Labor Mikroelektronik Prof. Dr.-Ing. Frank Kesel Dipl.-Ing.(FH) Manuel Gaiser Dipl.-Ing.(FH) Uwe Halmich Versuch 2: CMOS-Inverter Stand: 19.4.2010
1 Aufgabenstellung Sie sollen in diesem Versuch einen CMOS-Inverter simulieren. Dabei soll zunächst mit Hilfe einer PSpice-DC-Analyse die DC-Transferfunktion des Inverters für verschiedene Dimensionierungen simuliert und mit Handrechnungen verglichen werden. In einem zweiten Schritt soll dann das Zeitverhalten mit Hilfe einer Transienten-Analyse simuliert und wiederum mit Handrechnungen verglichen werden. 2 Schaltungseingabe Legen Sie wie in Versuch 1 gelernt ein neues OrCAD-Projekt an. Geben Sie die Schaltung eines CMOS-Inverters im Schema-Editor ein. Wählen Sie hierzu die benötigten Bauelemente wiederum aus der Bibliothek MOSPARTS aus. Benutzen Sie für die die Parameter aus Versuch 1. Dimensionieren Sie die MOS-Transistoren zunächst wie folgt: NMOS: W=1μm, L=1μm PMOS: W=1μm, L=1μm Verwenden Sie als Versorgung eine VDC-Spannungsquelle. Verwenden Sie für den ersten Teil (Abschnitt 3) 5 Volt als Versorgungsspannung und im zweiten Teil (Abschnitt 4) 4 Volt für Versorgung und Eingangsspannung. Schließen Sie am Eingang des Inverters nun allerdings eine VPWL- Spannungsquelle (auch aus der MOSPARTS -Bibliothek) an. Hier handelt es sich um eine Quelle bei welcher Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung durch Angabe von Wertepaaren Zeitpunkt/ Spannung bestimmen können. Zwischen den von Ihnen angegebenen Wertepaaren wird dann durch Geradenstücke interpoliert (PWL: Piece-Wise Linear). Wenn Sie einen Doppelklick auf die Quelle ausführen startet der Property-Editor auf und Sie können im rechten Teil die Wertepaare angeben, wie in Abbildung 1 unten gezeigt. 4 4 Uin [V] 4 10 10.001 20 20.001 Abbildung 1: PWL-Quelle (nicht massstäblich) t [ns] Geben Sie zunächst den in Abbildung 1 gezeigten Spannungsverlauf mit Anstiegs- und Abfallzeiten von 1ps ein. Labor Mikroelektronik Versuch 2: CMOS-Inverter Seite 2 / 5
3 Bestimmung der DC-Transferfunktion des Inverters Legen Sie ein Simulationsprofil für die DC-Analyse an, wie im letzten Versuch gelernt. Überlegen Sie sich, welche Spannung Sie als Sweep -Variable nehmen müssen. Nehmen Sie als Schrittweite 0,01V. a) Messen Sie für die eingegebene Dimensionierung der MOSFETs (NMOS: W=1μm, L=1μm PMOS: W=1μm, L=1μm) die logische Schwellspannung U schwelle des Inverters wenn die Ausgangsspannung gerade U dd /2=2,5V erreicht hat. b) Verändern Sie die Weiten der MOSFETs so, daß sich eine symmetrische Transferfunktion einstellt, das heißt U schwelle = 2,5V. c) Wie hoch wird die größte logische Schwellspannung des Inverters sein, die Sie einstellen können? Überprüfen Sie Ihre Hypothese anhand einer Simulation. d) Wie hoch wird die kleinste Schwellspannung sein, die Sie einstellen können? Überprüfen Sie ebenfalls anhand einer Simulation. e) Stellen Sie die ursprüngliche Dimensionierung aus Teil a) wieder her und messen Sie nun die maximale Stromaufnahme der Schaltung. In welchem Arbeitsbereich befinden sich der NMOS- und der PMOS-Transistor am Punkt der maximalen Stromaufnahme? 4 Bestimmung des Zeitverhaltens des Inverters Um das Zeitverhalten des CMOS-Inverters bestimmen zu können muß eine Belastung des Ausgangs angenommen werden. Bei CMOS-Schaltungen sind die Belastungen in der Regel kapazitiv, z.b. der Eingang eines nachfolgenden Gatters. Um dies nachzubilden schließen wir eine Kapazität an den Ausgang des Inverters an. Verwenden Sie hierzu das Bauelement C aus der MOSPARTS-Bibliothek. Sie sollen dann gemäß Tabelle 2 die Anstiegs- und Abfallzeiten des Inverters für verschiedene Größen der Last und verschiedene Dimensionierungen simulieren und mit Handrechnungen vergleichen. Wählen Sie die Versorgungsspannung und die Eingangsspannung der Schaltung so, daß Sie die vereinfachte Formel für die Schaltzeiten aus der Vorlesung verwenden können. Die Simulation des Zeitverhaltens wird mit einer sogenannten Transienten-Analyse durchgeführt. Legen Sie hierzu für Ihre Schaltung in OrCAD eine neues Simulations-Profil an. Wählen Sie dort unter der Schaltfläche Analysis beim Punkt Analysis type den Typ Time Domain (transient) aus. Tragen Sie unter Run to time ein, wie lange der Zeitraum dauern soll, den Sie simulieren möchten (z.b. 50ns sind ausreichend). Simulieren Sie nun die Schaltung. Im PROBE-Fenster von PSpice können Sie den Zeitverlauf des Inverter-Ausgangssignals ansehen, wenn Sie den richtigen Trace ausgewählt haben. Zur der Anstiegs- und Abfallzeiten können Sie in PSpice vorgefertigte Funktionen nehmen. Sie finden diese unter "Trace" > "Evaluate Measurement". Auf der rechten Seite des Fensters sind die verfügbaren Funktionen aufgelistet, wir verwenden "Falltime_StepResponse_XRange(1,begin_x,end_x)" und "Risetime_StepResponse_XRange(1,begin_x,end_x)". Diese Funktionen benötigen drei Argumente: Ein Signalname und zwei Zeitpunkte, zwischen denen die durchgeführt werden soll. Wählen Sie zunächst die Funktion durch einen einfachen Klick mit der Maus und dann das erste Argument durch einen weiteren Klick auf das zu untersu- Labor Mikroelektronik Versuch 2: CMOS-Inverter Seite 3 / 5
chende Signal im linken Listenfeld. Die beiden noch fehlenden Argumente geben Sie über die Tastatur ein. Für die Abfallzeit wäre z.b. ein Bereich von 9 ns bis 11 ns geeignet. Unter "Trace Expression" würden Sie dementsprechend die Werte 9n und 11n für die beiden fehlenden Argumente eingeben. Wenn Sie alles richtig gemacht haben, sollte unter "Trace Expression" in etwa Folgendes stehen: Falltime_StepResponse_XRange(V(N2),9n,11n). Wenn Sie nun auf OK drücken, berechnet die Funktion die Abfallzeit. Das gleiche können Sie dann für die Anstiegszeit durchführen. 5 Erwartete Messergebnisse Führen Sie nun folgende en und en durch: a) Wählen Sie ein W/L-Verhältnis für beide Transistoren von 1. Die Länge der Transistoren sei immer 1μm. Simulieren Sie nun die Anstiegs- und Abfallzeiten für eine Last von 15fF. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Resultaten der Handrechnung. b) und c) Wie a) mit den Lasten 150fF und 300fF. d) Dimensionieren Sie nun zunächst per Handrechnung die MOS-Transistoren so, daß eine Last von 300fF symmetrisch in 1ns geschaltet werden kann. Die Längen der Transistoren seien jeweils 1μm. Tragen Sie die errechneten Werte im Schaltplan ein und simulieren Sie die Anstiegs- und Abfallzeiten. Labor Mikroelektronik Versuch 2: CMOS-Inverter Seite 4 / 5
Labor Mikroelektronik Versuch 2 Lösungsblatt Name: Tabelle 1: DC-Transferfunktion Aufgabe Wn Wp a 1μm 1μm b c d Schwellspannung Schwellspannung e 1μm 1μm Stromaufnahme: Arbeitsbereich NMOS: Arbeitsbereich PMOS: Tabelle 2: Anstiegs- und Abfallzeiten Aufgabe W p ; W n (L=1μm) C last Anstiegszeit Abfallzeit Anstiegszeit Abfallzeit a 1μm, 1μm 15fF b 1μm, 1μm 150fF c 1μm, 1μm 300fF d 300fF 1ns 1ns Labor Mikroelektronik Versuch 2: CMOS-Inverter Seite 5 / 5