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lifule@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存在文件中Hspice执行网表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工作点分析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

$sweeprzv02k0.2k.pararzv=1kccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end精扫直流扫描对于增益要求G0，存在对应的输出swingrange，若用小信号增益gain>G0作为swingrange，则一定满足增益要求例如G0=500，则根据下图其swingrange(0.485,4.29)若取输出中心电压为vdd/2，而令vo=vdd/2时，可测得此时v_dc=2.4876V故ota的系统失调：Vos=12.4mVnonlinearSmall-signalgain交流扫描Ot.lib‘LIB_PATH\csmc.lib’beacv(vo1)v(vo)vp(vo).op*.dcv_vdc2.482.4950.0001*.trans10ns200ns20ns0.1ns.acdec101k200meg$sweeprzv02k0.2k.pararzv=0ccv=1pclv=1p.inc‘NETLIST_PATH\’.end表示没有补偿电阻Rz将中的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GBWgm1/(Cc+CGD3)主极点p11/[Ro1gm3Ro(Cc+CGD3)]第二极点p2gm3/(CL+Co)零点z1/[(Cc+CGD3)(gm3-1-Rz)]查看.lis文件可知gm32mgm10.83m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Rz1k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：ΔVt,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的内容按照上面的方法修改失调分析失调分布分析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中将V_vac的定义换成：V_vpulsevin0PULSE2320ns0.1n0.1n100n200n压摆率分析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用瞬态仿真来分析ota输出slewrate压摆率分析压摆率仿真结果由右图可测得ota的上升和下降压摆率分别为146V/us和132V/usProblem:在电路图中如何分析上升和下降压摆率？将结果与仿真结果进行对比模型corner仿真在中将V_vpulse的定义换回来：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扫描，分析各种corner下的增益和失调的变化模型corner仿真在.end前插入.alter语句，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时增益最小，ss时增益最大，查看csmc.lib，对这种现象给出解释Vo=vdd/2分别对应于V_vdc为：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知道了各种corner下的失调后，就可以设置V_vdc做AC扫描，分析各种corner下的增益和GBW的变化模型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对于各种corner加入了对应的V_vdc定义模型corner仿真ffss模型corner仿真ffssffss模型corner仿真由仿真结果可测得：gainGBWPhasemargintt989103MHz67.2ff585122MHz75.9fs922108MHz64.8sf93997.9MHz71.2ss1.46k87.4MHz62.4温度分析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做温度扫描，分析各种温度下增益和失调的变化温度分析温度变化对系统失调和增益的影响00100100Vo=vdd/2分别对应于V_vdc为：2.48822.48772.48732.48682.48632.4858温度分析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知道了各种温度的失调后，就可以设置V_vdc做AC扫描，分析各种温度下的增益和GBW的变化插入下一页内容将中的V_vdc定义改为：V_vdcvip02.4882V温度分析.alter.temp20V_Vdcvip02.4877V.alter.temp40V_Vdcvip02.4873V.alter.temp60V_Vdcvip02.4868V.alter.temp80V_Vdcvip02.4863V.alter.temp100V_Vdcvip02.4858V.end对于各种温度加入了对应的V_vdc定义温度分析不同温度下的AC分析结果1000温度分析不同温度下的AC分析结果1000温度分析由仿真结果可测得：tempgainGBWPhasemargin01.03k109MHz68.320998104MHz67.44096298.3MHz66.86093694.5MHz66.28091390.7MHz65.710089086.7MHz65.4温度升高性能变差！PSRR与CMRR本讲作业1：对该OTA电路进行SPICE仿真，求PSRR与CMRR完整的corner分析ProcesscornerffssfssfTemp.070Supply4.55.5Outputswing144X2X2X2X2=64种组合Bias70%150%1）根据实际工作环境与要求，确定corner条件；2）对所有corner进行电路指标分析；3）若均满足要求，则认为设计达到要求example典型情况分析1）WorstCase:HighVdd,LowTemp.,FastCorner；2）BestCase:LowVdd,HighTemp.,SlowCorner；3）TypicalCase:NormalVdd,Temp,andTypicalMosT;对于某些应用，比如逻辑路径的延迟，可用几个典型的Case来快速确定；第二部分

跨导运放设计实例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为工艺参数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:确定BL4=1uStep2:确定输入MOSTM1=4L1=0.6uW1=9uStep3:确定cascodeMOST160.6u9u160.8u9uStep4:确定电流镜MOST81.2u9u80.8u9uStep5:仿真验证GBW,PMProcesscornerfffffsfssfsfssssTemp.080080080080GBW171151143127153134131114PM7068696763606361GBW，PM均达到设计要求！Step6:增益与摆幅Vdd=4.5和5.5两种情况下分别做上面定义的8个corner的仿真，总计16个cornerVdd=5.5Vdd=4.5?13