Hardware Praktikum 2009

Transkript

1 Hardware Praktikum 2009 Prof. Dr. H.-J. Wunderlich Dipl.-Inf. M. Imhof Dipl.-Inf. S. Holst

2 Übersicht Organisatorisches Tiefpass Hochpass SPICE Zusammenhänge 2

3 Organisatorisches Accounts Sollten freigeschaltet sein, falls nicht fehlt Unterschrift oder Accountname Bei Problemen Tutor verständigen, oder nach der Vorbesprechung kurz vorkommen. Default-Passwort unbedingt ändern! Verhalten im Pool Es gilt die unterschriebene Benutzerordnung Rechner nicht herunterfahren, da diese auch für Forschung und Simulationen genutzt werden Bei Problemen mit Rechnern Tutor verständigen! 3

4 Überblick Rechnerlandschaft ralab01 ralab26.informatik.uni-stuttgart.de Dual Core Athlon ,4 GHz 4 GB RAM 154 Millionen Transistoren Extrem viele Tiefpässe 4

5 Nutzung Dateien auf HaPra-Rechner kopieren scp -C inverter.sp Mit ssh auf HaPra-Rechner einloggen ssh -X Näheres zu ssh/scp siehe Skript oder manpages man ssh Grafischer Login mit NX möglich Client auf erhältlich Linux Doku ist auf der HaPra Homepage verlinkt 5

6 Übersicht Organisatorisches Tiefpass Theoretisch Messen Simulieren Hochpass SPICE Zusammenhänge 6

7 Tiefpass wofür? Elementar wichtig für die Modellierung von Verzögerungen in Transistornetzen Source-Drain Widerstände Gate Kapazitäten, die über Widerstände geladen werden müssen Braucht Zeit Maximale Frequenz wird beschränkt 7

8 Tiefpass - Hintergrund 1. Kirchhoffsches Gesetz Knotenregel Die Summe der zufließenden Ströme in einem elektrischen Knotenpunkt ist gleich der Summe der abfließenden Ströme. Strom beim Widerstand Umgekehrt proportional zu R Proportional zu Spannung U Strom beim Kondensator Proportional zu Kapazität Abhängig von Spannungsänderung i I U R du C dt 8

9 Tiefpass was ist das? Kondensator wird über Widerstand geladen Niedrige Frequenz: Kaum Strom durch C Höhere Frequenz höherer Strom durch C Niedrigere Endspannung, flache Ladekurve Tiefpass filtert hohe Frequenzen, tiefe Frequenzen können passieren U 70% Grenzfrequenz: Unterhalb: Annähernd ungeschwächt Oberhalb: Abgeschwächt 1 0 f f G 9 2 RC

10 Übersicht Organisatorisches Tiefpass Hochpass Theoretisch Messen Simulieren SPICE Zusammenhänge 10

11 Übersprechen Kondensator: 2 Elektroden, Isolationsschicht Isolationsschicht, Dielektrikum kann auch Luft sein Benachbarte Leitungen modellieren einen Hochpass 11

12 Hochpass Kondensator: Niedrige Frequenz: Hoher Widerstand Hohe Frequenz: Niedriger Widerstand du i C dt U I R Hochpass filtert niedrige Frequenzen, ho[c]he Frequenzen können passieren Grenzfrequenz: Unterhalb: Abgeschwächt Oberhalb: Annähernd ungeschwächt f G 2 1 RC 12

13 Bandpass Kombination aus Hoch- und Tiefpass Bandbreite B=f 2 -f 1 f 1 untere Grenzfrequenz f 2 obere Grenzfrequenz 13

14 Übersicht Organisatorisches Tiefpass Hochpass SPICE Zusammenhänge 14

15 Simulation mit SPICE Nicht Gewürz sondern Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis Simulation mit SPICE ngspice - Kommandointerpreter für GNU/Linux Unbedingt lesenswert SPICE-Kapitel im Skript Schaltungsbeschreibung Knotennetzliste 15

16 Beispiel Inverter Schaltung wird als Knotennetzliste modelliert (Kirchhoffsche Knoten- und Maschenregel) U V dd V in V out Knoten festlegen 16

17 Beispiel Inverter (2) U 0 Knoten: 0 in SPICE immer Masse 17

18 Beispiel Inverter (3) 1 U 0 Knoten: 0 in SPICE immer Masse 1 Versorgungsspannung 18

19 Beispiel Inverter (4) 1 U 2 0 Knoten: 0 in SPICE immer Masse 1 Versorgungsspannung 2 Eingang 19

20 Beispiel Inverter (5) 1 U Knoten: 0 in SPICE immer Masse 1 Versorgungsspannung 2 Eingang 3 Ausgang 20

21 Knotennetzliste SPICE U Knoten: 0 in SPICE immer Masse 1 Versorgungsspannung 2 Eingang 3 Ausgang 0 Jedes Bauteil ergibt eine Zeile im Programm. Intern Matrizen, darauf Simulationen und Analysen. Mehr Infos siehe Vorlesung Algorithmen und Methoden in der Entwurfsautomatisierung 21

22 SPICE-Programm CMOS-Inverter erste Zeile immer Kommentar 1 U

23 SPICE-Programm (2) CMOS-Inverter.tran 0.001us 0.4us Analyseart und -zeitraum festlegen Transienten Analyse: Untersucht das Zeitverhalten eines Netzwerks Darstellung von U und I bezüglich einer Zeitachse U

24 SPICE-Programm (3) CMOS-Inverter.tran 0.001us 0.4us vin 2 0 pulse ( 0V 5V us 0.2us) vdd 1 0 5V Spannungsquellen 1 Eingangssignal Versorgungsspannung U

25 Transistormodelle in SPICE: Modelldefinition Beispiel ZVN3306A.model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 Genaue Beschreibung der Modelle in der SPICE- Dokumentation 25

26 Ersatzschaltbild - Bedeutung einiger Modellparameter.model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 26

27 Transistormodelle in SPICE: Modellanweisung m<name> Drain Gate Source Bulk Model Beispiel: mtransistor zvn3306a Drain 2 Gate 1 Bulk 0 Source 27

28 SPICE-Programm (4) mosp 1 U 2 3 CMOS-Inverter.tran 0.001us 0.4us vin 2 0 pulse ( 0V 5V us 0.2us) vdd 1 0 5V.model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1.model zvp3306a pmos vto= rs=5.227 rd=7.524 is=1e-15 kp=.145 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 lambda=6.67 mosn zvn3306a mosp zvp3306a mosn 0 Modeldefinition Modelanweisung 28

29 SPICE-Programm (5) 1 U 2 3 CMOS-Inverter.tran 0.001us 0.4us 0 vin 2 0 pulse ( 0V 5V us 0.2us) vdd 1 0 5V.model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1.model zvp3306a pmos vto= rs=5.227 rd=7.524 is=1e-15 kp=.145 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 lambda=6.67e-3 mosn zvn3306a mosp zvp3306a.end.end nicht vergessen! 29

30 Arbeiten mit SPICE SPICE-Programm in beliebigen Texteditor eingeben 30

31 Arbeiten mit SPICE (2) ngspice starten 31

32 Arbeiten mit SPICE (3) Simulation starten 32

33 Arbeiten mit SPICE (4) Ergebnisse plotten lassen 33

34 Arbeiten mit SPICE (5) Vom Tutor abzeichnen lassen / ausdrucken 34

35 Arbeiten mit SPICE (6) Ein Beispiel für eine Strommessung 35

36 Tipps Unterschied milli ( m ) / mega ( meg ) beachten 1. Zeile ist immer Kommentar ".end" nicht vergessen ngspice steht unter der GPL help Kommando verwenden Strommessung ist nur an Quellen möglich 36

37 Übersicht Organisatorisches Tiefpass Hochpass SPICE Zusammenhänge 37

38 Analogsimulation mit SPICE INVX1 Schematic Transistornetzliste INVX1 Simulation des elektrischen/analogen Verhaltens mit SPICE 38

39 Layout und Technologieparameter Schnittbild Poly SiO2 p + p Substrat n Wanne 1 V DD Schnittline µm V SS INVX1 Layout 39

40 Layout - Schema 40

41 Layout - Chip 41

42 Beispiele 42

43 Viel Spass im HaPra 2009! HaPra Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 47