Методы для лаб / ЛР1_СБИС_метода

Лабораторная работа №1 по курсу «СТКУ: АУ»

«ОИТУН типа «изогнутый каскод» с p-канальным входом» или «телескопический» ОИТУН»

Цель работы: исследовать работу ОИТУНа с усилительным каскадом типа

«изогнутый каскод» или «телескопический каскод» с помощью моделирования в программе в САПР Cadence Analog Artist Simulation. Результаты исследования одной из этих схем и сама схема будут использоваться в четвёртой лабораторной работе и в курсовом проекте.

Задание:

1. Ввести схему для моделирования ОИТУН согласно таблице 3 (четные варианты – изогнутый, нечетные – телескопические). Рассчитать или подобрать параметры транзисторов в крутой области таким образом, чтобы коэффициент усиления был не менее 70 дБ.

2. Провести частотный (AC Analysis) и анализ по постоянному току

(DC Analysis) для трёх различных вариантов ширин входных транзисторов.

3.Сформировать отчёт и загрузить его в Canvas.

Варианты для выполнения лабораторной работы №3

Исследование ОИТУНа с усилительным каскадом типа «изогнутый каскод» или

«телескопический каскод» следует провести для трех случаев: а – для одинаковых больших ширин транзисторов (winp=W1 и winn=W1); б – для ширин входных транзисторов,

отличающихся незначительно (возможны 2 случая: winp=W1 и winn= 1 + 1 100 или

транзисторов (winp= 81 и winn= 81).

Данные табл. 2 следует читать:

lmos –длины всех транзисторов в схеме, кроме тех, что находятся в крутой области;

W1 – ширины затворов wmos всех транзисторов усилителя в единицах lmos, а также одинаковые меньшие ширины входных транзисторов (случай а). Ширины n-

транзисторов токового зеркала, кроме тех, которые находятся в крутой области, брать в 4 раза меньше, чем wmos (p-транзисторы соответственно будут в 3 раза шире);

x – величина рассогласования ширин входных транзисторов в процентах. К примеру,

при ширине одного входного транзистора w0 = 50 мкм и рассогласовании равном

0,1 %, ширина второго входного транзистора w1 будет равна 50,05 мкм;

ширины затворов для каждого из входных транзисторов для случая в – больше ширины W1 на x %.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ:

1. Ввод схемы ОИТУН по варианту

Собрать в Cadence электрическую схему ОИТУНа. Пример схемы «изогнутого» ОИТУНа показан на рис. 1, пример схемы «телескопического» ОИТУН – на рис. 2

(обратите внимание, что значения параметров транзисторов в примере схемы для моделирования и исследуемой схеме по Вашему варианту могут и должны отличаться).

Задать в схеме ОИТУН параметры Finger Width (W), Length (L) и Number of finger (M) (см.

на рис. 1 и в табл. 1 или на рис. 2 и в табл. 2) для всех транзисторов. Ширины некоторых транзисторов задаются не численными значениями, а как переменные параметры,

поскольку в ходе выполнения работы они будут изменяться. Ширины n-транзисторов схемы формирования режимных потенциалов и токов, кроме тех, которые находятся в крутой области, брать в 4 раза меньше, чем wmos (p-транзисторы, соответственно, должны быть в 3 раза шире, чем n-транзисторы в схеме формирования постоянного смещения)

Табл. 3. Данные для расчетов по вариантам

Рис. 1 – Электрическая схема «изогнутого» ОИТУНа с p-канальными входами (выделены транзисторы в крутом режиме ВАХ).

Рис. 2 – Электрическая схема «телескопического» ОИТУНа с n-канальными входами (выделены транзисторы в крутом режиме ВАХ).

Табл. 1. Параметры транзисторов в схеме «изогнутого» ОИТУН (рис. 1)

Для транзисторов в крутой области по умолчанию задаются следующие параметры: wtp, wtn, wmn, wmp=10 мкм; ltn, ltp, lmn, lmp=180 нм.

Создайте символ ОИТУН и отредактируйте его. Вид символа приведен в схемах на

рис. 3 и рис. 4.

Для ускорения ввода значений параметров можно воспользоваться одновременным изменением одноименных параметров у выделенных элементов. Для этого в редакторе схем необходимо выделить только те транзисторы, для которых изменяемый параметр должен быть одинаковым. Это делается последовательными кликами мышкой на каждый транзистор с нажатой клавишей «Shift». Далее необходимо выбрать пункт меню

«Edit→Properties→Objects…», и в появившемся окне в пункте «Apply To» выбрать опцию

«all selected» (для всех выбранных элементов, другие варианты: «only current» - только для одного текущего выбранного элемента, «all» - для всех подобных элементов в схеме).

6

Схема, обведённая овалом и состоящая из двух резисторов и ИНУН, является схемой синфазной обратной связи. Принцип её действия следующий: в узле между двумя высокоомными резисторами поддерживается полусумма потенциалов на выходах усилителя. Так как на входах ИНУН поддерживается постоянная разность потенциалов,

равная разности напряжения аналоговой земли и напряжения на затворе транзистора в составе схемы формирования постоянного смещения, то корректирующее напряжение на выходе следящей схемы возможно подавать на затвор транзисторов, формирующих рабочий ток в схеме усилителя. При этом, для правильного функционирования петли СОС необходим большой коэффициент усиления этой схемы, что в данном случае обеспечивается коэффициентом усиления дифференциальных ветвей усилителя.

Рис. 3 – Электрическая схема для расчета частоты единичного усиления ωU,

коэффициента усиления по постоянному току K0, запаса фазы «телескопического»

Рис. 4 – Электрическая схема для расчета частоты единичного усиления ωU,

коэффициента усиления по постоянному току K0, запаса фазы «изогнутого» ОИТУНа.

7

2. Расчет малосигнальных характеристик ОИТУН

Шаг 1. Провести расчет в Cadence малосигнальных характеристик (частоты единичного усиления и запаса фазы) ОИТУН, используя схему, собранную при выполнении пункта 2. Конденсатор С1, С2 (Рис. 4) или С1, С3 (Рис. 3) являются разделительными по постоянному току между источником сигнала и входами ОИТУН.

Большая емкость конденсатора (1 Ф) требуется для гарантированного отсутствия низкочастотного «завала» АЧХ. Используя параметрический анализ, провести моделирование для трёх исследуемых случаев (см. ниже).. AC Analysis проводить со следующими параметрами: диапазон частот от 10 Гц до 10 ГГц. В результате моделирования у Вас должно получиться семейство из шести АЧХ и ФЧХ. Сохранить для отчета семейство из трёх АЧХ и ФЧХ, соответствующих Вашему варианту, удалив лишние (маркер на частоте единичного усиления одной из АЧХ). На основе этих характеристик получить для каждого случая: частоту единичного усиления ωu, запас фазы,

коэффициент усиления по постоянному току K0, частоту основного полюса ω1.

Рис. 6 – Пример АЧХ и ФЧХ, полученных с помощью параметрического анализа.

При выполнении лабораторной работы проводится моделирование схемы усилителя при рассогласованных ширинах входных транзисторов. Это моделирование

8

проводится с целью наглядного представления последствий неизбежного рассогласования

ширин при производстве микросхемы (по умолчанию подразумевается, что при

проектировании схемы рассогласование вводить нельзя).

Причины значительного изменения величины усиления при относительно небольшом рассогласовании входных транзисторов заключаются в следующем (на примере “изогнутого” усилителя): при изменении одного из входных транзисторов относительно другого (например, ширина M0 < M1), через него будет протекать меньший ток, что приведёт к уменьшению потенциала в истоке транзистора М63. В результате этого увеличится его превышение над порогом, следовательно, ток через него тоже увеличится на небольшую величину. Поскольку сопротивление на выходе усилителя имеет очень большую величину, даже такое небольшое изменение тока приведёт к значительному смещению рабочей точки, и, следовательно, к нарушению рабочих режимов транзисторов усилителя.

9

Содержание отчета к лабораторной работе:

Если по каким-либо причинам (кроме неправильных расчетов и невнимательного чтения разработки) Ваш вариант оказался нерабочим, то либо в отчете следует доказать его нерабоспособность с указанием причин (такой отчет будет принят наравне с рабочими вариантами), либо сменить вариант с разрешения преподавателя. Смена варианта допускается не более одного раза за семестр.

Отчет должен содержать:

1.Имя, фамилия, группа, данные варианта.

2.Скриншот собранной схемы, скриншот результатов DC моделирования,

показывающих, что рабочие потенциалы транзисторов усилителя выставлены

правильно.

3.Указать длины и ширины транзисторов в крутой области, которые использовались для моделирования.

4.Графики, проводимых в лабораторной работе моделирований: АЧХ, ФЧХ

(маркер на частоте единичного усиления) и временные диаграммы для случаев: а –

для одинаковых больших ширин транзисторов; б – для ширин входных транзисторов, отличающихся незначительно (рассогласование ширин); в – для одинаковых меньших ширин транзисторов.

По полученным в результате выполнения лабораторной работы графикам и вычисленным величинам привести краткий анализ частотных характеристик ОИТУНа с усилительным каскадом типа «изогнутый каскод» или «телескопический каскод» для различных ширин входных транзисторов (меньших, больших и рассогласования ширин)

(5-10 предложений).

10