Analoge CMOS-Schaltungen PSPICE: Temperaturanalyse 10. 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
Wieso Temperaturanalyse? bisher nur simuliert: Raumtemperatur 27 C Temperaturverhalten der Schaltung bzw. der Bauelemente?? T Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3
MOS-Temperaturverhalten Analog-Verstärkerschaltungen: MOS in Sättigung Sättigungsbereich NMOS: I DS = = kn 2 µ N W L C 2 ' ox ( U U ) GS W L 2 ( U U ) 2 GS TN TN Temperaturverhalten?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4
MOS-Temperaturverhalten Sättigungsbereich NMOS: I DS ( T ) N = µ ( T ) 2 C ' ox W L ( U U ( T )) 2 GS TN Temperaturverhalten der Beweglichkeit (Spice): µ( T ) = µ ( T 0 ) T T 0 UTE allein betrachtet: T I DS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5
MOS-Temperaturverhalten Sättigungsbereich NMOS: I DS ( T ) N = µ ( T ) 2 C ' ox W L ( U U ( T )) 2 GS TN Temperaturverhalten der Einsatzspannung (Spice): U TN, P ( T ) T = U ( ) 1 1 TN, P T0 KT T0 allein betrachtet: T I DS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6
MOS-Temperaturverhalten Sättigungsbereich NMOS: I DS ( T ) N = µ ( T ) 2 C ' ox W L ( U U ( T )) 2 GS TN Wie wird der Drainstrom verhalten im Bereich kleiner und großes Gate-Source Spannung? kleines U GS : großes U GS : T T Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7
MOS-Temperaturverhalten Zeichnen Sie den Drainstrom in Abhängigkeit von der Gate-Source Spannung! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8
MOS-Temperaturverhalten Geben Sie ein numerisches Verfahren zur Gewinnung von U GS (Drainstrom Funktion der Temperatur)? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9
Möglichkeit der? Simulation bei verschiedene Temperaturen ( C): Eingabe Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10
Simulation bei verschiedene Temperaturen ( C): andere Möglichkeit der Eingabe (selber Effekt) auch mit trennenden Kommas möglich Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11
Simulation bei verschiedene Temperaturen ( C) nach Simulation beim Aufruf von Probe: Anzeige der darstellbaren Simulationen bei verschiedene Temperaturen blau unterlegt: Auswahl der Simulationen bei angegebenen Temperatur Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12
Simulation bei verschiedene Temperaturen ( C) Verwenden Sie das angebene File und simulieren Sie bei einer Temperatur von -25 C, 25 C und 75 C. Stellen Sie dann das Simulationsergebnisse geeignet dar! Analog1_temp Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13
Simulation bei verschiedene Temperaturen ( C) Wieviel beträgt die optimale Gate-Source-Spannung für Drainstrom f(t)? Ist der Wert von der Gateweite abhängig? Analog1_temp Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14
Rechenfunktion unter Trace/Add Traces: Quadratwurzel SQRT() Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15
W L 100µ m = 1µ m Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16
MOS-Temperaturverhalten praktisches Problem: mehrere Stromspiegel unter Temperaturgradienten: Wärmequelle Lösung: U GS geeignet wählen!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17
Simulation bei verschiedene Bauteil-Temperaturen Problem: PSPICE erlaubt keine direkte Temperaturangabe für einzelne Bauelemente!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18
Simulation bei verschiedene Bauteil-Temperaturen Trick: Temperaturänderung analog RC! aber vollständig neues Modell! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19
Simulation bei verschiedenen Bauteil-Temperaturen Trick: mehrere Modelkarten mit unterschiedlichem Modellparameter "T_REL_GLOBAL=Temperaturunterschied zu globalen Temperatur" für einzelne Bauelemente!! Beispiel:.model analogn10 NMOS level=7 +TNOM = 27, TOX = 6.0E-9, XJ = 1.81E-7... +MJ = 0.346, CJSW = 1.00E-10, MJSW = 0.255, +T_REL_GLOBAL=10 Model analogn10 wird immer bei Temperaturen simuliert, die um 10 C/K über der globalen Temperatur liegen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20
Verwenden Sie das angebene File und simulieren Sie bei einem W/L=100µm/1µm für alle Transistoren. Wie verhält sich der Drainstrom? Überprüfen Sie das Output-File bezüglich der Temperaturen der einzelnen MOS-Transistoren! Stromspiegel Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22
Bei welchem W/L-Verhältnis beträgt Gate-Source-Spannung den vorher festgestellten temperaturoptimierten Wert? StromspiegelWL Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23
W L µ m 1µ m Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24
Verwenden Sie das angebene File und simulieren Sie bei einem W/L= µm/1µm für alle Transistoren. Wie verhält sich jetzt der Drainstrom? Stromspiegel Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25
Parameter mehrerer Bauelemente gleichzeitig verändern: Bauelemente auswählen (blau auf lila), dann rechte Maustaste, Edit Properties, eventuell Parts Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26
Parameter mehrerer Bauelemente gleichzeitig verändern: Parameter der betreffenden Bauelemente verändern, dann Apply, Exit Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28
Versorgung von Analogschaltungen Referenzspannungsquelle Auf Analogschaltungen meist vorhanden: Bandgap-Referenzspannungquelle erzeugt eine temperaturstabile Spannung (typischer Wert 1,25 V). Diese Spannung wird über eine off-chip Präzisionswiderstand in einen temperaturstabilen Biasstrom umgewandelt (sehr genaue Analogschaltungen) oder der Strom wird aus der Bandgap-Referenzspannungsquelle direkt entnommen, wobei der Strom leicht temperaturabhängig ist (allgemeine Analogschaltungen). Dieser sog. Biasstrom dient als Versorgung für die Analogschaltungen. Bandgap- Referenzspannungsquelle Biasstrom Präzisions-R Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29
Bandgap-Referenz Verhalten von U BE mit der Temperatur U BE ( T ) = k T q ln I S I ( T ) lineare Näherung: UBE ( T ) = UGO N T N 1,6 mv/kelvin U GO Bandabstand ("Bandgap")/q für T 0 Kelvin 1,2 V Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30
Idee: Bandgap-Referenz "Proportional To Absolute Temperature" PTAT addieren, damit U Ref temperaturstabil!! PTAT PTAT PTAT?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31
Bandgap-Referenz Verhalten von U BE mit der Temperatur bei verschiedenen Emitterflächen (A n A) A n A U BE,1 k T q ( T )- U ( T ) = U ( T ) = ln( n) BE,2 BE U BE geeignet als PTAT-Spannung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32
Bandgap-Referenz k T U Ref = UGO N T + K0 ln q U = UGO = 1,2 V Ref f ( n) f ( T ) ( T ) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33
Bandgap-Referenz ungenaues Ergebnis durch lineare Näherung etc. besseres Ergebnis bei U Ref 1,25 V bei Zimmertemperatur für U Ref f(t) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34
Schaltung (Prinzip): Bandgap-Referenz A n A OpAmp bei geeigneter Rückkopplung: V(-) = V(+)!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35
Schaltung (Realisierung): Bandgap-Referenz A n A Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36
Bandgap-Referenz Schaltung (Design): A n A Verhältnis der Emitterflächen: n=10 (festgelegt) I=100µA (festgelegt) R R 1 3 = = R U 2 U Ref U BE = 100µ A 1,25 V U 100µ A U 100µ A BE,1 BE,2,1 = BE,1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37
Schaltung (Design): Feststellen der Werte von U BE,1 und U BE,2 : Bandgap1 Eigenschaften des Bipolartransistors: Emitterfläche Area Defaultwert 1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38
Schaltung (Design): Feststellen der Werte von U BE,1 und U BE,2 : U BE, 1 0, V U BE, 2 0, V Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39
Bandgap-Referenz Schaltung (Design): hier: user_opamp A n A Verhältnis der Emitterflächen: n=10 (festgelegt) I=100µA (festgelegt) U Ref U R1 = R2 = 100µ A 1,25 V 0, V 100µ A BE,1 = Ω R 3 = U BE,1 U 100µ A BE,2 Ω Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40
Simulieren Sie die untere Schaltung bei -25 C, 25 C, 75 C und 125 C und beobachten Sie die Ausgangsspannung! Bandgap2 hier user_opamp einfügen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41
Achtung: unter PSPICE/Edit Simulation Setting/Configuration Files unter Category: Library die *.lib des Subcircuits angeben und unter "Add as Design" hinzufügen!! "Add to Design" nicht "Add as Global" Analoge CMOS-Schaltungen Folie 42
Simulieren Sie die untere Schaltung bei -25 C, 25 C, 75 C und 125 C und beobachten Sie die Ausgangsspannung! Bandgap2 VDD auf 30V erhöhen wenn nicht erfolgreich: UA741 aus library OPAMP Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43
Ausgangsspannung bei -25 C, 25 C, 75 C und 125 C ungefähr konstant Biasstrom ungefähr konstant Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44
Bandgap-Referenz Ist die Bandgap-Schaltungstechnik für CMOS-Technologie (p-substrat) kompatibel? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 45
Simulation bei verschiedene Temperaturen ( C) Verwenden Sie das angebene File und simulieren Sie bei einer Temperatur von -25 C, 25 C und 75 C. analog7opt Biasstrom aus Bandgap- Schaltung f(t)!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 46
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 47 Simulation bei verschiedene Temperaturen ( C) Temperaturanalyse bei analogen Schaltungen 2 1 1 1 ' 2 0, 1 0, 1, ) / ( ) ( 2 M P M N M M ox N M M M M DIFFDC I I I L W C T g g g A + = + = λ λ µ Biasstrom konstant Differenzverstärkung ungefähr konstant
Ausgangsspannung bei -25 C, 25 C, 75 C Differenzverstärkung ungefähr konstant Analoge CMOS-Schaltungen Folie 48