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
" V" K$ u/ v- ]$ ^7 `  ]在下初入門，設計跟理論之間有極大的差距.....
8 T. I$ C* z9 d$ i' Y: Z- f  X3 ~- R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，
6 p- p6 V2 N3 M* D9 }/ G9 }等到M1到了飽和與triode的極限的時候，再調小vb3至適當值

$ t9 {% T8 j! B* ?. {% N增益是有如在下所預測的上升，不過....頂多卻也才達Vout/vd = 120....
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)，
9 Q, q4 A$ I: N9 [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，
5 q0 e) D) m1 X% b) q) V: x3 m% ]$ l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 ?% b2 s- D% T% A) G9 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?

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....

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...
希望各位有經驗的大大不吝指教(跪拜)~~

st80069

PO上小弟的hspice好了
***********folding*************
.prot
.lib 'xxxxx.lib' TT
.unprot
' c& L' G- s- z6 U3 }5 \) q% h2 i5 X.globle VDD
, z% ]! A0 y+ K+ E.param Lp=0.5um Wp1=5um Wn2=1.2um Wn3=1.2um Wp4=2um Wp=8um
***********description****************
*****************
VDD vdd gnd! 1.2V
6 T# n6 d% a6 ~0 k
" I# I5 o3 T/ s2 z9 {9 l8 @VB1 vb1 gnd! 0.74v
VB2 vb2 gnd! 0.4v
7 a* t# @/ Q  g- |VB3 vb3 gnd! 0.38v

VCM vcm gnd! dc 0.6v
% u" [: W8 E8 K/ v; ]VD vd gnd! DC 0v AC 1v sin(0 0.5 10k)
+ W! A# H1 d3 w, S5 D! G*VC vc gnd! DC 0V
* |" }7 `6 ~$ qEIN+ in+ vcm vd gnd! 0.5
4 @' a1 {  C* a0 w) R- _9 X( C) DEIN- in- vcm vd gnd! -0.5
*****************
1 g) ^7 K0 n4 |; y6 E* E2 k3 q
* K4 z" |6 Y7 ~$ }M1 n1 vb1 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp
4 ?5 R' v' U0 T+ `M2 n3 in+ n1 n1 xxxx L=Lp W=Wp1
M3 n2 in- n1 n1 xxxx L=Lp W=Wp1
( c* G; `  S* `7 J2 x3 {M4 n4 n4 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp4
) H! m% l) x* }M5 nout n4 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp4
M6 n4 vb2 n2 gnd! xxxx L=Lp W=Wn3
M7 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

***********analysis*************
) J0 p; N$ A. P8 j3 b( {* I************output**************
3 F2 E7 m# _! e. c.op
.option post
; C4 h6 T  s3 Z% t3 \.tf v(nout) vd
, v- |% }# ?6 y: s9 U.end

      v(nout)/vd                               = -115.0583
      input resistance at             vd       =  1.000e+20
+ o/ P' l" r( u/ r  \3 E      output resistance at v(nout)             =    1.0725x
7 H3 _: Q/ e: l$ V; [0 I" T& |5 U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 ]

st80069

原來如此...原來是到極限了...
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，
/ q, ^" F, j) u+ B2 U0 A結果反而調不出我要的值，
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

( q1 b' \0 T( I5 [7 V/ U- S
# U! j. a2 l  z8 @6 A$ d2 t多虧有vince大大的肯定，小弟才敢放手去做

不過，現在卻又遇到個難題，
5 D8 Z' p8 R% V& i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~~

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。
) \# u$ X2 O( \/ E- L2 X% q6 _) s謝謝hiyato大大提供的PAPER......
回vince大大，
load預計是SRAM ARRAY，是作為SRAM的供應電壓用。
" K& l/ p) F- c  T3 s剩下的...恩，也不太清楚，似乎是自己設計....
所以...就想說先以增益為目標....

[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-21 12:50 AM 編輯 ]

st80069

咦?
: N, ~3 M. a% L5 R. A2 u1 C: m話說剛剛才發現，小弟忘了把同學的帳號登出而po文......
8 M; I! m. D  P2 o5 _' M(昏頭)
7 r& Z9 Z7 E, ?, a抱歉抱歉....
; K& I' D$ S' B. z& Efinster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...
9 t6 ]0 n. P2 S# C4 z我重新再重推做一次...
) X, o+ }9 a3 ~) g8 b, S9 B! U
; v: ]0 y4 U2 E[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-22 09:51 AM 編輯 ]

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。
) a& v9 c0 l. D很謝謝kgbriver的寶貴意見~~~
看finster大大的解說，
發現OP的學問，還真是多....
5 v* {6 D' n, J. Z9 c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~~

$ v7 l, ~" V9 s- N; N5 x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...
; W5 _$ {; b. J5 M$ I; s, j今天發現了一個問題.....小弟的功率真是省到了一個極點....
+ Q& N: g+ c, x: {! e7 h電流總共才20u....致使M6，M7的gm小的可怕，增益因而不能提升....
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....
5 r+ L0 z5 q  p2 I) L真是牽一髮而動全身....一調就全部變樣....SAT，LINEAR都要重新....
; B1 _4 A  h" I# ]: 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)

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)
# J0 }/ {" A1 d1 v' x9 D: K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....
( Z& s; t# P" P0 O& A' T哀....然後面積就變得超大超大....

st80069

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...
! |' U" B- m2 m( c3 m努力調了很久，目前進展是增益，446，約53dB.....始終達不到60dB...
2 z% |8 X. _0 b; g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。

7 p6 h. Z% A# j9 K穩壓器的設計得到CVDDH的穩壓值....
$ x) P, N. S9 O而小弟看過有關穩壓器的PAPER，如果Mdrive的電流增益為gmp的話，
則需要A*gmp >>1，所以私心認為A需要60dB，
  _3 p( L6 m8 _9 Z/ _' d2 o! C+ Z1 X$ ]$ d8 C
是我想錯了嗎??
$ f* _6 s, v4 \  x  b& p. C: \謝謝各位大大不吝指教.....
(已經調到好想哭的地步了....唉唉唉)
- V% ^* p7 s. t6 U5 U( |(如果真的需要60dB，那我明天趕快改成兩個head好了)

st80069

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)
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。
: e6 B$ _1 `5 D3 |. \! m! ~+ x8 r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)

Vref是0.6v。
如板大命中，P-TYPE是最佳的設計。

還有，謝謝版大的PM，
: C& v3 x; _' X- R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，
! d# V) x3 k% r  y1 n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??)，
4 O5 @  }7 J7 B* |+ J, Z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~~
6 f. n$ g4 ^9 N9 J9 c6 k
. N; t# k2 u3 \4 c2 h******************為何會調不出的心得：******************************
0 _9 o) j" U3 t4 }" h6 Z9 e公式：gm2*( (ro5)   ||   (gm7*ro7*(ro2||ro9) )  )
因為電流鏡那端只有一級，
# V5 }2 N& [2 v: y$ O5 U也就是往上看的ROUT只有一個ro5，
$ {3 p. w7 u2 [0 Z: ?3 K. T# S4 {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，
而，L5已取7um(太大了吧)電流還必須維持2uA以下的情況ro=2M，

- M' ?- Z% z. Y往下看是gm7* ro7*(ro2||ro9)，卻也因為電流過小，
gm7*ro7照公式看來會隨著電流下降而上升，
, b1 Q& {/ e6 K" G6 R; o但，上升不大...試著放大寬長，沒有明顯的變化。
" `0 j* m# R" X& h7 H5 }1 r' J
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)，
0 a5 }! A4 p4 \* n導致ro2跟ro9變小，雖然gm2有1.2m，但並聯後增益只有400多...
; d1 R) d* q) _. R1 v7 N3 W& r4 {7 L% k(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....)
4 g$ F) W8 }& I0 N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...
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，
: S* B" Z- w# ]) B1 j  \6 Q增益當然就愈來愈小。
* D- f  k  Q6 i$ O* a6 u*******************************************************************************
+ D: n! ^, w7 ^; T
0 |6 j3 q: G; i, N' @5 M0 M[ 本帖最後由 st80069 於 2008-6-4 02:56 AM 編輯 ]

st80069

謝謝，很感謝monkeybad大補充，目前已經開始動手做這樣的設計了。
" `1 T6 m, y: o/ Y; d% [0 m1 M咦?shaq大的問題是??
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...
! z2 C: ~$ g" w2 [+ [* X
2 w0 |/ J' g& h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.....

st80069

psrr
: x1 Z9 l3 \* v
: l$ a' k; Z% licmr
5 J, [" {& l. d& M% O3 n

3 I$ Y3 `+ m1 N) {% I! S# f( u増益是1.135k  約60db
9 ?5 P8 X0 C* s4 s8 t! r
不過，PSRR好小，
& d# O' p* D7 J8 l且ICMR也不大，
這樣夠run LDO
/ ~8 Y, l: B- B2 k' d3 \/ z或者運算放大器嗎??
( D" l2 E; o# K1 i
請問，又該如何才能使那兩個往上升哩??
( B( |- ~/ U: b! t4 m* L1 P) h感激大大們不吝指教，謝謝！真的非常謝謝~~
- m& P3 i$ m' }
5 R, n/ v. r4 U0 r2 l1 M[ 本帖最後由 st80069 於 2008-6-7 12:29 PM 編輯 ]

st80069

我的OP phase一直調不高
請問是因為我沒家輸出電容的關係嗎
我加上輸出電容，發現phase變高
請問有什方法可 ...
st31400 發表於 2009-9-28 02:04 AM

, ?0 e: }% Z+ t! ]5 X+ ~

4 q' c: j4 n' g- X' G# E$ t$ {- g# \    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。
  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。