Esame di Elettronica I 2º compitino 4 Febbraio

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1 Esame di Elettronica I 2º compitino 4 Febbraio Simulazione al calcolatore con PSpice Melzani Yari Matricola: Crema 12 febbraio 2003 Figura 1: Schema circuitale di una porta OR tracciato in PSPICE 9.1 Lo schema circuitale in figura rappresenta una porta OR, realizzata in tecnologia CMOS. La funzione logica ottenuta è la seguente: Dati 2 valori di ingresso logici, si ottiene un valore d uscita che è a sua volta logico. A B Y Per realizzare il circuito in PSPICE sono stati inseriti 6 transistori ad arricchimento, rispettivamente 3 a canale P e 3 a canale N. Sono presenti 2 generatori d onda quadra (A e B), di tipo VPULSE, i quali originano gli ingressi.

2 Nel circuito sono presenti anche: un generatore di tensione V DD e un condensatore C L (capacità di carico). CARATTERISTICHE E PARAMETRI DEI COMPONENTI UTILIZZATI Le dimensioni dei 2 transistori MOS non sono identiche: L p = 0.25 µm W p = 10 µm L n = 0.25 µm W n = 5 µm Le superfici dei transistori determinano la quantità di potenza dissipata, è per questo motivo che si tende a costruire circuiti, con componenti sempre più piccoli. M1, M2, M5 Sono transistori MOS ad arricchimento a canale N La tensione di soglia V th è 0.5V µ A Il parametro k = 80 V 2 M3, M4, M6 Sono transistori MOS ad arricchimento a canale P La tensione di soglia V th è -0.5V µ A Il parametro k = 40 V 2 I parametri di conduttanza dei transistori sono stati impostati nel file di libreria di PSPICE MSimEv_8\lib\Breakout.lib.MODEL MbreakN NMOS LEVEL=1 VTO=0.5 KP=8e-5.MODEL MbreakP PMOS LEVEL=1 VTO=-0.5 KP=8e-5 VDD Si tratta di un generatore di tensione, il suo valore è 2.5V A, B VPULSE Sono generatori d onda trapezoidale. Il simulatore PSPICE non mette a disposizione un generatore d onda quadra proprio. Si può approssimare la caratteristica quadra, impostando dei tempi di salita e discesa del segnale molto bassi, rispetto al semiperiodo alto o basso. A: Valore di tensione Basso: 0V Valore di tensione Alto: 2.5V PER=100ns periodo dell onda TD=0 tempo di ritardo TR=3ns tempo di salita del segnale TF=3ns tempo di discesa del segnale - Questo generatore pilota il gate dei transistori M1, M3 B: Valore di tensione Basso: 2.5V Valore di tensione Alto: 0V PER=150ns periodo dell onda TD=0 tempo di ritardo

3 TR=3ns tempo di salita del segnale TF=3ns tempo di discesa del segnale - Questo generatore pilota il gate dei transistori M2, M4 C L E un condensatore con capacità 0.2pF; permette di stabilizzare il segnale in uscita. Il circuito è stato simulato al calcolatore con PSPICE 9.1 A. Andamento nel tempo della tensione in uscita. Figura 2: Andamento nel tempo degli ingressi A e B. La figura 2 mostra una simulazione in cui è stato chiesto a PSpice di effettuare un analisi Transient, quindi nel dominio del tempo, dei segnali generati dai VPULSE A e B, con i parametri associati ai componenti sopra elencati. Si osservano dei tempi di salita e discesa abbastanza alti, rispetto al periodo alto o basso; infatti sono stati impostati a 3ns sia per la salita che per la discesa del segnale. La combinazione dei ritardi A, B causa comportamenti sgradevoli, specialmente in termini di dissipazione di potenza.

4 Figura 3: Andamento del tempo dell uscita in funzione degli ingressi A e B. La figura mostra l andamento nel tempo della tensione in uscita a fronte degli ingressi A e B. Per poter visualizzare i valori, è stato sufficiente inserire un marker sul nodo interessato. L analisi è riferita ad 1 periodo (300ns) con un Print Step di 0,01ns; Sulle ordinate sono espressi i valori di tensione riferiti all uscita, mentre sulle scisse è rappresentato il tempo in ns. Il periodo risultante dalle 2 forme d onda in ingresso è mcm(a,b) = mcm(100ns,150ns)=300ns Si osserva che il segnale di uscita presenta un valore logico alto quando almeno un segnale in ingresso (A o B) è alto. Il risultato è concorde con le aspettative. Figura 4: Transitorio d assestamento del segnale in uscita.

5 Dalla figura 4 si osserva un picco di tensione in corrispondenza della commutazione dell uscita. Si tratta di un periodo di assestamento del segnale; il transistore ha bisogno di piccoli tempi di assestamento a fronte di una commutazione. Il fenomeno è dovuto sia ai parametri K di conduttanza dei transistori coinvolti nella commutazione, sia ai tempi di salita e discesa dei segnali in ingresso. B. Andamento nel tempo della corrente erogata dal generatore V DD e della potenza istantanea dissipata dal circuito. Figura 5: Andamento nel tempo della corrente erogata da V DD La figura 5 mostra la corrente erogata dal generatore di tensione V DD nel tempo, concorde con quanto espresso nella legenda. L analisi è riferita ad 1 periodo (300ns) con un Print Step di 0,01ns; Sulle ordinate sono espressi i valori di corrente in ma, mentre, sulle scisse, è rappresentato il tempo in ns. Si osservano dei picchi molto alti di corrente, in corrispondenza delle commutazioni del segnale in uscita; infatti, in base alla combinazione dei transistori, che cambiano il proprio stato, si verificano i picchi positivi o negativi. Per il resto del periodo la corrente erogata da V DD è trascurabile.

6 Figura 6: Andamento nel tempo della potenza dissipata dal circuito. Nella figura 6 è espressa la potenza dissipata dal circuito. L analisi è riferita ad 1 periodo circa (300ns) con un Print Step di 0,01ns; La rappresentazione della potenza è stata ottenuta inserendo un espressione nello strumento Add Trace di PSpice. Il risultato è dovuto alla somma, istante per istante, del contributo di ogni componente passivo. Dalla relazione P = V I si ricava la potenza dissipata da ogni transistore. 6 i= 1 ID(Mi) (V(Mi : d) - V(Mi : s)) ID( Mi) ( V ( Mi : d) V ( Mi : s)) Si tratta del prodotto fra la corrente del nodo di drain del transistore Mi e la differenza di potenziale ai capi del transistore stesso. Si osserva nel grafico che la dissipazione di potenza avviene in concomitanza con i fronti di salita e discesa del segnale in uscita. Il segno dei picchi è positivo, in modo concorde con la convenzione degli utilizzatori, la quale considera negativa la potenza erogata da un componente; al contrario il segno è positivo se il componente la dissipa.