Projektowanie Układów ASIC

Laboratorium

 

 

 

Ćwiczenie nr 1b. Wykonanie topografii, ekstrakcji topografii i symulacji po ekstrakcji topografii wzmacniacza operacyjnego CMOS.

1. Wstęp.

            W tym ćwiczeniu należy zaprojektować topografię wzmacniacza operacyjnego zbadanego w ćwiczeniu poprzednim a następnie dokonać ekstrakcji topografii i symulacji po ekstrakcji. Dzięki umieszczeniu elementów pasożytniczych symulacja po ekstrakcji jest bardziej wiarygodna.

2. Przygotowanie do laboratorium.

            Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia należy odświeżyć wiadomości dotyczące budowy i działania wzmacniaczy operacyjnych jak również należy zapoznać się z obsługą symulatora PSPICE i programu projektowania topografii MAGIC. Na końcu niniejszego opracowania podana jest niezbędna literatura.

3. Wzmacniacz operacyjny.

            Schemat badanego wzmacniacza przedstawiony jest na rys. 1 i jest identyczny jak w ćwiczeniu 1.  Nazwy węzłów oznaczone są kursywą i dla polepszenia czytelności listy połączeń po ekstrakcji topografii należy umieścić takie same etykiety w odpowiednich miejscach na topografii. Wzmacniacz zasilany jest z niesymetrycznego źródła napięciowego o wydajności 3.3V. Poziom masy sygnałowej należy ustalić na równy 1.5V. Wymiary tranzystorów podane są w tabeli 1.

Rys. 1. Schemat badanego wzmacniacza operacyjnego CMOS.

 

Tabela 1. Parametry elementów projektowanego wzmacniacza operacyjnego CMOS

Element

Typ

Szerokość [um]

Długość [um]

M1

N

1,44

0,54

M2

N

1,44

0,54

M3

P

1,62

0,54

M4

P

1,62

0,54

M5

P

48,6

1,62

M6

N

0,54

0,9

M7

N

64,8

3,24

M8

N

64,8

1,08

M9

P

194,4

1,08

M10

P

0,54

7,2

M11

N

2,16

1,08

M12

N

2,16

1,08

Cc

kondensator 0.1pF

 

 

4. Instrukcja wykonania ćwiczenia.

            W ramach ćwiczenia należy najpierw zaprojektować topografię wzmacniacza operacyjnego, następnie wykonać ekstrakcję topografii i symulacje elektryczne po topografii wg poniższej listy. Wyniki symulacji jak również wyniki wykonania pozostałych poleceń należy umieścić w protokole, którego wzór znajduje się w załączniku B. Załącznik ten, po wypełnieniu jak również plik topografii układu „*.mag” należy przesłać pocztą elektroniczną na adres wskazany przez prowadzącego zajęcia.

5. Lista czynności do wykonania w ramach ćwiczenia (jeśli nie wymagano inaczej wszelkie parametry należy wyznaczyć dla V(out) @1.5V):

A)    Należy wykonać projekt topografii wzmacniacza przy użyciu programu MAGIC. Parę różnicową należy zaprojektować w konfiguracji Common Centroid. Tranzystory o dużych wymiarach należy wykonać jako równoległe połączenie mniejszych elementów. Należy stosować kontakty do podłoża (co 20um lub częściej) i wyspy (co 30um lub częściej). Kondensator Cc zaprojektować jako złożony z warstw METAL1/METAL2/METAL3/METAL4/METAL5/METAL6 połączonych naprzemiennie do okładki dolnej i górnej kondensatora. Następnie należy wykonać ekstrakcję topografii wzmacniacza.

B)     Należy wyznaczyć (symulacja PSPICE) wejściowe napięcie niezrównoważenia i jeśli nie podano tego inaczej wszystkie inne symulacje należy przeprowadzać przy założeniu podania na wejście napięcia stałego równego napięciu niezrównoważenia.

C)    Należy wyznaczyć (symulacja PSPICE) wzmocnienie napięciowe w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego.

D)    Należy wyznaczyć (symulacja PSPICE) współczynnik CMRR.

E)     Należy wyznaczyć (symulacja PSPICE) współczynnik PSRR.

F)     Należy wyznaczyć (symulacja PSPICE) zniekształcenia nieliniowe dla sygnału wejściowego o amplitudzie 0.5V i częstotliwości 10kHz przy konfiguracji wzmacniacza jako wtórnik napięciowy i przy obciążeniu rezystancją 10k (do masy sygnałowej).

G)    Należy sprawdzić czy wzmacniacz jest wewnętrznie skompensowany i wyznaczyć (symulacja PSPICE) zapas fazy i amplitudy tej kompensacji oraz częstotliwość bieguna dominującego.

H)    Należy wyznaczyć: wejściowe napięcie niezrównoważenia, wzmocnienie w otwartej pętli sp. zw. oraz częstotliwość 3dB dla czterech różnych przebiegów technologicznych i dla listy połączeń otrzymanej po ekstrakcji topografii. Parametry modeli należy wziąć ze strony MOSIS MOSIS Test Results for TSMC 0.18 Micron Runs CL018, CR018 (CM018) lub TU.

I)       Należy podać wnioski końcowe (skomentować uzyskane wyniki oraz zaproponować możliwe modyfikacje wzmacniacza) i uwagi co do zakresu ćwiczenia.

 

 6. Uruchomienie programu MAGIC w laboratorium 308 oraz instrukcja użytkowania.

Program MAGIC zainstalowany jest z domyślną technologią SCN3ME_SUBM.30. Zadanie laboratoryjne opiera się na technologii TSMC CMOS 0.18um i w związku z tym należy uruchomić program z odpowiednim zbiorem technologicznym. Należy kolejno wykonać następujące operacje:

-         skopiować plik Plik technologiczny do programu MAGIC dla technologii TSMC 0.18um do katalogu c:\cygwin\home\lab1,

-         skopiować plik c:\cygwin\usr\X11R6\bin\startmagic.bat do katalogu c:\cygwin\home\lab1 a następnie dokonać jego edycji i w linii wywołującej uruchomienie programu MAGIC dokonać zmiany z:

%RUN% xterm -e /usr/bin/bash -l magic -T SCN3ME_SUBM.30

na postać:

   %RUN% xterm -e /usr/bin/bash -l magic -T scn6m_deep_09.tech27

-         uruchomić program MAGIC poprzez wykonanie skryptu c:\cygwin\home\lab1\startmagic.bat.

Po uruchomieniu powyższego skryptu program MAGIC działa z plikiem technologicznym przygotowanym dla technologii TSMC 0.18. Po ekstrakcji topografii, w celu symulacji należy stosować modele tranzystorów z poprzedniego ćwiczenia, które są dostępne również tutaj: Modele SPICE do technologii TSMC 0.18um.

            Instrukcje obsługi programu oraz inną dokumentację można znaleźć w katalogu „cad” umieszczonym na pulpicie komputera.

Literatura

[1]       Z. Staszak., J. Glinianowicz, D. Czarnecki, skrypt pt. „Układy elektroniczne liniowe”.

[2]       A. Guziński, „Liniowe elektroniczne układy analogowe”, WNT 1992.

[3]       J. Izydorczyk, „PSpice komputerowa symulacja układów elektronicznych”, Helion, 1993.

[4]       B. Pankiewicz, materiały pomocnicze do przedmiotu „ Projektowanie Układów ASIC”,

Gdańsk 2005.

[5]       Strona WEB poświęcona programowi MAGIC: http://opencircuitdesign.com/magic/

[6]       Strona WEB firmy MOSIS – dystrybutora technologii TSMC018: www.mosis.com

 

Dodatek B – wzór protokołu.

Zawartość umieszczoną poniżej należy skopiować do osobnego dokumentu i po wypełnieniu wysłać na adres wskazany przez prowadzącego zajęcia.

 

Ćwiczenie nr 1b. Badanie wzmacniacza operacyjnego CMOS.

 

Lp.

Nazwa

Wartość otrzymana po ekstrakcji

Wartość wyznaczona w Ćw. 1

1

Data wykonania ćwiczenia.

 

2

Osoby wykonujące ćwiczenie.

 

3

A. Rysunek topografii wzmacniacza.

 

4

B. Wejściowe napięcie niezrównoważenia.

 

 

5

C. Wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego.

 

 

6

D. CMRR.

 

 

7

E. PSRR.

 

 

8

F. THD.

 

 

9

G. Zapas fazy i amplitudy oraz częstotliwość bieguna dominującego.

 

 

10

h. Wyznaczenie parametrów dla 4 różnych przebiegów technologicznych.

Parametr

Run T6CA

Run T18H

Run T42P

Run T53R

VIOFF [mV]

 

 

 

 
AD [V/V]

 

 

 

 

f3dB [Hz]

 

 

 

 

11

I. Wnioski końcowe i sugestie co do treści ćwiczenia. (maks. 15 zdań)

 

 

 

 

Data opracowania: marzec 2007.

Opracował: Bogdan Pankiewicz.