Hardware Praktikum 2008 Prof. Dr. H.-J. Wunderlich Dipl.-Inf. M. Imhof
Hardware Praktikum 2008 Prof. Dr. H.-J. Wunderlich Dipl.-Inf. M. Imhof Dipl.-Inf. S. Holst Übersicht Organisatorisches Tiefpass Hochpass SPICE Demo HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 2 Organisatorisches Accounts - Sollten freigeschaltet sein, falls nicht fehlt Unterschrift oder Accountname - Bei Problemen Tutor verständigen, oder nach der Vorbesprechung kurz vorkommen. Default-Passwort unbedingt ändern! Verhalten im Pool - Es gilt die unterschriebene Benutzerordnung Rechner nicht herunterfahren, da diese auch für Forschung und Simulationen genutzt werden Bei Problemen mit Rechnern Tutor verständigen! HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 3 Überblick Rechnerlandschaft ralab01 – ralab26 - Dual Core Athlon 64 4600+ - 2,4 GHz - 4 GB RAM - 154 Millionen Transistoren Extrem viele Tiefpässe HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice Nutzung Dateien auf HaPra-Rechner kopieren scp -C inverter.sp hapraXXX@ralab01: Mit ssh auf HaPra-Rechner einloggen ssh -X hapraXXX@ralab05 Näheres zu ssh/scp siehe Skript oder manpages man ssh Grafischer Login mit “NX” möglich - Client auf www.nomachine.com erhältlich Linux Doku ist auf der HaPra Homepage verlinkt HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 5 Übersicht Organisatorisches Tiefpass - Theoretisch - Messen - Simulieren Hochpass SPICE Demo HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 6 Tiefpass – wofür? Elementar wichtig für die Modellierung von Verzögerungen in Transistornetzen Source-Drain Widerstände Gate Kapazitäten, die über Widerstände geladen werden müssen Braucht Zeit Maximale Frequenz wird beschränkt Tiefpass - Hintergrund 1. Kirchhoffsches Gesetz – Knotenregel - Die Summe der zufließenden Ströme in einem elektrischen Knotenpunkt ist gleich der Summe der abfließenden Ströme. Strom beim Widerstand - Umgekehrt proportional zu R - Proportional zu Spannung U Strom beim Kondensator - Proportional zu Kapazität - Abhängig von Spannungsänderung U I R dU i C dt Tiefpass – was ist das? Kondensator wird über Widerstand geladen Niedrige Frequenz: Kaum Strom durch C Höhere Frequenz höherer Strom durch C Niedrigere Endspannung, flache Ladekurve Tiefpass filtert hohe Frequenzen, tiefe Frequenzen können passieren U 70% Grenzfrequenz: Unterhalb: Annähernd ungeschwächt Oberhalb: Abgeschwächt HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 0 fG 1 2 RC f 9 Übersicht Organisatorisches Tiefpass Hochpass - Theoretisch - Messen - Simulieren SPICE Demo HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 10 Übersprechen Kondensator: 2 Elektroden, Isolationsschicht Isolationsschicht, Dielektrikum kann auch Luft sein Benachbarte Leitungen modellieren einen Hochpass Hochpass Kondensator: Niedrige Frequenz: Hoher Widerstand Hohe Frequenz: Niedriger Widerstand dU i C dt U I R Hochpass filtert niedrige Frequenzen, ho[c]he Frequenzen können passieren Grenzfrequenz: Unterhalb: Abgeschwächt Oberhalb: Annähernd ungeschwächt HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice fG 1 2 RC 12 Bandpass Kombination aus Hoch- und Tiefpass Bandbreite B=f2-f1 f1 untere Grenzfrequenz f2 obere HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 13 Übersicht Organisatorisches Tiefpass Hochpass SPICE Demo HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 14 Simulation mit SPICE Nicht Gewürz sondern Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis Simulation mit SPICE - Unbedingt lesenswert - ngspice - Kommandointerpreter für GNU/Linux SPICE-Kapitel im Skript Schaltungsbeschreibung - Knotennetzliste HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 15 Beispiel Inverter Schaltung wird als Knotennetzliste modelliert (Kirchhoffsche Knoten- und Maschenregel) U Vdd Vin Vout Knoten festlegen HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 16 Beispiel Inverter (2) U 0 Knoten: 0 in SPICE immer Masse HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 17 Beispiel Inverter (3) 1 U 0 Knoten: 0 in SPICE immer Masse 1 Versorgungsspannung HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 18 Beispiel Inverter (4) 1 U 2 0 Knoten: 0 in SPICE immer Masse 1 Versorgungsspannung 2 Eingang HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 19 Beispiel Inverter (5) 1 U 2 3 0 Knoten: 0 in SPICE immer Masse 1 Versorgungsspannung 2 Eingang 3 Ausgang HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 20 Knotennetzliste SPICE 1 U 2 Knoten: 0 in SPICE immer Masse 1 Versorgungsspannung 3 2 Eingang 3 Ausgang 0 Jedes Bauteil ergibt eine Zeile im Programm. Intern Matrizen, darauf Simulationen und Analysen. Mehr Infos siehe Vorlesung „Algorithmen und Methoden in der Entwurfsautomatisierung“ HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 21 SPICE-Programm CMOS-Inverter erste Zeile immer Kommentar 1 U 2 3 0 HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 22 SPICE-Programm (2) CMOS-Inverter .tran 0.001us 0.4us Analyseart und -zeitraum festlegen 1 Transienten Analyse: - - Untersucht das Zeitverhalten eines Netzwerks Darstellung von U und I bezüglich einer Zeitachse U HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 2 3 0 23 SPICE-Programm (3) CMOS-Inverter .tran 0.001us 0.4us vin 2 0 pulse ( 0V 5V 0 0 0 0.1us 0.2us) vdd 1 0 5V Spannungsquellen 1 U Eingangssignal Versorgungsspannung HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 2 3 0 24 Transistormodelle in SPICE: Modelldefinition Beispiel ZVN3306A .model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 Genaue Beschreibung der Modelle in der SPICEDokumentation HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 25 Ersatzschaltbild - Bedeutung einiger Modellparameter .model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 26 Transistormodelle in SPICE: Modellanweisung m<name> Drain Gate Source Bulk Model Beispiel: mtransistor1 2 1 0 0 zvn3306a Drain 2 Gate Bulk 1 0 Source HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 27 SPICE-Programm (4) mosp 1 U 2 3 CMOS-Inverter mosn 0 .tran 0.001us 0.4us vin 2 0 pulse ( 0V 5V 0 0 0 0.1us 0.2us) vdd 1 0 5V .model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 .model zvp3306a pmos vto=-2.875 rs=5.227 rd=7.524 is=1e-15 kp=.145 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 lambda=6.67 mosn 3 2 0 0 zvn3306a mosp 3 2 1 1 zvp3306a Modeldefinition Modelanweisung HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 28 SPICE-Programm (5) 1 U 2 3 CMOS-Inverter 0 .tran 0.001us 0.4us vin 2 0 pulse ( 0V 5V 0 0 0 0.1us 0.2us) vdd 1 0 5V .model zvn3306a nmos vto=1.824 rs=1.572 rd=1.436 is=1e-15 kp=.1233 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 .model zvp3306a pmos vto=-2.875 rs=5.227 rd=7.524 is=1e-15 kp=.145 cgso=28e-12 cgdo=3e-12 cbd=35e-12 pb=1 lambda=6.67e-3 mosn 3 2 0 0 zvn3306a mosp 3 2 1 1 zvp3306a .end .end nicht vergessen! HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 29 Arbeiten mit SPICE SPICE-Programm in beliebigen Texteditor eingeben HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 30 Arbeiten mit SPICE (2) ngspice starten HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 31 Arbeiten mit SPICE (3) Simulation starten HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 32 Arbeiten mit SPICE (4) Ergebnisse plotten lassen HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 33 Arbeiten mit SPICE (5) Vom Tutor abzeichnen lassen / ausdrucken HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 34 Arbeiten mit SPICE (6) Ein Beispiel für eine Strommessung HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 35 Tipps Unterschied milli („m“) / mega („meg“) beachten 1. Zeile ist immer Kommentar ".end" nicht vergessen ngspice steht unter der GPL - http://ngspice.sourceforge.net/ „help“ Kommando verwenden Strommessung ist nur an Quellen möglich HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 36 Übersicht Organisatorisches Tiefpass Hochpass SPICE Demo HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 37 Digitale Filter Bisher: Analoge Implementierung, Modellierung von parasitären Effekten Equalizer: Viele Bandpässe - Nicht implementiert als analoge RC-Glieder - Digitaler Filter in Digitalem Signalprozessor (DSP): Filterparameter können geändert werden, Weniger Platzbedarf HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 38 Digitale Filter (2) Analog-Digital-Wandlung Fast Fourier Transformation - Weglassen von Frequenzbereichen Inverse FFT - FFT Manipulation - Zeitdomäne Frequenzdomäne Manipulation I. FFT Frequenzdomäne Zeitdomäne Digital-Analog-Wandlung HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice 39 Audio Filtering Demo FPGA basiert DSP Implementierung von - Tiefpass - Hochpass - Bandpass Audio Spektrum A/D FFT Spektrum Analyzer Filter D/A HaPra 2008 - Versuchsreihe 2 - Simulation mit Spice Inv. FFT 40 Viel Spass im HaPra 2008!
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