Esercitazione di Elettronica Digitale

Esercitazione di Elettronica Digitale
Prof. F. Iannuzzo - A.A. 2013/2014
STADI DI INGRESSO
Introduzione
Gli stadi di ingresso dei circuiti integrati sono
caratterizzati da una rete a resistore e diodi e da un
circuito Trigger di Schmitt. La prima parte del
circuito provvede a limitare le tensioni di ingresso
pericolosamente alte o basse. La seconda parte
riduce le transizioni multiple del segnale a causa
del rumore sovrapposto al segnale di ingresso.
Trigger di Schmitt
Si inizierà a progettare e simulare il comportamento del circuito Trigger di Schmitt. In figura è
riportato il circuito, a cui mancano i dimensionamenti geometrici, e qui di seguito ne è riportato il
listato.
a) Si rediga il seguente circuito SPICE, riconoscendone le parti essenziali. Si noti l’impiego della
keyword .PARAM per definire dei parametri da cui dipende la simulazione. Si simuli la
caratteristica isteretica.
SCHMITT.CIR - Schmitt trigger used in input stages
* includes the library
.LIB CMOS_0.05.lib
* technology-dependent parameters
.PARAM LAMBDA = {50n}
.PARAM LAMBDAQ = {pwr(LAMBDA,2)}
* design-dependent parameters
.PARAM WA = {4*LAMBDA}
.PARAM WB = {4*LAMBDA}
.PARAM WC = {4*LAMBDA}
.PARAM WP = {10*LAMBDA}
* ------------------------------.subckt TRIGGER Vdd Vi Vo
MP
Vo Vi Vdd
Vdd
pmos
+ W={WP} L={LAMBDA}
+ As={WP*7*LAMBDA} Ps={2*(WP+7*LAMBDA)}
+ Ad={WP*7*LAMBDA} Pd={2*(WP+7*LAMBDA)}
MA
Vo Vi 1
0
nmos
+ W={WA} L={LAMBDA}
+ As={WA*7*LAMBDA} Ps={2*(WA+7*LAMBDA)}
+ Ad={WA*7*LAMBDA} Pd={2*(WA+7*LAMBDA)}
MB
Vo
2 1
0
nmos
+ W={WB} L={LAMBDA}
+ As={WB*7*LAMBDA} Ps={2*(WB+7*LAMBDA)}
+ Ad={WB*7*LAMBDA} Pd={2*(WB+7*LAMBDA)}
MC
1
Vi 0
0
nmos
+ W={WC} L={LAMBDA}
+ As={WC*7*LAMBDA} Ps={2*(WC+7*LAMBDA)}
+ Ad={WC*7*LAMBDA} Pd={2*(WC+7*LAMBDA)}
1
* auxiliary inverter
MPn
2 Vo Vdd
Vdd pmos
+ W={10 * LAMBDA} L={LAMBDA}
+ As={10*7*LAMBDAQ} Ps={(10+7)*2*LAMBDA}
+ Ad={10*7*LAMBDAQ} Pd={(10+7)*2*LAMBDA}
MNn
2 Vo 0
0
nmos
+ W={4 * LAMBDA} L={LAMBDA}
+ As={6*7*LAMBDAQ} Ps={(6+7)*2*LAMBDA}
+ Ad={6*7*LAMBDAQ} Pd={(6+7)*2*LAMBDA}
; Due to contact, source area is minimum 6 x 7
; Due to contact, drain area is minimum 6 x 7
.ends
* ------------------------------* Main circuit
Xtrig 10 1 2 TRIGGER
Vdd 10
0
; 10 is Vdd, 1 is Vi and 2 is Vo
0.7V
* emulates a DC analysis
Vi
1 0 PWL 0s,0V 10ns, 0.7V, 20ns, 0V
.TRAN 0 20ns 0 1ps
.PROBE
.END
Per visualizzare la caratteristica di ingresso-uscita, si cambi la variabile X in V(1), e si
visualizzi V(2).
b) Si noterà come la caratteristica di isteresi non è simmetrica rispetto a Vdd/2. Si studi una
possibile combinazione delle larghezze di canale di MA, MB e MC al fine di simmetrizzare al
meglio la caratteristica [Suggerimento: cosa accade se si rende W(MC) sufficientemente grande?]
2
c) si implementi in Micro il layout del circuito, utilizzando la figura qui in alto come riferimento,
ma impiegando le dimensioni calcolate di MA, MB e MC. Si verifichi il comportamento applicando
un segnale periodico all’ingresso.
d) si esporti la netlist e si risimuli il circuito in SPICE, al fine di verificare la corrispondenza con le
aspettative progettuali.
e) E’ opportuno eseguire anche una verifica dinamica sull’immunità al disturbo. Per il segnale di
ingresso, si impieghi la seguente rete:
...
Vi1
Vi2
...
1a 0
1 1a
PWL 0s,0V 10ns, 0.7V, 20ns, 0V ; parte a rampa
SIN 0V 50mV 1GHz
Completamento dello stadio di ingresso
e) si completi la simulazione SPICE dello stadio di ingresso, impiegando per i diodi il seguente
modello:
...
.MODEL DCLAMP D(IS = 1e-16)
...
che viene impiegato come segue:
...
* diodes and resistor
R
PAD
1
100 ; Ohm
D1
1 10
DCLAMP
D2
0
1
DCLAMP
...
e per l’impulso esterno un segnale di alta tensione:
...
* High voltage external signal
Vi
PAD
0 PULSE -2V 3V 1ns 1ns 1ns 10ns 20ns
...
f) si integri il layout del trigger di Schmitt aggiungendo i due diodi e il resistore, nonché un
piccolo (!) pad metallico di 10m x 10m.
3