請教有關調folding_cascode 放大器的訣竅

st80069

上面是在下正在做的差動放大器，正遇到瓶頸中...冏
在下初入門，設計跟理論之間有極大的差距.....
& _* R9 {, _6 h: W. F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，
所以努力調整小Vb1讓|VGS1|的值愈大，調小Vb2讓I5愈小，
等到M1到了飽和與triode的極限的時候，再調小vb3至適當值
/ d, {) |( }- |: 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....
: w* r& ]4 f$ k, D9 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)，
$ \) S4 L/ c7 O: ?5 n$ U! u在下使用的是65nm的製程，所以VDD是1.2V，
而我VCM的值則是固定在0.6V，
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 C. `8 l( M1 H' h, i所以有幾個問題跟訣竅想請教各位大大，
1.VCM的值真的需要固定在VDD的一半嗎??

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?
1 B/ G" j5 k9 K; W9 J% @
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....
# A7 w% j/ l8 U% U
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...
4 z  J7 s7 R0 K' O9 j9 ^6 H9 Q希望各位有經驗的大大不吝指教(跪拜)~~

hiyato

有看到香港大學Philip K. T. Mok教授的paper裡面有出現過，
# q% J3 S9 d! l$ W: C2 ^附上他的paper讓大家研究看看。

遊客，如果您要查看本帖隱藏內容請回復

st80069

PO上小弟的hspice好了
3 \/ Z( _5 ]9 \: s" i  J+ h***********folding*************
- Z' U! q& ]8 k7 q( T0 q& B$ p.prot
.lib 'xxxxx.lib' TT
.unprot
.globle VDD
" Z2 e, m0 s6 p* S- C' V.param Lp=0.5um Wp1=5um Wn2=1.2um Wn3=1.2um Wp4=2um Wp=8um
$ b  W" q& l4 w) I: Y***********description****************
4 @$ ~, N% G+ X2 T( U. \9 p' g*****************
& [4 |- X* I. I0 {# l6 i+ FVDD vdd gnd! 1.2V
* c: f& o2 p) d% k5 l; Y
+ u3 t, h7 ]% T. X* E$ o& SVB1 vb1 gnd! 0.74v
9 `8 c+ D5 E8 ]VB2 vb2 gnd! 0.4v
VB3 vb3 gnd! 0.38v
: n  |9 v& [# b  j; e! R
VCM vcm gnd! dc 0.6v
4 B3 V3 I4 w* M. p" s( h) MVD vd gnd! DC 0v AC 1v sin(0 0.5 10k)
*VC vc gnd! DC 0V
EIN+ in+ vcm vd gnd! 0.5
EIN- in- vcm vd gnd! -0.5
*****************

M1 n1 vb1 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp
2 Q7 s# S' b2 Z1 M" A% z( t2 NM2 n3 in+ n1 n1 xxxx L=Lp W=Wp1
M3 n2 in- n1 n1 xxxx L=Lp W=Wp1
6 c) B0 B" N' A9 F- b! \! IM4 n4 n4 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp4
6 r( c7 t  A. }: i! H& cM5 nout n4 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp4
M6 n4 vb2 n2 gnd! xxxx L=Lp W=Wn3
6 H3 a* s5 x2 M! T0 U+ Y' K1 e! H( QM7 nout vb2 n3 gnd! xxxx L=Lp W=Wn3
M8 n2 vb3 gnd! gnd! xxxx L=Lp W=Wn2
M9 n3 vb3 gnd! gnd! xxxx L=Lp W=Wn2
3 ~0 g& O3 V+ ?; K1 I- l  }8 M
***********analysis*************
. z' O5 \4 I& \9 @" N  @************output**************
/ Z8 n- v2 F( ~0 A+ \4 f.op
.option post
.tf v(nout) vd
0 ?2 g' v! b! L.end

- j% b: A2 s: m5 h/ o, Q      v(nout)/vd                               = -115.0583
' C  D: u) @1 {4 `1 |      input resistance at             vd       =  1.000e+20
5 g, @# H: M8 v! b- D" Z      output resistance at v(nout)             =    1.0725x
增益只有115.... 要怎麼才能升到1k以上勒??

[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-18 02:02 PM 編輯 ]

vince

one stage op with gain 40dB
" l" Z  S8 v6 y- N6 ^差不多極限了

st80069

原來如此...原來是到極限了...
4 n9 ~8 f. t6 v! z3 ~$ f+ K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，
結果反而調不出我要的值，
$ ~! ?+ P; e3 X' 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


7 [0 L, C  @4 K6 s多虧有vince大大的肯定，小弟才敢放手去做
; ?! [; x6 U( m3 s/ Z
) `0 Z, @5 Q/ e2 O/ |/ h不過，現在卻又遇到個難題，
: h4 A# b! R7 x( H6 h$ X電壓值該怎麼調，或者W/L該怎麼分配，
才能讓Mdrive的部份便成SATURATION??
調了整整一個下午，linear就是linear，說不變就是不變....
M5的VDS怎麼壓就是壓不下來~~~在煩請大大指教囉~~謝謝~~

mbission

MDRIVE的VGS電壓會depend on負載所需的電流(如果負回授成立的話)
% {; g1 K. B0 B, g# n7 u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
你可以調看看

vince

能不能說明一下regulator的load是什麼?
' C8 M& z( h. ]! x% e+ E因為看起來是IC內部的power
  k' i( G8 Y7 O- S( i" _1 h' s需要多少電流?
8 x5 K+ \: A0 ^1 h9 E0 v( p9 Jregulator 的load regulation spec是多少?
第一級OP bias電流多少?
( j4 |* z3 Q, z9 v: X這樣比較好提供意見　

kevin

thank you for sharing this material

st80069

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。
謝謝hiyato大大提供的PAPER......
回vince大大，
7 |# l- K0 i6 C0 @+ m" Yload預計是SRAM ARRAY，是作為SRAM的供應電壓用。
/ |, L- a) B* _% v4 `' a6 A剩下的...恩，也不太清楚，似乎是自己設計....
' b3 n2 R4 B3 a2 j! F0 \所以...就想說先以增益為目標....
' P' t% H$ O. B8 B
[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-21 12:50 AM 編輯 ]

mdtjason

有資料可以參考嗎?
感謝大大們的分享~~~~~~~~~~~~~~`

賴永諭

output應該可以往上再疊一級PMOS load,gain 會不只40dB吧 !!
當然會犧牲headroom

finster

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)
# Y4 G8 S* i4 i2 L8 o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)
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

vince

1. finster說的是對的  可是以你的應用不應該再把PMOS cascode來增加gain
   原因是kbgriver所說的  
2. 以你的應用來說 你不清楚load current 是多大 甚至你的load current
   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
   做了也是白做
3. gain大有他的好處  可是over design只是增加自己的困擾
   所以你應該是要去算一下你到底需要多少gain
) ]' J' l3 L) N" \, f4. 如果你是學生  而這個不是你論文的主要部分
' x' N/ A% ?" |. f   那我會建議你用更簡單的架構
   甚至把frequency compensation 改成用外掛大電容的dominate pole compensation
   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
5. 你的VCM就是你的Vref 不是1/2 vdd
( a0 `0 I' g( Z* F, J6. 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
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
, k" l3 A8 {7 z6 G! ~8 u8. 今天話有點多  不好意思

squallscer

XDD
不會拉，vince大大見解非常的寶貴唷！
9 z0 y/ B7 m% B- z更謝謝finster大為我提供的建議，
0 X9 E" v( E+ _5 |# v7 `& `5 C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
9 Z% c; O  S/ d- _/ h$ ?7 [7 R& k恩，我現在就試試各位大大的方法，跟建議，
我試完後的結果再跟各位大大報告！
. w: G7 j/ z% M0 b% p謝謝大大們的不吝指教....
' m# P3 K+ h# F" S" D7 M(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)

9 E5 U% W8 n, F$ l- }( ^. c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...
! x, n; g$ E" A, x2 R* [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....
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...
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~~~

[ 本帖最後由 squallscer 於 2008-5-22 09:42 AM 編輯 ]

st80069

咦?
3 }0 x' Q% {4 x' ~/ N話說剛剛才發現，小弟忘了把同學的帳號登出而po文......
( `4 N" q1 z7 z- \; o4 M: n  ](昏頭)
抱歉抱歉....
finster大大說的....是指沒有MD和MC時的設計嗎??
  `7 D9 ^$ E- y. \7 t恩...那應該是我的寬長比設計的問題了...
我重新再重推做一次...
6 |* j- w5 t7 `
[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-22 09:51 AM 編輯 ]

jerryyao

原帖由 hiyato 於 2008-5-20 08:35 PM 發表
4 j+ a3 L7 y$ _$ u( F6 A有看到香港大學Philip K. T. Mok教授的paper裡面有出現過，
1 \0 O5 [8 h* t) `" R附上他的paper讓大家研究看看。
( D# ^' P) I# q4 O. z4 f- F% L. n**** 本內容被作者隱藏 *****

% I0 B- C- r2 I, o6 B. xregulator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。
2 k. t9 m. @$ D6 D' U 要錢以後再說。
5 B% E( h6 T2 {+ ]0 K7 x& Y
[ 本帖最後由 jerryyao 於 2008-5-22 01:26 PM 編輯 ]

finster

原帖由 st80069 於 2008-5-22 09:46 AM 發表
咦?
; S* e& M- s2 V5 S7 `9 t! N/ b話說剛剛才發現，小弟忘了把同學的帳號登出而po文......
% p* h3 \9 ~: `7 X(昏頭)
# \5 D8 e! `! [抱歉抱歉....
finster大大說的....是指沒有MD和MC時的設計嗎??
恩...那應該是我的寬長比設計的問題了...
  K4 P  A( F$ J2 ]我重新再重推做一次...

. ~7 f" y, m% C; f/ Y4 z
& Q2 a4 R- W, ^3 k. S9 m
9 s3 R: N8 ~! S2 q: H
不了解你指的MD和MC的縮寫意思
+ @% J5 N6 @# C$ m) n8 n( v! M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
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
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

st80069

喔喔~~漏了感謝kgbriver的建議，因為這是專題上面的指定....
小弟才疏，怕亂修改會影響後面的設計，所以只敢乖乖仿學。
很謝謝kgbriver的寶貴意見~~~
看finster大大的解說，
2 g' X2 v: P# `( `; g; Y發現OP的學問，還真是多....
0 ?# L, t" v5 a# [. \# w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~~

  C3 ]! g2 ?+ D) g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?

恩.....原來如此...
今天發現了一個問題.....小弟的功率真是省到了一個極點....
電流總共才20u....致使M6，M7的gm小的可怕，增益因而不能提升....
  r/ o2 V8 D  N; r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~~
結果失敗....
, v, E0 K2 I% e; Z6 e. U1 b6 S真是牽一髮而動全身....一調就全部變樣....SAT，LINEAR都要重新....
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)

finster

原帖由 st80069 於 2008-5-22 10:50 PM 發表
: c9 X% G! J; c4 f6 b2 L6 C喔喔~~漏了感謝kgbriver的建議，因為這是專題上面的指定....
小弟才疏，怕亂修改會影響後面的設計，所以只敢乖乖仿學。
很謝謝kgbriver的寶貴意見~~~
8 g6 ?4 v3 `( ^6 [看finster大大的解說，
發現OP的學問，還真是多....
6 `+ K) I4 t' j) |5 y4 F! M$ F唉...小 ...

我想,你有點誤會我的意思了
- T! r3 E1 S) V$ t) \% Y+ _5 R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
2 d. O6 `7 z! H" {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

st80069

原帖由 finster 於 2008-5-21 02:03 PM 發表
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)
% a) t  `6 ^1 t7 N# ~# a! 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 ...

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....
% D8 m1 i8 P' L* v! h7 K哀....然後面積就變得超大超大....