INF1411 Oblig nr. 3 Vår 2015 Informasjon og orientering Alle obligatoriske oppgaver ved IFI skal følge instituttets reglement for slike oppgaver. Det forutsettes at du gjør deg kjent med innholdet i reglementet og at besvarelsen er i henhold til dette. eglementet finner du på http://www.ifi.uio.no/studier/skjemaer/oblig-retningslinjer.pdf Gjennomføring og krav til besvarelse Oppgaven skal normalt gjøres i gruppene dere er inndelt i (to og to). Gruppa leverer en felles besvarelse. Besvarelsen leveres elektronisk i Devilry (https://devilry.ifi.uio.no/). Frist for innlevering kunngjøres på kursets webside. Besvarelsen dere leverer må: Ha en forside med navn på alle på gruppa som leverer. Ha svar på alle deloppgaver, og en forklaring på hvordan svaret ble funnet. Være ryddig organisert (dvs. at Oppgave 1 besvares før Oppgave 2, etc.) Om oppgaven I denne oppgaven skal du bruke en kretssimulator kalt LTspice. Du skal bruke AC-analyse til å se på enkle filtere. Du skal også bruke AC og Transient analyse til å studere tilkobling av spenningsforsyning inn til en chip. I tillegg til denne oppgaveteksten er det et dokument som gir en kort innføring i bruk av LTspice og et dokument som forklarer bodeplot. LTspice LTspice er installert på PCene på laben. Det kan også installeres på hjemmeområdet, eller på din egen maskin. Vi vil gjerne gjenta/komme med et par tips til om bruk av LTspice her: Etter en simulering plotter man en spenning/strøm ved å klikke på nettet/komponenten i skjematikkvinduet, eller ved å høyreklikke graf-vinduet og velge Add Trace En cursor som man kan bruke til å måle på grafen med, dukker opp om man klikker på nettnavnet i grafvinduet. Høyreklikker man nettnavnet og velger Attached Cursor: 1st & 2nd får man to cursorer så man kan måle differansen mellom dem. I.AC analyse bli forsterkning oppgitt i desibel (db20). Om inngangskilden er en spenningskilde med AC magnitude = 1 og plotter en spenning i kretsen ser man på forsterkning med enheten Volt/Volt (Simulatoren oppgir det kun som Volt om man velger lineær skala ved å klikke på y-aksen). Plotter man en strøm når inngangskilden er en AC spenning med magnitude 1, så ser man på forsterkning med enheten Ampere/Volt. I.AC analyse av LC-kretser kan resonanstoppen noen ganger bli meget skarp. For å få nøyaktige målinger av max-verdien kan det være en hjelp å øke kraftig det antall frekvenser per dekade som simulatoren ser på. Bruk Tools Write to a.wmf file for å lagre figur av skjematikk eller plott. Inkluder så dette i tekstbehandlingsprogrammet ditt (Insert Picture From File) i både Word og OpenOffice. En del konvertering kreves for å bruke.wmf i LaTeX. Tips: Side: 1/5
For å bruke en variabel i stedet for en fast verdi kan du sette inn {variabelnavn} som komponentverdien for. Klammeparentesene {} er viktige. For å variere verdien til variabelen med verdiene fra en liste bruk spice-direktivet.step param. E.g.:.STEP PAAM variabelnavn LIST 1 10 100 Du kan også steppe variabler i dekader eller oktaver. Når du har flere kurver i plott-vinduet simuleringer bruk piltastene opp og ned for å flytte cursoren mellom de ulike simuleringene. For å plotte differansen mellom to spenninger (for eksempel nett1 og nett2) kan du etter en simulering høyreklikke graf-vinduet, velge Add Trace og skrive inn i feltet Expressions to add det følgende: V(nett1, nett2) Alternativt kan du skrive: V(nett1)-V(nett2) Oppgave 1 Førsteordens filtere med, C og L Oppg 1a For hver av kretsene (a-d): Identifiser hvorvidt det er et høypass eller lavpass filter ( er inngang og utgang). Bruk AC analyse i LTspice til å finne knekkfrevensen f c (når forsterkningen er -3 db), når = 100 Ω, C = 10 µf, L = 10 µh Finn stigningstall for asymptotene over og under knekkfrekvensen (i db / dekade) ved hjelp av cursorene C C a) b) Side: 2/5
L L c) d) Oppg 1b For krets a og b, finn en verdi for C slik at krets a tilsvarer krets d, og krets b tilsvarer krets c. Oppg 1c Sett en spenningskilde på inngangen til krets b der du bruker funksjonen PULSE på spenningskilden for å lage en firkantbølge. Velg Vinitial=0, Von=1, Trise=1n, Tfall=1n, Ton=1u og Tperiod=2u. Gjør så en 2 µs lang transient-simulering av krets b (med den oppdaterte verdien for C som du fant i oppg 1 b). Inkluder plott av i besvarelsen. Oppg 1d Oppgi en funksjon som beskriver deler av det transiente forløpet til (fra like etter at spenningen på har steget, til like før spenningen på har falt. Side: 3/5
Oppgave 2 Forsyningsspenning til Chip Lang ledning fra forsyningspenning til kretsen Bondetråd L W W L B B V S V C DC 5V Forsyningspenning C d Avkobling Utenfor chip AC 1 ma C i Avkobling Inne på chip AC strømtrekk fra chip Modell for tilkobling av forsyningsspenning til en chip. (Husk at i skjematikk i en simulator må man inkludere jord.) Inne på en integrert krets (eng. Integrated Circuit (IC)) er det ofte viktig at forsyningspenningen er stabil. I denne oppgaven skal vi derfor se litt på tilkobling av forsyningsspenning til en chip som inneholder en integrert krets. Inne på ICen skal vi modellere et AC strømtrekk og en liten avkoblingskondensator (C i = 10 pf) som hjelper til å stabilisere forsyningsspenningen. Inn til chipen skal vi modellere en bondetråd. I figuren til høyre ser man en del bondetråder som går mellom ICen og pakningen den sitter i. En bondetråd er en veldig tynn metalltråd (tynnere enn et hårstrå) som blir brukt til å koble en integrert krets til omverdenen, for eksempel til metallbein som er store nok til å lodde. Vi modellerer bondetråden som en induktans (L B ) med seriemotstand ( B ). Vi får oppgitt L B = 3 nh og B = 0.3 Ohm. Utenfor chipen skal vi modellere en ekstern avkoblings-kondensator (C d ) som vi selv velger verdi for. Til slutt skal vi modellere ledningen vi bruker for å koble til forsyningspenningen. Ledningen er av typen vi har på laben. Vi skal anta at denne kan representeres av en selvinduktans på 1.5 uh per meter og seriemotstand 0.1 Ohm per meter. Oppg 2a Anta at rms-strømtrekket fra chipen er 10 ma. Bruk DC analyse for hånd eller i LTspice og svar på: Hva er den lengste ledningen man kan bruke for at spenningen inne på chipen skal være innenfor 5 Volt ± 1 % Oppg 2b Vi skal se på et strømtrekk fra chipen i form av en sinus med amplitude 1 ma. I AC simulering skal altså strømkildens AC Magnitude være 1 m. Vi skal bruke en ledning på 30 cm. Bruk AC simulering til å finne ut hva den maksimale variasjonen til V C er når Cd = 10 pf. Se kun på frekvenser under 100 MHz, så langt ned du finner det rimelig. Oppgi svaret i Volt/mA. Inkluder plott av V C og skjematikk-figur tegnet i LTspice. Side: 4/5
Oppg 2c Den maksimale variasjon på V C som du fant i oppgave 2b er sannsynligvis urimelig høy, andre effekter (som vi ikke ser på ville slått inn og forhindret så høye spenninger). Vi ønsker uansett nå at AC strømtrekket vi brukte i oppg 2b ikke skal forårsake en variasjon på spenningen V C med mer enn 50 mv, for noen frekvens under 100 MHz. Bruk.AC simulering i LTspice til å finne en omtrentlig minsteverdi for C d som tilfredstiller dette kravet. Finn det maksimale utslaget for V C og frekvensen dette inntreffer ved. Inkluder plott og skjematikk-figur tegnet i LTspice i besvarelsen. Oppg 2d Test valget av C d med en transient simulering. Anta at det er en digital chip og bruk en firkantbølge (PULSE) som kilde, hvor I1=0, I2=2m, Ton=1/(2*f), og Tperiod=1/f. Kjør simuleringen i minst 50 perioder. Om variasjonen på V c blir litt større enn 50 mv er det greit. Inkluder plott av V C og skjematikk-figur tegnet i LTspice i besvarelsen. Oppg 2e Ta en titt på frekvenskarakteristikken fra 100 MHz til 10 GHz. Hva er den maksimale variasjonen av V C her? (Svar i Volt/mA). Anta at kretsen skal brukes ved en frekvens på 1 GHz og gi tips til designerne av denne IC en om hvordan de kan stabilisere forsyningsspenningen sin inne på chipen. Oppg 2f Forklar hvordan lengden av ledningen vi bruker påvirker resonanstoppene for V C. Side: 5/5