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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 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
- s4 {6 v$ ]6 H8 `4 }
上面是在下正在做的差動放大器,正遇到瓶頸中...冏
7 a% _5 x% \: W, j) J在下初入門,設計跟理論之間有極大的差距.....
/ Y9 x# ^- u1 U% R! x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,
/ O: z- w# S% Q- N: x" Q  s所以努力調整小Vb1讓|VGS1|的值愈大,調小Vb2讓I5愈小,
: H2 i, D- o+ h等到M1到了飽和與triode的極限的時候,再調小vb3至適當值
( f. n1 X' ^( D( s$ ?( h0 S# s; A" W
增益是有如在下所預測的上升,不過....頂多卻也才達Vout/vd = 120...., p. O0 {+ x0 n- H. [
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),
  P, D. }) g2 ?7 o, w在下使用的是65nm的製程,所以VDD是1.2V,
6 |  I' o6 o8 k. [0 v8 t而我VCM的值則是固定在0.6V,
$ A6 ?9 \) B# a( [& S; w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,
6 G; h* C( A( W  D  l1 Q) h- r+ q% D; k! L+ o! d5 M9 Q
所以有幾個問題跟訣竅想請教各位大大,
+ ]* }, t0 j1 O2 `' K7 j' R/ |) |& n; d1.VCM的值真的需要固定在VDD的一半嗎??5 _. X7 S& V* d

9 K6 ], T: ], K9 s* q' n: c2.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?4 E. K$ q" L  l; q/ o% ~
0 r4 ?. c8 E9 T5 {& ^
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....) J  v7 v0 }/ {
3 ^0 e6 z9 t3 ?" F) d) J0 M& [
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...* G) g4 c% J' V. h% T9 c
希望各位有經驗的大大不吝指教(跪拜)~~
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發表於 2008-5-20 20:35:33 | 只看該作者
有看到香港大學Philip K. T. Mok教授的paper裡面有出現過,
( \" r% Z0 `& W9 M0 Y: S附上他的paper讓大家研究看看。
. [' E8 O. Y, c0 U% w( I$ |# h
遊客,如果您要查看本帖隱藏內容請回復

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x
3#
 樓主| 發表於 2008-5-18 13:53:39 | 只看該作者
PO上小弟的hspice好了
0 ?* z& q0 ]* i% l4 m* o/ F***********folding*************3 A, ~: n+ S9 N- P
.prot$ R: @2 c1 F, B+ {5 T+ |
.lib 'xxxxx.lib' TT
  h' @8 o6 y1 o" H7 b.unprot, h, g: |7 x  F. G0 @2 U
.globle VDD
$ F$ o& A) ^( D1 N; v2 @- _. j.param Lp=0.5um Wp1=5um Wn2=1.2um Wn3=1.2um Wp4=2um Wp=8um7 E3 k& ^+ Z' H' b6 D9 r2 T4 Q8 g. _
***********description****************# J+ J" f4 ?1 T3 u* ^. N
*****************
/ p2 q2 Y: z4 w6 FVDD vdd gnd! 1.2V. H# p+ z' O2 _1 F3 P

* Q) j: {- c# e0 f: @VB1 vb1 gnd! 0.74v, x3 X+ I5 ]6 a% q1 A- |
VB2 vb2 gnd! 0.4v
. i! V) z1 |9 i6 f0 B$ v% m! K2 F) ~VB3 vb3 gnd! 0.38v
8 D8 T- ~' L7 K2 h) z  v
- r) @. S- A4 X4 U7 DVCM vcm gnd! dc 0.6v! J2 d  e7 Y, E
VD vd gnd! DC 0v AC 1v sin(0 0.5 10k)
& G6 F& d4 `6 L5 M) e*VC vc gnd! DC 0V) |" K" Y* X; T# t
EIN+ in+ vcm vd gnd! 0.5
9 N6 R1 c( f- W6 zEIN- in- vcm vd gnd! -0.5. E0 G7 \2 q; g; |+ v6 q
*****************
( [8 L  S! [7 f% o( e& u3 x4 o  r" }( S6 z/ \  D
M1 n1 vb1 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp# ~8 I3 z4 V5 ^" z& N
M2 n3 in+ n1 n1 xxxx L=Lp W=Wp18 Y7 c7 x7 N, {& N! N/ w$ S6 K& ^" v
M3 n2 in- n1 n1 xxxx L=Lp W=Wp18 t* o1 X( H' h4 T! W1 Q, ~
M4 n4 n4 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp4
' P# Z& X% S9 }; ~. O/ G' X* rM5 nout n4 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp4
1 k. z% a( S- S$ ^/ O, \- kM6 n4 vb2 n2 gnd! xxxx L=Lp W=Wn3
0 Y$ m/ \3 i8 N1 P. JM7 nout vb2 n3 gnd! xxxx L=Lp W=Wn37 m3 Z. e  b( y
M8 n2 vb3 gnd! gnd! xxxx L=Lp W=Wn2* E+ a. Q/ F& A& H
M9 n3 vb3 gnd! gnd! xxxx L=Lp W=Wn2; c; P. }) r5 V: N% c3 i
6 S0 S' H  t+ G( S
***********analysis*************1 `0 r' O) W/ y, s* Z
************output**************2 r' |( {, W; o; y( h& W5 Z
.op: h4 Z' A) e4 P+ S: V
.option post
$ |% I0 T) W$ \! _+ \.tf v(nout) vd
+ u& o1 e5 b% i6 i7 d.end
7 Y- L( ^4 [, s+ Q' F1 J- Q
2 ~4 Q  Y0 n5 U7 x      v(nout)/vd                               = -115.0583
( x' N" [/ p, n+ B3 X! R      input resistance at             vd       =  1.000e+20
, v! t( g% k  d+ {) j; I      output resistance at v(nout)             =    1.0725x
  ]1 H7 r% V  m4 N% c+ j1 Z3 A4 b增益只有115.... 要怎麼才能升到1k以上勒??
5 L0 K; ]. ~; E
$ y! e; C' p! y4 a( @6 g1 E7 d" D[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-18 02:02 PM 編輯 ]
4#
發表於 2008-5-19 23:28:39 | 只看該作者
one stage op with gain 40dB 3 c# s: E2 z" M4 z2 e
差不多極限了
5#
 樓主| 發表於 2008-5-20 00:08:52 | 只看該作者
原來如此...原來是到極限了...
( b0 Z9 i: |! i- d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,
+ x5 e7 G9 b% m3 ?結果反而調不出我要的值,- D. L' _( g) n8 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, Q( w3 T2 c# h. z2 F8 J

' |& W7 n1 s- v8 p* K* k: J) U& X; \- r+ ]  P) g2 n0 B, N, J
多虧有vince大大的肯定,小弟才敢放手去做$ y! H6 g  M+ L7 `

$ x+ B" h- E/ R0 S$ q不過,現在卻又遇到個難題,3 Y/ r% ^+ |6 j
電壓值該怎麼調,或者W/L該怎麼分配,
- m( O; P0 |9 b8 U2 t才能讓Mdrive的部份便成SATURATION??
- g" X2 x$ _; X& l3 b2 r& v調了整整一個下午,linear就是linear,說不變就是不變....$ s  Z9 ?3 F* C# U% b: G/ {
M5的VDS怎麼壓就是壓不下來~~~在煩請大大指教囉~~謝謝~~
6#
發表於 2008-5-20 09:49:38 | 只看該作者
MDRIVE的VGS電壓會depend on負載所需的電流(如果負回授成立的話), i: G" Y+ D' a$ W* T- d  ^+ O
看起來你是MDRIVE的SIZE(W/L)不夠大,導致你要驅動負載時,GATE電壓會一直往下拉
1 S2 G6 [5 e2 p2 z+ R7 V你可以調看看
7#
發表於 2008-5-20 11:21:02 | 只看該作者
能不能說明一下regulator的load是什麼?; h% g2 J4 f' B0 U  h
因為看起來是IC內部的power; U( o5 a1 [! N$ o4 e8 a: t* r7 _7 l
需要多少電流?
, d* u6 ~5 Q5 b1 v4 W2 z7 x1 A$ eregulator 的load regulation spec是多少?' t. p1 E3 y3 ^( t
第一級OP bias電流多少?
5 N* v( k% X  j# p+ g, `! d這樣比較好提供意見 
8#
發表於 2008-5-20 22:05:47 | 只看該作者
thank you for sharing this material

評分

參與人數 1Chipcoin -3 收起 理由
sjhor -3 敷衍回覆!所有回覆內容都是一樣!!

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9#
 樓主| 發表於 2008-5-21 00:46:38 | 只看該作者
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。. O% d: E5 Z5 g8 ]
謝謝hiyato大大提供的PAPER......* p: v! y' S7 C9 Z' |( m5 q
回vince大大,
3 L" t2 X9 b6 X# uload預計是SRAM ARRAY,是作為SRAM的供應電壓用。* F+ f7 O+ V: h8 G
剩下的...恩,也不太清楚,似乎是自己設計....6 h+ y- H! o( b8 R
所以...就想說先以增益為目標....
' J+ Y8 u/ d: G& U3 V4 W4 k
4 Y6 ^" y* H" o3 E) R6 w: {) |& T5 d- l[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-21 12:50 AM 編輯 ]
10#
發表於 2008-5-21 09:46:59 | 只看該作者
有資料可以參考嗎?
; ?! T! q  ]' ]- a6 b感謝大大們的分享~~~~~~~~~~~~~~`
11#
發表於 2008-5-21 09:50:07 | 只看該作者
output應該可以往上再疊一級PMOS load,gain 會不只40dB吧 !!. n  g1 [5 X: W, ]7 |: D; L0 ?
當然會犧牲headroom
12#
發表於 2008-5-21 14:03:22 | 只看該作者
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)
) A5 k& R3 ^: K0 t0 A  J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 driving只有一級,而n-load driving卻有兩級,這個樣子會變成往上的阻值比往下的阻值小很多(除非你在size部份己經留意到了,而且己經調到最佳化的情況)
: r# g3 t  a7 Z不然,gain值應該會被限制住,而且是被p-load driving給限制住,如此一來,不管怎麼調,應該都會被限制住
13#
發表於 2008-5-22 00:14:10 | 只看該作者
1. finster說的是對的  可是以你的應用不應該再把PMOS cascode來增加gain7 z( L1 T; g; X; w$ k9 r9 W! A
   原因是kbgriver所說的  
2 U4 g+ o7 f9 L+ w9 w* Z2. 以你的應用來說 你不清楚load current 是多大 甚至你的load current
6 |7 U: R; g4 E& u* Y3 g   是會一直變的 當你的load current 太小的時候 cascode 的pmos應該會跑進linear region' R. x6 a, T4 a; h
   做了也是白做7 P) }$ B& I9 p6 ~1 T; W
3. gain大有他的好處  可是over design只是增加自己的困擾
. U4 `! X7 C- P# u   所以你應該是要去算一下你到底需要多少gain
; c6 C0 ?' L& ]) j. D8 A4. 如果你是學生  而這個不是你論文的主要部分 " O- ?* Z$ {' a
   那我會建議你用更簡單的架構7 P. h7 e: T& {! C
   甚至把frequency compensation 改成用外掛大電容的dominate pole compensation0 K7 q+ C: s4 }& Q
   除非你的很清楚你的load是什麼  你的頻寬是多少 不然你目前的compensation是有危險的
% h: k! B# k$ _9 J; M/ B5. 你的VCM就是你的Vref 不是1/2 vdd
: |: V: G) @* c5 g5 y1 s" C! C' p6. W/L 不是三言兩語可以說完的  不過  少用最小L就不會太離譜了& a" T7 i8 v4 c  a
7. 指導老師誤判  =>  你有找對老師嗎?? 找沒經驗的老師做類比電路  請保重3 ^" ^# @# p! @
8. 今天話有點多  不好意思
14#
發表於 2008-5-22 09:03:41 | 只看該作者
XDD8 U: _2 O  r* i- D
不會拉,vince大大見解非常的寶貴唷!
% }+ Y9 W# R  W( t7 \更謝謝finster大為我提供的建議,1 B( f* @' @, S( S$ Z0 M
看到各位大大為我解答,讓我求助無門的情況下感動非常了* Y, u$ b7 k2 V/ K" R8 k5 B  N
恩,我現在就試試各位大大的方法,跟建議,
% q/ |! H6 J2 ]8 @我試完後的結果再跟各位大大報告!
2 S& N2 d' n, H謝謝大大們的不吝指教....9 D5 e7 @8 a" u
(話說....我的專題老師....可是很強的老師....與其說造成他的誤判,還不如說他因為趕時間,而我的意見又很多,他反而覺得都有可能,只是他傾向試上面的方法...對老師真是萬分抱歉啊)
: v# ?: \4 J" f( _0 z5 Q4 a9 V' l1 ]/ C4 J9 Y+ [" a$ Y7 V
恩恩~~~對喔~~~Md處的地方,看RAZAVI後,就TWO-STAGE來說,應該再底下再接一個NMOS,給他負載,並且提供電流...
# o% c6 g0 w4 }1 |) U而我這部分如果以TWO STAGE的觀點來看...好像根本不會有直流偏壓的樣子....! Y1 F3 L6 }$ J7 n. N8 ]
除非如vince大大說的知道LOAD的大小跟電流經過...而小弟LOAD處,是顆sram...
0 a) [, D4 N% q2 `; J% b5 D0 }( ~小弟由此推得...後面是LDO當接OP正端回授後的產物了....哎呀呀~~~, }; _9 i0 S* @1 W

6 E* R% j' k# `* T  `5 X  h[ 本帖最後由 squallscer 於 2008-5-22 09:42 AM 編輯 ]
15#
 樓主| 發表於 2008-5-22 09:46:01 | 只看該作者
咦?
$ _" `; n* u$ H# Z( a話說剛剛才發現,小弟忘了把同學的帳號登出而po文......
0 X) a- ~2 z+ C: ?(昏頭)) r* e/ B* a" l+ E  z
抱歉抱歉....
" N& m/ v" ^7 w& @1 `# bfinster大大說的....是指沒有MD和MC時的設計嗎??
8 w- D+ [$ c  x7 e恩...那應該是我的寬長比設計的問題了...9 U, N. K: z0 P- Y" L
我重新再重推做一次...0 c$ Y% P. }' u4 k0 v# n% a
& t6 k3 E# ?: a% F) z
[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-22 09:51 AM 編輯 ]
16#
發表於 2008-5-22 13:24:44 | 只看該作者
原帖由 hiyato 於 2008-5-20 08:35 PM 發表 : N3 T: d3 @$ o$ Y
有看到香港大學Philip K. T. Mok教授的paper裡面有出現過,
! i* i6 i. {! z- q- `* @% a附上他的paper讓大家研究看看。
9 C- Z% G% j, e1 m* P**** 本內容被作者隱藏 *****

& S* D# b. Y. yregulator領域是我的下一階段要做的目標,看別人推薦的paper比自己是找有效多了。
3 y7 d( D5 ], t, M6 E, b 要錢以後再說。- V6 g' r; F+ w- @1 ~9 t
( ?" R2 |9 U$ C& H, t% U
[ 本帖最後由 jerryyao 於 2008-5-22 01:26 PM 編輯 ]
17#
發表於 2008-5-22 18:49:53 | 只看該作者
原帖由 st80069 於 2008-5-22 09:46 AM 發表
2 K3 K$ k" g! W$ y: N咦?
/ O: w- U- A- @; B: u! u話說剛剛才發現,小弟忘了把同學的帳號登出而po文......
, f" N$ t" n$ B! z, V# y8 h(昏頭)
* _7 w9 x# @; M8 J; @% p抱歉抱歉....  g: y4 E' v- \3 S" u! e. @
finster大大說的....是指沒有MD和MC時的設計嗎??
2 D- J( ~& z3 f6 n4 a7 J; `恩...那應該是我的寬長比設計的問題了...7 C1 {8 e: c' O1 E" D
我重新再重推做一次...

0 d2 O- m4 ]# k2 _0 C: T6 ?: Q4 {5 m7 H+ v

% P1 f  j9 _8 D" `+ _. x( `! b' g. {* i7 j! V% |
不了解你指的MD和MC的縮寫意思' m$ _  O' m" R1 U, ~  f2 ?
我個人在設計fold-cascode時,其實會先設計bias電路,因為bias電路會間接(有時候是直接)決定fold-cascode的performance- s+ V2 h* S2 V) `
因為,我以前曾遇過當我發覺到我的OP的gain己經調不上去時,我以為己經到極限了,後來在檢查我op電路各點電壓時,才驚覺原來是因為我的bias電路而限制住我op的gain,難怪我的op的gain一直上不去
6 W1 I" @" r; V9 T4 K- j1 M自此之後,我才學到原來bias電路對op而言,也是一個很重要的設計重點,而這個bias電路,卻是很少人有花心思去看的
18#
 樓主| 發表於 2008-5-22 22:50:16 | 只看該作者
喔喔~~漏了感謝kgbriver的建議,因為這是專題上面的指定....; y( i3 F, A2 e8 U. 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。4 t0 F6 ]" O7 v+ O
很謝謝kgbriver的寶貴意見~~~
' \6 y2 q% f. ?. A看finster大大的解說,) M+ }/ E% G$ {. O
發現OP的學問,還真是多....7 v5 g6 n: C) L4 L: L
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~~
& g: @4 s# }4 s1 a. k, N
) d- A# b  c  L4 [+ {; D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?
( |( @! S: _" b3 ]) i! `4 K/ q: m" `( m9 x5 W
恩.....原來如此...
2 |6 E9 z3 X- U6 e) g. Q% V2 S% u今天發現了一個問題.....小弟的功率真是省到了一個極點....
. u3 n9 E* `5 |' u( u4 P" P電流總共才20u....致使M6,M7的gm小的可怕,增益因而不能提升....
: Q, y* ^8 V, x3 g0 G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~~5 l( J; ^2 s, E; l# N
結果失敗....$ v! {. b+ G$ F* C2 |- f- k; ]8 Q
真是牽一髮而動全身....一調就全部變樣....SAT,LINEAR都要重新....
7 a: G0 O5 \3 v( @* g7 D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)
19#
發表於 2008-5-27 22:32:37 | 只看該作者
原帖由 st80069 於 2008-5-22 10:50 PM 發表
8 V6 [* G$ e- d5 I喔喔~~漏了感謝kgbriver的建議,因為這是專題上面的指定....+ p- H  ^1 ?# M, ~9 ]: L" T. |; x3 _+ D
小弟才疏,怕亂修改會影響後面的設計,所以只敢乖乖仿學。
, q( j$ U* \4 [. L4 [& E' V$ W2 k' W很謝謝kgbriver的寶貴意見~~~
# r+ d4 s6 j0 ?8 G- K4 N看finster大大的解說,+ T- a* g! m; z. [
發現OP的學問,還真是多....
9 n9 x% v0 z& l3 p& [唉...小 ...

2 L! u3 y" x" f+ `. L9 z
% I9 x$ W5 a% Z) O; ~: E' S$ J3 P* E8 a) s) y- Z
我想,你有點誤會我的意思了' m2 g- h$ S4 @' B- g, C
在設計op時,尤其是folded-cascode op,我建議一定要把bias circuit加入一起作模擬,若是直接給一個定電壓作bias雖然也是可以,但遠遠及不上實際的bias circuit來得好,而且bias circuit所產生出來的電壓未必真的是定電壓,它也會隨著製程,電壓和溫度而有所變化,所以folded-cascode op我個人是強烈建議要加入bias circuit一起作模擬) Q; O' a6 s1 J6 U' g
而我前面所言,有時候bias circuit也會是限制住op的gain和phase margin的一個因素之一,因為bias circuit若設計不好,也會影響op

評分

參與人數 1 +5 收起 理由
st80069 + 5 唉呀呀~~~原來這個有評分的功能....這麼久

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20#
 樓主| 發表於 2008-5-30 10:34:07 | 只看該作者
原帖由 finster 於 2008-5-21 02:03 PM 發表 % P: M* r2 k  m
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). M, W3 {0 O; w$ v
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 ...
4 X% u+ w* [1 {
2 q* d/ ]- s( j" Q7 |8 t  u+ t+ s
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....
4 I& g& n& U+ Y' E哀....然後面積就變得超大超大....
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