Στόχος του 1ου Συνόλου Ασκήσεων
Ο στόχος της πρώτης άσκησης είναι να εξοικειωθείτε με την αναλογική προσομοίωση, χρησιμοποιώντας το NGSPICE, και παράλληλα να αποκτήσετε διαίσθηση ως προς την λειτουργία των CMOS τρανζίστορς και των ηλεκτρικών τους χαρακτηριστικών. Για τις παρακάτω ασκήσεις θα πρέπει να υποβάλλετε όλες τις σχετικές γραφικές παραστάσεις απο το NGSPICE και τα σχετικά σχόλια ή υπολογισμούς που ζητούνται.1η Άσκηση
-
Χαρακτηριστικές Ids/(Vds, Vgs)
Κάνοντας στατική ανάλυση σημείου πόλωσης, δηλ. DC, σχηματίστε τις
χαρακτηριστικές των δυο τύπων τρανζίστορ, και συγκεκριμένα το ρεύμα
Ids(n,p) ως προς Vgs(n,p) και Vds(n,p), με ανάλυση 0.25V. - Σχολιάστε τις χαρακτηριστικές, εντοπίζοντας τα σημεία Vds = Vgs - Vt , και τις κάθετες αποστάσεις ως προς το Vgs.
- Υπολογίστε (i) την στιγμιαία αντίσταση R(eqabs) = V/I, και (ii) την ισοδύναμη μέση αντίσταση R(eqav) = ΔV/ΔI για την περιοχή κορεσμό των τρανζίστορς, για τις εξής τιμές του Vgs : {0.8, 1.2, 2, 2.5}. Σχολιάστε τις διαφορές στις τιμές στιγμιαίας και μέσης αντίστασης και τις διαφορετικές τιμές συναρτήσει του Vgs.
-
Ισοδύναμη Αντίσταση RC Τρανζίστορ
Χρησιμοποιώντας ενα NMOS για την εκφόρτιση, και ενα PMOS για την
φόρτιση (δυο διαφορετικές προσομοιώσεις) ενός πυκνωτή μεγέθους της
αρεσκείας σας (σας προτείνεται C = 0.1pF) υπολογίστε την μέση
ισοδύναμη αντίσταση των δυο τύπων τρανζίστορ.
Σχολιάστε τις τιμές που υπολογίσατε ως προς: (i) τον τύπο του τρανζίστορ, και (ii) σε σχέση με τα αποτελέσματα του (α).
2η Άσκηση
Τροποποιήστε την προσομείωση για δυο όμοια τρανζίστορ σε σειρά. Πόση είναι η συνολική πτώση τάσης και γιατί;
3η Άσκηση
-
Καμπύλη Μεταβίβασης Vout/Vin
Κάνοντας ανάλυση στατικού σημείου πόλωσης, δηλ. DC, σχηματίστε την
χαρακτηριστική καμπύλη μετάβασης του αντιστροφέα. Υπολογίστε, βάση της
παράστασης τα: VM, VOH, VOL, VIH, VIL, και βάση αυτών τα περιθώρια
αναλογικών τιμών δυναμικού της πύλης (θορύβου) που αντιστοιχούν στο
λογικό 0 και λογικό 1. -
Κλιμάκωση Τάσης και Καμπύλη Μεταβίβασης
Τι θα συμβεί στα περιθώρια θορύβου και στην κατανάλωση, αν
κλιμακώσουμε το δυναμικό της τάσης προς τα κάτω; Θα υπάρχει βελτίωση η
επιδείνωση τους; Παράξτε τις αντίστοιχες καμπύλες μετάβασης για Vdd =
{0.7, 1.2, 1.8}.
Αλλάξτε το μέγεθος των τρανζίστορ (κατά το λιγότερο δυνατό), έτσι ώστε να δημιουργήσετε συμμετρία στα παραπάνω περιθώρια. Σχολιάστε την τροποποίηση σε αυτά, τι αλλάξατε και με ποιό φυσικό φαινόμενο σχετίζεται.
Μετρήστε και σχολιάστε τις τροποποιήσεις στα περιθώρια τιμών. Eπιπλέον μετρήστε το μέσο στατικό ρεύμα για κάθε σημείο (και για τα 2.5V). Υπολογίστε την μέση ισχύ για την κάθε τιμή του Vdd και σχηματίστε σχετική γραφική παράσταση. Τι συμπέρασμα βγάζετε για ισχύ και κατανάλωση;
4η Άσκηση
Υπολογίστε τα δυναμικά των κόμβων {A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L}.
Κατόπιν, υπολογίστε τα νέα δυναμικά των κόμβων μετά απο μετάβαση της εισόδου In στα 2.5V.
Τι θα συνέβαινε αν τα σημεία A και B ήταν συνενωμένα; Εξηγείστε το πρόβλημα της λειτουργίας του υποκυκλώματος {A, B, C} με τα A και B συνενωμένα (δηλαδή ενός αντιστροφέα με τα NMOS, PMOS τρανζίστορ αντεστραμμένα). Χρησιμοποιείστε το NGSPICE για να ελέγξετε την διαίσθηση σας για το συγκεκριμένο υποκύκλωμα, και παρουσιάστε σχετικές κυμματομορφές, είτε μεταβατικής είτε στατικής ανάλυσης.
Προθεσμία Παράδοσης, Υποβολή της Άσκησης
Η προθεσμία παράδοσης του 1ου Συνόλου Ασκήσεων είναι η 18/3/2011 . Μέχρι τότε θα πρέπει να έχετε υποβάλλει τις λύσεις των ασκήσεων μέσω του προγράμματος submit ως εξής:όπου στο x αντιστοιχεί ο αριθμός της Άσκησης.