Analoge CMOS-Schaltungen

Analoge
CMOS-Schaltungen
PSPICE: Oszillator-Schaltungen
Roland Pfeiffer
18. Vorlesung
Barkhausen-Kriterium
Barkhausen-Kriterium
Prinzip der Oszillator-Schaltungen:
Schwingbedingung (hinreichend, aber nicht zwingend):
Betrag der Schleifenverstärkung (Loop gain) = 1
und zugleich
Phase der Schleifenverstärkung
n·180° (n ungerade) bei negativer Rückkopplung
m·360° oder 0°
bei positiver Rückkopplung
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2
Roland Pfeiffer
Barkhausen-Kriterium
Barkhausen-Kriterium
Beispiel für zeitlichen Aufbau der Schwingung:
Betrag der Schleifenverstärkung (Loop gain) ≥ 1
und zugleich Phase der Schleifenverstärkung
n·180° (n ungerade) bei negativer Rückkopplung
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3
Roland Pfeiffer
Barkhausen-Kriterium
Barkhausen-Kriterium
Frage: Was für eine Ursache hat V0 ?
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4
Roland Pfeiffer
Barkhausen-Kriterium
Barkhausen-Kriterium
Frage: Was für eine Ursache hat V0 ?
Antwort: durch Rauschen entsteht die Spannung V0 !!
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5
Roland Pfeiffer
Oszillator-Schaltung
Oszillator-Schaltung
Frage: Oszilliert die untere Schaltung ?
Antwort:
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6
Roland Pfeiffer
Oszillator-Schaltung
Oszillator-Schaltung
Frage: Oszilliert die untere Schaltung ?
Antwort: Inverter =180° (A0 negativ) , Pol ω0 maximal 90°
⇒ insgesamt maximal 270° Phasendrehung ⇒ keine Oszillation
H (s) = −
A0

s 
1 + 
 ω0 
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7
Roland Pfeiffer
Oszillator-Schaltung
Oszillator-Schaltung
Frage: Oszilliert die untere Schaltung ?
Antwort:
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8
Roland Pfeiffer
Oszillator-Schaltung
Oszillator-Schaltung
Frage: Oszilliert die untere Schaltung ?
Antwort: positive Rückkopplung im "DC-Fall" durch zweimalige Inversion
⇒ keine Oszillation, Latch-up
H (s) = +
A02

s 
1 + 
 ω0 
2
Begründung für n·180° (n ungerade) bei negativer Rückkopplung
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9
Roland Pfeiffer
Oszillator-Schaltung
Oszillator-Schaltung
Frage: Oszilliert die untere Schaltung ?
Antwort:
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10
Roland Pfeiffer
Oszillator-Schaltung
Oszillator-Schaltung
Frage: Oszilliert die untere Schaltung ?
Antwort: Oszillation, "Ring-Oszillator"
H (s) = −
A03

s 
1 + 
 ω0 
3
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Frage: Wieviel ist die minimale Verstärkung pro Stufe A0
für eine Oszillation ?
Antwort:
H (s) = −
A03

s 
1 + 
 ω0 
3
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Frage: Wieviel ist die minimale Verstärkung pro Stufe A0
für eine Oszillation ?
Antwort: jeder Pol muß bei ωOSZI 60° Phasenverschiebung machen
⇒ insgesamt 3 Pole 180°
tan −1
ωOSZI
= 60 0 ⇒ ωOSZI = 3 ⋅ ω0
ω0
dabei muß eine Schleifenverstärkung (Loop gain) = 1 herrschen
A03

 ωOSZI

 1 +  ω
 0




2




3
=1
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13
⇒ A0 ≥ 2
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Frage: Stellen aus analog2.sch eine dreistufigen Ringoszillator
(ringoszi_c.sch) zusammen und simulieren diesen Ringoszillator !!
Was passiert ??
Antwort:
⇒
analog2.sch
ringoszi_c.sch
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
PSPICE-Simulation
simuliertes Ergebnis:
keine Oszillation !!
warum ??
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Ursache: fehlendes V0 !!
Rauschen in aufgebauter Schaltung,
aber PSPICE: Rauschquelle nicht in transienter Simulation !!
Möglichkeit der Eingabe in PSPICE ??
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Ursache: fehlendes V0 !!
Lösung: Vorbelegen der Knotenspannung: durch "Draw/Get new Part/"IC1",
("initial condition")Verbinden mit einem Knoten, Wert zuweisen (hier 500mV)
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Frage: Simulieren sie diesen Ringoszillator mit "initial condition" IC1
von 500mV !! Was passiert ??
Antwort:
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
PSPICE-Simulation
simuliertes Ergebnis:
Drainspannung M1
Oszillation abnehmend !!
warum ??
Drainspannung M2
Drainspannung M3
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Ursache: zu kleine Verstärkung pro Stufe A0 für eine Oszillation !!
Lösung: Kleinsignalanlyse: A0=gM·R ⇒ gM∝ W/L ⇒ W/L vergrößern
z.Bsp. 160 µm/1µm (Verzehnfachung des ursprünglichen W/L)
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Frage: Simulieren sie diesen Ringoszillator mit W/L=160 µm/1µm !!
Was passiert ??
Antwort:
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
PSPICE-Simulation
simuliertes Ergebnis:
Oszillation !!
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Auf die Wafer werden zur Kontrolle des Prozessablaufes Ring-Oszillatoren
ohne Lastkapazität eingesetzt. Aus deren Frequenz kann man Rückschlüsse auf den Prozessablauf ziehen.
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Simulieren sie diesen Ringoszillator ohne Lastkapazität. Zur FourierTransformation erhöhen sie die Simulationsdauer auf 3000 ns.
Beobachten sie die Amplitude des Signals !!
ringoszi.sch
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
PSPICE-Simulation
simuliertes Ergebnis:
näher betrachtet
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
PSPICE-Simulation
simuliertes Ergebnis:
unregelmäßige Amplitude !!
warum ??
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Ursache dafür sind Rundungsfehler, die PSPICE macht. Diese Rundungsfehler können aber mit "Analysis/Setup/Options" beeinflußt werden.
ABSTOL Absolute Berechnungsgenauigkeit für Ströme
A (Default 1pA)
VNTOL Höchste Genauigkeit für Spannungen
V (Default 1µV)
RELTOL Relativ zulässige Toleranz von Strom- und Spannungswerten, innerhalb
deren Grenzen der jeweils iterative Wert konvergieren muß (Default 0.001)
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Setzen sie ABSTOL 0.01pA, VNTOL 0.01µV und RELTOL 0.00001 und
simulieren sie diesen Ringoszillator ohne Lastkapazität.
Beobachten sie jetzt die Amplitude des Signals !!
ringoszi.sch
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
PSPICE-Simulation
simuliertes Ergebnis:
näher betrachtet
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
PSPICE-Simulation
simuliertes Ergebnis:
regelmäßige Amplitude !!
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
PSPICE-Simulation
simuliertes Fourier-Ergebnis:
Grundschwingung bei welcher Frequenz ??
Harmonische
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
PSPICE-Simulation
simuliertes Fourier-Ergebnis (W/L=160µm/1µm):
Grundschwingung
bei ca. 1,2 GHz !!
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Eine Kenngröße für die maximale Frequenz, die ein MOSTransistor „verkraftet“, ist die sog. Transitfrequenz.
I DS
2 ⋅ π ⋅ fT = ωT ⇒
≡1
I GS
Die Transitfrequenz im Kleinsignalfall für Sättigung ist invers abhängig
von der Gatelänge zum Quadrat (ungefähr)
1
2 ⋅ π ⋅ fT = ωT ∝ 2
L
Diese Gatelängen-Abhängigkeit lässt sich auch am Ring-Oszillator
demonstrieren.
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Simulieren sie diesen Ringoszillator bei gleichen W/L mit L=2µm und
L=0,5µm (doppelter und halber Wert von 1 µm) und stellen die Frequenz
der Grundschwingung fest !!
ringoszi.sch
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
PSPICE-Simulation
simuliertes Fourier-Ergebnis (L=2µm ⇒ W/L=320µm/2µm):
Grundschwingung
bei ca. 340 MHz !!
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
PSPICE-Simulation
simuliertes Fourier-Ergebnis (L=0,5µm ⇒ W/L=80µm/0,5µm):
Grundschwingung
bei ca. 4 GHz !!
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36
Roland Pfeiffer
Ring-Oszillator
Ring-Oszillator
Simulieren sie diesen Ringoszillator bei gleichen W/L mit L=2µm und
L=0,5µm (doppelter und halber Wert von 1 µm) und stellen die Frequenz
der Grundschwingung fest !!
Frequenz Gatelänge
340 MHz
1,2 GHz
4,0 GHz
2 µm
1 µm
0,5µm
Bei Verdoppelung/Halbierung der
Gatelänge sinkt/steigt die Frequenz
um den ungefähren Faktor 4.
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37
Roland Pfeiffer
Zusammenfassung
-Barkhausen-Kriterium: Schwingbedingung
-verschiedene Schaltung, "Ring-Oszillator", minimale Verstärkung
-PSPICE: Vorladung der Knoten "IC1"
-PSPICE: Genauigkeit über ABSTOL, VNTOL, RELTOL
-Gatelängen-Abhängigkeit der Schwingfrequenz
-PSPICE-Simulationen bestätigt?
Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38
Roland Pfeiffer