Hardware Praktikum 2008 Prof. Dr. H.-J. Wunderlich Dipl.-Inf. M. Imhof

Transcription

Hardware Praktikum
2008
Prof. Dr. H.-J. Wunderlich
Dipl.-Inf. M. Imhof
Dipl.-Inf. S. Holst
Übersicht

Organisatorisches

Tiefpass

Hochpass

SPICE

Demo
HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice
2
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
Überblick Rechnerlandschaft

ralab01 – ralab26
-
Dual Core Athlon 64 4600+
-
2,4 GHz
-
4 GB RAM
-
154 Millionen Transistoren
 Extrem viele Tiefpässe
Nutzung

Dateien auf HaPra-Rechner kopieren
scp -C inverter.sp hapraXXX@ralab01:

Mit ssh auf HaPra-Rechner einloggen
ssh -X hapraXXX@ralab05

Näheres zu ssh/scp siehe Skript oder manpages
man ssh

Grafischer Login mit “NX” möglich
-

Client auf www.nomachine.com erhältlich
Linux Doku ist auf der HaPra Homepage verlinkt
5
Übersicht

Organisatorisches

Tiefpass
-
Theoretisch
-
Messen
-
Simulieren

Hochpass

SPICE

Demo
6
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
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
U
I
R
dU
i C
dt
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
0
fG
1
2 RC
f
9
Übersicht

Organisatorisches

Tiefpass

Hochpass
-
Theoretisch
-
Messen
-
Simulieren

SPICE

Demo
10
Übersprechen

Kondensator:
2 Elektroden, Isolationsschicht

Isolationsschicht, Dielektrikum
kann auch Luft sein
 Benachbarte Leitungen modellieren einen Hochpass
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
fG
1
2 RC
12
Bandpass

Kombination aus Hoch- und Tiefpass

Bandbreite B=f2-f1
f1 untere Grenzfrequenz
f2 obere
13
Übersicht

Organisatorisches

Tiefpass

Hochpass

SPICE

Demo
14
Simulation mit SPICE

Nicht Gewürz sondern
Simulation Program with
Integrated Circuit Emphasis

Simulation mit SPICE
-

Unbedingt lesenswert
-

ngspice - Kommandointerpreter für GNU/Linux
SPICE-Kapitel im Skript
Schaltungsbeschreibung
-
Knotennetzliste
15
Beispiel Inverter

Schaltung wird als Knotennetzliste modelliert
(Kirchhoffsche Knoten- und Maschenregel)
U
Vdd
Vin
Vout
 Knoten festlegen
16
Beispiel Inverter (2)
U
0
Knoten:
0 in SPICE immer Masse
17
1
U
0
Knoten:
1 Versorgungsspannung
18
1
U
2
0
Knoten:
2 Eingang
19
1
U
2
3
0
Knoten:
2 Eingang
3 Ausgang
20
Knotennetzliste  SPICE
1
U
2
Knoten:
3
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
SPICE-Programm
CMOS-Inverter
erste Zeile immer Kommentar
1
U
2
3
0
22
SPICE-Programm (2)
CMOS-Inverter
.tran 0.001us 0.4us
Analyseart und -zeitraum festlegen

1
Transienten Analyse:
-
-
Untersucht das Zeitverhalten eines Netzwerks
Darstellung von
U und I bezüglich
einer Zeitachse
U
2
3
0
23
SPICE-Programm (3)
CMOS-Inverter
.tran 0.001us 0.4us
vin 2 0 pulse ( 0V 5V 0 0 0 0.1us 0.2us)
vdd 1 0 5V
Spannungsquellen
1
U

Eingangssignal

Versorgungsspannung
2
3
0
24
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 SPICEDokumentation
25
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
Transistormodelle in SPICE:
Modellanweisung

m<name> Drain Gate Source Bulk Model

Beispiel:
mtransistor1
2
1
0
0
zvn3306a
Drain
2
Gate
Bulk
1
0
Source
27
SPICE-Programm (4)
mosp
1
U
2
3
CMOS-Inverter
mosn
0
.tran 0.001us 0.4us
vin 2 0 pulse ( 0V 5V 0 0 0 0.1us 0.2us)
vdd 1 0 5V
.model zvp3306a pmos vto=-2.875 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 3 2 0 0 zvn3306a
mosp 3 2 1 1 zvp3306a
Modeldefinition
Modelanweisung
28
SPICE-Programm (5)
1
U
2
3
CMOS-Inverter
0
.tran 0.001us 0.4us
vin 2 0 pulse ( 0V 5V 0 0 0 0.1us 0.2us)
vdd 1 0 5V
.model zvp3306a pmos vto=-2.875 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 3 2 0 0 zvn3306a
mosp 3 2 1 1 zvp3306a
.end
.end nicht vergessen!
29
Arbeiten mit SPICE

SPICE-Programm in beliebigen Texteditor eingeben
30
Arbeiten mit SPICE (2)

ngspice starten
31

Simulation starten
32

Ergebnisse plotten lassen
33

Vom Tutor abzeichnen lassen / ausdrucken
34

Ein Beispiel für eine Strommessung
35
Tipps

Unterschied milli („m“) / mega („meg“) beachten

1. Zeile ist immer Kommentar

".end" nicht vergessen

ngspice steht unter der GPL
-
http://ngspice.sourceforge.net/

„help“ Kommando verwenden

Strommessung ist nur an Quellen möglich
36
Übersicht

Organisatorisches

Tiefpass

Hochpass

SPICE

Demo
37
Digitale Filter

Bisher:
Analoge Implementierung,
Modellierung von parasitären Effekten

Equalizer: Viele Bandpässe
-
Nicht implementiert als analoge RC-Glieder
-
Digitaler Filter in Digitalem Signalprozessor (DSP):
Filterparameter können geändert werden,
Weniger Platzbedarf
38
Digitale Filter (2)

Analog-Digital-Wandlung

Fast Fourier Transformation
-

Weglassen von Frequenzbereichen
Inverse FFT
-

FFT
Manipulation
-

Zeitdomäne  Frequenzdomäne
Manipulation
I. FFT
Frequenzdomäne  Zeitdomäne
Digital-Analog-Wandlung
39
Audio Filtering Demo

FPGA basiert

DSP Implementierung von

-
Tiefpass
-
Hochpass
-
Bandpass
Audio Spektrum
A/D
FFT
Spektrum Analyzer
Filter
D/A
Inv.
FFT
40
Viel Spass
im
HaPra 2008!

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