Simulação amplificador pequenos sinais fonte comum 1 Objetivos Identificar as zonas de funcionamento do transistor MOS. Calcular r 0 e gm para um ponto de funcionamento DC. Identificar o ganho equivalente de tensão com uma configuração fonte comum. Utilizar o modelo equivalente para pequenos sinais do transistor para o ponto de operação e obter o ganho de tensão. Utilizar o modelo genérico de amplificador de tensão e obter o seu ganho. 2 Funcionamento do software Cadence Virtuoso Abrindo o virtuoso: 1. Abrir /public/ibm_180 2. Lançar:./cds Criando uma nova biblioteca: 1. File->new->library 2. Indicar o nome da biblioteca (EX: LAB_IV) 3. Na parte Technology File, clicar em: Attach to an existing technology library 4. Escolher "cmr7sf" Abrindo a biblioteca: 1. Na janela do virtuoso clicar em Tools->Library manager 2. Selecionar a opção "Show Categories" 3. Em Library selecionar a biblioteca criada Criando um primeiro esquemático de simulação: 1. Vai ser criada uma "cell"(célula) 2. Uma "cell"(célula) pode ter vários tipos de vistas "view"
3. A "view"schematic representa um esquemático de simulação. 4. A "view"symbol, cria um símbolo com o circuito daquele esquemático (muito semelhante ao conceito de criar o bloco symbol no LTspice) 5. Nós vamos criar uma view schematic: Selecionada a biblioteca que foi criada clicar no library manager em: File->new- >cellview Dê o nome para a Cell: (ex:tp1_circ1) View: schematic Type: schematic Adicionando componentes: 1. Os componentes são chamados de instâncias. 2. A letra "I"é a tecla de atalho para adicionar uma Instância. 3. Para procurar as "views"do tipo "symbol"para adicionar no esquemático, clicar em "browse". 4. Encontrar o componente com a "viewsymbol"passando por: Library->Category->Cell- >View 3 Circuito 1 Monte o circuito abaixo: Para adicionar o transistor nfet: 1. Adicionar a instância do nfet que está contida na seguinte sequência: 2. Library->Category->Cell->View 3. cmrf7sf->fet ->nfet->symbol Para adicionar os nós de referência (terra, Vdd) e fontes de tensão e corrente 1. Quando adicionar a instância procurar "AnalogLib" 2. Na caixa de texto Cellview procure por: gnd Vdd Vdc (2X) 2
3.1 Editando parâmetros dos componentes 1. Clicar na tecla de atalho "Q"e clicar no componente que queremos editar. 2. Começar pelo transistor para definir os valores de comprimento "L"e largura "W" 3. No campo "Width"indique "Wmos M"e em "Width (/Finger)"aplique "(Wmos) M". A largura do componente vale "Wmos", que se torna uma variável que nós podemos alterar posteriormente na simulação. Vários transistores podem receber esse valor e então alterando o valor de "Wmos"altera o tamanho de todos os transistores de tamanho "Wmos". 4. Para o bloco Vdc, indique o valor de Vdc como sendo "Vdd" 5. Para o segundo bloco Vdc, indique o valor como sendo "Vgs" 3.2 Lançando a simulação Existem diferentes tipos de análise possíveis no CADENCE. Nós vamos trabalhar com a análise dc, ac e transiente (simulação no tempo contendo o regime transitório). Para lançar a simulação: 1. Launch->ADE L (ADE é Analog Design Environement) 2. Agora nós vamos dar valores as variáveis que existem no esquemático. 3. Para copiar as variáveis, clique em Variables->copy from cellview 4. Indicar os seguintes valores: Wmos = 30u, Vdd=1.8, Vgs=1.5. 5. Agora vamos escolher o tipo de análise: Analyses->choose dc Para fazer variar o Vdd: em Sweep Variable clique em Design Variable, em variable name coloque Vdd. Em sweep range, escolha a opção start-stop e coloque de 0 a 1.8. Para traçar o Id em função de Vdd, nós vamos escolher a saída como sendo o Id. No ADE: Output->to be ploted-> select on schematics. Clicando no ponto vermelho do dreno do transistor a saída é uma corrente, clicando na linha, a saída é uma tensão. Para se fazer uma análise paramétrica: 3
1. Uma vez que temos a curva IdxVdd (nesse caso Vdd igual a Vds), nós vamos lançar a curva para vários Vgs. 2. No ADE: Tools-> Parametric analysis 3. Em Variable: coloque Vgs / From=0.5 To=1.5 e lançar a simulação. 3.3 Análise DC do transistor NMOS 1. Plotar Id=f(Vds) com Vds variando de 0 a 1.8. Use a análise paramétrica com Vgs variando de 0.5 a 1.5V. 2. Plotar Id=f(Vgs) com Vgs variando de 0 a 1.5. Use a análise paramétrica com Vds variando de 0 a 1.8V. 3. Estimar os valores de r 0 e gm para o ponto V gs = 1.5V e V ds = 1.8V 4. Verificar o valor de gm: no ADE clicar em Results->anotate-> DC operating point 3.4 Adicionando Cellviews na biblioteca 1. Copiar na pasta /public/ibm_180/<nome_da_biblioteca_criada> o conteúdo da pasta /home/lab_iv/tpc1/ 2. verifique as diferentes "Cellviews"que apareceram na biblioteca que foi criada anteriormente. 3.5 Carregando um perfil de simulação salva 1. Abrir um esquemático de teste: (ex. circ_2_smallsignal) que foi copiado. 2. Abrir o ADE: Launch->ADE L 3. Carregar um State: Session->load state (carrega o perfil de simulação) 4. Se tem também uma análise paramétrica: Tools-> parametric analysis / File->load As simulações a seguir já estão salvas em states. 3.6 Amplificador em fonte comum 1. Carregar a Cellview circ_2_smallsignal. 2. Explicar L e C na simulação 3. Plotar V out e V in em função do tempo (simulação transiente). Obter A V. 4
4. Plotar V out e V in em função da frequência. Obter A V. Aplicar uma banda larga de simulação (até 10GHz). O que se observa na curva de ganho? Qual a frequência de corte? A que elemento se atribui esse comportamento? Explicar. 3.7 Modelo equivalente de pequenos sinais Nessa etapa substituem-se o transistor, o capacitor e o indutor por seus modelos equivalentes para pequenos sinais. 1. Carregar a Cellview isource_eq_smallsignal. 2. Plotar V out e V in em função do tempo. Obter A V. 3. Plotar V out e V in em função da frequência. Obter A V. 3.8 Modelo amplificador de tensão Nessa etapa modela-se o circuito como de tensão controlada por tensão. 1. Carregar a Cellview vsource_eq_smallsignal. 2. Qual o valor de R in? R out? A 0? 3. Plotar V out e V in em função do tempo. Obter A 0. 4. Plotar V out e V in em função da frequência. Obter A V. 5
Figura 1: Circuito 1 6
Figura 2: Adicionando o nfet 7
Figura 3: Adicionando as referências e as fontes 8
Figura 4: Amplificador em fonte comum 9
Figura 5: Modelo equivalente de pequenos sinais 10
Figura 6: Modelo amplificador de tensão 11