PUAV – projekt Ćwiczenie 1

PUAV – projekt
Ćwiczenie 1
Tematyka: modelowanie tranzystora MOS.
Cel ćwiczenia: praktyczne zapoznanie się z zagadnieniami modelowania, dobór
parametrów i ocena dokładności modeli. Przypomnienie zasad symulacji układów
elektronicznych (program SPICE).
Przygotowanie do zajęć: oczekiwana jest ogólna znajomość zagadnień modelowania
– najprostszy model DC, model małosygnałowy, pojęcia transkonduktancji i
konduktancji wyjściowej.
Używane oprogramowanie: pakiet zintegrowany AppleWorks oraz symulator układów
elektronicznych IMiOSpice. Do programu IMiOSpice istnieje krótka instrukcja
użytkowania (w jęz. angielskim). Praca z pakietem AppleWorks jest podobna do
pracy z Microsoft Office, wszelkich wyjaśnień udzieli prowadzący zajęcia.
Przebieg zajęć:
Część 1: dobór parametrów modeli i ocena ich dokładności
Do zajęć przygotowane są zmierzone charakterystyki scalonych tranzystorów MOS –
tranzystora z „długim“ kanałem i tranzystora z „krótkim“ kanałem. Wyniki pomiarów
są zapisane w arkuszach kalkulacyjnych. Przygotowane są także pliki do programu
IMiOSpice, generujące rodziny charakterystyk ID(VDS,VGS) tranzystorów. Należy
wykonać następujące zadania:
1. Wykorzystać dane z arkusza kalkulacyjnego do otrzymania wykresu rodziny
charakterystyk ID(VDS,VGS). Służą do tego odpowiednie funkcje obsługi arkuszy
kalkulacyjnych programu AppleWorks.
Rys. 1. Arkusz kalkulacyjny, na jego tle wykres charakterystyk tranzystora
Wykonany wykres przenosimy z arkusza kalkulacyjnego do dokumentu graficznego,
do którego – dla porównania – będą też kopiowane wykresy rodzin charakterystyk
generowane przez program IMiOSpice.
2. Przy pomocy programu IMiOSpice wykonać symulacje, w wyniku których
uzyskane zostaną charakterystyki tranzystora obliczone z modeli. W pliku znajdują
się trzy modele: „level 1“, „level 2“ i „level 3“. Parametry tych modeli są wstępnie
dobrane. Należy uzyskać jak najlepszą zgodność charakterystyk generowanych
przez modele ze zmierzonymi, zmieniając tylko następujące trzy parametry: VTO
(napięcie progowe), UO (ruchliwość nośników w kanale), LAMBDA (parametr
określający nachylenie charakterystyki w zakresie nasycenia). Technika doboru
parametrów jest następująca: wykonujemy symulację programem IMiOSpice,
otrzymany wykres rodziny charakterystyk kopiujemy do dokumentu graficznego
z wykresem charakterystyk otrzymanych z pomiarów (wykres skopiowany
z IMiOSpice jest „przezroczysty“, po nałożeniu wykres z danymi pomiarowymi jest
nadal widoczny). Dopasowujemy dokładnie układy współrzędnych obu wykresów i
oceniamy dokładność modelowania. Następnie, jeśli trzeba, wykonujemy następną
symulację programem IMiOSpice zmieniając parametry modelu. Można to zrobić
wykorzystując edytor tekstu wbudowany do IMiOSpice. Kolejny otrzymany
z IMiOSpice wykres rodziny charakterystyk porównujemy z charakterystykami
otrzymanymi z pomiarów – i tak aż do otrzymania zgodności, którą uznamy za
zadowalającą. Te czynności należy wykonać dla tranzystora „długiego“, a następnie
dla tranzystora „krótkiego“.
Rys. 2. Okno dokumentu graficznego z charakterystykami obliczonymi przez IMiOSpice (linie
ciągłe) nałożonymi na punkty pomiarowe
3. Po zakończeniu dobierania parametrów modeli przedyskutować wyniki. Jaka jest
uzyskana zgodność: słaba, zadowalająca, bardzo dobra? Który z modeli udało się
najlepiej dopasować? W sprawozdaniu należy zamieścić uzyskane wykresy
(generowane przez modele na tle doświadczalnych) dla wszystkich modeli i obu
tranzystorów (w sumie 6 wykresów) oraz dyskusję.
Część 2: Obserwacja dokładności modelowania transkonduktancji
Należy obliczyć przy pomocy programu IMiOSpice wykres gm = f(VGS), do czego jest
przygotowany odpowiedni plik. WAŻNE: w tym pliku trzeba użyć tych samych
wartości parametrów modeli, które zostały dobrane w pierwszej części ćwiczenia!
Niestety nie ma mechanizmu pozwalającego od razu otrzymać całą charakterystykę,
trzeba to robić metodą „punkt po punkcie“ zmieniając w pliku wartość VGS i
powtarzając symulacje. Należy wykonać to dla jednego tranzystora, dla wszystkich
trzech modeli, dla napięcia VDS = 1V i napięć VGS z zakresu: od VTO–0,1 V do 5 V.
Następnie należy wykonać wykres przy użyciu arkusza kalkulacyjnego, i
przedyskutować wyniki: czy uzyskane zależności są zbliżone do siebie? Czy są
ciągłe? Jak duże są rozbieżności? Wykres i wyniki należy zamieścić w
sprawozdaniu.
Przykładowe pliki do programu IMiOSpice:
Plik do analizy DC: Plik generujący rodziny charakterystyk zawiera opis układu, w
którym są trzy tranzystory i siedem źródeł: VD, VB, VG, VS, VPOM1, VPOM2,
VPOM3. Cztery pierwsze służą do polaryzacji tranzystora, ostatnie trzy są
„amperomierzami“ – prądy płynące przez te źródła (o napięciu równym 0 V) są
obserwowanymi prądami drenu (te dodatkowe źródła pozwalają obserwować prąd
zawsze jako wartość dodatnią niezależnie od rodzaju kanału tranzystora). Plik
zawiera trzy modele, chcąc użyć jeden z nich należy wyedytować nazwę modelu w
wierszu opisującym tranzystor.
Polecenia RUN oraz PLOT i(VPOM1) i(VPOM2) i(VPOM3) powodują, że natychmiast
po wczytaniu pliku wykonywana jest symulacja, a jej wyniki pojawiają się w postaci
wykresu. Wykres jest skalowany automatycznie, ale skalę można następnie dowolnie
zmienić, dostosowując ją do skali, w jakiej wykonano wykres charakterystyk
doświadczalnych.
Każdy z trzech tranzystorów ma przypisany inny model. Dzięki temu w jednej
symulacji otrzymujemy trzy rodziny charakterystyk. Są one rysowane w jednym
oknie. Pozwala to od razu porównać je. Do porównania z danymi doświadczalnymi
wygodniej jest mieć każdą charakterystykę osobno. Można to uzyskać w programie
IMiOSpice otwierając dodatkowe okna. Szczegóły objaśni prowadzący zajęcia.
* TEST short tran PMOS IdVd
MCKT1 11 2 3 4 MODP50X3_1
+ W = 5e-05
+ L = 5e-05
MCKT2 12 2 3 4 MODP50X3_2
+ W = 5e-05
+ L = 5e-05
MCKT3 13 2 3 4 MODP50X3_3
+ W = 5e-05
+ L = 5e-05
* DEF SOURCES
VG 0 2 DC -2.5
VS 3 0 DC 0
VD 0 5 DC 0
VPOM1 11 5 DC 0
VPOM2 12 5 DC 0
VPOM3 13 5 DC 0
VB 4 0 DC 0
* END SOURCES
.DC VD 0 5 0.1 VG 1 5 1
.CONTROL
RUN
PLOT i(VPOM1) i(VPOM2) i(VPOM3)
.ENDC
*========================================================================
* Model LEVEL=1 of PMOSFETs W/L=50um/3um
*========================================================================
.MODEL
MODP50X3_1
PMOS
LEVEL
=
1
+LD =
0.27E-6
+TOX = 60.3E-9 UO = 160
+VTO
=
-0.550 GAMMA
=
0.431
+PHI
=
0.619
LAMBDA =
0.04
+JS =
1.5E-5
+CJ =
1.49E-4 MJ
=
0.545
PB
=
0.858
+CJSW
=
4.38E-10
MJSW
=
0.355
+CGSO
=
7.68E-10
CGDO
=
7.68E-10
CGBO
=
1.1E-9
*========================================================================
* Model LEVEL=2 of PMOSFETs W/L=50um/3um
*========================================================================
.MODEL
MODP50X3_2
PMOS
LEVEL
=
2
+LD =
0.27E-6 TOX = 60.3E-9
+VTO
=
-0.550 GAMMA
=
0.510
PHI
=
0.633
+NFS
=
1.2E+11 UO
=
282
UCRIT
=
6.284E+4
+UEXP
=
0.258
LAMBDA =
0.000
+VMAX
=
4.8E+4 NEFF
=
1.047
DELTA
=
0.0
+JS =
1.5E-5
+CJ =
1.49E-4 MJ
=
0.545
PB
=
0.858
+CJSW
=
4.38E-10
MJSW
=
0.355
+CGSO
=
7.68E-10
CGDO
=
7.68E-10
CGBO
=
1.1E-9
*========================================================================
* Model LEVEL=3 of PMOSFETs W/L=50um/3um
*========================================================================
.MODEL
MODP50X3_3
PMOS
LEVEL
=
3
+LD =
0.27E-6 TOX = 60.3E-9
+VTO
=
-0.550 GAMMA
=
0.510
PHI
=
0.633
+NFS
=
1.2E+11 UO
=
300
THETA
=
0.096
+VMAX
=
1.57E+11
KAPPA
=
5.95
ETA
=
1.014
+DELTA
=
0.0
+JS =
1.5E-5
+CJ =
1.49E-4 MJ
=
0.545
PB
=
0.858
+CJSW
=
4.38E-10
MJSW
=
0.355
+CGSO
=
7.68E-10
CGDO
=
7.68E-10
CGBO
=
1.1E-9
.END
Plik do obliczania transkonduktacji: Plik umożliwia obliczenie jednej wartości
transkonduktacji, dla zadanych napięć VGS i VDS. Zawiera opis układu, w którym
jest jeden tranzystor, rezystor obciążenia RL (na nim odkłada się napięcie zmienne,
które umożliwia obliczenie transkonduktacji) oraz źródła polaryzujące. Rezystor ma
rezystancję równą 0,001 Ω. Program IMiOSpice w trybie symulacji .TF oblicza
stosunek amplitud składowych zmiennych na wyjściu (wskazana w pliku para węzłów
5,1) i na wejściu (wskazane w pliku źródło VG). Dla przeliczenia otrzymanego wyniku
na wartość transkonduktancji należy napięcie wyjściowe przeliczyć na prąd, dzieląc
to napięcie przez rezystancję 0,001 Ω. Ostatecznie wartość transkonduktancji w A/V
otrzymujemy, mnożąc liczbę obliczoną przez IMiOSpice przez 1000:
gm = Uwy/(0,001 x Uwe) = ku * 1000
gdzie ku – wzmocnienie napięciowe obliczone przez IMiOSpice.
Polecenia RUN i PRINT TRANSFER_FUNCTION powodują, że natychmiast po
wczytaniu pliku wykonywana jest symulacja, a wynik w postaci liczbowej zostaje
wypisany w oknie konsoli programu IMiOSpice.
Chcąc wykonywać obliczenia dla kolejnych wartości VGS należy edytować wartość
źródła VG. Model zmienia się, podobnie jak w poprzednio omawianym pliku, edytując
nazwę w wierszu opisującym tranzystor.
* TEST gm PMOS short tran
MCKT 1 2 3 4 MODP50X3_2
+ W = 5e-05
+ L = 3e-06
* DEF SOURCES
VG 2 0 DC -2.5
VS 3 0 DC 0
VD 5 0 DC -1
VB 4 0 DC 0
RL 5 1 0.001
* END SOURCES
.TF V(5,1) VG
.CONTROL
RUN
PRINT TRANSFER_FUNCTION
.ENDC
*========================================================================
* Model LEVEL=1 PMOSFETs W/L=50um/3um
*========================================================================
.MODEL
MODP50X3_1
PMOS
LEVEL
=
1
+LD =
0.27E-6
+TOX = 60.3E-9 UO = 160
+VTO
=
-0.550 GAMMA
=
0.431
+PHI
=
0.619
LAMBDA =
0.04
+JS =
1.5E-5
+CJ =
1.49E-4 MJ
=
0.545
PB
=
0.858
+CJSW
=
4.38E-10
MJSW
=
0.355
+CGSO
=
7.68E-10
CGDO
=
7.68E-10
CGBO
=
1.1E-9
*========================================================================
* Model LEVEL=2 of PMOSFETs W/L=50um/3um
*========================================================================
.MODEL
MODP50X3_2
PMOS
LEVEL
=
2
+LD =
0.27E-6 TOX = 60.3E-9
+VTO
=
-0.550 GAMMA
=
0.510
PHI
=
0.633
+NFS
=
1.2E+11 UO
=
282
UCRIT
=
6.284E+4
+UEXP
=
0.258
LAMBDA =
0.000
+VMAX
=
4.8E+4 NEFF
=
1.047
DELTA
=
0.0
+JS =
1.5E-5
+CJ =
1.49E-4 MJ
=
0.545
PB
=
0.858
+CJSW
=
4.38E-10
MJSW
=
0.355
+CGSO
=
7.68E-10
CGDO
=
7.68E-10
CGBO
=
1.1E-9
*========================================================================
* Model LEVEL=3 of PMOSFETs W/L=50um/3um
*========================================================================
.MODEL
MODP50X3_3
PMOS
LEVEL
=
3
+LD =
0.27E-6 TOX = 60.3E-9
+VTO
=
-0.550 GAMMA
=
0.510
PHI
=
0.633
+NFS
=
1.2E+11 UO
=
300
THETA
=
0.096
+VMAX
=
1.57E+11
KAPPA
=
5.95
ETA
=
1.014
+DELTA
=
0.0
+JS =
1.5E-5
+CJ =
1.49E-4 MJ
=
0.545
PB
=
0.858
+CJSW
=
4.38E-10
MJSW
=
0.355
+CGSO
=
7.68E-10
CGDO
=
7.68E-10
CGBO
=
1.1E-9
.END