第八講跨導運放的分析與設(shè)計

第八講_B

跨導運放的分析與設(shè)計李福樂lifule@清華大學微電子學研究所主要內(nèi)容跨導運放的仿真分析各種電路指標和相應的仿真分析方法通過對電路和仿真結(jié)果的對應分析，加深對電路工作原理的掌握和理解跨導運放的電路設(shè)計從抽象指標到具體電路的映射過程電路原理、設(shè)計經(jīng)驗和仿真驗證的迭代過程通過設(shè)計，加強工程化設(shè)計思維和能力第一部分

簡單跨導運放的仿真分析電路與網(wǎng)表指標分析偏置電流與功耗、開環(huán)增益、GBW與相位裕度、壓擺率、SwingRange、失調(diào)、噪聲、PSRR、CMRR、corner分析等V_Vpvdd05VV_Vacvin0DC2.5VAC1V0V_Vdcvip02.5VR_Rzvo1N_0001rzvC_CcN_0001voccvC_CL0voclvC_Cb0vb10pR_Rbvbvdd100kM_U2vo1vipN_00020nmL=0.6uW=12uM=2M_M1N_0003N_0003vddvddpmL=2uW=12uM=2M_M3vovo1vddvddpmL=0.6uW=12uM=8M_U1N_0003vinN_00020nmL=0.6uW=12uM=2M_U4vovb00nmL=5uW=12uM=8M_U5vbvb00nmL=5uW=12uM=1M_U3N_0002vb00nmL=5uW=12uM=4M_M2vo1N_0003vddvddpmL=2uW=12uM=2存在文件中Hspice執(zhí)行網(wǎng)表Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’beacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.50.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k100meg$sweeprzv02k0.2k.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end工作點分析Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’tt.unprot*.optionpostprobe*.probeacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.50.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns*.acdec101k100meg

$sweeprzv02k0.2k.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end工作點分析瀏覽并分析.lis文件的內(nèi)容.prot與.unprot使用將使得其中的內(nèi)容不在.lis中出現(xiàn)用oper查找，即可找到operatingpointinformation這一段，可看到電路各節(jié)點的電壓、各元件的工作狀態(tài)注意此時vo=4.8916對于提供電源的電壓源v_vp，注意其功耗就是電路功耗，因此可查得電路功耗為2.47mW對于MOS管，注意各參量的含義：region、id、vgs、vds、vth、vdsat、gm、gmb、gds……可查得流過M_U3的偏置電流為149.8uA，并注意到M_M3的region為Linear直流掃描Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’bedcv(vo1)v(vo).op.dcv_vdc2.452.550.001*.trans10ns200ns20ns0.1ns*.acdec101k100meg

$sweeprzv02k0.2k.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end粗掃直流掃描vovo1dvo對vo求導小信號增益Gain=d(vo)/d(v_vdc)確定精掃掃描范圍直流掃描對vo求導的操作步驟1中鍵拖動2中鍵拖動3定義結(jié)果名回車derivative直流掃描Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’bedcv(vo1)v(vo).op.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns*.acdec101k100meg

$sweeprzv02k0.2k.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end精掃直流掃描對于增益要求G0，存在對應的輸出swingrange，若用小信號增益gain>G0作為swingrange，則一定滿足增益要求例如G0=500，則根據(jù)下圖其swingrange(0.485,4.29)若取輸出中心電壓為vdd/2，而令vo=vdd/2時，可測得此時v_dc=2.4876V故ota的系統(tǒng)失調(diào)：Vos=12.4mVnonlinearSmall-signalgain交流掃描Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’beacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k200meg$sweeprzv02k0.2k.pararzv=0ccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end表示沒有補償電阻Rz將中的v_vdc值設(shè)為：V_Vdcvip02.4876V交流掃描GBW=99.8MHz相位裕度34.6度直流small-signalgain交流掃描單位增益帶寬GBWgm1/(Cc+CGD3)主極點p11/[Ro1gm3Ro(Cc+CGD3)]第二極點p2gm3/(CL+Co)零點z1/[(Cc+CGD3)(gm3-1-Rz)]查看.lis文件可知gm32mgm10.83m由于零點的作用，相位裕度從60多度減小至39度！gm1為輸入管M_U1的跨導gm3為第二級輸入管M_M3的跨導交流掃描Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’beacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k500megsweepccv05p1p.pararzv=0ccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end分析miller補償效應交流掃描增加Cc，p1向下移動，GBW減小相位裕度增加增加Cc到5p時，相位裕度增加到約59度，而GBW已經(jīng)減小到24.8MHz!FOM=GBW*CL/IbNo!交流掃描Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’beacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k500megsweeprzv02k0.2k.pararzv=0ccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end分析零極點抵消效果加Rz，可減弱零點的作用，提高相位裕度；當達到零極點抵消時，應滿足：Rz(CL+Cc)/(gm3Cc)得出Rz1k交流掃描Rz增加到0.6k時，相位裕度增加到約55度，GBW約76MHzRz增加到1k時，相位裕度增加到約67度，GBW約103MHzRz繼續(xù)增加會出現(xiàn)什么情況？Rz應如何取值？？噪聲分析Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’beacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k500meg$sweeprzv02k0.2k.noisev(vo)v_vac10

.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end分析熱噪聲噪聲分析.lis文件中會給出每一個頻率采樣點上的噪聲頻譜密度，以及從開始頻率到該頻率點的等效噪聲電壓等找到如下一段：****theresultsofthesqrtofintegral(v**2/freq)fromfstartupto100.0000xhz.usingmorefreqpointsresultsinmoreaccuratetotalnoisevalues.****totaloutputnoisevoltage=2.5009mvolts****totalequivalentinputnoise=64.7944u

注意.lis文件中各個MOS元件的噪聲大小對比，并根據(jù)電路圖進行對應的分析還可以改變Cc的值，來看總的等效輸入噪聲有什么變化隨機失調(diào)分析系統(tǒng)失調(diào)之外的失調(diào)主要來源：輸入差分對u1和u2、電流鏡m1和m2的失配U1,u2電壓失調(diào)為：M1,m2帶來的失調(diào)為：ΔVt,ΔW為元件間的閾值電壓和跨導之差失調(diào)分析晶體管隨機失配在良好的版圖設(shè)計條件下閾值電壓(mV)柵寬(u)均與柵面積的平方根成反比NMOS:tox=1.25e-08+toxnPMOS:tox=1.3e-08+toxptoxn,toxp的值與model的corner有關(guān)，在tt情況下，toxn=toxp=0根據(jù)類似工藝的一個估計值tox的單位為e-10在MOS晶體管的參數(shù)中考慮失配例：原有的W=12u,M=2修改為W=‘12u+12u*0.04u*alfa/sqrt(2*12um*5um)’M=2delvto=‘12.5n*alfa/sqrt(2*12um*5um)’這里alfa為(0,1)高斯分布變量依次將網(wǎng)表的內(nèi)容按照上面的方法修改失調(diào)分析失調(diào)分布分析Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’bedcv(vo1)v(vo).op.dcv_vdc2.452.510.0001sweepmonte=30*.trans10ns200ns20ns0.1ns*.acdec101k500meg

$sweepccv05p1p*.noisev(vo)v_vac20.pararzv=1kccv=1pclv=1palfa=agauss(0,3,3).inc‘NETLIST_PATH\’.end用monte-carlo仿真來分析失配導致的失調(diào)分布失調(diào)分布分析30次monte-carlo仿真結(jié)果由此可見ota的失調(diào)分布可達(-10mV~10mV)可增大晶體管來減小Vos，但是會帶來速度問題壓擺率分析在輸入端輸入一個較大的脈沖信號，以觀察輸出端的電壓擺率在中將V_vac的定義換成：V_vpulsevin0PULSE2320ns0.1n0.1n100n200n壓擺率分析Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’betranv(vo1)v(vo).op*.dcv_vdc2.452.510.001sweepmonte=30.trans0.1ns1000ns*.acdec101k500meg

$sweepccv05p1p*.noisev(vo)v_vac20.pararzv=1kccv=1pclv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc‘NETLIST_PATH\’.end用瞬態(tài)仿真來分析ota輸出slewrate壓擺率分析壓擺率仿真結(jié)果由右圖可測得ota的上升和下降壓擺率分別為146V/us和132V/usProblem:在電路圖中如何分析上升和下降壓擺率？將結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比模型corner仿真在中將V_vpulse的定義換回來：V_Vacvin0DC2.5VAC1V0模型corner仿真Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’bedcv(vo).op.dcv_vdc2.452.510.0001$sweepmonte=30*.trans0.1ns1000ns*.acdec101k500meg

$sweepccv05p1p*.noisev(vo)v_vac20.pararzv=1kccv=1pclv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc‘NETLIST_PATH\’.end做DC掃描，分析各種corner下的增益和失調(diào)的變化模型corner仿真在.end前插入.alter語句，如下：Otasimulation…….alter.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’ff.alter.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’fs.alter.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’sf.alter.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’ss.end模型corner仿真ttttfffffsfssfsfssssFf時增益最小，ss時增益最大，查看csmc.lib，對這種現(xiàn)象給出解釋Vo=vdd/2分別對應于V_vdc為：2.48762.48142.48612.48812.4912模型corner仿真Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’beacv(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.452.510.0001$sweepmonte=30*.trans0.1ns1000ns.acdec101k500meg$sweepccv05p1p*.noisev(vo)v_vac20.pararzv=1kccv=1pclv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc‘NETLIST_PATH\’.end知道了各種corner下的失調(diào)后，就可以設(shè)置V_vdc做AC掃描，分析各種corner下的增益和GBW的變化模型corner仿真…….alterV_Vdcvip02.4814V.lib'f:\spice\userlib\csmc.lib'ff.alterV_Vdcvip02.4861V.lib'f:\spice\userlib\csmc.lib'fs.alterV_Vdcvip02.4881V.lib'f:\spice\userlib\csmc.lib'sf.alterV_Vdcvip02.4912V.lib'f:\spice\userlib\csmc.lib'ss.end對于各種corner加入了對應的V_vdc定義模型corner仿真ffss模型corner仿真ffssffss模型corner仿真由仿真結(jié)果可測得：gainGBWPhasemargintt989103MHz67.2ff585122MHz75.9fs922108MHz64.8sf93997.9MHz71.2ss1.46k87.4MHz62.4溫度分析Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’bedcv(vo).op.dcv_vdc2.452.510.0001

sweeptemp010020*.trans0.1ns1000ns*.acdec101k500meg

$sweepccv05p1p*.noisev(vo)v_vac20.pararzv=1kccv=1pclv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc‘NETLIST_PATH\’.end做溫度掃描，分析各種溫度下增益和失調(diào)的變化溫度分析溫度變化對系統(tǒng)失調(diào)和增益的影響00100100Vo=vdd/2分別對應于V_vdc為：2.48822.48772.48732.48682.48632.4858溫度分析Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’beacv(vo)vp(vo).temp0*.dcv_vdc2.452.510.0001$sweepmonte=30*.trans0.1ns1000ns.acdec101k500meg$sweepccv05p1p*.noisev(vo)v_vac20.pararzv=1kccv=1pclv=1p$alfa=agauss(0,3,3).inc‘NETLIST_PATH\’.end知道了各種溫度的失調(diào)后，就可以設(shè)置V_vdc做AC掃描，分析各種溫度下的增益和GBW的變化插入下一頁內(nèi)容將中的V_vdc定義改為：V_vdcvip02.4882V溫度分析.alter.temp20V_Vdcvip02.4877V.alter.temp40V_Vdcvip02.4873V.alter.temp60V_Vdcvip02.4868V.alter.temp80V_Vdcvip02.4863V.alter.temp100V_Vdcvip02.4858V.end對于各種溫度加入了對應的V_vdc定義溫度分析不同溫度下的AC分析結(jié)果1000溫度分析不同溫度下的AC分析結(jié)果1000溫度分析由仿真結(jié)果可測得：tempgainGBWPhasemargin01.03k109MHz68.320998104MHz67.44096298.3MHz66.86093694.5MHz66.28091390.7MHz65.710089086.7MHz65.4溫度升高性能變差！PSRR與CMRR本講作業(yè)1：對該OTA電路進行SPICE仿真，求PSRR與CMRR完整的corner分析ProcesscornerffssfssfTemp.070Supply4.55.5Outputswing144X2X2X2X2=64種組合Bias70%150%1）根據(jù)實際工作環(huán)境與要求，確定corner條件；2）對所有corner進行電路指標分析；3）若均滿足要求，則認為設(shè)計達到要求example典型情況分析1）WorstCase:HighVdd,LowTemp.,FastCorner；2）BestCase:LowVdd,HighTemp.,SlowCorner；3）TypicalCase:NormalVdd,Temp,andTypicalMosT;對于某些應用，比如邏輯路徑的延遲，可用幾個典型的Case來快速確定；第二部分

跨導運放設(shè)計實例SpecificationsCSMC0.6umDPDMCMOSProcessGBW>100MHz,PM>60whenCL=2pF(Includingcommon-modefeedbackcaps)DCGain>80dBOutputswing>4V(differential)FulldifferentialarchitectureLowPower(LargeFOM)PowerSupply:5VDesignflowMOSTparametersofthespecifiedprocessDecidingtheoptimalstructureMainstagecircuitdesignBiasdesignCommon-modefeedbackdesignLayoutdesignandverificationLPE&Post-simMOSTparametersu?Cox?Findoutun,up,toxnandtoxpfrommodellibraryK’?si:wi:MOSTparametersu?Cox?Findoutun,up,toxnandtoxpfrommodellibraryK’?VEn~=5V/umVEp~=3V/um?EquationstorememberVE為工藝參數(shù)StronginversionVEn~=5V/umVEp~=3V/umAv:10~100fT:2.0G,4.5GforP,NMOSMostlyusedamplifiersNum.StructurePowerGBWAdcSwingnoise1SimpleOTA1Max.~ATAvg.42Telescopic1Max.~AT2Small43Symmetrical(B=3)1.33Mid.~ATMax.64Foldedcasc.2Larg.~AT2Avg.45Miller2-stage10Mid.~AT3Max.46Gainboosting~2Larg.~AT3~AT4Avg.7Including2-stagecascode~AT3SmallExample2:2-stagecascodeOTAOutputswing?Bias?1:B?Simulationcircuitforota’smainstageStep1:確定BL4=1uStep2:確定輸入MOSTM1=4L1=0.6uW1=9uStep3:確定cascodeMOST160.6u9u160.8u9uStep4:確定電流鏡MOST81.2u9u80.8u9uStep5:仿真驗證GBW,PMProcesscornerfffffsfssfsfssssTemp.080080080080GBW171151143127153134131114PM7068696763606361GBW，PM均達到設(shè)計要求！Step6:增益與擺幅Vdd=4.5和5.5兩種情況下分別做上面定義的8個corner的仿真，總計16個cornerVdd=5.5Vdd=4.5?13