ANALOGIAPIIRIT III/SUUNNITTELUHARJOITUS OSA 2

Samankaltaiset tiedostot
ANALOGIAPIIRIT III/SUUNNITTELUHARJOITUS OSA 1

Analogiapiirit III. Tentti

+ - Piiriteoria I - Harjoitustyön ohjeet v out. v in (Heräte) 1. Johdanto. vin. 1. Johdanto Alkutoimet... 3

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet

ANALOGIAPIIRIT III/SUUNNITTELUHARJOITUS OSA 4

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet

Vcc. Vee. Von. Vip. Vop. Vin

Elektroniikka, kierros 3

Vahvistimet ja lineaaripiirit. Operaatiovahvistin

2. DC-SWEEP, AC-SWEEP JA PSPICE A/D

Tehtävä 1. Vaihtoehtotehtävät.

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

LABORATORIOTYÖ 1 MITTAUSVAHVISTIMET

OPERAATIOVAHVISTIMET 2. Operaatiovahvistimen ominaisuuksia

12. Stabiilisuus. Olkoon takaisinkytketyn vahvistimen vahvistus A F (s) :

Radioamatöörikurssi 2017

ANALOGIAPIIRIT III/SUUNNITTELUHARJOITUS OSA 5

RADIOTEKNIIKKA 1 HARJOITUSTYÖ S-2009 (VERSIO2)

ANALOGIAPIIRIT III/SUUNNITTELUHARJOITUS OSA 5

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS127. Jatkuva-aikaiset IC-suodattimet ja PLL-rakenteet

TASONSIIRTOJEN ja VAHVISTUKSEN SUUNNITTELU OPERAATIOVAHVISTINKYTKENNÖISSÄ

2. kierros. 2. Lähipäivä

1 Kohina. 2 Kohinalähteet. 2.1 Raekohina. 2.2 Terminen kohina

Automaation elektroniikka T103403, 3 op AUT2sn. Pekka Rantala syksy Opinto-opas 2012

4. kierros. 1. Lähipäivä

Turun Ammattikorkeakoulu, Elektroniikka

20 Kollektorivirta kun V 1 = 15V Transistorin virtavahvistus Transistorin ominaiskayrasto Toimintasuora ja -piste 10

Kannattaa opetella parametrimuuttujan käyttö muidenkin suureiden vaihtelemiseen.

Analogiapiirit III:n harjoitustyö

Osatentti

1 PID-taajuusvastesuunnittelun esimerkki

WCONDES OHJEET ITÄRASTEILLE (tehty Condes versiolle 8)

1 f o. RC OSKILLAATTORIT ja PASSIIVISET SUODATTIMET. U r = I. t τ. t τ. 1 f O. KAJAANIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikan ja liikenteen ala

Luento 8. Suodattimien käyttötarkoitus

Tehtävä 8. Jännitelähteenä käytetään yksipuolista 12 voltin tasajännitelähdettä.

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET

- Käyttäjä voi valita halutun sisääntulon signaalin asetusvalikosta (esim. 0 5V, 0 10 V tai 4 20 ma)

UNIVERSITY OF JYVÄSKYLÄ LABORATORY WORKS. For analog electronics FYSE400 Loberg D E P A R T M E N T O F P H Y S I C S

MITTALAITTEIDEN OMINAISUUKSIA ja RAJOITUKSIA

Radioamatöörikurssi 2013

a) I f I d Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim.

Hyvyyskriteerit. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Luku 8: Säädetyn järjestelmän hyvyys aika- ja taajuustasossa, suunnittelu taajuustasossa, kompensaattorit

Radioamatöörikurssi 2015

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

CC-ASTE. Kuva 1. Yksinkertainen CC-vahvistin, jossa virtavahvistus B + 1. Kuva 2. Yksinkertaisen CC-vahvistimen simulaatio

SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

- Käyttäjä voi valita halutun sisääntulon signaalin asetusvalikosta (esim. 0 5V, 0 10 V tai 4 20 ma)

AWR Design Environment 2009

Vahvistimet. Käytetään kvantisointi alue mahdollisimman tehokkaasti Ei anneta signaalin leikkautua. Mittaustekniikka

Boost-hakkuri. Hakkurin tilaesitykset

Asennusohje Viritettävä terrestiaalipäävahvistin HMB 6. SSTL n:o ULA-VHF I, VHF III, 6 x UHF ja AUX

Taajuustason tekniikat: Boden ja Nyquistin diagrammit, kompensaattorien suunnittelu. Vinkit 1 a

R = Ω. Jännite R:n yli suhteessa sisäänmenojännitteeseen on tällöin jännitteenjako = 1

A. SMD-kytkennän kokoaminen ja mittaaminen

MICRO-CAP: in lisäominaisuuksia

WCONDES OHJEET ITÄRASTEILLE (tehty Condes versiolle 8)

3. kierros. 2. Lähipäivä

IIZE3010 Elektroniikan perusteet Harjoitustyö. Pasi Vähämartti, C1303, IST4SE

Takaisinkytkentä. Avoin piiri vs. suljettu piiri. Tärkeä osa elektroniikkasuunnittelua

KANDIDAATINTYÖ. Tuukka Junnikkala SÄHKÖTEKNIIKAN KOULUTUSOHJELMA

ELEC-C3230 Elektroniikka 1. Luento 1: Piirianalyysin kertaus (Lineaariset vahvistinmallit)

TYÖ 2: OPERAATIOVAHVISTIMEN PERUSKYTKENTÖJÄ

Säätötekniikan matematiikan verkkokurssi, Matlab tehtäviä ja vastauksia

Radioamatöörikurssi 2014

HyperLynx BoardSim -ohjelman päävalikko: Ohjelmaan on valittu jo työ, piirilevyjohdin ja oskilloskooppimittauksen mittapisteitä.

1 db Compression point

ZENERDIODI JA FET-VAHVISTIN

Vahvistimet. A-luokka. AB-luokka

Luento 7. LTI-järjestelmät

Orcad Capture 16.6 versiolla tehdyt käyttöohjeet. Jaakko Kaski- (Ohjetta saa vapaasti käyttää opetukseen ja opiskeluun OAMK/Tekniikan yksikössä)

Flash AD-muunnin. Ominaisuudet. +nopea -> voidaan käyttää korkeataajuuksisen signaalin muuntamiseen (GHz) +yksinkertainen

Katsaus suodatukseen

Radiokurssi. Modulaatiot, arkkitehtuurit, modulaattorit, ilmaisimet ja muut

Kotitentti 3. Operaatiovahvistin

13. Operaatiovahvistimen rakenne

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Multivibraattorit. Bistabiili multivibraattori:

S Mittaustekniikan perusteet A. Esiselostustehtävät Erityisesti huomioitava

Ohjelmoitava päävahvistin WWK-951LTE

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

LABORAATIO 1, YLEISMITTARI JA PERUSMITTAUKSET

SATE1050 PIIRIANALYYSI II / MAARIT VESAPUISTO: APLAC, MATLAB JA SIMULINK -HARJOITUSTYÖ / SYKSY 2015

Pikaohje Aplisens APIS type 1X0 ja 2XO

Ohjelmoitava päävahvistin WWK-951. Anvia TV Oy Rengastie Seinäjoki

TASA- JA VAIHTOVIRTAPIIRIEN LABORAATIOTYÖ 5 SUODATINPIIRIT

ELEC-C1230 Säätötekniikka 10. laskuharjoitus Taajuustason tekniikat: Boden ja Nyquistin diagrammit, kompensaattorien suunnittelu

PID-sa a timen viritta minen Matlabilla ja simulinkilla

2. kierros. 1. Lähipäivä

Kirjoittaja: Antero Lehto

Ohjelmoitava yhteisantennijärjestelmien antennivahvistin WWK-9NG. AnviaTV Oy Yrittäjäntie 15, 6010 Seinäjoki,

ELEC-C1230 Säätötekniikka. Luku 8: Säädetyn järjestelmän hyvyys aika- ja taajuustasossa, suunnittelu taajuustasossa, kompensaattorit

A/D-muuntimia. Flash ADC

Taitaja2005/Elektroniikka. 1) Resistanssien sarjakytkentä kuormittaa a) enemmän b) vähemmän c) yhtä paljon sähkölähdettä kuin niiden rinnankytkentä

Piirilevyohjelma ARES

Itseoppivan radiojärjestelmän simulointijärjestelmän kehitys, CWC:n osahanke. DI Juho Markkula

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan. cos sin.

Transkriptio:

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)

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.

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.

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 1997. [2] G.W. Roberts & A.S. Sedra, Spice, 2 nd edition, Oxford University Press, New York, 1997. [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

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