請教設計OP的一些問題!!

imch543

各位賢拜:
! s8 r( T' z+ @% u  [" U8 ^; J          我是進入類比IC設計這領域的新手，不好意思問一些基礎的設計OP問題
  Y( j+ F( R# h3 d& d) m2 ~+ P     我已看了關於Allen的書OP的設計。還是有一些設計瓶頸很難突破，讓自己不知如何下手開始設計!!
2 F3 l6 [& i) _3 G+ Z    關於Allen書上的例題，他都是先已經給予一些已知設計規格，所以從解答照著步驟看下來很順。但是當我們自己拿起電路要設計起two-stage op時，卻因為沒有已知規格 如:SR,ICMR等。所以書上它所帶入的一些公式，卻卡住。
    如果以小弟所附上的two-stage電路圖為例子(Vthn=0.6V ,Vthp=-0.8V)，請問一下問題。
問題1:想請問ICMR(也就是Vinmax,Vinmin)要怎麼決定出??
) ]+ _" p" o' R) h7 m- e# o. |      我的想法是這樣，不知道是對或錯?
. g( A5 ~5 o1 u- e# @7 l& a* e     (1)Vin-(VDD-VSD5(sat))<Vtp 與(2)VIN-(VSS+VGS3)>Vtp來決定出。
            但目前問題卡住的地方就是如何知道 VSD(sat)與VGS3的值是多少??
& A. s( @. ^; w$ m1 \+ l         我目前是想說VGS3>0.7所以VGS3取0.8V，而VSD5(sat)=<VSG5+Vthp而VGS5<Vthp，所以VGS5取-0.9V,
% ^& z$ M) R" b$ `; u+ \         所以就是VSD5(S)=<0.9-0.8,所以VSD5(sat)取0.1V，不知道這樣對不對????
8 w+ ?1 Y& k9 x# ~  p      (2)Vout的範圍是要如何決定出???
, h# s! E9 j, ^- |) B    (3)書中有到一句話,我看的不是很懂,即"如果不知道扭轉速率(SR)的大小,我們可以根據穩定時間(Settling Time)來決定SR的值,這個值大約為穩定時間的十倍快,  並假設輸出扭轉為供應的一半"??
    意思是說1.Settling Time=1us,則SR=0.1us嗎??(SR單位不是V/us) 感覺怪怪的。
" U  C" i4 @- Y3 k& G! K                2."輸出扭轉為供應的一半"這指的是什麼意思??

TITANorz

我也是初學者

8 W5 V( i/ x! Q$ A' X; c我說說我的看法

(1)我也是這樣算的所以沒錯吧。VSD(sat)就是Simth講的Overdrive-Voltage

: w7 c4 v- `1 G$ t這個值一般是0.1~0.3都有，值越小增益越容易做高，當然，會跟頻寬互相限制。
, T) G/ h  H- `  r2 G1 q
9 g9 S$ W! w; I+ j而且每顆電晶體依照它需要貢獻給電路的特性不同，它的Overdrive也會不同。
  }8 c7 D# n( d9 G- Z) O
, i& k, v! T  P3 ^& I3 i2 {( b% E5 T(2)以Two-stage來講的話，我都會把Vout的DC電壓盡量設計成0V，減少System-Offset。
8 S: w# Z* K" ^( ^- y
; x( L7 T3 }9 B2 S, {7 y+ H而且因為大的VDS會拉高ro，所以增益也會拉高。
, T* I7 n5 r% r# n  [9 e$ A
; N$ V) K) {0 N0 u5 c# S% v9 mVout範圍的話我都是抓VDD-VSD6(sat)<=Vout<=VSS+VDS7(sat)，但實際模擬會超過這個值。
" K( l% A6 E3 w  `1 M6 B6 _+ G$ K
1 f. I4 D* G  _' k& s8 {8 I* |(3) 1. 十倍快應該是Settling Time=1us，則SR=10V/us

5 j8 X0 H% s/ T: X1 L# [     2. 這個意思應該是說，輸出電壓的擺幅是供應電壓的一半。比如說，VDD=2V、VSS=-2V，
, J9 g( r( v/ P+ X% \# u' d            那Vout的swing就是-1V~+1V，其實就是說你加入的Step的Swing是-1V~+1V。(我想啦~)

+ }+ e* M! o/ f$ g1 e$ g0 v3 A0 S( H以上，如有謬誤請不吝指教

st80069

關於第二點的部分，Vout的範圍如樓上大大說的一樣，可以手算或lis裡面看~
不過也有模擬的方法，就allen裡面的將OP接10R電阻負迴授，R電阻兩端接OP附端及VDD/2，
OP正端swing從0跑到VDD模擬~
也可以知道Vout的範圍~

% Z. D, @8 C6 Q6 l個人心得：跑過認為Vout的範圍應該主要確定OP每個Vout電壓都能要sat就好了

li202

OP的Vout是受回授應用決定.那算是交流特性,不是偏壓直流特性
, t, D3 B; ^/ }$ g- K; t5 T偏壓直流特性要把回授打斷,單純去看Vout的DC偏壓,一般而言,
8 F- z# s. Q# T& a4 {* J2 M3 SVot若是PMOS與NMOS都是集級對集級的設計
4 h' H  E( N% X: ^: H; y" j/ RDC偏點不是0V就是VDD,如果有一端是源級,才會有固定的偏壓點

jackrabbit

補充一點, 二樓講的V overdrive 跟 Vdsat其實是兩回事
0 C+ w- R; y: FV overdrive 單純指 Vgs超過Vth多少, 是在講gate oxide下會有多strong inversion
而Vdsat是指 Vds最小多少會保持在saturation region, 可以簡單看成pinch-off的點
至於教科書上為什麼常會把這兩個詞通用, 是因為所使用的MOS model緣故
把書上liner跟 saturation region的 Id取等號(boundary condition), 會得到Vdsat=Vgs-Vth
但事實上這兩個詞是指兩件不同的事! 從字面看也知道不同, 其背後的含義要花點時間才解釋得完....
; g( G/ M4 [) c) L% h4 g以前在國外上課教授會特別強調這一點, 這我大學時也沒注意到~~
% h* A7 }+ W; h( [+ y/ o5 L如果你run hspice, 開.lis出來看, 會發現 Vod跟Vdsat值是不同的!

jackrabbit

再回答一下1 2 點, 第3點我覺得是中譯本的問題, 等晚點有翻到原文之後再答
' U$ b$ B! V; L6 D; o8 B1) ICMR是以保持在saturation region為考量定義出來的, 所以會有你列的那兩個式子, 就式子而言它取的是max/min, 所以Vgs3帶min值=Vthn, Vdsat(m5)就要看你的設計, 建議用模擬才準, 純分析就用0.1~0.3吧!! 這個值要設計在多少又是個大哉問, 會影響到你current matching的好壞! 另外當Vds5<vdsat(m5)時, m5輸出電流會變小(進入linear), 這時你OP的特性會改變, 因為gm變了! 所以才會希望input不要超過vinmax, 你要超過不是不行, 但至少要保證M1 能on起來~ 同理以這架構而言Vinmin實際上是最負的supply電壓, 但那時P input 可能會進到linear(看你怎麼設計input級), 又會跟你假設的saturation條件出現差異....
, T9 X. _/ q+ C7 _' [/ F0 i6 z3 C
, w& a& U1 M) e% z3 k; S2) Vout範圍如何決定? 還是看應用需求, 最直接的考量是輸出波型會不會失真~ 二樓說的那個各減一個Vdsat是指output swing最大在這個範圍內不會失真(但實際上swing越接近兩個boundary,特性還是會跟在中點時有差異...), 模擬的確可以看到比這個範圍大, 意思是你輸出級的MOS壓進linear region而已~
6 T* Y5 g) l0 S0 g2 N' S' L1 q
你的問題每個人都經歷過, 書上教的是分析, 電路已經在那裡了, 他只是告訴你為什麼這麼做
所以我們學到的是電路分析, 不是設計!
* ?" _$ F4 v! [+ D設計剛好是反過來, 你要先知道需求是什麼, 再做出符合需求的電路, 是你要告訴別人為什麼~
至於每個參數要訂多少決定於你的應用, 那些數字都是有原因的!
6 Q$ j9 l$ ^, S* \+ w+ Q; |2 Z實作上完全是做tradeoff的藝術, 只要你可接受就堪用!!
0 ^. ~" O9 D& a  L: H8 f  q最好的狀況當然是操作在ideal case, 但進入linear有沒有關係? 看對整個系統影響多大決定!
若是以練功為出發點, 還是建議先follow書上的, 搞懂每個變化造成的影響, 再來想堪用不堪用的事~

deltachen

非常感謝大大的分享
) i& `7 K+ ]5 Z4 j6 ~7 b& w+ z增進知識
感謝大大喔
造就大家喔

jsp0520

在舊製程即長通道(.5以上)的Vdsat大約會等於Vov
+ Y( }! m6 G. [- b& L: ~但在新製程下此近似的差距會越來越大
/ z8 i# W1 g1 H
vdsat會略小於Vov

spring30467

看chip123長知識 感謝分享

bossen777

謝謝各位大大無私的分享，感恩

gav253886

推一下jackrabbit大大太強大了