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.....
5 U4 ?- S- u; F0 V/ c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，
. Z( ]9 r/ w5 k% D4 \! d* O. p2 r4 B/ O等到M1到了飽和與triode的極限的時候，再調小vb3至適當值
: s! j+ b2 ~9 `9 s9 T" M  V, z  o
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)，
% }6 {, n, X. J6 F1 y% W; |在下使用的是65nm的製程，所以VDD是1.2V，
; R" A( }' O2 s5 @4 Q* I3 z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，
$ ?! |, \# E( C3 O/ Q) Z" t$ H
所以有幾個問題跟訣竅想請教各位大大，
" P$ U. P0 k, R0 A/ Z& }1.VCM的值真的需要固定在VDD的一半嗎??

: g& k$ R, l; W$ {/ j8 V" S" f3 M2.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?

0 t% T7 I1 Y8 [3 w3 a3.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...
" a8 }) N# [' s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，
附上他的paper讓大家研究看看。
* F0 |3 F' K, O6 k- w

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
: F3 q% E! `- c  B***********folding*************
5 y4 ?2 A8 J) P+ _6 q' A.prot
.lib 'xxxxx.lib' TT
, u- p0 O3 W/ x; s/ ~.unprot
.globle VDD
! F/ H' o" U' v.param Lp=0.5um Wp1=5um Wn2=1.2um Wn3=1.2um Wp4=2um Wp=8um
***********description****************
1 [' k  w2 i$ p' `& h* ^*****************
5 s" t. p3 G; b& mVDD vdd gnd! 1.2V
/ R9 K6 O% b7 I9 @. [
VB1 vb1 gnd! 0.74v
, N6 D' F7 }2 K/ Q6 C$ g  L8 IVB2 vb2 gnd! 0.4v
VB3 vb3 gnd! 0.38v

& y" _* k6 M, QVCM vcm gnd! dc 0.6v
% u! `8 L1 M3 a2 R3 ~: L  RVD 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
) B5 t7 R7 a2 D# M6 G: A/ M*****************
9 z( Y" Q- [; W1 [, H# G
M1 n1 vb1 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp
M2 n3 in+ n1 n1 xxxx L=Lp W=Wp1
5 W% }: W+ X  f5 q; N3 m' qM3 n2 in- n1 n1 xxxx L=Lp W=Wp1
M4 n4 n4 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp4
M5 nout n4 vdd vdd xxxx L=Lp W=Wp4
( S. p; a! C. _9 f% e+ q) LM6 n4 vb2 n2 gnd! xxxx L=Lp W=Wn3
) G% n2 x4 i/ U' K5 TM7 nout vb2 n3 gnd! xxxx L=Lp W=Wn3
$ U& H, n2 T  v% }M8 n2 vb3 gnd! gnd! xxxx L=Lp W=Wn2
M9 n3 vb3 gnd! gnd! xxxx L=Lp W=Wn2
! c6 c& A8 Z7 y9 P: }- q" f
***********analysis*************
************output**************
.op
" J) b$ a, p$ c, O4 Q9 R.option post
.tf v(nout) vd
, B" \. e/ T" w* ^.end
* h2 Y: a8 e/ a4 p3 F
/ i/ y  D$ `' r4 N      v(nout)/vd                               = -115.0583
      input resistance at             vd       =  1.000e+20
4 G' l" [$ G3 b* G0 |0 N, X      output resistance at v(nout)             =    1.0725x
: Q! @* P; j) i. d增益只有115.... 要怎麼才能升到1k以上勒??

6 y& s  ?4 Q" R  Y[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-18 02:02 PM 編輯 ]

vince

one stage op with gain 40dB
# t5 t' b5 w1 y6 Y. H差不多極限了

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，
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
/ S1 p0 d) s* x- V' X  a
6 M2 u+ Z% B! U+ ?8 n
/ i8 d, B" H. }7 ?( F( s+ 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，
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??
2 {) Q: K( n" d調了整整一個下午，linear就是linear，說不變就是不變....
' B' V: D' H# A6 OM5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)
$ M' }# v0 K' Q7 b* U: h' L5 x) ^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?
# l" q# @) N5 v5 i7 W; g因為看起來是IC內部的power
8 E. b& `# |5 j3 Y* `需要多少電流?
regulator 的load regulation spec是多少?
第一級OP bias電流多少?
, }/ G' Q! m6 f! d2 H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。
5 M6 E2 P. U5 y" x' s/ Q謝謝hiyato大大提供的PAPER......
! M, P( ^) h7 O2 Z7 [5 E6 t! R0 E回vince大大，
load預計是SRAM ARRAY，是作為SRAM的供應電壓用。
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....

( s0 `3 O0 `/ p, d+ \[ 本帖最後由 st80069 於 2008-5-21 12:50 AM 編輯 ]

mdtjason

有資料可以參考嗎?
, |2 f1 K' Q# ~0 H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)
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% Q8 H8 V7 t! `$ }0 [( R4 y+ X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
) b, k5 z8 u' l# C; H   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
* n8 _* N+ W+ t3 F9 L$ v   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
' s4 w' b# `+ `) p3. gain大有他的好處  可是over design只是增加自己的困擾
# l! H& y! `) o9 K! ~! Q9 Y5 y   所以你應該是要去算一下你到底需要多少gain
4. 如果你是學生  而這個不是你論文的主要部分
, I8 ~! K4 x* k( ^! c* y   那我會建議你用更簡單的架構
$ [) t  v; p) _% H7 q: a   甚至把frequency compensation 改成用外掛大電容的dominate pole compensation
6 W  @4 o5 a4 C7 q5 o   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
6. 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
% C+ f7 c4 m- s4 ], T  x/ ^, v( A7. 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
8. 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！
更謝謝finster大為我提供的建議，
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
恩，我現在就試試各位大大的方法，跟建議，
+ H# H6 v( ?5 j+ ~/ v+ S' i我試完後的結果再跟各位大大報告！
! Z+ P& b* M3 x, i謝謝大大們的不吝指教....
(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)

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...
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....
3 _: G+ C1 O' {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...
: [# d$ O& p/ ^9 i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~~~

3 l& u/ N" Y  H2 ^) L6 _[ 本帖最後由 squallscer 於 2008-5-22 09:42 AM 編輯 ]

st80069

咦?
  x  m+ I% @0 c% ~1 A" D; `! q話說剛剛才發現，小弟忘了把同學的帳號登出而po文......
  @* Q3 k- ~* d5 W(昏頭)
抱歉抱歉....
' T/ I& G/ ^& ?0 \% Mfinster大大說的....是指沒有MD和MC時的設計嗎??
2 l' H( Y* Q( ]# K# T1 C恩...那應該是我的寬長比設計的問題了...
' C* ?2 v# {, s" \. [2 I我重新再重推做一次...

8 m9 s% N" X, Z" y$ w[ 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
- H2 D# o- q$ q9 X; y/ ~有看到香港大學Philip K. T. Mok教授的paper裡面有出現過，
5 r7 N7 @2 Y! M2 B! r附上他的paper讓大家研究看看。
**** 本內容被作者隱藏 *****

regulator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。
; }$ k! P" M! E$ S/ _ 要錢以後再說。
0 m5 A5 e- ~5 J7 G+ |# p
[ 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?
話說剛剛才發現，小弟忘了把同學的帳號登出而po文......
(昏頭)
; C7 }1 Q4 m8 |0 }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...
我重新再重推做一次...

不了解你指的MD和MC的縮寫意思
- K8 e1 p* |7 P+ j+ G; E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
- C. J, L. ]: j1 Z4 P7 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
+ f, h& C# I, |  r# K3 [. L0 X( {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....
- c. B; |/ g: w  v0 _. S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~~~
# T. m/ o+ o" w看finster大大的解說，
發現OP的學問，還真是多....
( E  ~* a3 }* @8 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~~

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...
& g8 W! f! P6 Z4 U% U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....
; U3 N5 R" _" L$ ^& f, E) o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~~
3 @: [: c0 G7 t, H: s# ]結果失敗....
真是牽一髮而動全身....一調就全部變樣....SAT，LINEAR都要重新....
: r; Y1 {$ T, P+ S' o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
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，
3 l+ z! i1 X6 Y1 R發現OP的學問，還真是多....
唉...小 ...

) a5 t! w. J# v我想,你有點誤會我的意思了
- f+ l  @+ B& C, V4 E* P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
4 I  c) A, ^3 c4 \# Y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
) E4 m8 k7 x* M1 D: f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)
/ J- O" _6 c" N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 ...

( I4 \( _5 K8 t* K) t$ P& V7 w, {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....
! n7 x. R; u. `; M- |哀....然後面積就變得超大超大....