27.03.2014. 1
Integrisana kola sa mešovitim signalima
Prof. Dr Predrag Petković,Dejan Mirković
Katedra za elektronikuElektronski fakultet Niš
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
27.03.2014. 2
Integrisana kola sa mešovitim signalima
Sadržaj:I. Uvod - osnovni pojmoviII. Lejaut analognih modulaIIa Projektovanje CMOS operacionog
pojačavačaIII. Projektovanje modula sa mešovitim
signalimaIV. Planiranje rasporeda modulaV. VHDL - AMS
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
27.03.2014. 3
Integrisana kola sa mešovitim signalima
Sadržaj:IIa Projektovanje CMOS operacionog
pojačavača2.4. Struktura CMOS operacionog pojačavača2.5. Faze projektovanja CMOS OpAmpa2.6. Projektovanje dvostepenog CMOS
operacionog pojačavača
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.4. Struktura CMOS operacionog pojačava.
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
Kolo zakompenzaciju
Diferencijalnitranskonduktansni
pojačavač
Izlaznibafer
Kolo zapolarizaciju
Pojačavačkistepen
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.4. Struktura CMOS operacionog pojačava2.4.1 Parametri realnog pojačavača
http://www.physics.unlv.edu/~bill/PHYS483/op_amp_datasheet.pdf
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
Potiskivanje napona napajanja:
Ako promena od ΔVDD volti izazove istu promenu izlaznog napona kao promena diferencijalnog ulaznog napona od Vd volti, tada je
d
DD
VVPSRR Δ
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Δ=
d
DD
VVPSR log20 red veličine 90dB
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.4. Struktura CMOS operacionog pojačava2.4.1 Parametri realnog pojačavačaPSRR (Power Supply Rejection Ratio)
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.4. Struktura CMOS operacionog pojačava2.4.1 Parametri realnog pojačavačaMaksimalna izlazna strujaMaksimalna brzina promene napona - Slew rate
(zavisi od sposobnosti prvog stepena da puni/prazni kondenzator za kompenzaciju drugog pola)
Vreme uspostavljanja signala (Settling time)
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.4. Struktura CMOS operacionog pojačava2.4.1 Parametri realnog pojačavačaVreme uspostavljanja signala (Settling time)
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.4. Struktura CMOS operacionog pojačava2.4.1 Parametri realnog pojačavačaVreme uspostavljanja signala (Settling time)
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.5. Faze projektovanja CMOS OpAmpa1. - Strukturno projektovanje
• Gradivni blokovi• Električna šema sa dimenzijama tranzistora
2. - Fizičko projektovanje• Lejaut: razmešteni i povezani upareni
tranzistori
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.5. Faze projektovanja CMOS OpAmpa- Strukturno projektovanjeNa osnovu zadate željene funkcije i parametara (specifikacije)
Izbor električne šemeDefinisanje DC uslova radaDefinisanje AC parametara Dimenzionisanje tranzistoraVerifikacija simulacijom
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.5. Faze projektovanja CMOS OpAmpa- Fizičko projektovanje
Na osnovu poznate strukture (električne šeme i dimenzija tranzistora) i specifičnih zahteva (uparivanje)
Planiranje rasporeda tranzistoraCrtanje lejauta
Ekstrakcija parametara kola iz lejauta
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.5. Faze projektovanja CMOS OpAmpa- Strukturno projektovanje
1. Konceptualna fazaručno: 80% posla za 20% vremena
2. Faza optimizacijeračunarom: 20% posla za 80% vremena
(Simulacija računarom) x (zdrava logika)= konstanta
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.5. Faze projektovanja CMOS OpAmpa- Izbor električne šemeUkrstiti potrebe i znanje (iskustvo)
1. Izbor konfiguracije mali šum => veliko pojačanje prvog stepenamala potrošnja => klasa B u izlaznom stepenumala izobličenja => klasa A (AB)
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.5. Faze projektovanja CMOS OpAmpa- Izbor električne šeme
2. Izbor načina kompenzacije pobuda kapacitivnog opterećenja =>kompenzacija na izlazu, od toga zavisi izbor prvog i drugog stepena
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.5. Faze projektovanja CMOS OpAmpa- Strukturno projektovanje
Šta treba znati pre početka projektovanja?Granični usloviProjektni zahteviRelevantni faktori
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.5. Faze projektovanja CMOS OpAmpa- Strukturno projektovanje
Šta treba znati?Granični uslovi
1. Parametri procesa (Vt, β, Cox,...)2. Napon napajanja 3. Struja napajanja (potrošnja)4. Radna temperatura
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.5. Faze projektovanja CMOS OpAmpa- Strukturno projektovanje
Projektni zahtevi
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
1. Pojačanje2. Propusni opseg3. Vreme
uspostavljanja4. Slew rate5. Ulazni CM opseg
6. CMRR7. PSRR8. Opseg izlaznog napona9. Opterećenje potrošača10. Ofset
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.5. Faze projektovanja CMOS OpAmpa- Strukturno projektovanje
Relevantni faktori
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
1. Margina faze2. Šum3. Dimenzije
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6. Projektovanje dvostepenog CMOS OpAmpa
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
VSS LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6. Projektovanje dvostepenog CMOS OpAmpa2.6.1 Osnovne jednačine
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
DS2 ),1()(
21
0 ,2
)(
V-VVVVVL
WCI
-VVVVVVVL
WCI
TGSDSTGSoxd
TGSDSDSDS
TGSoxd
≤⋅+−=
≤<⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −−=
λμ
μ
LW S
LWKCK ox === ;´ ;´ βμ
DSTGSd
TGS V-VVIVV ≤+= ; 2β
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6. Projektovanje dvostepenog CMOS OpAmpa2.6.1 Osnovne jednačine
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
TGSDSTGSd -VV VVVVSKI ≥⋅+⋅−⋅⋅= DS2 ),1()('
21 λ
LW S
LWKCK ox === ;´ ;´ βμ
TGSDSd
TGS -VVVIVV ≥+= ; 2β
2)(1
'2
; '
2
TGS
d
dTGS
VVKIS
SKIVV
−=
⋅+=
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.2 Definisanje DC uslova radaSvi tranzistori u zasićenju.M4 kako ga dovesti u zasićenje?Uslov da M4 bude u zasićenju: VSD4 =VSG4KAKO?1) Usvojiti da je VSG3=VSG4 = VSG6.
Tada je I3=I4 (= I1=I2=I)I5=2I
a gejt i drejn M4 na istom potencijalu – zasićenje jer će uslovi biti kao u M3, ukoliko su tranzistori identični (upareni)
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.2 Definisanje DC uslova radaKako da M4 bude u zasićenju:2) Za VSG4 = VSG6, tada I6 = (S6/S4)I43) Istovremeno je, VGS5=VGS7, tako da je
I7 = (S7/S5)I5=(S7/S5)(2I4)
4) Iz ravnotežnog uslova I6 = I7sledi I6=(S6/S4) I4=(S7/S5)(2I4) = I7, odnosno
S6/S4=2S7/S5
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.2 Definisanje DC uslova rada4) Iz ravnotežnog uslova I6 = I7sledi I6=(S6/S4) I4=(S7/S5)(2I4) = I7, odnosno
S6/S4=2S7/S5
5) Kada je ispunjen ovaj „ravnotežni” uslov tada je VDS4= VDS3, odnosno VDG4=0 čime je obezbeđeno da M4 radi u oblasti zasićenja
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.2 Definisanje DC uslova rada6) Maksimalni DC napon na ulazu
7) Minimalni DC ulazni napon
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
(min)1033
5(min)103
3
3(max)in - -2
TTd
DDTTd
DD VVIVVVIVV +−=+−=ββ
)sat(5(max)13
5)sat(5(max)1
1
1(min)in 2
DSTd
SSDSTd
SS VVIVVVIVV +++=+++=ββ
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.3 Definisanje dinamičkih uslova rada
Parametri I stepena:gm1=gm2=gmI; gds2+gds4=GI; Parametri II stepena:gm6=gmII; gds6+gds7=GII
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.3 Definisanje dinamičkih uslova rada1. Pojačanje I stepena
2. Pojačanje II stepena
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
)(2
425
1
42
11 λλ +
=+
=I
ggg
gA m
dsds
mv
)(2
766
6
76
62 λλ +
=+
=I
ggg
gA m
dsds
mv
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.3 Definisanje dinamičkih uslova rada3. Proizvod pojačanja
i propusnog opsegaGB
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.3 Definisanje dinamičkih uslova rada4. Slew rate
Sposobnost prvog stepena da puni/prazni Cc:I5=Cc(dV/dt)
SR=(ΔV/Δt)=I5/Cc
I5=SR*Cc
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.3 Definisanje dinamičkih uslova rada5. Nedominantni pol
p2:
6. Nula u desnoj poluravni
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.3 Definisanje dinamičkih uslova rada7. Margina faze
Za 60o
Uslov da je nula >10GB
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.4 Faze projektovanja OpAmpaSpecifikacija zahteva:1. DC pojačanje, Av(0)2. Pojačanje x propusni opseg, GB3. Margina faze (ili vreme uspostavljanja)4. Opseg DC ulaznog signala (Input common-mode range,
ICMR)5. Kapacitivnost opterećenja, CL6. Slew-rate, SR7. Opseg izlaznog napona8. Snaga disipacije, Pdiss
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6. 4 Faze projektovanja OpAmpaSpecifikacija zahteva:1. DC pojačanje, Av(0)2. Pojačanje x propusni opseg, GB3. Margina faze (ili vreme uspostavljanja)4. Opseg DC ulaznog signala (Input common-mode range,
ICMR)5. Kapacitivnost opterećenja, CL6. Slew-rate, SR7. Opseg izlaznog napona8. Snaga disipacije, Pdiss
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6. 4 Faze projektovanja OpAmpaAlgoritam:1. Izabrati najmanju dužinu kanala pri kojoj
modulacija dužine može da se zanemari(preporuka min 4λ)
2. Izračunati minimalnu vrednost Cc, za datu marginu faze ako je z > 10GB (za 60 )
3. Odrediti minimalnu vrednost I5
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6. 4 Faze projektovanja OpAmpaAlgoritam:4. Izračunati S3 na osnovu maksimalnog ulaznog
napona
4a. Proveriti da pol koji unose Cgs3 i Cgs4 =Cgs3 nije dominantan (veći od) > 10GB
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
oxgs CLWC 333 67.0=LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.4 Faze projektovanja OpAmpaAlgoritam:5. Izračunati S1 (S2) da bi se dobio željeni GB
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.4 Faze projektovanja OpAmpaAlgoritam:6. Izračunati S5 na osnovu minimalne vrednosti ulaznog
napona:6.a Izračunati VDS(sat)
6.b Izračunati S5
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.4 Faze projektovanja OpAmpaAlgoritam:7. Izračunati S6 uz pretpostavke da7.a p2=2.2GB
7.b VSG4=VSG6:
7.c
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.4 Faze projektovanja OpAmpaAlgoritam:8. Izračunati I6
8.a Proveriti da li S6 zadovoljava zahteve za Vout(max) i korigovati ako treba.
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.4 Faze projektovanja OpAmpaAlgoritam:9. Izračunati S7
tako da se zadovoljava odnos struja I5 i I6
9.a Proveriti da li S7 zadovoljava zahteve za Vout(min) i korigovati ako treba.
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.4 Faze projektovanja OpAmpaAlgoritam:10. Proveriti pojačanje i snagu disipacije
10.a Pojačanje
10.b Disipacija:
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
)()(2
766425
62
λλλλ ++≤
IIggA mm
v
))(( 65 SSDDdiss VVIIP ++≥
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.4 Faze projektovanja OpAmpaAlgoritam:11. Ukoliko NIJE zadovoljeno:11.a Pojačanje:
Smanjiti I5 i I4, ili povećati S2 i/ili S6Ponoviti prethodni postupak dok se dobije željeno pojačanje.
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.4 Faze projektovanja OpAmpaAlgoritam:11. Ukoliko NIJE zadovoljeno:11.b Disipacija:
JEDINO mogu da se smanje I5 i I6, što će zahtevati povećanje S nekih drugih tranzistora kako bi se zadovoljili zahtevi za dinamičkim opsegom ulaznih i izlaznih signala.
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.4 Faze projektovanja OpAmpaAlgoritam:12. Simulacijom proveriti ostale specifikacije
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.5 Primer projektovanja OpAmpaProjektovati dvostepeni operacioni pojačavač koji
ispunjava sledeće zahteve:1. Av > 3000V/V; 2. GB = 5MHz;3. SR > 10V/μs;4. Margina faze > 60o
5. 0.5V <Vout< 2V6. ICMR = 1.25V do 2V7. Pdiss ≤ 2mW8. VDD = 2.5V
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.5 Primer projektovanja OpAmpaPoznato je KN’=120 μA/V2, KP’=25 μA/V2 ,
VTN = -VTP= 0.5 V, λN =0.06 V-1 , λP =0.08 V-1
λ = 0.125 μm; Cox = 6 fF/μm2
Pretpostaviti da je pojačavač opterećen kapacitivno sa
CL = 10 pF
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.5 Primer projektovanja OpAmpaRešenje:?
1. Izračunati minimalno CC:
2. Izabrati minimalnu vrednost CC=3pF
3. Izračunati
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.5 Primer projektovanja OpAmpaRešenje:?4. Izračunati S3 na osnovu ICMR i VT u
najnepovoljnijem sučaju od VT = 0.15 V
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.5 Primer projektovanja OpAmpaRešenje:?
5. Proveriti da li je p3 > 10GB:
Očigledno je p3 > > 10GB=50 MHz
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.5 Primer projektovanja OpAmpaRešenje:?
6. izračunati gm1:
Odatle sledi:
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.5 Primer projektovanja OpAmpaRešenje:?
7. izračunati VDS5:
Odatle sledi:
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.5 Primer projektovanja OpAmpaRešenje:?
8. Za marginu faze od 60o :
znajući da je:
određujemo iz
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
1905.1883010150105.942
6
6
44
66 ≈=
⋅⋅
== −
−
SggS
m
m
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.5 Primer projektovanja OpAmpaRešenje:?
9. Izračunati I6:
9.a Provera
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
1907.32)25.2(1025
105.942)('' 6
6
(max)6
6
(sat)66
66 <=
−⋅⋅
=−
== −
−
outDD
m
DS
m
VVKg
VKgS LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation
http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.5 Primer projektovanja OpAmpaRešenje:?
10. Izračunati S7:
10.a Provera:Vout(min)=VDS7(sat) < 0.5V?
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
V5.0V 281.02010120
10952 '
226
6
7
7(sat)7 <=
⋅⋅⋅⋅
=== −
−
TN
d
T
dDS SK
IIVβ
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.5 Primer projektovanja OpAmpaRešenje:?
11.a provera pojačanja:
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
)()(2
766425
62
λλλλ ++≤
IIggA mm
v
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.6.5 Primer projektovanja OpAmpaRešenje:?
11.b provera disipacije:
Lejaut analognih modula
27.03.2014.
mW 3125.0)05.2)(10951030(mW 2 66 =+⋅⋅⋅≥= −−dissP
))(( 65 SSDDdiss VVIIP ++≥
27.03.2014. 59
Šta smo naučili? Šta se očekuje da znamo?
1. Prepoznavanje uloge pojedinih stepena sa električne šeme operacionog pojačavača?
2. U kom režimu rade tranzistori u CMOS operacionom pojačavaču?
3. Faze projektovanja operacionog pojačavača?
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Lejaut analognih modula
60
Šta se očekuje da znamo?
1. Kako izabrati minimalnu dužinu kanala MOS tranzistora u operacionim pojačavačima?
2. Šta treba znati pre početka projektovanja?3. Granični uslovi?4. Projektni zahtevi? 5. Relevantni faktori?6. Algoritam projektovanja operacionog
pojačavača
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Lejaut analognih modula
27.03.2014. 60