12.03.2014. 1 Projektovanje analognih integrisanih kola Prof. Dr Predrag Petković, Dejan Mirković Katedra za elektroniku Elektronski fakultet Niš LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/ 12.03.2014. 2 Projektovanje analognih integrisanih kola Sadržaj: I. Uvod - osnovni pojmovi II. Lejaut analognih modula III. Projektovanje modula sa mešovitim signalima IV. Planiranje rasporeda modula V. VHDL - AMS LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/ 12.03.2014. 3 Projektovanje analognih integrisanih kola Sadržaj: II Lejaut analognih modula 2.1. Specifičnosti projektovanja analognih modula 2.2. Uparivanje vrednosti parametara komponenata 2.2.1. Uzroci neuparenosti 2.2.2. Tehnike uparivanja 2.2.3. Uparivanje MOS tranzistora 2.2.4. Uparivanje kondenzatora 2.2.5. Uparivanje otpornika 2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/ 2.2.4. Uparivanje kondenzatora Glavni uzroci neuparenosti kondenzatora jesu neravnomerno bočno nagrizanje i varijacija debljine oksida. Usled bočnog nagrizanja stvarne dimenzije kondenzatora manje su od željenih. Lažni elementi. Podela na identične segmente. Segmenti kvadratnog oblika tako da se zbog odnosa širine i dužine, nazivaju jedinični kondenzatori. 4 Lejaut analognih modula 4 12.03.2014.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
12.03.2014. 1
Projektovanje analognih integrisanih kola
Prof. Dr Predrag Petković,Dejan Mirković
Katedra za elektronikuElektronski fakultet Niš
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
12.03.2014. 2
Projektovanje analognih integrisanih kola
Sadržaj:I. Uvod - osnovni pojmoviII. Lejaut analognih modulaIII. Projektovanje modula sa mešovitim
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog 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/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Glavni uzroci neuparenosti kondenzatora jesu
neravnomerno bočno nagrizanje i varijacija debljine oksida.
Usled bočnog nagrizanja stvarne dimenzije kondenzatora manje su od željenih.
Lažni elementi.Podela na identične segmente.Segmenti kvadratnog oblika tako da se zbog odnosa
širine i dužine, nazivaju jedinični kondenzatori. 4
Lejaut analognih modula
412.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na identične segmente:
5
Lejaut analognih modula
512.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na identične segmente:C1 i C2
6
Lejaut analognih modula
612.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na identične segmente:C3
7
Lejaut analognih modula
712.03.2014.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na identične segmente:
8
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 8
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na identične segmente:
9
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 9
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na NEidentične segmente.Odnos obim/površina.
Stvarna vrednost:
10
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 10
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na NEidentične segmente.Stvarna vrednost:
11
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 11
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na NEidentične segmente.
Relativna greška proporcionalna odnosu obima i površine nacrtane maske kondenzatora.
Greška manja ako su dimenzije veće
12
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 12
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Cs2/Cs1=?
δr1= δr2 za isti odnos Obim/Površina
13
Lejaut analognih modula
( )( )11
22
1
2
11
r
r
s
s
CC
CC
δδ
++
=
12.03.2014. 13
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Cs2/Cs1=K - nije ceo broj
14
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 14
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Cs2/Cs1=K - nije ceo broj
15
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 15
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornikaOtpornici se realizuju u metalu, polisilicijumu,
difuziji i jonski implantiranom sloju.Nezavisno od materijala za njihov proračun koriste
se izrazi:R=ρ / d
ρ- specifična otpornostd- debljina sloja
R=R·L/W
16
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 16
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornika
U retkim slučajevima kada se zahtevaju veoma male otpornosti od 50mΩ do 5Ω, koriste se metalni otpornici u metalu 1 ili metalu 2
Zašto M1 i M2?(debljina mala, pa je slojna otpornost veća nego
kod viših nivoa metala).
17
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 17
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornikaZa veće vrednosti otpornosti preporučuje se
niskootporni i visokootporni polislicijumski sloj. Niskootporni poli sloj (gejtovi) karakteriše slojna
otpornost od oko 20 Ω/.Moderni CMOS procesi sa salicidom - otprnost može
da se smanji do 1-5 Ω/Visokootporni poli sa otpornošću reda kΩ/.Za velike vrednosti otpornosti može se koristiti i n-
well sloj.
18
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 18
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornikaUmereno upareni otpornici (±0,1%) ne bi trebali
biti manji od 5 kvadrata.Precizno uparivanje zahteva najmanje 10 kvadrata.Preporuka da zbir segmenata precizno uparenih
polisilicijumskih otpornika ne bude kraći od 50μm.
Empirijski je utvrđeno da se otpornici od polija p-tipa bolje uparuju od otpornika n-tipa.
19
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 19
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornikaDifundovane i jonski implantirane otpornike
karakteriše nelinearna otpornost (varira sa promenom napona na otporniku) jer širina osiromašene oblasti varira kod jako dopiranih oblasti.
Kod polisilicujmskih otpornika je varijacija širine mnogo manja, što je glavni razlog da se polisilicijumskim otpornicima daje prednost.
20
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 20
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornikaDugi otpornici mogu da se realizuju kao zmijolika
struktura.
21
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 21
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornikaUpareni otpornici realizuju se uplitanjem.
22
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 22
Lažniotpornik
Lažniotpornik
RA RA RA RARBRB RB RB
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornikaPoluprovodnički otpornici osetljivi na promenu
temperature.1. Temperaturski koeficijent
• za jonski implantirane ili difundovane otpornike pozitivan i veliki (posebno za velike otpornike) i kreće se od 100 ppm/°C do 3000 ppm/°C.
• Polisilicijumski otpornici imaju temperaturski koeficijent od 150-1000 ppm/°C.
23
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 23
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornikaPoluprovodnički otpornici osetljivi na promenu
temperature.2. Termoelektrični potencijal: na kontaktima, usled
različite temperature javlja se potencijal od nekoliko stotina μV/oC.
24
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 24
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornika
25
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 25
ΔV
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornika
26
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 26
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornika
27
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 27
Termoelektrični potencijal se sabira
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornika
28
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 28
Termoelektrični potencijal se potire
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni transkonduktansnipojačavač (OTA) sa kaskodnim tranzistorima (folded-cascode)
29
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 29 12. novembar 2013. Jednostepeni MOSFET pojačavači
Dva tranzistora:• ZS, a kaskadno ZG kao opterećenje• Ulaz – vG pobuda u kolu gejta ZS
Izlaz – vD potrošač u kolu drejna ZG• Tranzistori rade u oblasti zasićenja• Pojačava male signale (u okolini radne tačke)• Obrće fazu• Pojačavač napona(Naziv istorijski: KASKadno-katODA = kaskoda)
Izlaz
Ulaz
Kaskodni pojačavač
a) Princip rada:
12. novembar 2013. Jednostepeni MOSFET pojačavači
b) DC polarizacija
Kaskodni pojačavač
vu
VGG
vi
12. novembar 2013. Jednostepeni MOSFET pojačavači
vu
vi
c) Analiza za male signale
vu
VDD, VGG i I zamenjeni dinamičkimotpornostima:
rGG=0, G - vezan za masu
rI→∞ D - prekid
SF
VGG
Kaskodni pojačavač
12. novembar 2013. Jednostepeni MOSFET pojačavači
∞→uR
vi
vu
Ru
vi1
Rp
Ri
c) Analiza za male signale
( ) 2122 o
rgrrgR moomi =≅
2121
211 , )(
oomm
omorrggza
rgA==
−=
Kaskodni pojačavač
))(( 2211
1
1
omomo
pi
i
u
io
pu
io
rgrgAR
vv
vvA
RvvA
−=
∞→=
∞→=
12. novembar 2013. Jednostepeni MOSFET pojačavači
d) Frekvencijska analiza
RpCp
Rgen
Vgen
Vi
VF
Kaskodni pojačavač
12. novembar 2013. Jednostepeni MOSFET pojačavači
d) Frekvencijska analizaVF
Kaskodni pojačavač
12. novembar 2013. Jednostepeni MOSFET pojačavači
Rezime:
vu
VGG
vi
∞→uR
( ) )M (reda 2122 Ω=≅ orgrrgR moomi
x1000)(reda )( 211 omo rgA −=
Kaskodni pojačavač
12. novembar 2013. Jednostepeni MOSFET pojačavači
Rezime:ZS sa ZG kao opterećenjem; Ulazni signal se dovodi na G ZS;Izlazni signal uzima se sa D ZG;Obrće fazu;Veoma veliko pojačanje napona Velika ulazna otpornost;Velika izlazna otpornost
Kaskodni pojačavač
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni transkonduktansnipojačavač (OTA) sa kaskodnim tranzistorima (folded-cascode)
38
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 38
120/0.8
120/1.6
60/0.8 60/0.8
60/1.6 60/1.6
50/1.6 50/1.6
50/0.8 50/0.8
100/0.8 100/0.8
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni transkonduktansnipojačavač (OTA) sa kaskodnim tranzistorima (folded-cascode)
39
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 39
120/0.8
120/1.6
60/0.8 60/0.8
60/1.6 60/1.6
50/1.6 50/1.6
50/0.8 50/0.8
100/0.8 100/0.8
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni transkonduktansnipojačavač (OTA) sa kaskodnim tranzistorima (folded-cascode)
40
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 40
120/0.8
120/1.6
60/0.8 60/0.8
60/1.6 60/1.6
50/1.6 50/1.6
50/0.8 50/0.8
100/0.8 100/0.8
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
41
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 41
Organizacija lejauta pojačavača –Plan površine
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
42
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 42
PMOS ulazni diferencijalni par
G1=VIN+ G2=VIN-
D1 D2
S1 =S2
100/0.8 100/0.8
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
43
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 43
PMOS ulazni diferencijalni par
G1=VIN+ G2=VIN-
D1 D2
S1 =S2
100/0.8 100/0.8
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
44
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 44
PMOS ulazni diferencijalni par
G1=VIN+
D1 D2
S1 =S2
25/0.8 25/0.825/0.825/0.825/0.8 25/0.8 25/0.8
G2=VIN-
25/0.8
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
45
Lejaut analognih modula
12.03.2014. 45
PMOS ulazni diferencijalni par verzija 0
D2
D1
M21 M22 M23 M24
M11 M12 M13 M14
S1 =S2
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača