Лабораторная работа № 7

«Изучение основных способов уменьшения нелинейных искажений проходного ключа в схемах на переключаемых конденсаторах

по курсу «СТКУ АУ»

Вариант 18

Ввести схему КМДП ключа.

Рисунок 1 – Схема КМДП ключа Ширину p-канального транзистора выберем как 3*lmos.

Wn мкм	Ln,p мкм	Mn,Mp
60	0,8	1

Таблица 1 – Данные по варианту

Теперь выведем графики тока и проводимости

Рисунок 2 – График тока

Рисунок 3 – Графики тока (сверху) и проводимости (снизу)

Найдём проводимость ключа и значения тока в зависимости от напряжения на входе. Возьмём три точки 0,1 0,5 0,9 (от напряжения питания). Рассматриваемая схема является схемой с компенсацией инжекции заряда.

Рисунок 4 – Значения тока (сверху) и проводимости (снизу) для 0,1 от питания Ток: 22,64 мкА, проводимость: 22,64 мС

Рисунок 6 – Значения тока и проводимости для 0,5 от питания Ток: 5,62 мкА, проводимость: 5,62 мС

Рисунок 7 – Значения тока и проводимости для 0,9 от питания Ток: 160,4 нА, проводимость: 160, 4 мС

Далее, рассмотрим схему с максимальной линейной проводимостью. Сначала добьёмся максимальной проводимости.

Для этого зададим ширину n канального транзистора, как переменную и проведём параметрический анализ, относительно этой переменной.

Получим следующий график:

Рисунок 8 – Результаты параметрического моделирования ширины транзистора

За область после примерно 1.2В отвечает p-канальный транзистор, поэтому она не меняется. Теперь, подберём ширину n-канального транзистора таким образом, чтобы p и n области были симметричны друг другу. Как видно из графика, области будут симметричны друг другу при ширине транзистора около 1мкм или меньше.

Установим ширину транзистора равную 0,5 мкм и повторно промоделируем схему.

Рисунок 9 – Зависимость тока от напряжения при ширине транзистора 0,5 мкм

Области симметричны, всё, верно. Следовательно, ключ КМДП с максимальной линейностью проводимости работает верно.

Аналогично предыдущему заданию найдём соответствия проводимости и тока. При 0,1 0,5 и 0,9 от напряжения.

Рисунок 10 – Значения тока и проводимости для 0,1 от питания Ток: 171,8 нА, проводимость: 171,8 мС

Рисунок 11 – Значения тока и проводимости для 0,5 от питания Ток: 72,9 нА, проводимость: 72,9 мС

Рисунок 12 – Значения тока и проводимости для 0,9 от питания Ток: 160,4 нА, проводимость: 160,4 мС

Исследование нелинейных искажений при прохождении сигнала через КМДП ключ.

Рисунок 13 – Схема для задания 2

Используем дискретное преобразование Фурье для получения спектра выходного сигнала.

Рисунок 14 – Спектр сигнала

Как можно заметить, у сигнала есть много побочных гармоник.

Далее, рассмотрим схему с максимизацией линейности проводимости. Для этого вернём ширину n-канального транзистора также как в предыдущем задании.

Проведём повторное моделирование аналогично предыдущему пункту.

Рисунок 15 – Спектр сигнала в схеме с максимальной линейностью проводимости

В этом случае, количество гармоник стало меньше, и они менее выражены, так как увеличилась линейность проводимости.

Исследование проводимости n-МДП ключа с вольтодобавкой на затворе, не зависящей от входного сигнала.

Перед сборкой этого ключа, предварительно создадим два символа. Начнём с инвертора.

Рисунок 16 – Схема инвертора Далее, соберём схему вольтдобавки.

Рисунок 17 – Схема вольтдобавки

Далее проведём временной моделирование схемы и построим графики таока и проводимости с помощью калькулятора. Отметим, что при построении графиков будем учитывать только те моменты времени, когда ключ находился в разомкнутом состоянии, так как именно в эти моменты происходила вольтдобавка, т.к. конденсаторы разряжались.

Рисунок 18 – График тока (сверху) и график проводимости (снизу)

Далее, найдём уровень входного сигнала.

Рисунок 19 – График уровня входного сигнала

Далее, аналогично предыдущим заданиям, найдём значения при разных уровнях входного напряжения.

Рисунок 20 – Значения тока и проводимости для 0,1 от питания Ток: 23,9 мкА, проводимость: 23,9 мС

Рисунок 21 – Значения тока и проводимости для 0,5 от питания Ток: 14,68 мкА, проводимость: 14,68 мС

Рисунок 22 – Значения тока и проводимости для 0,9 от питания Ток: 1,83 мкА, проводимость: 1,83 мС

Исследуемая схема	Входное напряжение, В	Экспериментальное значение тока стока, А	Экспериментальная проводимость ключа, С
КМДП-ключ с компенсацией инжекции заряда	0,1 Vdd	22,64 мк	22,64 м
	0,5 Vdd	5,62 мк	5,62 м
	0,9 Vdd	160,4 н	160, 4 м
КМДП-ключ с макс.линейностью проводимости	0,1 Vdd	171,8 н	171,8 мк
	0,5 Vdd	72,9 н	72,9 мк
	0,9 Vdd	160,4 н	160,4 мк
n-МДП ключ с вольтодобавкой	0,1 Vdd	23,9 мк	23,9 м
	0,5 Vdd	14,68 мк	14,68 м
	0,9 Vdd	1,83 мк	1,83 м

Таблица 2 – Результаты анализа

Исследование нелинейных искажений n-МДП ключа с вольтодобавкой на затворе, не зависящей от входного сигнала.

Рисунок 23 – Схема для исследования нелинейных искажений

Рисунок 24 – Спектр выходного сигнала

Как можно заметить, присутствуют нелинейные искажения. Это возникает из-за неидеальности работы ключа, что порождает искажения.

Вывод: в данной лабораторной работе было проведено моделирование КМДП ключа с компенсацией инжекции заряда, КМДП ключа с максимальной линейностью проводимости и КМДП ключа с вольтодобавкой. Как следует из проведёных измерений, самые высоки значения тока и проводимости у схемы с вольтодобавкой, самые низкие у схемы с максимальной линейностью проводимости. Но при этом, у схемы с максимальной линейностью меньше нелинейные искажения.