Analoge CMOS-Schaltungen

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: linearisiertes Kleinsignalverhalten???? um einen zeitlich festen Arbeitspunkt Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2

3 PSPICE-Simulation Transiente Simulation: x-achse Zeit analog3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3

4 PSPICE-Simulation Frage: Wieviel 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 4

5 PSPICE-Simulation Aber: langwierige transiente Simulation, Ergebnisse nur von Hand ermittelbar!! t PSPICE: auch AC-Simulation (AC-Quellen werden frequenzmäßig gesweept ) vorgesehen f 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 Wert abgefahren ist Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5

6 PSPICE-Simulation ungefähre Meßgröße: 1dB compression point Eingangsspannung, bei die Meßgröße (z. Bsp. Spannungsverstärkung) um 1 db gegenüber dem extrapolierten Wert abgefallen ist Ausgangsspannung compressed falsch linear Eingangsspannung Spannungsverstärkung 1 db compression point Kleinsignal Großsignal 1 db Eingangsspannung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6

7 PSPICE-Simulation AC-Simulation: x-achse Frequenz AC-Quelle (variable Frequenz) statt Sinus-Quelle (feste Frequenz) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7

8 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Schaltung: Wie wirken kleine Änderungen aus, wobei die Kennlinie der nichtlinearen Bauelemente linearisiert wird? U CC R I DS I DS U G D U A U E S 0 U A E Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8

9 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Schaltungselemente aktive Bauelemente: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS Aufgabe: wie wirken kleine Änderungen (Kennlinie linear angenähert) von U GS und von U DS aus im Sättigungs- und Widerstandsbereich auf den MOS-Transistor aus? I DS I DS U GS G D U DS U GS S 0 U DS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9

10 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Welchen mathematischen Vorgang entspricht das Kleinsignalersatzschaltbild? I DS I DS U GS U DS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10

11 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Wenden Sie diesen mathematischen Vorgang auf die I DS -U GS /U DS - Kennlinie im Widerstandsbereich an! Widerstandsbereich NMOS: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11

12 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Wenden Sie diesen mathematischen Vorgang auf die I DS -U GS - Kennlinie im Sättigungsbereich an! I DS Welche Schwierigkeit ergibt sich? Sättigungsbereich NMOS: U DS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12

13 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Wie wirkt sich die Kanallängenmodulation auf das Ausgangskennlinienfeld aus? Wie kann man diese Auswirkung mathematisch beschreiben? Sättigungsbereich NMOS: I DS U DS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13

14 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Wenden Sie diesen mathematischen Vorgang auf die I DS -U GS /U DS - Kennlinie im Sättigungsbereich an! Sättigungsbereich NMOS: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14

15 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Wenden Sie diesen mathematischen Vorgang auf die I DS -U GS /U DS - Kennlinie im Sättigungsbereich an unter Berücksichtigung der sehr kleinen U DS -Abhängigkeit! Sättigungsbereich NMOS: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15

16 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Bezeichnungen (GS=Großsignal, KS=Kleinsignal): Steilheit g m Ausgangsleitwert g 0 g M = g 0 = Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16

17 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Stellen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild eines NMOS-Transistors auf! Verknüpfen Sie die Elemente des Kleinsignalersatzschaltbildes mit der Ausgangskennlinie eines NMOS-Transistors! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17

18 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS Ist der Widerstands- oder der Sättigungsbereich aufgrund der gerade abgeleiteten Größen besser für analoge (Spannungs-)Verstärkerschaltungen geeignet? Widerstandsbereich: Sättigungsbereich: g M = g M = g 0 = g 0 = Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18

19 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS Ist der Widerstands- 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 DS ) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19

20 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Allgemein: Analogschaltungen werden meist im bereich betrieben!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20

21 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS: Sättigungsbereich: g M I W DS = = kn 2 U GS L I DS noch nicht bekannt!! g 0 I DS = = I DS U DS λ Parameter λ noch nicht bekannt!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21

22 PSPICE-Simulation I DS analog3: Ausschnitt aus Output-File: I DS 2,23 ma Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22

23 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS: Sättigungsbereich: g M I W DS = = k N 2 U GS L I DS g 0 I DS = = I DS U DS λ Parameter λ noch nicht bekannt!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23

24 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 DS, Treff Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24

25 PSPICE-Simulation Bestimmen Sie den Parameter λ!! analog1 Antwort: λ =?? Stellen Sie das Simulationsprofil auf zur Ermittlung des Parameter λ! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25

26 PSPICE-Simulation Frage: Bestimmen Sie den Parameter λ!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26

27 Zeichnen im PSPICE: PSPICE-Simulation Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27

28 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS: Sättigungsbereich: g M I W DS = = kn 2 U GS L I DS g 0 I DS = = I DS U DS λ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28

29 PSPICE-Simulation g M, g 0 besser aus Output-File, da genauere Gleichungen!! g M und g 0 aus Output-File werden verwendet Grund: bessere Gleichungen speziell bei Kurzkanal-Transistoren g M 2, A/V g 0 1, A/V Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29

30 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Schaltungselemente aktive Bauelemente: Kleinsignalersatzschaltbild NMOS Aufgabe: wie wirken kleine Änderungen (Kennlinie linear angenähert) von U GS und von U DS aus im Sättigungs- und Widerstandsbereich auf den MOS-Transistor aus? Steilheit g m Ausgangsleitwert g 0 I DS U GS G D I DS U DS S U GS 0 U DS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30

31 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 31

32 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Schaltelemente im linearisierten Kleinsignalersatzschaltbild: Widerstand bleibt R =U/I Kondensator bleibt 1/(j 2 π f C) =U/I Spule f bleibt j 2 π f L =U/I DC-Spannungsquelle Innenwiderstand 0 Ω Kurzschluß DC-Spannungsquelle Kondensator-Analogie DC-Stromquelle Innenwiderstand Ω Leerlauf DC-Stromquelle Spulen-Analogie AC-Spannungsquelle AC-Stromquelle bleibt als Anregung bleibt als Anregung Koppel-Kondensator (sehr groß) Vereinfachung Kurzschluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32

33 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Geben Sie das Kleinsignalersatzschaltbild für den MOS-R-Inverter an. Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33

34 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Kleinsignalersatzschaltbild für MOS-R-Inverter Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34

35 Linearisierte Kleinsignalverhalten: 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! Was heißt das für die Frequenz? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35

36 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Geben Sie den Wert der Spannungsverstärkung aus den berechneten Werten an!! Antwort: A 0 =?? A 0 = U U A E Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36

37 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Berücksichtigung der Kondensatorlast: Kondensator : Z nimmt mit der Frequenz ab U/I=1/(2 π f C) Wichtig: RC-Zeitkonstante, Pol =1/ RC-Zeitkonstante Frequenzabhängigkeit der Verstärkung darstellbar als U A U E ( f ) = A 1+ 1 j 2 π Pol 0 f Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37

38 Linearisierte Kleinsignalverhalten: aus Vorlesung Professor Jungemann, Schaltungstechnik II Teil: Analoge Grundschaltungen bekannt!? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38

39 Linearisierte Kleinsignalverhalten: R V OUT V IN C 0 0 dual zu V OUT I IN R C Analoge CMOS-Schaltungen Folie

40 Linearisierte Kleinsignalverhalten: Berechnen Sie die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung bei MOS-R-Inverter! Welcher welcher Frequenz ist der Betrag der Spannungsverstärkung um 3 db gesunken (3dB-Frequenz)? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40

41 PSPICE-Simulation Überprüfung durch AC-Simulation: x-achse Frequenz analog4 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41

42 PSPICE-Simulation Verstärkung: Rechenfunktion unter Trace/Add Trace Analoge CMOS-Schaltungen Folie 42

43 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: A = g R1 0 M 1 y-achse linearer Maßstab Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43

44 PSPICE-Simulation 1. Möglichkeit der Ablesung in db: unter "Trace, Add Trace bei "Analog Operators and Functions DB() auswählen und gewünschte Kurven in die Klammern einsetzen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44

45 PSPICE-Simulation 2. Möglichkeit der Ablesung in db: in "Design Entry CIS" vorbereiten: unter "Markers, Advanced" "db Magnitude of Voltage" auswählen, auf Schaltungspunkt plazieren und die Ausgabe erfolgt in db Analoge CMOS-Schaltungen Folie 45

46 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: A0 = gm R1 0 db y-achse logarithmischer Maßstab Analoge CMOS-Schaltungen Folie 46

47 PSPICE-Simulation 3dB-Frequenz: Trace/Measurement/Cutoff_Lowpass_3dB/Eval, gewünschte Werte Analoge CMOS-Schaltungen Folie 47

48 simulierte 3dB-Frequenz: PSPICE-Simulation berechnet: 366 MHz simuliert: 383 MHz Grund: bei Berechnung Vernächlassigung von g 0 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 48

49 PSPICE-Simulation Ist die AC-Simulation von der AC-Amplitude abhängig (Verhältnisse von Spannungen/Ströme)? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 49

50 PSPICE-Simulation AC-Quellen gelten nur für das Kleinsignalersatzschaltbild!! CK U A U E variable Frequenz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 50

51 Antwort: PSPICE-Simulation Analoge CMOS-Schaltungen Folie 51

52 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 52

53 Spezifikationsliste Spezifikationsliste Spezifikation: Wunsch: Einheit: Versorgungsspannungsbereich minimales V CC Volt Verstärkung hoch db Analoge CMOS-Schaltungen Folie 53

54 maximale Frequenz Eine Kenngröße für die maximale Frequenz, die ein MOS- Transistor verkraftet, ist die sog. Transitfrequenz. I DS 2 π ft = ωt 1 I Frage: Leiten Sie einen Ausdruck für die Transitfrequenz im Kleinsignalfall für Sättigung her, wenn Sie näherungsweise veranschlagen GS C GS ' 2 / 3 WL Cox Analoge CMOS-Schaltungen Folie 54

55 Formeln: maximale Frequenz I DS 2 π ft = ωt 1 IGS W I DS = gm UGS = kn U L ' W = µ N Cox UGS U L I GS = 2 π f C U 2 π GS GS ( U ) GS ( TN ) UGS f TN U GS 2 / 3 WL C Kleinsignalfall!! ' ox U GS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 55

56 maximale Frequenz Antwort: 2 π f T = ω T = 3 2 µ N ( U U ) GS 2 L TN bei sonst gleichen Bedinungen ergibt sich eine inverse Abhängigkeit von der Gatelänge zum Quadrat (ungefähr)!! min Gatelänge (µm) L ft/ghz L/µm 1/L 2 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 56

57 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. 2 π f T = ω T = 3 2 µ N ( U U ) GS 2 L TN min Gatelänge (µm) L ft/ghz L/µm 1/L 2 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 57