Analoge CMOS-Schaltungen

Analoge CMOS-Schaltungen PSPICE: Transmission Lines 18. Vorlesung

Einführung 1. Vorlesung 8. Vorlesung: Inverter-Verstärker, einige Differenzverstärker, Miller-Verstärker 9. Vorlesung: Miller-Verstärker als Subcircuit 10. Vorlesung: Temperaturanalyse 11. Vorlesung: Rausch-Analyse 12. 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 20. Vorlesung: Abändern von Bauteilen 21. Vorlesung: Optimizer zur Schaltungs-Optimierung 22. Vorlesung: Smoke zur Schaltungs-Stress-Analyse 23. Vorlesung: Sample-and-Hold-Schaltung 24. Vorlesung: PSPICE und Systemtheorie 25. Vorlesung: Zukünftige analoge CMOS-Schaltungen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2

Was ist Transmission Line? Transmission Line Leitung (Hin- und Rückleiter) mit Orts- und Zeitabhängigkeit nach Telegraphengleichung 2 x U 2 ' L C ' 2 t U 2 Berücksichtung der Wellencharakteristik Ortsabhängigkeit f(x,t), Transmission Line einfache Leitung nur Zeitabhängigkeit Leitungslänge < kritische Leitungslänge Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3

Was ist Transmission Line? kritische Leitungslänge: 1m Schalter Batterie Lampe einfache Leitung kurze Leitung (z.bsp. 1m) sofort nach Umlegen des Schalters: Lampe brennt Signalgeschwindigkeit Lichtgeschwindigkeit Lichtgeschwindigkeit 300.000 km/s Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4

Was ist Transmission Line? kritische Leitungslänge: Schalter Batterie 300.000 km Transmission Line Lampe lange Leitung (z.bsp. 300.000 km) 1s nach Umlegen des Schalters: Lampe brennt Signalgeschwindigkeit Lichtgeschwindigkeit Lichtgeschwindigkeit 300.000 km/s Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5

Was ist Transmission Line? grobe Abschätzung der kritischen Leitungslänge: digital: Signallaufzeit auf Leitung 1/2 Anstiegs- bzw. Abfallzeit analog: Leitungslänge Bruchteil Wellenlänge (1/10-1/100) Leitungslänge < kritische Leitungslänge: keine Berücksichtung der Wellencharakteristik keine Ortsabhängigkeit f(t), einfache Leitung Leitungslänge > kritische Leitungslänge: Berücksichtung der Wellencharakteristik Ortsabhängigkeit f(x,t), Transmission Line Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6

Was ist Transmission Line? grobe Abschätzung der kritischen Leitungslänge: Leitungslänge < kritische Leitungslänge: keine Berücksichtung der Wellencharakteristik keine Ortsabhängigkeit f(t), einfache Leitung Leitungslänge < kritische Leitungslänge Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7

Was ist Transmission Line? grobe Abschätzung der kritischen Leitungslänge: Leitungslänge > kritische Leitungslänge: Berücksichtung der Wellencharakteristik Ortsabhängigkeit f(x,t), Transmission Line Leitungslänge > kritische Leitungslänge Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8

Was ist Transmission Line? Aufbau Transmission Line: Koaxialleitung Streifenleitung Platine Kupfer Platinenmaterial Kupfer Microstrip-Leitung (on-chip) Stripline-Leitung (on-chip) M8 M8 Isolator M1 Stacked Vias M5 M1 Isolator Substrat Substrat Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9

Was ist Transmission Line? Beobachtung Transmission Line: Hin- und Rückleiter durch einen Isolator getrennt > C zwischen den Leitern Schalter Batterie Isolator Schalter geschlossen I C du dt C Kapazitätsbelag ' Kapazität m Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10

Was ist Transmission Line? Beobachtung Transmission Line: Hin- und Rückleiter Beeinflußung bei Stromfluß Gegeninduktivität zwischen den Leitern Schalter Batterie Stromfluß Schalter geschlossen U L di dt ' L Induktionsbelag Induktivität m Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11

Was ist Transmission Line? Beobachtung Transmission Line: Zeitverlauf: Schalter offen, ungeladene Transmission Line Schalter offen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12

Was ist Transmission Line? Beobachtung Transmission Line: Zeitverlauf: Schalter zu Wellenfront mit Geschwindigkeit v v 1 ' ' L C Schalter zu Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13

Was ist Transmission Line? Beobachtung Transmission Line: Hin- und Rückleiter H- und E-Feldverteilung Schalter zu elektrisches Feld magnetisches Feld Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14

Transmission Line" R L G C charakterische Impedanz, Wellenwiderstand verlustbehaftet Z 0 R G ' ' + + ' j ω L j ω C ' verlustlos Z 0 ' L C ' Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15

Transmission Line" Ausbreitungsgeschwindigkeit v 1 ' L C ' Verzögerungszeit T D Leitunglänge v Beispiel: 1 m Koaxialleitung 50Ω 5 ns T D Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16

Transmission Line" R L G C PSPICE-Modell Transmission line verlustlos: T[xyz] Z0, TD verlustbehaftet: TLOSSY[xyz] L(L L/m) C(C C/m) R(R R/m) G(G G/m) LEN(Leitungslänge) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17

Transmission Line" eingangsseitige Reflexionsstelle Transmission line ausgangsseitige Reflexionsstelle R IN? R L? U E, Gesamt U E, A + U U E, R A, Gesamt U A, A + U A, R absorbiert reflexiert I E, Gesamt I E, A I E, R Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18 I A, Gesamt I A, A I A, R

Transmission Line" eingangsseitige Reflexionsstelle ausgangsseitige Reflexionsstelle R IN? R L? welche Werte für R IN und R L? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19

Wellencharakter Wellencharakter" Z 1 Reflexionen meist unerwünscht!! Ausweg: als Abschluß/Zuleitung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20

Wellencharakter Reflexionfaktor" A r A Z 1 (1-r) A 1 0 r Z Z 1 + Z Z 0 1 < r < 1 Z 1 0 Ώ (Kurzschluß): r 1 Z 1 Ώ (Leerlauf): r + 1 Z 1 (Anpassung): Z r 0 0 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21

eingangsseitiger Anpassung Transmission Line" ausgangsseitiger Anpassung R IN R L r R Z IN 0 E( ingang ) RIN + Z0 0 r R Z L 0 A( usgang ) RL + Z0 0 Anschluß über ansonsten Reflexionen!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22

eingangsseitiger Anpassung Transmission Line" ausgangsseitiger Anpassung R IN R L r U E, R( eflektiert) E( ingang ) U E, A( bsorbiert) 0 r U A, R A( usgang ) U A, A 0 Anschluß über ansonsten Reflexionen!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23

Zeitverlauf Transmission Line" eingangsseitiger Anpassung R IN Stromrichtung I E,A R L Zeitspanne 0s -TD: - während dieser Zeitspanne R L egal Spannung, Strom ausrechenbar U E, A U Quelle R IN Z0 + Z 0 I U Quelle E, A RIN + Z0 U E, A Z 0 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24

Zeitverlauf Transmission Line" Zeitspanne 0s -TD: R L 0 Ώ? Strand R L R L Ώ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25

eingangsseitiger Anpassung Zeitverlauf Transmission Line" ausgangsseitiger Anpassung R IN Zeitpunkt TD: r A 0 (R IN und der Leitung) wegen ausgangsseitiger Anpassung U U (1 + r A, A E, A A U A, R ra U E, A Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26 ) Stromrichtung I A,R I I A, A A, R U R U Z A, A L A, R 0 R L

PSPICE-Simulation Verwenden Sie das angebene File und geben Sie allen Widerständen und der verlustlosen Leitung 50 Ώ! (TD der verlustlosen Leitung 0.5ns) Wählen Sie die Parameter des Sinusquelle entsprechend. Überprüfen Sie die Reflexionsfreiheit! leitung1_sin Überprüfung der Anpassung durch durch Simulation Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27

PSPICE-Simulation leitung1_sin.sch (VSIN f10 GHz) Spannung R IN -T TD0.5ns Spannung T-R L Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28

PSPICE-Simulation Überprüfung der Anpassung durch durch Simulation Zur Simulation von Digitalschaltungen nimmt man eine Pulsequelle. Wählen Sie die Parameter des Pulsequelle V10V, V21V, TD1n, TR10p (Spannungssprung von 0V auf 1V mit 10ps Risetime nach einer Verzögerung von 1ns) Überprüfen Sie die Reflexionsfreiheit! leitung1_pulse Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29

leitung1_pulse PSPICE-Simulation Spannung R IN -T Spannung T-R L TD0,5ns Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30

eingangsseitiger Anpassung Transmission Line" Kurzschluß R IN R L 0 Ώ ausgangsseitiger Abschluß über Kurzschluß: r A 1 Reflexionen!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31

Zeitverlauf Transmission Line" eingangsseitiger Anpassung R IN Stromrichtung I E,A R L 0 Ώ Zeitspanne 0s -TD: - während dieser Zeitspanne R L egal Spannung, Strom ausrechenbar U E, A U Quelle R IN Z0 + Z 0 I U Quelle E, A RIN + Z0 U E, A Z 0 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32

Transmission Line" Kurzschluß R IN R L 0 Ώ Reflexionen, Abschluß über Kurzschluß: Zeitpunkt TD: U U A, A E, A (1 + A) 0 r V U A, R U E, A ra U E, A Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33 r A I I 1 A, A A, R U R U A, A Z L A, R 0

Transmission Line" Kurzschluß R IN R L 0 Ώ Reflexionen, Abschluß über Kurzschluß: r A 1 0s-TD: Reihenschaltung von R IN und Spannung, Strom Zeitpunkt TD: Strom additiv 2 Strom Kurzschlußstrom (Ende) Spannung komplett reflexiert 0V Kurzschluß Zeitpunkt 2 TD: kein Reflexion, da R IN (Anfang) Übernahme der Werte von TD(Ende) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34

PSPICE-Simulation Überprüfung der Fehl-Anpassung durch Simulation Ersetzen Sie RL durch einen Kurzschluß. Berechnen Sie den sich ergebenden Reflexionsfaktor und überprüfen Sie die Reflexion (Spannung und Strom)! Erklären Sie die Ergebnisse! Achtung: Stromrichtung Reflexionsstelle Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35

mit R L 0 Ώ: PSPICE-Simulation r 1 Spannung R IN -T Spannung T-R L Strom R IN -T TD0.5ns Strom T-R L Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36

aus PSPICE-Simulation abgeleitet: mit R L 0 Ώ: r 1 Spannung: 0,5V 0,5 V -0,5 V Strom: 0V 10mA Achtung: Stromrichtung 10 ma 10mA 0mA 0V -20mA 0V 20mA 0V -20mA Anfang Ende Anfang Ende Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37

Zeitverlauf Transmission Line" eingangsseitiger Anpassung Leerlauf R IN Stromrichtung I E,A R L Ώ Zeitspanne 0s -TD: - während dieser Zeitspanne R L egal Spannung, Strom ausrechenbar U E, A U Quelle R IN Z0 + Z 0 I U Quelle E, A RIN + Z0 U E, A Z 0 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38

Transmission Line" Leerlauf R IN R L Ώ Reflexionen, Abschluß über Leerlauf: Zeitpunkt TD: U A, A I A, A 0A RL U A, R U E, A ra U E A I A, R Z U A, A U E, A ( 1+ ra ) 2 U E, A U A, R, 1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39 r A 0

Transmission Line" Leerlauf R IN R L Ώ Reflexionen, Abschluß über Leerlauf: r A 1 während TD: Reihenschaltung von R IN und Spannung, Strom Zeitpunkt TD: Spannung additiv 2 SpannungLeerlaufspannung (Ende) Strom komplett reflexiert 0A Leerlaufstrom Zeitpunkt 2 TD: kein Reflexion, da R IN (Anfang) Übernahme der Werte von TD(Ende) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40

PSPICE-Simulation Überprüfung der Fehl-Anpassung durch Simulation Ersetzen Sie RL durch einen Leerlauf, der durch einen hohen Widerstand von 100 GOhm simuliert wird. Berechnen Sie den sich ergebenden Reflexionsfaktor und überprüfen Sie die Reflexion (Spannung und Strom)! Erklären Sie die Ergebnisse! Achtung: Stromrichtung Reflexionsstelle Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41

mit R L 100 GΏ Ώ : PSPICE-Simulation r 1 Spannung R IN -T Spannung T-R L TD0.5ns Strom R IN -T Strom T-R L Analoge CMOS-Schaltungen Folie 42

aus PSPICE-Simulation abgeleitet: mit R L 100 GΏ Ώ : r 1 Spannung: 0,5V 0,5 V 0,5 V Strom: 0V 10mA Achtung: Stromrichtung 10 ma -10 ma 0mA 1V 0mA 1V 0mA 1V 0mA Anfang Ende Anfang Ende Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43

Transmission Line" R L < R IN Reflexionen, Abschluß über R L < : 1 < r < 0 Verhalten wie Kurzschluß mit Faktor r Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44

PSPICE-Simulation Überprüfung der Fehl-Anpassung durch Simulation Wählen nun Sie R L zu 25 Ώ. Berechnen Sie den sich ergebenden Reflexionsfaktor und überprüfen Sie die Reflexion (Spannung und Strom)! Erklären Sie die Ergebnisse! Achtung: Stromrichtung Reflexionsstelle Analoge CMOS-Schaltungen Folie 45

PSPICE-Simulation mit R L 25 Ώ: r 25Ω 50Ω 25Ω + 50Ω 1 3 Spannung R IN -T Spannung T-R L TD0.5ns Strom R IN -T Strom T-R L Analoge CMOS-Schaltungen Folie 46

aus PSPICE-Simulation abgeleitet: mit R L 25 Ώ: r 25Ω 50Ω 25Ω + 50Ω 1 3 Achtung: Stromrichtung Spannung: Strom: 0,5 V 10 ma 0V 0mA 0,5V -0,16 V 10mA 3,33 ma 0,33V -13,33mA 0,33V 13,33mA 0,33V -13,33mA Anfang Ende Anfang Ende Analoge CMOS-Schaltungen Folie 47

Transmission Line" R L > R IN Reflexionen, Abschluß über R L > : 0 < r < 1 Verhalten wie Leerlauf mit Faktor r Analoge CMOS-Schaltungen Folie 48

PSPICE-Simulation Überprüfung der Fehl-Anpassung durch Simulation Wählen nun Sie R L zu 100 Ώ. Berechnen Sie den sich ergebenden Reflexionsfaktor und überprüfen Sie die Reflexion (Spannung und Strom)! Erklären Sie die Ergebnisse! Achtung: Stromrichtung Reflexionsstelle Analoge CMOS-Schaltungen Folie 49

PSPICE-Simulation mit R L 100 Ώ: r 100Ω 50Ω 100Ω + 50Ω 1 3 Spannung R IN -T Spannung T-R L TD0.5ns Strom R IN -T Strom T-R L Analoge CMOS-Schaltungen Folie 50

aus PSPICE-Simulation abgeleitet: mit R L 100 Ώ: r 100Ω 50Ω 100Ω + 50Ω 1 3 Achtung: Stromrichtung Spannung: Strom: 0,5 V 10 ma 0V 0mA 0,5V 0,16 V 10mA -3,33 ma 0,66V -6,66mA 0,66V 6,66mA 0,66V -6,66mA Anfang Ende Anfang Ende Analoge CMOS-Schaltungen Folie 51

Transmission Line" R IN R L beidseitige Reflexionen, Einspeisung über R IN Abschluß über R L : Analoge CMOS-Schaltungen Folie 52

PSPICE-Simulation Überprüfung der Fehl-Anpassung durch Simulation Wählen nun Sie R L zu 25 Ώ und R IN zu 100 Ώ. Berechnen Sie die sich ergebenden Reflexionsfaktoren und überprüfen Sie die Reflexion (Spannung und Strom)! Erklären Sie die Ergebnisse! Achtung: Stromrichtung Reflexionsstelle Reflexionsstelle Analoge CMOS-Schaltungen Folie 53

PSPICE-Simulation mit R L 25 Ώ: 25Ω 50Ω 1 r mit R IN 100 Ώ: 25Ω + 50Ω 3 r 100Ω 50Ω 100Ω + 50Ω 1 3 Spannung R IN -T Spannung T-R L TD0.5ns Strom R IN -T Strom T-R L Analoge CMOS-Schaltungen Folie 54

PSPICE-Simulation Bei ein- und ausgangsseitiger Fehlanpassung treten immer Reflexionen auf, die im Laufe der Zeit im allgemeinen immer kleiner werden. Ausnahmen: Kurzschluß, Leerlauf bei verlustloser Leitung TD0.5ns siehe nächste Folie Analoge CMOS-Schaltungen Folie 55

PSPICE-Simulation Bei ein- und ausgangsseitiger Fehlanpassung treten immer Reflexionen auf, die im Laufe der Zeit im allgemeinen immer kleiner werden. Spannung R IN -T Spannung T-R L Strom R IN -T Strom T-R L Analoge CMOS-Schaltungen Folie 56

aus PSPICE-Simulation abgeleitet: mit R L 25 Ώ: Spannung: 0,33V 25Ω 50Ω 1 r mit R IN 100 Ώ: 25Ω + 50Ω 3 0,33 V -0,11 V Strom: 0V 6,66mA 100Ω 50Ω r 100Ω + 50Ω 6,66 ma 2,22 ma 0mA 1 3-0,036 V 0,22V -0,74 ma -8,88mA 0,184V 8,14mA 0,012 V -0,26 ma 0,196V -7,88mA Anfang Ende Anfang Ende Analoge CMOS-Schaltungen Folie 57

Anwendung: Transmission Line" Hochgeschwindigkeitdatenbus (digital): DRAM Modul Kontroller R S PCB R S a) R T C U TT Stichleitung,2 RS RS RS R T U TT b) Datenbus,1,1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 58

Anwendung: Transmission Line" Hochfrequenzschaltungen (analog): Drain Line distributed amplifier Gate Line t t Drain Line x distributed oscillator t Gate Line x Analoge CMOS-Schaltungen Folie 59

Anwendung: Transmission Line" Hochfrequenzschaltungen (analog): Länge D Drain Line distributed amplifier Länge wichtig: G Leitungslänge(Gate) Leitungslänge(Drain) Gate Line Durch Widerstand fließt der Strom sämtlicher Transistoren Verstärkung der Transistoren werden addiert Analoge CMOS-Schaltungen Folie 60

Anwendung: Transmission Line" Hochfrequenzschaltungen (analog): Drain Line distributed amplifier Gate Line A 1 2 N g M Z d 1 2 N g M Z 0 N Anzahl der Transistoren Analoge CMOS-Schaltungen Folie 61

Anwendung: Transmission Line" Hochfrequenzschaltungen (analog): Drain Line distributed amplifier Gate Line Prinzip: MOS-Transistor Spannungsgesteuerte Stromquelle ohne parasitäre Elemente Analoge CMOS-Schaltungen Folie 62

Anwendung: Transmission Line" nur Prinzip des distributed amplifiers GAIN (Steuerspannung/Ausgangsstrom) < 1 Prinzip: MOS-Transistor Spannungsgesteuerte Stromquelle Analoge CMOS-Schaltungen Folie 63

PSPICE-Simulation Überprüfung des Prinzip des Distributed amplifier durch Simulation Erklären Sie die Ergebnisse! distr_ampl_g2 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 64

distr_ampl_g2 PSPICE-Simulation Analoge CMOS-Schaltungen Folie 65

PSPICE-Simulation Überprüfung des Prinzip des Distributed amplifier durch Simulation Erklären Sie die Ergebnisse! distr_ampl_g3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 66

distr_ampl_g3 PSPICE-Simulation Analoge CMOS-Schaltungen Folie 67

PSPICE-Simulation Überprüfung des Prinzip des Distributed amplifier durch Simulation Erklären Sie die Ergebnisse! distr_ampl_tran3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 68

distr_ampl_tran3 PSPICE-Simulation Analoge CMOS-Schaltungen Folie 69

Zusammenfassung -Was ist Transmission Line? Wellenwiderstand Z0, Verzögerungszeit TD - Anpassung, Fehl-Anpassung - Kurzschluß r -1 keine Spannung Spannung komplett reflexiert, Kurzschlußstrom 2 Strom - Leerlauf r 1 kein Strom Strom komplett reflexiert, Leerlaufspannung 2 Spannung - R< : Verhalten wie Kurzschluß - R> : Verhalten wie Leerlauf - Prinzip des distributed amplifier Analoge CMOS-Schaltungen Folie 70