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[問題求助] doubt supply-independent biasing

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1#
發表於 2011-7-12 18:02:20 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
i got a question from Razavi textbook in chapter 11.2 : Supply-Independent Biasing" b0 t# t- r" ^$ S. u
==>figure 1) z  S6 a" U, Q$ s/ C  @# N( F: M) q
==>figure 2
  r" S0 A; Z  ]$ G) N" X- W- f2 ^# F) L6 C
by figure2, it looks like vdd really has no effect on the figure 1 CKT." ]1 |, O/ h  C2 A

" N! ^$ b& g+ v5 w7 P7 [the textbook also introduce start-up circuit M5 into the design as following:& B% G/ \! n! F: ?# E) [
==>figure 32 K9 j. _' b8 s. c  q' t( v" s
when simulating the circuit with startup(M5), it seem to be effected by VDD.* f3 [3 o: I; z9 _+ H
Current Iout, Iref vary with VDD.
, M& `6 \7 u; H( Y& E1 m5 XIn practice, figure 3 become Supply-dependent Biasing since startup must include.
8 M) y/ R0 A2 @8 y& f. c" dhow could this be? if using figure 3, supply- independent case never happen.
  c% m  Z* h" }" b$ q0 o  [+ z9 c& L$ C8 P+ x$ M
below figure, i sweep .dc vdd. 4 I  l9 F* ~9 u  n  m- ~% C8 J

! o" a2 h) J; H, q8 h( uAs you see vdd ramp from 0v to 5v, current Iref and Iout are not constant if vdd>2.8v

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2#
發表於 2011-7-27 17:21:14 | 只看該作者
從你的結果來看,分三種case來檢查.........
& Q' y# v) ?/ M# ~5 \4 L
: K  E: \# v' `. `) ]6 A輸入電壓(分別為2.5V、2.8V and 4V)後,檢查你每一顆MOS的工作點,是否都為飽和區,7 x' V& T2 ?) _( o! X: y1 e2 T
7 l/ }) Z0 ~* l- o1 x- q
並且記錄每一顆MOS的Vds(sat) 、Vds跟Vod
6 @  d& F' B9 M4 I' l1 w" z- q
1 K& t* p. q* c" M% [2 ?) f(如果沒有Vod的話也沒關係......這是Vgs-Vth得來的,Vod這參數要H2006以後的版本才有). c, ~' `1 x4 x8 n& X

4 P/ Q. N. ]: ^$ C% t有了以上的資訊你才可以知道問題出在哪............
+ a* {% R) E" j3 }; P7 Y) ~: x1 k9 x, I# \( S
PS:既然M5是當作startup用的MOS,那麼W/L比就不用太大,以一般設計來說W=0.5u L=10u2 @* X' X9 b% N3 T

" C! l2 {) s& j: e' W算是一個建議值,但是還是得照實際電路需求去做改變~~~~
( F( c9 L2 O, C$ X7 K9 I, U- ^1 d! s
以上是給你的一些建議~~~~~Good luck~~~~
3#
 樓主| 發表於 2011-8-3 10:22:32 | 只看該作者
聽你這麼提起來....我想問個另外的問題
1 Z# e. w  ^: C在hspice report中的Vds(sat) 、Vds的關係為何?& C( H3 J4 X; |: ?" Z# k( O/ e1 w# u

; R8 x' `$ T& a! v我知道Vds指的是實際mos的drain-source的跨壓
  e& u- n, s7 J& r那Vds(sat) 我想指的是在hspice中的vdsat這參數吧) o- j$ }! g6 m9 {8 g& F
可是Vds(sat)指的是何意義?...我粗略在hspice的線上文件未找到相關說明
4#
 樓主| 發表於 2011-8-3 14:49:43 | 只看該作者
回到原來的問題.... 經過調整了mos的size...vgs變得較不會變動了" W+ a! u- e7 c4 p
( f! _  @- H) ]3 g4 K
但是Iref&Iout的不一致性還是會出現2 }4 L& `/ A6 j1 o
就如同lchuang提到的去看的結果2.5V、2.8V and 4V皆在飽和區4 F# }4 @- A0 {" [8 E5 D5 O
我覺得應該是mos的Rds(ro)電阻不夠大所致...以致Vds改變IDS也跟著改變8 Y6 `- w% e! Z# q2 ?* _

& Z" U( r6 \% e: }; P另外...有個困擾我很久的問題....Startup mos: M5真的有用?; g! m$ R1 w- N6 N0 k  [
在我的模擬中....M1~M4的MOS都可以正常運作....不懂何情況會需要M5) c* R' t0 Y/ a- F. H
就書上說要用到....但實際上在模擬就是模擬不出這種情形(M1~M4 startup不起來)
5#
發表於 2011-8-3 15:51:17 | 只看該作者
本帖最後由 lchuang 於 2011-8-3 03:52 PM 編輯 # x4 R# \) Q" F$ w: q/ V0 U

' n! N3 }; N. L) m3 Y: k先來討論一下所謂的Vds(sat):
% d3 E& N3 ^0 D. P3 p, g1 b+ ?  e7 `/ j9 q7 |
你試著模擬一個固電電流源,如一顆PMOS~~~~S接VDD,並且G跟D互接然後掛一個電流源(ex,20uA). M& y9 T( A7 O! d! r* W
$ x  @1 v( |' {
W/L可以先固定一個值(ex,5u/1u),然後觀察這一顆PMOS的vds(sat)~~~~接著把電流源加大至40uA) k8 U- Q* z: @" ?' Q* j
$ F1 f- N" q% f& u- e
然後你就可以看出Vds(sat)會明顯得拉高.......1 J; f2 u4 U3 j8 r9 b8 X
& e* P5 X0 y( J6 D* ]# G+ \$ @
至於所謂的vds(sat)其實在我來說,它是一個滿足MOS進入飽和區的條件式而已........3 }) L9 A4 g& x4 ^

0 I! ]4 Z# m/ _* [7 ?1 k, @  e) ^$ G7 g而所謂的條件式就是Vds > Vds(sat),一般在我的設計會讓Vds大於Vds(sat) 0.15V左右~~~
9 Q6 m9 F/ c2 p& S+ T2 L! _
9 y5 Y1 A+ V1 V( |那麼Vds想當然爾是越大似乎越好........其實Vds越大或許比較好滿足MOS進入飽和區來操作......
0 C6 M! r3 J+ j& j* |; o
, V3 a0 R" o2 o* A- T" V問題是它相對壓縮了電壓的輸出操作區間~~~~~所以囉.......
' Q; {( J" ?1 A: ]% v( N: j( j; B2 Y# y
一般設計電路,以一顆OP來說......要看DC操作點看的不是OP本身的MOS偏壓,
: B' T  K! J+ G# Z! r  k% X8 S9 Z$ G# Z8 m! Q8 ^
而是給OP做mirror電流的"偏壓電路"本身,它才是決定這一顆MOS是否符合所設計的輸出電壓準位~~~~1 X6 x2 h% `- h0 g# L- ]

0 s6 ]7 J& G5 o, A+ o. w7 j以上是Vds(sat)跟一些電路的少許觀念...........
) \( b: ?) e+ K/ _- N& [
: ]9 K* {1 e- |0 ^3 k) t+ G================討論M5 start-up 分隔線=======================2 `; K! W$ X3 j  b9 Y

  D( i5 y( z9 {一般你要模擬所謂的start-up MOS,以你上面電路為例,當你不加入M5這一顆MOS的話......$ N) Z# I) u9 l$ A9 H, ~

% u8 y# T/ T" [2 J$ r& O, r你可以在spice檔內下一個初始值的指令,
  V0 \" W8 z% P% Y1 n
: T1 P- o; C7 i+ s, J我們先假設M3的G、D與M2的D接點為"QQ",M1的G、D跟M2的G接點為"AA") V2 o" _# R: S5 l' `  C! c

  l$ p  @/ S! M) r, C然後在spice檔內下".ic v(QQ)=VDD v(AA)=VSS"~~~~~~
: y/ {4 W6 Y5 u' z& `! r7 c1 y: V0 k9 x: }: D( c, r  j
你就會發現你的偏壓電路的MOS都在cut off階段~~~
, N+ O1 r! r# @& e* B, y2 r  f2 o% ~
接著你可以加入M5後再來模擬,你就會發現它會慢慢把"QQ"這一點電壓往下拉到一個正常工作點.....
6 f% w; A/ T7 i9 M) x4 E' R
4 U/ ~6 }" P2 b  {8 F這個模擬其實是一個real case會發生的狀況,因為在IC內部一般不給電情況下......
4 P0 h) _2 ^+ |& `2 I+ r
4 {- [9 ]/ V0 j+ ~/ i1 x, B3 `2 x" z# U每一個節點都是"unkown"的,那就會有電流起不來的狀況......這一點你可以好好去想一下~~~~; X6 M) `* b  r1 A6 r, h

# D% J& x/ a# r- Y0 S7 U8 m' f$ H. w# e=====================================================4 L  R, c8 P( D+ M
/ b' U- b! b1 w. E9 o# l* [
你的M5的接法似乎會影響到M3的Iout電流.................似乎這種start-up只是很單純的一個
4 g) {8 m6 |' \4 N7 k- S9 X9 ]& _: `1 z1 e9 B8 l& ~
"weak pull low"的方式..........但是在實際電路上並不是一個很好的start-up方式.......
( v8 n* _9 ?% S. P
, _8 q2 _, E$ k2 ]7 L: g而這個應該就是你所謂的電流不一致的原因,你可以在list檔裡找到M5與M2的電流~~~~
- t1 X; |5 |: R" D9 O8 \) {; n5 h6 c) [+ V- P9 N
然後在4V偏壓點..........觀察一下每一顆MOS的工作區域~~~~~, s" x. d9 _: z6 ]- |; A3 o# K
) m5 g) U8 r/ v3 J+ _
PS:所謂的weak定義...........以start-up來說....我把它認為是一顆W<<L的MOS.......
. i6 E' D3 K6 s' f5 i3 f0 T4 S8 R* D; M3 l4 K' V/ |1 q
(ex,W/L=>0.5u/10u.....這樣的比例)
6#
 樓主| 發表於 2011-8-4 18:46:01 | 只看該作者
在我用了.ic設定初始電壓後
2 o+ o, W/ h" Z; f; J4 @接著跑.tran~~~神奇的事情來了# A/ w) ?+ ?" H  R3 Q: t

, W5 J1 ~* z" y) E+ {9 D7 D& b$ I: {' @在沒有M5介入下...還是會startup起來....下圖有真相
/ l- S$ |- ~/ [7 z: _: l( x) Y! Z  H1 n# I& N

* O7 ]( |) |( l# [# Y$ v一開始power為VDD, z: V0 h: {7 y
雖然M3的gate設為 VDD....M1的gate設為0v
0 V! J/ S% b8 j6 n" E隨著時間的流逝....
- S7 e+ a9 }( d5 p" G! V; PM3's gate電壓看起來還是會慢慢的拉下來
# J8 O1 ]1 [9 i& b# x5 V! G! M- CM1's gate電壓還是會慢慢的拉上去
( N2 P, Y% S; Q6 ?
# q$ e" G- Y$ S& l在看Iout, Iref在一開始時就不為0....
8 ^& y9 h: w, {0 W- ~: _應該是漏電流.....難道是漏電流導致電路startup起來?
+ s; K% t4 g9 n9 G2 b5 ~% T
9 W7 X2 j. U' I8 R" m6 HPS:我覺得一開始M3的gate電壓就設為VDD了! M4 U# G, G  l  [: E, n* Y
power沒道理一開始設為0V....這樣好像邏輯怪怪的& ]- M$ ^; C6 v6 {. Y( k. I# n
所以就把power一開始也設為vdd了....這樣該沒錯吧

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7#
發表於 2011-8-5 10:47:24 | 只看該作者
M3的Gate為VDD跟外部電壓是一點關係都沒......; Y3 \* u9 b3 I  m! O) q7 R7 a

2 l1 m, o0 e3 b說穿了.....它只是一個與電壓源相似的電壓.........+ L  h; j* _! r# ?

, }( M& U% J1 d7 ?* v7 X% V那就是說M3的Gate是一個跟VDD很相似的電壓~~~~~~~
* T8 q9 U- A* ^9 J( E: B7 u
( `5 \$ B" G. }: U8 c" w5 {" l另外一點.....你的M1跟M2之間的"AA"也要設成VSS喔~~~~~  L, K! L% L5 Q; d4 \9 X

, j$ r3 ]8 r/ ?! z+ z/ C5 r最後補充一點....................在做start-up模擬~~~~~~) n" X  }! _  g4 i5 r% |9 ^

2 K% g: s# g, E( L5 z建議電壓源採用:vVDD VDD GND pwl (0us 0  200us 3.3)這方式來模擬~~~~~
7 e" O  ^* e$ _4 X" M2 W% e0 l
9 x4 b+ {1 g  j- X' a, ^Iref、與Iout要說是漏電流......那麼你要先確定所有的MOS都很確實的進入飽和區~~~~
) ?* V: P4 ?) J; |- g% e4 U
" t# }; q3 n. n不然你的漏電流在transistor level來看是不太能成立~~~~~
1 |3 W. @9 p/ D1 \( F5 i0 p
- Y5 b$ c( |4 Z) \" b$ [- _畢竟可能有某顆MOS正處於ON的狀況~~~(只要Vgs>Vth就會有電流產生)
2 B! U! j* C9 A  {! ]0 d" K' Q5 y: S4 e2 A, o6 q' J+ W) P
頂多說你的電路在尚未動作時所產生的漏電流~~~~~
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