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两级OTA或Cascode OTA设计.pdf

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.49M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    两级OTA 或Cascode OTA 设计 2017 年 1 月 9 日 1
    目录 目录 1 实验目的 2 实验内容 3 放大电路选取 4 初定参数 4.1 确定Id . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 确定Vov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 计算W/L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 确定L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 手工计算 6 电路参数调整 7 Hspice仿真 7.1 编写Hspice网表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 直流电压增益Av，单位增益带宽GBW，相位裕度PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 系统失调电压Offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 输入共模范围ICMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 输出摆幅Swing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 共模抑制比CMRR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 实验总结 9 附录 9.1 Hspice网表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 标注参数的电路图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 3 3 3 4 4 5 5 6 7 7 8 9 10 11 12 13 13 13 16 16
    1 实验目的 3 1 实验目的 1.1 掌握OTA的手动计算方法； 1.2 掌握Hspice仿真软件的使用； 1.3 掌握OTA基本参数的仿真方法； 1.4 培养学生分析、解决问题的综合能力（理论＋动手能力）。 2 实验内容 2.1 基于1.2µm 5V CMOS工艺，设计一个OTA电路，具体指标如下： 参数 电源电压 工作温度 负载电阻（CL） 直流增益（DC Gain） 单位增益带宽（GBW） 相位裕度（PM） 系统失调电压（Offset） 输入共模范围（ICMR） 输出摆幅（Swing） 共模抑制比（CMRR） 功耗 指标 VDD=5V GND=0V 27◦C 10pF 60dB 5MHz 60◦ <10mV 1.5V-4.5V 0.8V-4.2V 60dB @ DC 小于1mW 工艺模型参数 Vt0 K NMOS PMOS 0.74V 80µA/V 2 -0.74V 27µA/V 2 2.2 参 照Hspice软 件 安 装 文 件 夹 下《安 装 说 明》学 习Hspice仿 真 软 件 的 安 装 和 使 用，参 照 “Hspice教程”文件夹学习输入网表文件的编写方法。 2.3 根据指标要求，选取、确定合适的电路结构，并进行参数的手动计算。 2.4 按照手动计算好的参数以及画好标注好节点的电路图，编写OTA的spice输入网表文件，并 参照“运放参数仿真参考电路.pptx”和sp文件夹搭建各种spice仿真网表，进行各项指标的仿真分 析。 2.5 根据仿真结果进行相应的器件参数调试、迭代，以满足各项指标要求。确定最终的器件尺 寸，并给出以下仿真结果：直流电压增益、单位增益带宽、相位裕度、输入共模范围、输入失调电 压、输出电压摆幅、共模抑制比。 2.6 整理spice文件、仿真数据与曲线图表，撰写并提交实验报告，其中电路原理图、各种仿真 架构图，需要用PPT或visio绘制，然后插入到word文档中。
    3 放大电路选取 4 2.7 实验报告要规范、严谨、清晰，要包含OTA原理图及对应的spice网表，各种仿真电路图及 对应的网表，各种指标仿真结果、详细的理论阐述、公式推导、结果说明，以及完整的参数表格和 仿真结果表格。 3 放大电路选取 除了最基本的两级OTA结构以外，人们也提出了许多其他高性能OTA结构，如Telescopic OTA，折叠Cascode OTA，带Miller补偿的Cascode两级OTA等等。 基本两级OTA功耗很高，Miller补偿影响电路速度，且输出结点非主极点，负载电容增加时系 统稳定性恶化。 Telescopic OTA增益与基本两级OTA相似，功耗较低，速度较高，噪声性能优良， 但输出摆幅非常受限。 折叠Cascode OTA结构，它的增益、噪声性能、频率特性略逊于Telescopic OTA，但是具有较高的输出摆幅，且输出摆幅与输入共模范围无关，便于级联。 因而，本设计中 考虑采用折叠Cascode OTA结构。 同时，注意到性能指标要求中，共模输入范围偏向VDD（1.5-4.5V），因此采用NMOS作为输入 对。偏置电路部分由自启动电路，恒跨导电流源，电流镜和串联晶体管构成。用Multisim画出完整 电路图，如图1所示。 图 1: 含偏置电路的折叠Cascode OTA电路图 4 初定参数 4.1 确定Id 根 据 功 率P ≤ 1mW， VDD = 5V， 可 知 电 路 总 电 流 I ≤ 200µA。 输 入 差 分 对 管M1,2 各30μA， 则 尾 电 流M3 管60μA； 尾 电 流M10,11 管 与M3 电 流 严 格 相 等， 为60 μA； 电 流 镜
    4 初定参数 5 管M4,5,6,7 和Cascode 管M8,9 为30μA；自启动电路和Wildar 恒跨导电流源每条支路5μA，其余 产生偏置电压的每条支路10μA。验证 I = 155 ≤ 200µA. 4.2 确定Vov MOS管饱和区Vov为150 ～ 400mV；尾电流管M10,11取较大的400mV，减小匹配电流镜随机 失配；电流镜管M3,4取300mV减小随机失配，输入差分对管取较小的150mV，减小差分对失调； 根据ICMR确定M3为300mV，根据Swing确定M8,9为200mV，M6,7为150mV，随之确定偏置电路 匹配管的Vov。 根据自启动原理，最初M17栅端为低电位，NMOS M15不导通，PMOS M16导通，拉高M14栅 端电位，使M14导通，拉低M19栅端电位，使得电流镜管有电流流过，电流源管开始工作。电路稳 定后M17栅端为高电位，使得NMOS M15导通，PMOS M16在饱和区，开关管M14关断。取M14长 宽均为最小工艺1.2µm；M15的长1取1.2µm，宽取较大值；M16为倒比管，宽取1.2µm，长取较大 值。仿真时反复调试直到电路可正常工作为止。 偏置电压线性区MOS管的宽长为饱和区管的1/K倍。其中K≥ (2 + 1)2 − 1，取为10. 4.3 计算W/L 对vov和Id已定的饱和区MOS管而言，根据 W L = 2Id Kv2 ov 可得 ( W L W L ( )1,2 = )4,5 = ( W L )8,9 = 2 × 30 80 × 0.152 ≈ 34, 2 × 30 80 × 0.32 ≈ 6, 2 × 30 27 × 0.22 ≈ 56, ( W L )3 = )6,7 = )10,11 = ( ( W L W L 2 × 60 80 × 0.32 ≈ 17 2 × 30 ≈ 34 80 × 0.15 2 × 60 27 × 0.42 ≈ 28 ( W L )16 = 1 20 )15 = 10, W L ≈ 2, ( W L )17 = ( W )14 = 1, L 2 × (1 − 1√ ( )2 × 106 4 80 × 5 × 252 2 × 5 27 × 0.42 ≈ 3, 2 × 10 80 × 0.152 ≈ 10, ( W L W L ( )19,20 = )22 = )25,26 = W ( L 2 × 10 27 × 0.22 ≈ 20, ( W L )27 = ( W L )23,24 = )17 ≈ 8 W L )18 = 4 × ( 2 × 10 27 × 0.42 ≈ 6 × ( )22 = 1 1 10 W L ( W L W ( L 2 × 10 80 × 0.32 ≈ 3 )21 = ( W L )28 = 1 10 × ( W L )27 ≈ 2
    5 手工计算 4.4 确定L 6 L的值通常会取最小工艺的2-10倍，由于本实验工艺为相对较大的1.2µm，即使L取最小工艺值 也不会产生短沟道效应，而L取过大会增加板图面积，因此综合考虑决定本实验中L取1.2-9.6µm， 且为1.2µm的整数倍。 MOS管沟道长度决定了其输出电阻ro和寄生电容大小，并与OTA的直流增益、 相频响应 等密切相关。 为了减少输入对管M1,2失调，L取为9.6µ；为减小失配，电流镜管M4,5的L取最大 的9.6µ,尾电流管M10,11的L取9.6µ；为推远第二第三极点和右半平面零点，取共栅管M6,7,8,9的L为 较小的3.6µ。初步W/L取值如表1所示。 MOS管序号 W/L MOS管序号 W/L M1,2 M3 M4,5 M6,7 M8,9 326.4u/9.6u 81.6u/4.8u 32.4u/3.6u 122.4u/3.6u M19,20 M23,24 M21 M22 28.8u/9.6u 28.8u/9.6u, m=2 3.6u/3.6u 3.6u/3.6u, m=10 201.6u/3.6u M25,26 28.8u/9.6u M10,11 268.8u/9.6u M14 M15 M17 M18 7.2u/3.6u, m=10 7.2u/3.6u 1.2u/24u 阻值 25kΩ 1.2u/1.2u 12u/1.2u 7.2u/3.6u M27 M28 M16 电阻 7.2u/3.6u, m=4 R1 表 1: 初定OTA参数表 5 手工计算 由model.sp文件可知Ld = 0.15µm，tox = 200 × 10−10m，λn = 0.037，λp = 0.061。 查阅资料 得知，二氧化硅的相对介电常数εr = 3.9，真空介电常数ε0 = 8.85 × 10−12F/m。故有 Cox = εrε0 tox = 1.725 × 10−3F/m2 则由 Cgs = 2 W LCox + W LdCox 3 gm = K W L 1 + λ|VDS| vov ≈ 1 λId ro = λId 可得所需手算参数。 根据电路分析得Folded Cascode OTA性能参数满足以下公式： Rout = (gm7ro7ro5)||(gm9ro9(ro11||ro2))
    6 电路参数调整 7 Gm = gm1,2, Av = gm1,2Rout Acm = gm1,2 1 1 + 2gm1,2ro3 gm4,5 CM RR = Av Acm = gm4,5(1 + 2gm1,2ro3)Rout GBW = gm1,2 2πCL , 1 p1 = p2 = gm4,5 2Cgs4,5 − tan−1 ωc P M = 180◦ − tan−1 ωc z p1 ICMR: vov3 + vov1,2 + vt ～ VDD − min{vov10,11 − vt, 0} 1 2 − tan−1 ωc p2 p3 = RoutCL gm6,7 Cgs6,7 − tan−1 ωc p3 = z, SW: vov6fi7 + vov4fi5 ～ VDD − vov10,11 − vov8,9 根据上述公式，手工计算求得：Av=78.80dB, CMRR=121.07dB, GBW=6.49MHz, PM=74.44◦, ICMR:1.19V ～ 5V, SW:0.5V ～ 4.4V，均符合要求。 HSPICE初步仿真得：Av=75.80dB, CMRR=78.6dB, GBW=6.93MHz, PM=72.5◦, Offset=0, ICMR:1.01V ～ 4.64V, SW:525mV ～ 4.41V, Power=967.6806µW，也均符合要求。 6 电路参数调整 仿真时发现CMRR偏离计算值较大，并且查阅listing file发现M6管处于线性区，检查发现原因 是编写网标时结点编号重复，加以改正。 同时，为减少功耗，修改中删掉M24,25管，节约了一路 偏置电路。改动后电路图如图2所示。 考虑电路性能的改善，由上节手工计算公式容易看出以下规律： 提高Av：提高gm1,2、增大Rout；即减小vov1,2、vov6fi7、vov8fi9； 提高CMRR：提高Rout；同时可减小vov1,2、vov4fi5； 提高GBW：提高gm1,2，即减小vov1,2； 改善PM：减小ωc即GBW；同时可增大p2,p3,z，即减小vov4,5、vov6,7、L4,5、L6,7； 改善ICMR、SW：减小OTA部分各管vov. 同 时， 注 意 到M6,7， M8,9管 的L需 要 取 为M4,5， M10,11的 一 半， M19， 20， 23管 的L需 要 与M10,11匹 配，M26管 的L需 要 与M4,5匹 配，对L值 也 进 行 了 修 改。 按 照 上 述 原 则 调 整，参 数 最终取值如表2所示。
    7 HSPICE仿真 8 图 2: 调整偏置电路后的折叠Cascode OTA电路图 MOS管序号 W/L MOS管序号 W/L M1,2 M3 M4,5 M6,7 M8,9 M10,11 M14 M15 M17 M18 163.2u/4.8u M19,20 21.6u/7.2u 163.2u/9.6u 64.8u/7.2u 122.4u/3.6u 201.6u/3.6u 201.6u/7.2u 1.2u/1.2u 12u/1.2u 7.2u/3.6u M23 M21 M22 M26 M27 M28 M16 电阻 7.2u/3.6u, m=4 R1 21.6u/7.2u, m=2 3.6u/3.6u 3.6u/3.6u, m=10 21.6u/7.2u 7.2u/3.6u, m=10 7.2u/3.6u 1.2u/24u 阻值 25kΩ 表 2: 最终OTA参数表 7 Hspice仿真 7.1 编写Hspice网表 秉承面向对象程序设计的思想，我们将折叠Cascode OTA编写为子网表，以IP，IN，OUT三 个结点为对外接口。 我们也为每个参数的不同仿真外电路编写了网表，用时调用折叠Cascode OTA子 网 表 以 进 行 各 项 参 数 仿 真。 另 外， 为 了 方 便 前 期 调 试， 大 部 分MOS管 的 宽 长 比 均 按 照L/L*m的格式编写。网表文件详见附录3。
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