in der horizontalen Lage verschieben (2). (1)

12 12 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung Trigger Menü (2) (1) (4) Um das Signal vernünftig dar zu stellen, kann man im Trigger Menü Eine Quelle (Chanel1/2) festlegen (1/4). Danach richtet sich dann das Skop. Über den kleinen Knopf über der Taste wird der Pegel fest gelegt (2). Wenn Sie diesen Knopf drehen, sehen Sie, wie sich am rechten Bildrand ein kleiner Pfeil (3) auf und ab bewegt.dieser Pfeil ist immer in der Farbe, des im Trigger Menü gewählten Kanals, dargestellt. Um nun kein schwimmendes Bild zu bekommen, muss dieser Pfeil immer im Signal liegen (s. Beispiel). (3)

13 13 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung 6.2 Bedienungsanleitung der Vielfachmessinstrumente METRAHIT X - TRA und METRAHIT Pro Manuelle Messbereichswahl Sie können die Messbereichsautomatik abschalten und die Bereiche entsprechend der folgenden Tabelle manuell wählen und fixieren, indem Sie die Taste MAN / AUTO drücken. Anschließend können Sie den gewünschten Messbereich über die Cursortaste oder einstellen. Sie kehren zur automatischen Bereichswahl zurück, wenn Sie die Taste MAN / AUTO drücken, wenn Sie den Drehschalter betätigen oder wenn Sie das Gerät aus- und wieder einschalten. Quelle: Die gesamten Anleitungen finden Sie unter:

14 14 Versuch 3 : S i m u l a t i o n mit Micro-Cap (Demo) / Hardware-Messung Messblatt für den Versuch 3 Teilaufgabe CMOS Transistor als spannungsabhängiger Widerstand R S = 100 Ω U E / V I T / ma U DS / mv 1 R T = I T U DS