ANALOGIAPIIRIT III/SUUNNITTELUHARJOITUS OSA 2

Transkriptio

1 ANALOGIAPIIRIT III/SUUNNITTELUHARJOITUS OSA 2 Tässä osassa suunnitellaan operaatiovahvistin 1. osassa suunniteltua Σ muunninta varten. Operaatiovahvistimen toiminta varmistetaan Cadence simuloinneilla. Tavoitteet: 1. Määrittele operaatiovahvistimeen kohdistuvat vaatimukset (vahvistus, SR, toiminta alueet yms.) 2. Valitse operaatiovahvistintopologia. 3. Mitoita operaatiovahvistimen biasvirrat ja komponenttien arvot. 4. Tarkista simuloimalla operaatiovahvistimen toiminta. 1. Operaatiovahvistimen suunnittelu Operaatiovahvistimen spesifikaatiot, siis DC vahvistus, f T, SR, tulon ja lähdön yhteismuotoiset alueet yms., pitää tässä työssä itse määrittää. Ko. parametrit pitää valita siten, että Σ modulaattori toimii suunnitellulla vahvistimella. Ohjeita operaatiovahvistimelle asetetuista vaatimuksista löytyy esim. oppikirjasta. Perusajatus on valita operaatiovahvistin riittävän nopeaksi ja stabiiliksi, jotta sen lähtö ehtii asettua yhden modulaattorin kellon jakson aikana. Lisäksi tulon ja lähdön pitää kyetä tuottamaan jännitetasot, jotka käyvät ilmi OSA 1:n simulaatioista. Paras tapa varmistua itse muodostamansa spesifikaation sopivuudesta on mallittaa operaatiovahvistinta ideaalisessa kytkennässä hieman vcvs komponenttia monimutkaisemmalla kytkennällä, joka ottaa huomioon em. parametrit. Eräs mahdollinen kytkentä on esitetty kuvassa 1 [2]. Kuvasta selviää myös Gm tuloasteen vasteen muoto, jos mallin halutaan kuvaavan myös SR:ää. Mallittamalla tehdyt simulaatiot varmistavat, ettei suunnitelma ajaudu ongelmiin myöhemmin, kun vahvistinta käytetään osana Σ muunninta. Ne eivät kuitenkaan ole välttämättömiä, jos löydät jostakin lähteestä luotettavat ohjeet operaatiovahvistimen spesifikaatioiden valitsemiseen SC/ Σ ympäristössä. (a) Kuva 1. (a) Eräs sisäisesti kompensoidun operaatiovahvistimen malli ja (b) Gm elementin vaste, jos myös SR halutaan mallintaa. Operaatiovahvistimen topologia pitää valita itse. Esimerkkirakenteita löytyy kirjallisuudesta, esim. kurssikirjasta. Mitoittamista on harjoiteltu esim. laskuharjoituksissa. Kirjallisuudesta löytyy myös lähteitä, jotka antavat hyvinkin tarkat ohjeet erilaisten operaatiovahvistinkytkentöjen mitoittamiseen. Etsi itsellesi (b)

2 parhaiten sopiva lähde! Tarvittavat NMOS ja PMOS transistorien sähköiset parametrit on annettu liitteessä 1. Piirrä suunnittelemasi operaatiovahvistimen Cadence piirikaavio käyttäen SCHEMA kirjaston prosessikohtaisia komponentteja. Luo vahvistimelle symboli, jota käytät alla kuvattavissa testipenkeissä. Käytä Analog Environment simulointiympäristöä ja spectres simulaattoria osan 1 ohjeiden mukaisesti tarkastaessasi simuloimalla operaatiovahvistimesi toiminnan. 2. Piirisimulaatio Piirin toiminta varmistetaan käyttäen Cadencen Affirma Analog Design Environment simulaattoriliityntää. Kuten OSA 1:ssä, muista käyttää spectres nimistä simulaattoria. Simulaattorin peruskäyttöä on harjoiteltu osassa 1, joten ko. ohjeita ei toisteta tässä ohjeessa. Sen sijaan, alla esitetään kokoelma esimerkkitestipenkkejä, joiden avulla piirin toiminta voidaan piirisimulaatioilla tarkastaa. 2.1 Testipenkit a) Jänniteseuraaja (kuva 1) Jos suora tulo kytketään vakiojännitteeseen, esim. 2.5 V, lähdön ja samalla kääntävän tulon pitäisi asettua samaan jännitteeseen. Tällöin vahvistin on lepotilassa ja sisäisten solmupisteiden jännitteet ja komponenttien virrat (= toimintapiste) voidaan tarkistaa. Dc analyysissä voidaan tutkia vahvistimen lineaarisen tuloalueen suuruutta syöttämällä tuloon dc pyyhkäisy. Huomoi kuitenkin, että tässä kytkennässä myös vahvistimen lähtö vaikuttaa tulokseen takaisinkytkennän vuoksi. Transiettianalyysissä voidaan suoraan tuloon syöttää nopea askel tai jyrkkäreunainen pulssi ja tarkkailla lähdön maksimimuutosnopeutta, nousuaikaa, ylitystä, värähtelyä, asettumista yms. Kuva 1. Jänniteseuraaja. b) Kääntävä vahvistin (kuva 2) Kuvan 2 kytkennässä suora tulo on vakiojännitteessä ja tuloon (Vin) tuodaan jännitepyyhkäisy. Lähtöä ja sisäisiä solmupisteitä seuraamalla nähdään, mikä on vahvistus ja lähdön lineaarinen vaihtelualue ja mikä komponentti yms. rajoittaa vaihtelualuetta. Analyysi on mahdollista toistaa käyttäen suorassa tulossa erilaisia jännitteitä, jolloin vahvistuksen muutoksesta voidaan päätellä tulon vaihtelualue.

3 Kuva 2. Kääntävä vahvistin. c) LC takaisinkytketty vahvistin (kuva 3) Kuvan 3 kytkennässä vahvistin on tasajännitteellä kytketty jänniteseuraajaksi (kondensaattori avoin ja kela oikosulku) ja suurilla taajuuksilla vahvistin on avoimessa lenkissä (kondensaattori oikosulku ja kela avoin). Jos suoraan tuloon tuodaan esim. 2.5 V:n tasajännite, vahvistimen toimintapiste on järkevä. Tasajännitteen lisäksi tuloon (Vin) voidaan syöttää ac signaali, jolloin lähtöä tarkkailemalla saadaan selville ac vahvistus, kaistanleveys yms. Kuva 3. LC takaisinkytketty vahvistin. 2.2 Analyysit Muut perusanalyysit (toimintapiste, transientti ja parametrianalyysi) on käsitelty osassa 1, joten alla käsitellään vain ac analyysi. Ac analyysi AC analyysillä saadaan tietoa vahvistimen taajuuskäyttäytymisestä (dc vahvistus, kaistanleveys) stabiilisuudesta (vaihevara), kohinasta yms. Ac analyysi on lineaarinen piensignaalianalyysi, joten se ei huomioi esim. epälineaarisuuksia tai slew ratea.

4 Valitaan pull down valikon käsky Analyses ja avautuvasta kaavakkeesta AC ja Sweep Variablen arvoksi Frequency. Pyyhkäisyväli ja tapa täytetään kaavakkeeseen kohtiin Start, Stop ja Sweep type (esim. Logarithmic Points Per Decade 100). Valitaan pull down valikon käsky Outputs > Save All > Select all node voltages, jolloin simulaattori tallettaa kaikki jännitteet myöhempää tarkastelua varten. Simulaattori käynnistetään pull down valikon käskyllä Simulation > Run. Taajuusvasteen saa tulostettua desibeleinä käskyllä Results > Direct Plot > AC db20 ja Bode plotin käskyllä Results > Direct Plot > AC Magnitude & Phase. Käskyn jälkeen valitaan piirikaaviosta haluttu signaali ja painetaan Esc näppäintä. Vasteesta voidaan laskea esim. kaistanleveys valitsemalla Analog Artist Simulation ikkunan pull down valikon käsky Tools > Calculator ja valitsemalla kaavakkeesta Special Functions > Bandwidth... Valitaan seuraavaksi Calculator ikkunasta vf, näpäytetään piirikaaviossa lähtösolmua, jonka jälkeen valitaan Bandwidth ikkunassa Get Buffer, Type band ja OK. Lopuksi valitaan Calculator ikkunassa print. 3. Työselostuksessa vaadittavat asiat 1) Valitun operaatiovahvistimen Cadence piirikaavio. 2) Operaatiovahvistimen spesifikaatiot perusteluineen. 3) Kaikki simulaatiotulokset, joilla spesifikaatioiden riittävyys on pyritty varmistamaan. 4) Valitun operaatiovahvistimen käsinmitoitus välivaiheineen. 5) Operaatiovahvistimen simulaatiotulokset, joilla spesifikaatioiden täyttyminen on varmistettu. Vähintään seuraavat tulokset oltava: 1. Bode kuvaajat, josta määritetty f 3db, f T ja vaihevara 2. askelvaste, josta määritetty asettumisaika 3. SR simulaatio, josta määritetty SR:n arvo 4. tulon ja lähdön yhteismuotoiset jännitealueet: simulaatiokäyrät ja niistä määritetyt alueet Lähdeluettelo [1] D.A. Johns & K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley & Sons [2] G.W. Roberts & A.S. Sedra, Spice, 2 nd edition, Oxford University Press, New York, [3]Cadence Product Documentation, Virtuoso Schematic Composer Tutorial, Product Version 4.4.6, file:/elsoft3/cds2001/doc/comptut/comptuttoc.html [4]Cadence Product Documentation, Affirma TM Analog Circuit Design Environment User Guide, Product Version 4.4.6, file:/elsoft3/cds2001/doc/anasimhelp/ anasimhelptoc.html [5]Cadence Product Documentation, Virtuoso Schematic Composer User Guide, Product Version 4.4.6, file:/elsoft3/cds2001/doc/comphelp/comphelptoc.html

5 Liite 1. Osa käytetyn prosessin NMOS ja PMOS transistorien sähköisistä parametreista