ANALOGIAPIIRIT III/SUUNNITTELUHARJOITUS OSA 1

ANALOGIAPIIRIT III/SUUNNITTELUHARJOITUS OSA 1 Tässä osassa suunnitellaan 1. asteen Σ muunnin SC tekniikkaa hyväksikäyttäen. Muuntimen ideaalisen mallin toiminta varmistetaan Cadence simuloinnilla. Tavoitteet: 1. Valitse muuntimen rakenne. 2. Piirrä muuntimen signaalin ja kohinan siirtofunktiot. 3. Varmista muuntimen toimivuus piirtämällä muuntimen aikatason vaste haluamallesi DC tulojännitteelle. 4. Piirrä muuntimen Cadence piirikaavio käyttäen ideaalista operaatiovahvistinta ja komparaattoria. 5. Varmista muuntimen toiminta DC tulosignaalille aikatason piirisimulaatiolla. Pirrä lähdön aikakeskiarvo vs. tulon DC jännite kuvaaja käyttäen apunasi piirisimulaattoria. 6. Varmista, että piirisi reagoi 1 ms:ssa 1 V:n tulojännitteen muutokseen. 1. 1. asteen Σ muunnin SC tekniikalla Eräs mahdollinen 1. asteen Σ modulaattorin rakenne on esitetty kuvassa 1. Voit valita myös muunlaisen rakenteen, niin kauan kuin se on haluttua astetta, se vaatii ainakin yhden operaatiovahvistimen ja se on toteutettu SC rakenteena. Lähteenä voit käyttää esim. oppikirjaa, SC ja Σ aiheisia kirjoja ja lehtiartikkeleita. Kuva 1. 1. asteeen Σ muunnin SC tekniikalla. Modulaattorisi on toteutettava ainakin seuraavat vaatimukset: 1) tulojännitealue 2 3 V 2) lähdön jännitealue 0 5 V 3) käyttöjännitteet VSS=0 ja VDD=+5 V 4) tarvitsemasi referenssijännitteet voit tuoda piirin ulkopuolelta 5) lähdön tulee asettua 1 ms:ssa, kun tuloon tuodaan 1 V:n askel, jonka nousunopeus << 1 ms 6) kokonaiskapasitanssi < 20 pf 7) fs = 100 khz 8) vaadittavat kellovaiheet tulee generoida piirin sisällä

Ohjeita Cadence piirikaavion piirtoon 1) käytä kaikista komponenteista spectres suunnitteluyksikköä (cellview) 2) käytä kytkiminä schema kirjaston 4 terminaalisia NMOS transistoreja 3) käytä kondensaattoreina analoglib kirjaston cap komponenttia 4) käytä maa symbolina analoglib kirjaston gnd komponenttia ja VDD:nä vdd komponenttia 5) muista, että varsinainan käyttöjännitelähde (+5 Vdc) pitää piirtää ko. gnd ja vdd symbolien väliin 6) käytä ideaalisena operaatiovahvistimena ja komparaatoorina analoglib kirjaston jänniteohjattua jännitelähdettä (vcvs) 7) käytä HRDLIB kirjaston logiikkakomponentteja kellosignaalien, kellotetun komparaattorin ja alemman kytkimen kellovaiheiden luomiseen (kuvassa 2 on esitetty ideaalisen kellotetun komparaattorin piirikaavio) 8) koska käyttöjännitealue on 0:sta 5 V:iin, kannattaa signaalien perustasoksi valita 0 V:n sijaan 2.5 V 9) liitteessä 1 on esitetty malliksi esimerkki Cadence piirikaavio ja testipenkki simulointia varten Vin egain=1e5 D Q DF8Q Vout Vref C gnd latch Kuva 2. Ideaalinen kellotettu komparaattori Ohjeita modulaattorin toiminnan varmistamiseksi piirisimuloinnilla 1) (transienttianalyysi + parametrianalyysi) DC toiminnan voi varmistaa laskemalla modulaattorin lähtöjännitteen aikakeskiarvon ja vertaamalla sitä tulon DC jännitteeseen. Huom. lähtö saattaa olla skaalattu versio tulosta, joten simuloi lähdön aikakeskiarvo esim. parametrianalyysilä käyttäen, kun tulon DC jännite on 2.5, 2.6,..., 3.0 V. Ts. useasta aikatason lähtösignaalista lasketaan aikakeskiarvot Calculator:n avulla. Lähtö ei saa saturoitua tällä tulojännitealueella! 2) (transienttianalyysi) Transienttitoiminnan voi varmistaa tuomalla tuloon 1 V jänniteiteaskeleen (vpulse jännitelähde). Jotta lähdön aikakeskiarvon käyttäytymistä voidaan seurata ajan funktiona, pitää lähtöön kytkeä sopiva alipäästösuodatin. Alla on yksinkertaistettu ohje Cadence ohjeliston käytöstä piirikaavion piirtoon ja piirisimulointiin. Paremmat ohjeet löytyvät Cadencen omasta dokumentaatiosta esim. osoitteista file:/elsoft3/cds2001/doc/comptut/comptuttoc.html (Virtuoso Schematic Composer Tutorial, Product Version 4.4.6) ja file:/elsoft3/cds2001/doc/comphelp/ comphelptoc.html (Virtuoso Schematic Composer User Guide, Product Version 4.4.6). 2. Cadencen asetukset Cadence ohjelmisto vaatii eräitä käyttäjäkohtaisia astustiedostoja, jotka ovat ladattavissa kurssin kotisivuilta osoittesta http://www.ee.oulu.fi/~hakki/kurssit/ AP3_01/AP3_HARJ_02.html.

Luodaan ensin tätä harjoitustyötä varten suunnitteluhakemisto nimeltään ap3 käyttäjän kotihakemistoon. Kirjoita shelltool ikkunassa seuraava komento: cd; mkdir ap3 Kpioi seuraavaksi kurssin verkkosivulta esim. Netscape verkkoselaimella tiedosto.cadenceenv juuri luomaasi ap3 hakemistoon. Kopioi samalla tavalla Cadencesta tulostamisen mahdollistava.cdsplotinit tiedosto kotihakemistoosi. Nämä tiedostot sisältävät Cadencen tarvitsemat alustustiedot tätä harjoitustyötä varten. Mene seuraavaksi ap3 hakemistoon käskyllä cd ap3 Ajetaan alustustiedosto komennolla source.cadenceenv Ohjelma käynnistetään ensimmäisen kerran käskyllä cadence1& Tämä käsky luo automaattisesti suuren joukon Cadencen travitsemia tiedostoja ap3 hakemistoon ja käynnistää ohjelman. Ohjelmaa ei tule käynnistää tällä käskyllä enää tämän jälkeen vaan tavalla, joka esitetään seuraavassa kappaleessa. Jos käynnistät ohjelman myöhemmin vahingossa cadence1 käskyllä, luomasi kirjastot katoavat ohjelmistosta. Ne eivät kuitenkaan tuhoudu, joten ota tällaisessa tapauksessa yhteyttä kurssin assistenttiin. Tässä vaiheessa on parasta poistua Cadencesta ja käynnistää se uudelleen seuraavan luvun ohjeiden mukaan. 3. Cadencen käynnistäminen Käynnistääksesi Cadencen piirikaaviotyökalun kirjoita ap3 hakemistossa käskyt source.cadenceenv cadences& 4. Kirjaston luominen Kirjasto on yksinkertaisesti alihakemisto, joka sisältää suunnittelemasi piirin tiedostot. Kirjasto luodaan käskyllä (löytyy esim. Library Manager ikkunan valikoista) File >New >Library... Avautuvaan New Library ikkunaan kirjoitetaan luotavan kirjaston nimi ja paikaksi valitaan edellä luotu ap3 alihakemisto. Muista liittää kirjastoon olemassaoleva teknologiatiedosto. Tässä harjoituksessa käytetään TECH_BYQ teknologiatiedostoa.

5. Piirikaavion luominen Cadencessa kirjastot sisältävät suunnitteluyksikköjä, joita kutsutaan nimellä cellview. Suunnitteluyksikkö voi sisältää piirikaavion, piirikuvion tai jonkin muun rakennetta tai toimintaa kuvaavan esitysmuodon. Suunnitteluyksikkö luodaan käskyllä File >New >Cellview... Valitse kirjastoksi yllä luomasi kirjasto ja kirjoita uuden suunnitteluyksikön (cellview) nimi. Valitse työkaluksi (Tool) Composer Schematic. Ok napin painamisen jälkeen kuvaruutuun avautuu tyhjä piirikaavion piirto ikkuna. 6. Piirikaavion editointi 6.1 Komponenttien lisääminen Komponentteja voi lisätä piirikaavioon komennolla Add >Instance... Browse nappula avaa Library Browser ikkunan, josta haluttu komponentti voidaan valita. Esim. ideaaliset SPICE komponentit (vastus, kondensaattori, jännitelähteet, virtalähteet jne.) löytyvät analoglib kirjastosta. Varsinaiset piiriprosessiin liittyvät komponentit ja valmiit solut löytyvät isoilla kirjaimilla kirjoitetuista kirjastoista. Esim. SCHEMA kirjasto sisältää peruskomponentit kuten vastukset, kondensaattorit, MOSsit, BJTt jne.. Komponenttien ominaisuudet voi asettaa haluamikseen Add Instance ikkunassa tai myöhemmin Edit >Properties... käskyllä. 6.2 Editointi Ohjelmassa voi kopioida, pyörittää, poistaa, asettaa komponenttien ominaisuuksia, zoomata lähemmäksi ja kauemmaksi käyttäen ikkunan vasemman reunan nappuloita, menukomentoja tai pikanäppäimiä. Esc näppäin peruuttaa valitun komennon. Kokeile komentoja omatoimisesti! 6.3 Johtojen piirtäminen Komponentit kytketään toisiinsa johdoilla. Johto luodaan esim. painamalla Wire (kapeampi) nappulaa ikkunan vasemmassa reunassa. 6.4 Käyttöjännitteet Simulaattorin ja piirikuvion piirron kannalta on tärkeää, että piirin käyttöjännitteet valitaan (nimetään) oikein. Nimeäminen voidaan tehdä käyttämällä analoglib kirjaston globaaleja jännitesymboleja (vdd ja gnd). Huomaa, että saman nimiset johdot ovat automaattisesti kytketty yhteen, vaikka niiden välille ei piirrettäisikään johtoa. Huomaa, etteivät ko. symbolit vielä tuota haluttua VDD = 5 V:ia, vaan ko. symbolien väliin on sijoitettava esim. testipenkissä DC jännitelähde (vdc), jonka arvo on tuo haluttu +5 V.

6.5 Tulot ja lähdöt Piirin tulot ja lähdöt tulee kytkeä erityisiin pin symboleihin. Tällaisen saa luotua painamalla Pin nappulaa. Avautuvassa Add Pin ikkunassa pinnille annetaan nimi ja sen suunta (input, output) valitaan. Piirikaavioon sijoitettu pin kytketään piiriin normaalilla johdolla. 7. Symbolin luominen piirikaaviosta Kun olet piirtänyt piirikaavion valmiiksi tallenna se käskyllä Check and save. Mahdolliset virheet ja varoitukset näkyvät tämän jälkeen piirikaaviossa välkkyvinä keltaisina suorakaiteina. Korjaa virheet ja tallenna piirikaavio uudelleen. Kun piirikaavio on virheetön siitä voidaan luoda symboli käytettäväksi ylemmän hierarkiatason piirikaaviossa, esim. testipenkissä. Symboli luodaan automaattisesti piirikaavion perusteella käskyllä Design >Create Cellview >From Cellview... Tarkista avautuvasta ikkunasta, että library ja cell kentät ovat oikein. Paina Ok nappulaa. Tarkista, että pinnien tiedot ovat oikein avautuvassa Symbol generation options ikkunassa. Paina Ok nappulaa, jolloin symbolin editointi ikkuna aukeaa. Voit muuttaa esim. symbolin muotoa ennen kuin tallennat sen. Huomaa, että nyt suunnitteluyksikölläsi on kaksi esitysmuotos, schematic ja symbol. 8. Piirisimulaatio Piirin toiminta varmistetaan käyttäen Cadencen Affirma Analog Design Environment simulaattoriliityntää (kutsutaan tästä eteenpäin nimellä AnalogArtist). AnalogArtist on itseasiassa graafinen liittymä useaan kernel tason simulaattoriin, joista tässä harjoituksessa käytetään spectres nimistä simulaattoria. 8.1 Työvaiheet Simuloinnin tyypillisiä vaiheita ovat testipenkin luominen (käyttöjännitteet, herätteet, kuorma yms.) analyysin valinta simulaattorin ohjausten asettelu (laskenta askel, toleranssit yms.) talletettavien signaalien valinta simulointi tulosten tarkastelu 8.2 Testipenkki Eri analyysejä varten piirretään omat simulointipiirikaavionsa, ns. testipenkit, joilla pyritään asettamaan vahvistimen toimintapiste, mallintamaan kuormitusta, asettamaan herätteet yms. Analyysien ohjaukset yms. voidaan tallettaa piirikaavion mukana, mikä nopeuttaa

uudelleen simulointeja. 8.3 Analyysit Spectre piirisimulaattori sisältää mm. seuraavat perusanalyysit toimintapisteanalyysi dc pyyhkäisy ac analyysi kohina analyysi transienttianalyysi useat sisäkkäiset silmukat Alla käsitellään lyhyesti vain ne analyysit, joita tarvitaan tämän osan simuloinneissa. Kattavampi ohje simulaatioympäristön käytöstä löytyy Cadencen on line dokumentaatiosta esim. osoitteesta. file:/elsoft3/cds2001/doc/anasimhelp/ anasimhelptoc.html (Affirma TM Analog Circuit Design Environment User Guide, Product Version 4.4.6) 8.4 Käynnistys Simulointiympäristö käynnistetään Composer ikkunan pull down valikon käskyllä Tools > Analog Environment. 8.5 Simulaattorin valinta Valitaan Analog Artist Simulation ikkuna pull down valikon käsky Setup > Simulator/Directory/Host ja valitaan kaavakkeesta simulaattoriksi spectres. 8.6 Toimintapisteanalyysi Toimintapisteanalyysillä varmistetaan, että kytkennän virrat ja jännitteet ovat suunnitellun mukaiset ja että komponentit ovat aktiivisella toiminta alueella. Valitaan pull down valikon käsky Analyses >Choose... ja analyysiksi DC ja Save DC Operating Point. Valitaan pull down valikon käsky Outputs > Save All > Select all node voltages ja Select all DC/transient terminal currents, jolloin simulaattori tallettaa kaikki virrat ja jännitteet myöhempää tarkastelua varten. Käynnistetään simulaattori pull down valikon käskyllä Simulation > Run ja valitaan simuloinnin päätyttyä pull down valikon käsky Results > Annotate > DC Node Voltages. 8.7 Transienttianalyysi Valitaan pull down valikon käsky Analyses ja avautuvasta kaavakkeesta Tran. Simuloinnin pituus täytetään kohtaan Stop time. Valitaan pull down valikon käsky Outputs > Save All > Select all node voltages, jolloin simulaattori tallettaa kaikki jännitteet myöhempää tarkastelua varten. Valitaan vielä pull down valikon käsky Outputs > To Be Plotted > Select On Schematic, jolloin piirikaaviosta voidaan valita automaattisesti piirrettävät solmupistejännitteet. Simulaattori käynnistetään pull down valikon käskyllä Simulation > Run.

8.8 Parametrianalyysi Simulaattorissa voidaan suorittaa useampi sisäkkäinen silmukka. Voidaan esim. ajaa useampi transienttianalyysi vaihdellen tulojännitteen DC arvoa. Annetaan ensin halutun komponentin halutulle parametrille numeroarvon sijaan arvoksi muuttuja (Edit > Properties > Objects). Määritellään sitten ko. muuttuja valitsemalla pull down valikon käsky Variables > Edit ja kirjoittamalla muuttujan nimi kenttään Name. Valitaan Analog Artist ikkunan pull down valikon käsky Tools > Parametric Analysis, ja täytetään kaavakkeeseen kohdat Variable Name, From, To ja Total Steps. Käynnistetään simulointi Analog Artist Parametric Analysis ikkunan pull down valikon käskyllä Analysis > Start. 8.9 Tulosten tarkastelu Simulointitulosten tarkastelua helpottavat Analog Artist Simulation ikkuna pull down valikon käskyt Tools > Results Browser ja Tools > Calculator. Edellisellä komennolla voi tarkastella mm. eri komponenttien piensignaalimalleja, kohinakomponentteja, ja jälkimmäisellä voi suorittaa erilaisia laskutoimituksia ja automaattisia mittauksia. Calculaattorilla voidaan esim. laskea transienttisignaalin aikakeskiarvo. 9. Työselostuksessa vaadittavat asiat 1) Muuntimen piirikaavio (käsin tai koneella piirretty, sellaisena kuin se esiintyy kirjassa tms. lähteessä). 2) Piirretyt signaalin ja kohinan siirtofunktiot. 3) Lähdön aikasekvenssi käsianalyysinä, taulukkona ja piirrettynä. Kaksi kuvaajaa, toinen kun kvantisoijan lähtötasot ovat 1 ja +1 ja toinen, kun lähtötasot 0 ja +5. Lisäksi molemmissa tapauksissa ilmoitettava aikakeskiarvo ja kaava jolla ne on laskettu. 4) Ideaalisen Σ muuntajan ja testipenkkien Cadence piirikaaviot. 5) Piirretty lähdön aikakeskiarvo vs. tulon DC arvo kuvaaja. 6) Muuntimen askelvaste ja siitä katsottu lähdön nousunopeus. Lähdeluettelo [1] D.A. Johns & K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley & Sons 1997. [2] Cadence Product Documentation, Virtuoso Schematic Composer Tutorial, Product Version 4.4.6, file:/elsoft3/cds2001/doc/comptut/comptuttoc.html [3] Cadence Product Documentation, Affirma TM Analog Circuit Design Environment User Guide, Product Version 4.4.6, file:/elsoft3/cds2001/doc/anasimhelp/ anasimhelptoc.html [4] Cadence Product Documentation, Virtuoso Schematic Composer User Guide, Product Version 4.4.6, file:/elsoft3/cds2001/doc/comphelp/comphelptoc.html [5] Cadence Design Tools Tutorial at http://turquoise.wpi.edu/cds/

Liite 1. Esimerkki Cadence piirikaavio ja testipenkki