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樓主: st80069
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[問題求助] 請教有關調folding_cascode 放大器的訣竅

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1#
發表於 2008-5-17 01:46:19 | 顯示全部樓層 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式

4 `4 l/ l+ o5 x7 O  @; A  U% g上面是在下正在做的差動放大器,正遇到瓶頸中...冏
% a$ m6 O6 W' n9 m, j在下初入門,設計跟理論之間有極大的差距.....
& ^, X, O; r0 g' T1 ?在下私心的設計方法,讓M1的電流愈大,則GM愈大,M4,M5的電流愈小,則ro愈大,
7 F  I5 v0 ]  L1 S' J* f- d; T所以努力調整小Vb1讓|VGS1|的值愈大,調小Vb2讓I5愈小,
4 f, d6 P& w3 e* r' g# N4 @9 y% U( j等到M1到了飽和與triode的極限的時候,再調小vb3至適當值7 H" E( W: d/ P9 N, a
4 D5 X. `' f+ [4 F
增益是有如在下所預測的上升,不過....頂多卻也才達Vout/vd = 120....2 p: g' u  @9 m/ l- K7 @. g' Q
但我的差動放大器想要作為運算放大器用,甚至要運用在regulator上,增益必然要K以上的單位吧(莫名的肯定),
4 g0 ]1 M6 {  l6 M  _5 ?! v/ j在下使用的是65nm的製程,所以VDD是1.2V,! X/ R) x; v; ]# ]
而我VCM的值則是固定在0.6V,
/ B4 s* T; c0 S0 d0 r8 r6 h/ S看別人範例的OP,也都是把VCM固定在VDD的一半,所以在下也有樣學樣,但卻也不知道原因,/ w  [& {; Z* Z3 a

5 _1 w4 {0 S( m所以有幾個問題跟訣竅想請教各位大大,9 d" x( z0 _/ p* c' C3 ^. F
1.VCM的值真的需要固定在VDD的一半嗎??
9 f% k0 _9 w! W9 S7 _. K' f' R# V1 c& `' V  ^% Z* a
2.folding cascode的OP,大大的步驟都是什麼?先調整Vb3,在碰Vb1,再調Vb2?然後再考慮是否調寬長比?
! S2 f- l0 F. [( h6 P7 E8 B3 N, X9 X0 _8 P- X% l! m$ ~
3.寬長比初始都是先怎麼設的?例如我就會先設所有MOS的L都一樣,之後只調W不碰L....
$ K* o( T7 {& `3 _* m; Z# C' p0 p+ j/ n# ?9 W
大大可以跳脫出我的問題自立一格的回答喔~~因為可能我的問題在大大們面前是等同大學生看小學題目一樣...
1 ^! Z3 X4 ]4 E$ ]% c希望各位有經驗的大大不吝指教(跪拜)~~
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2#
 樓主| 發表於 2008-5-18 13:53:39 | 顯示全部樓層
PO上小弟的hspice好了. f1 {+ Y6 `6 Q. t0 @3 J5 a
***********folding*************
( J) ]. J8 t( t4 U; B. `6 O.prot
8 N4 s. T2 M; d( Z( ].lib 'xxxxx.lib' TT
* \' G% l- j2 M.unprot
% ^$ K. w$ |* u; v7 S7 x# Q.globle VDD
6 |. k# Q+ Y, F$ F' d; y.param Lp=0.5um Wp1=5um Wn2=1.2um Wn3=1.2um Wp4=2um Wp=8um3 l. H2 d8 q6 P& J' q! p3 d
***********description****************- v6 B, @5 M0 m2 A" j$ M
*****************! ], Q. v& x! v
VDD vdd gnd! 1.2V/ e2 R' I  \; C5 h

( t; z" |7 k- w& Q7 l; i9 _VB1 vb1 gnd! 0.74v3 p( j" H) C* i, i
VB2 vb2 gnd! 0.4v
. y3 ]2 [9 T8 g" y. u) E, |- N* ]VB3 vb3 gnd! 0.38v6 `9 B& h$ L& `9 l5 W" t0 V! ?" E
, K- c/ d1 h& I1 V; n- l( l# L6 |7 o
VCM vcm gnd! dc 0.6v
4 \! |4 v- A" ~' @7 gVD vd gnd! DC 0v AC 1v sin(0 0.5 10k)" l$ L* Z/ p) p  i1 e3 n; o" K7 e
*VC vc gnd! DC 0V
7 O0 r7 B' {5 @$ E! iEIN+ in+ vcm vd gnd! 0.5& j0 w' H3 R3 p  q" S+ a
EIN- in- vcm vd gnd! -0.59 V5 O4 o* k  ?
*****************5 u1 L! H# g: D' l. H
2 {0 e/ l0 ^% p) W, s# f: \
M1 n1 vb1 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp% H. o1 M* q. U$ W
M2 n3 in+ n1 n1 xxxx L=Lp W=Wp1
0 e6 ?6 W8 o8 c! LM3 n2 in- n1 n1 xxxx L=Lp W=Wp1
' x& t8 }4 T$ X  Q$ `) n% [  O) bM4 n4 n4 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp47 a* Q" K7 S* h: X6 q9 r3 H: |
M5 nout n4 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp4
/ n  A  l& O* {M6 n4 vb2 n2 gnd! xxxx L=Lp W=Wn3+ F5 ]% m3 Z! `4 L0 |
M7 nout vb2 n3 gnd! xxxx L=Lp W=Wn3
) T- D7 X/ G# z6 G$ ^% EM8 n2 vb3 gnd! gnd! xxxx L=Lp W=Wn2! j8 F: i& ?5 ]; G" a3 X
M9 n3 vb3 gnd! gnd! xxxx L=Lp W=Wn2& E! q' ^; Z0 n) {( i. C/ t" n
5 N# u, \1 g9 d9 Q+ q
***********analysis*************
6 R1 o. D5 D4 P7 z************output**************, E3 y7 p4 l. G7 S4 ?# H+ L
.op9 a, S# c/ m7 Q1 c/ k1 ?, K+ H
.option post' y/ Y+ F5 M/ d# i. F
.tf v(nout) vd
9 d9 F* q9 i0 [1 g0 X.end
& s. X4 h! y) k" `7 r7 x
- N+ {/ C5 M- `; ]" V0 E      v(nout)/vd                               = -115.0583
3 `" N/ f! i* s4 i. U8 M      input resistance at             vd       =  1.000e+20% m  R/ ^! v' Z0 o
      output resistance at v(nout)             =    1.0725x& N* Y3 j" y2 ^; _9 `
增益只有115.... 要怎麼才能升到1k以上勒??
! K5 {* H& {1 ?% I# P' ]  k( G  V* ^
[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-18 02:02 PM 編輯 ]
3#
 樓主| 發表於 2008-5-20 00:08:52 | 顯示全部樓層
原來如此...原來是到極限了...
0 p& @6 w0 O  ]0 T5 Z; h因為小弟的解釋跟說明,造成指導老師誤判成後面的部分屬於LDO,# ?& h2 M$ l) T! [# }
結果反而調不出我要的值,
6 H3 C/ H0 V2 D6 c* \. }小弟也跟同學討論了許久,以為會不會那張圖就是整顆OP,所以也開始試著從two-stage的方向下手
( {5 x' M( V' a; _* E2 r# D/ {# H . h3 E/ u0 `6 D# j/ i5 f
+ P" W8 Z1 [1 m& E- [; e, L
多虧有vince大大的肯定,小弟才敢放手去做
, b- _7 ?: F; L% D1 ^9 x8 X3 P0 v8 t; }$ R. L& Y; r
不過,現在卻又遇到個難題,: @: [) n! }' Z7 @, P
電壓值該怎麼調,或者W/L該怎麼分配,
) Z0 v6 ^1 @. F9 Q才能讓Mdrive的部份便成SATURATION??0 Y$ E# {: i1 f' s3 O( @
調了整整一個下午,linear就是linear,說不變就是不變....
  Y( `  D( Y1 d. X* t1 I2 s  M. ~M5的VDS怎麼壓就是壓不下來~~~在煩請大大指教囉~~謝謝~~
4#
 樓主| 發表於 2008-5-21 00:46:38 | 顯示全部樓層
謝謝mbission 大大,所以調W/L就可以改變VTH?原來vth會這樣改變的...嗯嗯,我明天去實驗室試看看。4 V/ L/ B: Q( w) k: Y8 G. u6 C
謝謝hiyato大大提供的PAPER......
* f, R, }, S4 Z6 O$ q, c( O回vince大大," d+ f5 _- b2 O2 U
load預計是SRAM ARRAY,是作為SRAM的供應電壓用。
0 r" B0 F; _* ?* S6 i! K剩下的...恩,也不太清楚,似乎是自己設計....# F" ~" d) u6 I& `* u9 c
所以...就想說先以增益為目標....
4 ?7 ?- `2 R/ |
  c" v; y* q$ Z[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-21 12:50 AM 編輯 ]
5#
 樓主| 發表於 2008-5-22 09:46:01 | 顯示全部樓層
咦?2 y0 w3 U+ S6 W! |
話說剛剛才發現,小弟忘了把同學的帳號登出而po文......
2 s2 s  q7 j6 ?  ~6 y4 T1 w(昏頭)0 |/ x: r& Y0 E
抱歉抱歉....
+ W5 i! y2 o0 O* e' [9 j  ^0 K9 d/ a, ]% sfinster大大說的....是指沒有MD和MC時的設計嗎??
8 Z0 v' e/ O" Q+ d+ n3 E2 X8 N恩...那應該是我的寬長比設計的問題了...0 `) ]3 k6 x/ e% q0 C1 S# t4 M+ `
我重新再重推做一次...  j! g3 k( [7 x6 r

- ~; U- s# c; F) i- m[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-22 09:51 AM 編輯 ]
6#
 樓主| 發表於 2008-5-22 22:50:16 | 顯示全部樓層
喔喔~~漏了感謝kgbriver的建議,因為這是專題上面的指定....
( M* Q2 @" x  C小弟才疏,怕亂修改會影響後面的設計,所以只敢乖乖仿學。5 B: z! Y. d2 z' i. _* z
很謝謝kgbriver的寶貴意見~~~
7 f; N) ^6 a8 O% Z( l看finster大大的解說,3 r, ^$ L- j; v  k4 i3 z
發現OP的學問,還真是多....
0 m1 m2 o* c6 l5 M5 t唉...小弟新生入門,很多問題,還請各位大大們不要見怪~~~很謝謝大家~~$ Q* ]% }: Z$ Y+ g; C# n
2 \. y. |5 f* F: j' W$ j; e
從上面感覺起來,finster大大是先給定電壓囉,然後如果沒達到飽和,就只調W/L比?5 ]9 `, u; c2 S6 D5 ]- e

3 T4 T/ J7 G, k6 }' e% y* H恩.....原來如此...
# A) ?. Q( }) b! J$ f, l/ L今天發現了一個問題.....小弟的功率真是省到了一個極點....$ K+ R( z6 b; g* ^1 P! a
電流總共才20u....致使M6,M7的gm小的可怕,增益因而不能提升....
9 _; }! e2 F5 L! a+ d9 p. N也就是說,如果能維持電流情況下調升W降L把gm7上升10倍,就能達到60dB了,YA~~
; q  M' ]4 e7 D7 K3 F1 L% M+ q4 V結果失敗...., C3 R3 j# X/ X+ f5 X  z
真是牽一髮而動全身....一調就全部變樣....SAT,LINEAR都要重新....& Z0 h3 }( X& m- l# Q: n( x
大大們的精粹,小弟一時還真是難以上手....真是對不住啊....(慚愧)
7#
 樓主| 發表於 2008-5-30 10:34:07 | 顯示全部樓層
原帖由 finster 於 2008-5-21 02:03 PM 發表 ) X# \$ i) r; o
如果你是用wide range的fold-cascode OP,我覺得op的gain應會超過40db,一般我設計的fold-cascode op大概都可以到達60db以上(在ss corner)
; }8 j4 C. Y2 l+ g2 b0 Z2 h而且,照公式推導來看,output阻抗是從輸出往上和往下看,現在你的p-load drivi ...
( y) |# Q* V4 Z& h% A  }$ u
; C8 G9 U- v" @- `; e4 [7 `
嗯...3天來測試發現...結果,如果只有一級,那電流鏡那端的電流就必須極小,彌補不夠的電阻,不過...卻也為了彌補...結果導致gm7的值極小而必須加大w,或者固定小電流,gm7ro7(ro9||ro2)同時放大寬長....
  C: h9 x7 L% \+ y: |  v. T哀....然後面積就變得超大超大....
8#
 樓主| 發表於 2008-6-3 21:50:58 | 顯示全部樓層
好煩啊...已經第4個禮拜了,但還是調不出來,有大大建議上面加head,不過...很怕改了之後,會影響內容...
& o5 W& `( |5 b9 \$ {努力調了很久,目前進展是增益,446,約53dB.....始終達不到60dB...# i. S' G0 ?( T
而專題本身是沒規定60dB啦,之所以會認為60dB,是因為下面這張圖。% J4 U/ |) p  P# V1 q+ |1 i

. s( [  }+ i8 p6 J1 |& M穩壓器的設計得到CVDDH的穩壓值....! K( B3 S, }$ x1 }
而小弟看過有關穩壓器的PAPER,如果Mdrive的電流增益為gmp的話,5 R8 w+ O8 r+ j- A
則需要A*gmp >>1,所以私心認為A需要60dB,' L7 }; Z& Y8 `6 v$ ?- h4 W
; c5 c; I- M. G, [  e- d
是我想錯了嗎??2 S$ L3 [  u6 x9 S
謝謝各位大大不吝指教.....' w  C3 [2 X8 Z/ h& T0 J& W
(已經調到好想哭的地步了....唉唉唉)0 }0 o' i% Y+ U) R' K& I
(如果真的需要60dB,那我明天趕快改成兩個head好了)
9#
 樓主| 發表於 2008-6-4 02:52:45 | 顯示全部樓層
被最後一句嚇到了...folded cascode OP要作到60dB是很簡單的一件事...(慚愧)& l. Y3 L( u# f- f
之前曾經弄過0.18製程的,N-type input,VDD=1.8V,High Swing的電流境接法,不出兩天就調出來,上達70dB,面積也小,有足夠PM和SR...不過,卻是亂調出來的。
+ n6 s% w6 E6 v9 N1 J, U現在改成更小的製程,N-type input,VDD=1.2V,且有vth小的優勢,但上頭只有一對電流境,寫公式估大概,花上4個禮拜卻只有失敗心得...(心情超沮喪的,超悶)" [" Z) P" X% G- O. D# \
0 u1 ]" U# `- O- t* n
Vref是0.6v。# w  Y& S6 k4 t, J9 \7 S- k4 I
如板大命中,P-TYPE是最佳的設計。# t3 y9 W3 a+ |) a

/ _; l0 X& X) c9 a9 x( ]還有,謝謝版大的PM,
( `& h; z* ^( G0 V版大的PM內容真的有讓我開竅很多東西,又讓我有信心起來,) Y4 {0 Y: O' t( a8 G# X2 B: F7 B- h
對照之前版大的回覆,指的是再疊一級電流鏡採wide range做法(應該就是類比說的High swing一樣吧??),
; ?+ Q* ~1 D. v* I3 H4 r! y, v明早就趕緊來做做看,好想趕快去實驗室試試這樣的做法~~期待~~0 `& Z# o) d& @6 h$ g
2 j6 [$ r* h4 p  {
******************為何會調不出的心得:******************************
3 u3 \3 f# B8 J! V- m3 a& R; Y. L公式:gm2*( (ro5)   ||   (gm7*ro7*(ro2||ro9) )  )! [+ T, ~3 ]& M$ l$ Y% ]
因為電流鏡那端只有一級,
+ x7 C) B  g% b; R; w/ b, q也就是往上看的ROUT只有一個ro5,
* [9 F$ Y8 M+ G  R, V為了避免ro5過小所以一個方法是放大L另一個就是縮小電流I,
1 @$ q0 F% O7 R9 A! d" ?而,L5已取7um(太大了吧)電流還必須維持2uA以下的情況ro=2M,
% q0 N) A  b% T/ \' w' J. v  ^0 M5 s
往下看是gm7* ro7*(ro2||ro9),卻也因為電流過小,+ F! t! e7 ~% B
gm7*ro7照公式看來會隨著電流下降而上升,
( s8 |- ]9 B6 K; D: U3 i" m但,上升不大...試著放大寬長,沒有明顯的變化。( U2 F) V4 F3 a, N8 I
0 k* r% A" u8 [0 p
且,ro2||ro9也因為輸入端跟最后的匯流端的電流很大(一開始我定70uA左右),
8 `+ n( i" I5 q導致ro2跟ro9變小,雖然gm2有1.2m,但並聯後增益只有400多...
) j% p2 d. R  I( j0 ]( @. n(此時的寬長已經為了拉拔到400多大的不太像65nm製程會做的事了....)$ A% g' u. G2 t  _0 ^4 c
既然gm2無法放大了,不如放大輸出阻抗ro2跟ro9,也就是降低輸入及匯流端的電流...5 N+ c8 K: \7 m1 z1 o5 s
當然gm7*ro7值不變,ro2||ro9也如期上升,卻gm2的下降大於ro2||ro9的上升,
9 F! L, e9 I: t$ \1 d8 d( M% G$ L增益當然就愈來愈小。
0 H3 q' L( T- q, Q*******************************************************************************. O3 A2 g1 Q; ?% p( l4 u8 L
" Q% y7 d' O) Q/ }
[ 本帖最後由 st80069 於 2008-6-4 02:56 AM 編輯 ]
10#
 樓主| 發表於 2008-6-4 22:29:26 | 顯示全部樓層
謝謝,很感謝monkeybad大補充,目前已經開始動手做這樣的設計了。8 f! @$ G5 ]" w: @
咦?shaq大的問題是??" ]3 ?) y8 M( g" N
如果樓主指的是我的話...小弟好像沒提到PSRR的問題XD...雖然之後還是得考慮...
/ J% I5 I. e3 l+ r0 m( I' A! s* A8 d, d  Q! L7 {5 e5 c& i5 d
怎麼每個大大建議後面都會補個「容易」兩字...這....這......真是太神了.....
11#
 樓主| 發表於 2008-6-7 12:27:27 | 顯示全部樓層
psrr" W9 @7 ?: S; I" K. Y0 _" d8 P

' v% d6 W# E! Kicmr1 W. @5 k+ `5 f; e1 w1 M

" E! j  a" l/ u6 n- F2 n7 P5 W
1 ^3 o( Y, m/ L/ \7 B3 B) \増益是1.135k  約60db
9 @$ Y9 \( a" I% J3 @# h# X+ I% o/ o* ?' q
不過,PSRR好小,4 F8 b9 H8 A/ W
且ICMR也不大,
  P) X9 M2 q4 ]: d. \% Q  G* V這樣夠run LDO
6 j) @* m3 z3 a; t& r0 L- Q' x或者運算放大器嗎??
! K* L* A/ Y9 H; g, L/ |1 `
1 h0 u. P7 I% f3 S4 j4 w7 G請問,又該如何才能使那兩個往上升哩??
) C5 t/ L# v/ A* z" B1 @6 F感激大大們不吝指教,謝謝!真的非常謝謝~~/ `" Y+ p+ b) f5 W( Q  }
9 D$ F2 V* B- d. [
[ 本帖最後由 st80069 於 2008-6-7 12:29 PM 編輯 ]
12#
 樓主| 發表於 2010-3-25 03:35:08 | 顯示全部樓層
我的OP phase一直調不高
; K( g& c3 P; v# p請問是因為我沒家輸出電容的關係嗎9 B  E4 ^0 N( {, l% T  n8 `9 P
我加上輸出電容,發現phase變高
( W( I' I5 ~( u' T  {0 {0 H請問有什方法可 ...: p& s8 Z( D" r
st31400 發表於 2009-9-28 02:04 AM
3 D6 M; C' C/ Y. y/ N
* s" o  ~) G: Y
  S" _7 J1 s1 m8 K' @: m) L. r  V6 d& `
    通常是需要最後掛上輸出電容才模擬的phase,因此主極點由最後電容決定。
9 Z( ?/ x% I, y  如果不掛上的話,就尋找電路中可能出現主極點的位置,就已這篇的fold為例,位置在電流鏡的節點上。然後根據計算主題的公式,調整gm或者電流去改變。
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