第八讲-跨导运放的分析与设计

第八讲_B跨导运放的分析与设计李福乐[e-mail]清华大学微电子学研究所主要内容•跨导运放的仿真分析–各种电路指标和相应的仿真分析方法–通过对电路和仿真结果的对应分析，加深对电路工作原理的掌握和理解•跨导运放的电路设计–从抽象指标到具体电路的映射过程–电路原理、设计经验和仿真验证的迭代过程–通过设计，加强工程化设计思维和能力第一部分简单跨导运放的仿真分析电路与网表•指标分析–偏置电流与功耗、开环增益、GBW与相位裕度、压摆率、SwingRange、失调、噪声、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ota.net中Hspice执行网表Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probeacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.50.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k100meg$sweeprzv02k0.2k.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\ota.net’.end工作点分析Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’tt.unprot*.optionpostprobe*.probeacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.50.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns*.acdec101k100meg$sweeprzv02k0.2k.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\ota.net’.end工作点分析•浏览并分析.lis文件的内容•.prot与.unprot使用将使得其中的内容不在.lis中出现•用oper查找，即可找到operatingpointinformation这一段，可看到电路各节点的电压、各元件的工作状态•注意此时vo=4.8916•对于提供电源的电压源v_vp，注意其功耗就是电路功耗，因此可查得电路功耗为2.47mW•对于MOS管，注意各参量的含义：region、id、vgs、vds、vth、vdsat、gm、gmb、gds……可查得流过M_U3的偏置电流为149.8uA，并注意到M_M3的region为Linear直流扫描Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probedcv(vo1)v(vo).op.dcv_vdc2.452.550.001*.trans10ns200ns20ns0.1ns*.acdec101k100meg$sweeprzv02k0.2k.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\ota.net’.end粗扫直流扫描vovo1dvo对vo求导小信号增益Gain=d(vo)/d(v_vdc)确定精扫扫描范围直流扫描对vo求导的操作步骤1中键拖动2中键拖动3定义结果名回车derivative直流扫描Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probedcv(vo1)v(vo).op.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns*.acdec101k100meg$sweeprzv02k0.2k.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\ota.net’.end精扫直流扫描对于增益要求G0，存在对应的输出swingrange，若用小信号增益gainG0作为swingrange，则一定满足增益要求例如G0=500，则根据下图其swingrange(0.485,4.29)若取输出中心电压为vdd/2，而令vo=vdd/2时，可测得此时v_dc=2.4876V故ota的系统失调：Vos=12.4mVnonlinearSmall-signalgain交流扫描Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probeacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k200meg$sweeprzv02k0.2k.pararzv=0ccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\ota.net’.end表示没有补偿电阻Rz将ota.net中的v_vdc值设为：V_Vdcvip02.4876V交流扫描GBW=99.8MHz相位裕度34.6度直流small-signalgain交流扫描•单位增益带宽GBWgm1/(Cc+CGD3)•主极点p11/[Ro1gm3Ro(Cc+CGD3)]•第二极点p2gm3/(CL+Co)•零点z1/[(Cc+CGD3)(gm3-1-Rz)]•查看.lis文件可知gm32mgm10.83m由于零点的作用，相位裕度从60多度减小至39度！gm1为输入管M_U1的跨导gm3为第二级输入管M_M3的跨导交流扫描Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probeacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k500megsweepccv05p1p.pararzv=0ccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\ota.net’.end分析miller补偿效应交流扫描增加Cc，p1向下移动，GBW减小相位裕度增加增加Cc到5p时，相位裕度增加到约59度，而GBW已经减小到24.8MHz!FOM=GBW*CL/IbNo!交流扫描Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probeacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k500megsweeprzv02k0.2k.pararzv=0ccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\ota.net’.end分析零极点抵消效果加Rz，可减弱零点的作用，提高相位裕度；当达到零极点抵消时，应满足：Rz(CL+Cc)/(gm3Cc)得出Rz1k交流扫描Rz增加到0.6k时，相位裕度增加到约55度，GBW约76MHzRz增加到1k时，相位裕度增加到约67度，GBW约103MHzRz继续增加会出现什么情况？Rz应如何取值？？噪声分析Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probeacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k500meg$sweeprzv02k0.2k.noisev(vo)v_vac10.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\ota.net’.end分析热噪声噪声分析.lis文件中会给出每一个频率采样点上的噪声频谱密度，以及从开始频率到该频率点的等效噪声电压等找到如下一段：****theresultsofthesqrtofintegral(v**2/freq)fromfstartupto100.0000xhz.usingmorefreqpointsresultsinmoreaccuratetotalnoisevalues.****totaloutputnoisevoltage=2.5009mvolts****totalequivalentinputnoise=64.7944u注意.lis文件中各个MOS元件的噪声大小对比，并根据电路图进行对应的分析还可以改变Cc的值，来看总的等效输入噪声有什么变化随机失调分析•系统失调之外的失调主要来源：输入差分对u1和u2、电流镜m1和m2的失配–U1,u2电压失调为：–M1,m2带来的失调为：NgsNtNosWWVVV21mNmPPgsPtPosggWWVVV*22ΔVt,ΔW为元件间的阈值电压和跨导之差失调分析•晶体管随机失配–在良好的版图设计条件下–阈值电压(mV)–栅宽(u)–均与栅面积的平方根成反比MWLtsoxVt1.0MWLWsW04.0NMOS:tox=1.25e-08+toxnPMOS:tox=1.3e-08+toxptoxn,toxp的值与model的corner有关，在tt情况下，toxn=toxp=0根据类似工艺的一个估计值tox的单位为e-10在MOS晶体管的参数中考虑失配例：原有的W=12u,M=2修改为W=‘12u+12u*0.04u*alfa/sqrt(2*12um*5um)’M=2delvto=‘12.5n*alfa/sqrt(2*12um*5um)’这里alfa为(0,1)高斯分布变量依次将网表ota.net的内容按照上面的方法修改失调分析失调分布分析Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probedcv(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\ota.net’.end用monte-carlo仿真来分析失配导致的失调分布失调分布分析30次monte-carlo仿真结果由此可见ota的失调分布可达(-10mV~10mV)可增大晶体管来减小Vos，但是会带来速度问题压摆率分析在输入端输入一个较大的脉冲信号，以观察输出端的电压摆率在ota.net中将V_vac的定义换成：V_vpulsevin0PULSE2320ns0.1n0.1n100n200n压摆率分析Otasimulation.prot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’tt.unprot.optionpostprobe.probetranv(vo1)v(vo).op*.dcv_vdc2.452.510.001sweepm