《浙大微电子》PPT课件.ppt
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1、浙大微电子,基准源、噪声、开关电容及Monte Carlo仿真,浙江大学微电子与光电子研究所 2013年11月5日,2023/7/19,1/91,浙大微电子,大纲,电压基准源设计集成电路噪声分析及仿真 开关电容电路理论、设计举例及仿真Monte Carlo仿真,2023/7/19,2/91,浙大微电子,电压基准源设计,2023/7/19,3/91,浙大微电子,常见电压基准源,带隙基准源 特点:静态电流较小,输出电压精度 较高,不需要外部电阻 举例:MAX6034 齐纳基准源 特点:输出电压和功率范围大,静态 电流较大,输出电压精度较低,需要外部电阻 举例:MAX6138,2023/7/19,4
2、/91,浙大微电子,电压基准源对比,2023/7/19,5/91,浙大微电子,带隙基准源原理,平衡VBE的负温度系数和Vt=kT/q的正温度系数,2023/7/19,6/91,浙大微电子,如何实现Vt=kT/q?,通过改变PNP发射区面积,2023/7/19,7/91,浙大微电子,带隙基准源的两种经典实现方式,电流镜方式 放大器反馈方式,2023/7/19,8/91,浙大微电子,输出驱动,驱动能力要求 仅仅是基准源核心电路没有足够的能力驱动外部大的负载,需要加buffer;基准源的驱动能力取决于buffer的驱动能力放大器的频率补偿 为了在外部负载比较大的情况下,保证运放稳定;设计时,必须做交
3、流仿真,以保证频率稳定。,提供基准电流,2023/7/19,9/91,浙大微电子,Cascade结构,Cascade MOS M1M8保证Q1、Q2电流完全相同,且M1和M2源端电位近似相等,原理实现,2023/7/19,10/91,浙大微电子,基准源噪声,带隙基准源的输出噪声会显著影响低噪声电路的性能。例如,基准噪声大幅度削减高精度ADC性能;降噪措施:1、通过减少电路元器件个数,和使用阻值较小的电阻,可以减少噪声;2、采用1/f噪声较小的PMOS管;3、增大MOS面积也可减少1/f噪声。,基准源噪声仿真,2023/7/19,11/91,浙大微电子,基准源仿真,在基准源中引入误差放大器,提高
4、输出电压精度,电路示例,2023/7/19,12/91,浙大微电子,基准源说明,Q3和Q4的面积为Q1、Q2的n倍,采用层叠三极管能够使X点电压提高为2VEB1,降低误差放大器失调电压的影响。X点电压与Y点电压相等,Q1、Q2、Q3、Q4的偏置电流相等,2023/7/19,13/91,浙大微电子,温度稳定性仿真,Temperature coefficient 定义,单位是ppm/,三极管面积比例n=36,电阻比例R3/R4=2.87(R3=86K,R4=30K),选择dctemperature扫描,得到输出基准电压随温度变化的曲线,2023/7/19,14/91,浙大微电子,电阻取值的优化,使
5、用“Parametric”分析来优化电阻值 1、设置变量 2、在“Parametric”分析窗口设置扫描变量和扫描方式 3、运行“Parametric”分析,得到结果如右图所示 4、缩小扫描范围,对电阻取值进一步优化,2023/7/19,15/91,浙大微电子,利用“Calculator”分析仿真结果,利用“Calculator”工具写入“TC”的表达式 TC=(ymax(VS(“/VREF”)-ymin(VS(“/VREF”)/(average(VS(“/VREF”)*125)*1000000 1、手动输入 2、采用“Calculator”RPN模式输入,2023/7/19,16/91,浙大
6、微电子,利用“Calculator”分析仿真结果,在ADE界面“Outputs-Setup”中打开Setting Outputs窗口,在“Name”栏填入输出变量名“TC”,点击“Get Expression”将“Calculator”中的表达式导入“Expression”栏,重新采用“Parametric”分析对电路进行仿真,Candence会根据所填入的表达式计算基准源的温度系数,并得到不同电阻值下温度系数的变化曲线图,2023/7/19,17/91,浙大微电子,利用“Calculator”分析仿真结果,2023/7/19,18/91,浙大微电子,利用“Optimizer”进一步优化,“O
7、ptimizer”是一种通过自动调整设计变量,从而达到设计指标的工具。1、在ADE界面“Tools-Optimization”,打开“Analog Circuit Optimization”窗口;在该窗口的“Goals”下拉菜单选择“Add”命令,如下图所示 Name栏填入“TC”Expression填入计算“TC”的 表达式 Direction选择“minimize”Target填入“5”Acceptable填入“15”,2023/7/19,19/91,浙大微电子,利用“Optimizer”进一步优化,2、在“Analog Circuit Optimizer”窗口的“Variables”下拉
8、菜单中选择“Add/Edit.”命令,如下图所示“Name”栏中选择变量“res”“Initial Value”填入“12k”“Minimum Value”填入“10k”“Maximum Value”填入“15k”,2023/7/19,20/91,浙大微电子,利用“Optimizer”进一步优化,3、在“Analog Circuit Optimizer”窗口的“Session”下拉菜单中选择“Options.”命令,如下图所示 在“Algorithm Selection”栏选择“LSQ”优化算法4、选择“Optimizer”下拉菜单中的“Run”命令,开始优化,2023/7/19,21/91,
9、浙大微电子,利用“Optimizer”进一步优化,2023/7/19,22/91,浙大微电子,Corner Analysis,1、在ADE界面“Tools”下拉菜单下选择“Corner.”,进入“Analog Corners Aanalysis”窗口,2023/7/19,23/91,浙大微电子,Corner Analysis,2、工艺配置。在菜单中选择“Setup-Add Process”,进入Add Process窗口。“Process Name”栏中加入新工艺的名字“Model Style”栏中选择工艺模式“Base Directory”和“Model File”栏中分别填入Model所在
10、的目录及其名称 选择“OK”,SMIC工艺 设置成功,2023/7/19,24/91,浙大微电子,Corner Analysis,3、添加工艺角组。在菜单中选择“Setup-Add/Update Model Info”,进入Update Process/Model Info窗口的Groups/Variants选项卡。“Groups Names”栏中加入工艺角的名称,例如:RES“Variants”栏加入一组工艺角,例如:res_tt、res_ff等等,中间用空格隔开 点击“Apply”,继续添加下一 个工艺角,2023/7/19,25/91,浙大微电子,Corner Analysis,4、设定
11、需要仿真的工艺角。在主界面的“Corner Definitions”栏中进行设置,其中“Add Corner”添加新的工艺角,“Add Variable”添加新的设计变量。,2023/7/19,26/91,浙大微电子,Corner Analysis,5、设置输出。在主界面的“Performance Measurements”栏中进行输出设置。“Add Measurement”设置待测变量名称“Expression”栏中输入待测变量的表达式,可借助“Calculator”工具;选中“plot”,待测变量将以图形形式输出。,2023/7/19,27/91,浙大微电子,Corner Analysis
12、,6、运行及输出。在菜单“Simulation-Run”运行分析并输出仿真结果。,2023/7/19,28/91,浙大微电子,Corner Analysis,7、保存和调用设置。在菜单中选择“File-Save Setup as”,保存为reference_pvt文件。若需调用已有设置,选择“File-Load.”将上述文件调用出 来即可,2023/7/19,29/91,浙大微电子,最低工作电压扫描,选择dc电源电压扫描,可找到基准源的最低工作电压,1.8V最低工作电压,2023/7/19,30/91,频率稳定性仿真 stb仿真,第一步:在电路反馈干路上,添加一个电压为0V的电压源,作为“Pr
13、obe Instance”;两个环路,一个是正反馈环路,一个是负反馈环路。,浙大微电子,2023/7/19,31/91,stb仿真,第二步:打开Cadence的“Analog Simulation Environment”界面,选择”stb”仿真,选择Probe Instance,浙大微电子,2023/7/19,32/91,stb仿真,第三步:查看仿真结果。在跳出的文本界面中,会直接给出关键环路的相位裕度Phase margin=68.4937 Deg at frequency=16.4596 MHz,浙大微电子,2023/7/19,33/91,浙大微电子,电源抑制比仿真,在电源电压上加入交流
14、小信号,仿真基准源电压输出与电源上交流小信号的比值,即电源抑制比。电源噪声频率范围 一般是50kHz到50 MHz,所以扫描频 率也选择这个范围,2023/7/19,34/91,浙大微电子,基准源版图设计,采用全定制方法进行版图设计,把串扰、失配、噪声等的影响降低到最小。采用精度较高的多晶硅电阻,在电阻的版图设计中尽可能采用“等比例复制”方法。在电阻设计中尽可能使用完全相同的 电阻条,采用并联和串联的方法实现 阻值。同时,相邻两个电阻条的连接 使用铝条互连结构,避免使用弯角,避免转角误差。加入DUMMY电阻。,电阻版图,2023/7/19,35/91,浙大微电子,基准源版图设计,绘制PNP版图
15、时,也要采用“等比例复制”方法。对于非常宽的晶体管,可采用折叠栅极的方法,节省面积,并减小工艺误差。对于对管设计,可采用交叉互补结构,提高匹配精度。,PNP版图,“交叉互补”对管设计,2023/7/19,36/91,浙大微电子,CMOS集成电路 噪声分析及仿真,集成电路噪声分析及仿真,2023/7/19,37/91,浙大微电子,噪声,噪声是一个随机过程,它限制了一个电路能够处理的最小信号电平;噪声的表示方法:噪声谱 也叫能谱密度PSD(power spectrum density)噪声单位是 或,表示单位Hz的噪声功率噪声分类:相关噪声,幅度相加。非相关噪声,平均功率相加。,2023/7/19
16、,38/91,浙大微电子,电阻热噪声,产生机理:导体中的电子的随机运动尽管平均电流为零,但是它会引起导体两端电压的波动。,热噪声是白噪声,与频率无关热噪声谱与绝对温度成正比;,2023/7/19,39/91,浙大微电子,MOS噪声,MOS热噪声MOS闪烁噪声(1/f噪声)MOS噪声简化模型,2023/7/19,40/91,浙大微电子,MOS热噪声,MOS管的热噪声源主要由沟道贡献的 长沟道MOS器件的热噪声可等效为一个跨接在源漏两端的电流源,一般等于2/3,2023/7/19,41/91,浙大微电子,MOS闪烁噪声,产生机理:在栅氧和沟道界面上存在悬挂键,当电子通过这个界面时,会被随机地吸附和
17、释放,从而影响沟道电流,产生闪烁噪声。表示方法:等效为与栅极串联的电压源,闪烁噪声又称为1/f噪声,2023/7/19,42/91,浙大微电子,MOS闪烁噪声,闪烁噪声是低频噪声,在高频时没有影响。音频芯片设计中,需要特别考虑闪烁噪声的影响。要减少闪烁噪声,就必须增加器件面积。低噪声应用,面积为几千平方微米的器件是不足为奇的。PMOS闪烁噪声较低,所以低噪声运算放大器设计中,常采用PMOS输入差分对。,2023/7/19,43/91,浙大微电子,MOS噪声简化模型,把MOS热噪声和闪烁噪声都等价到MOS的栅极。在计算等效输出噪声或等效输入噪声时,只需把噪声作为栅上输入小信号来处理即可。,MOS
18、噪声集总模型(在低频和中频有效),MOS管噪声功率谱模型,2023/7/19,44/91,浙大微电子,电容的噪声特性,电容本身不产生噪声,但是会从其它噪声源上累积噪声。,电容上的噪声功率只与电容大小有关。在低噪声设计中,为了达到低噪声,必须采用较大的电容,大大耗费版图面积。,低通滤波器,2023/7/19,45/91,浙大微电子,差分对噪声分析,差分放大器,2023/7/19,46/91,浙大微电子,差分对噪声分析,2023/7/19,47/91,浙大微电子,信噪比和噪声系数(Noise Figure),信噪比:信号与噪声的功率之比,评估信号处理电路中噪声对信号的影响。,或,噪声系数:输入信噪
19、比和输出信噪比的比值,评估信噪比在处理电路中的损失,即该电路抗噪声能力的大小。,或,2023/7/19,48/91,浙大微电子,Cadence下噪声仿真,Cadence提供的噪声分析工具:Noise仿真,用于连续时间系统,以低噪声运算放大器的噪声分析为例。PNoise(Periodic Noise)仿真,用于离散时间系统,以2阶Sigma-Delta调制器的噪声分析为例。,2023/7/19,49/91,浙大微电子,连续时间系统噪声仿真,低噪声运算放大器噪声仿真图 1、差分结构 2、闭环结构 3、单位电阻负反馈,2023/7/19,50/91,浙大微电子,连续时间系统噪声仿真,低噪声运算放大器
20、电路结构图,2023/7/19,51/91,浙大微电子,连续时间系统的噪声仿真步骤,步骤一,打开Analog Design Environment(ADE)窗口 步骤二,选择Analyses菜单,设置成Noise仿真。Output Probe Instance要选择输出端的双端口器件,比如:电阻、电容、电流源、不能选择MOS器件;Input Noise选择Voltage或Current;Input Voltage Source选择电流源或者电压源作为等效噪声输入源。,噪声仿真设置,2023/7/19,52/91,浙大微电子,连续时间系统的噪声仿真步骤,步骤三,开始仿真。噪声仿真无需设置Outp
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