簡(jiǎn)介面向模擬集成電路學(xué)習(xí)者的設(shè)計(jì)參考文檔以兩級(jí)全差分高增益放大器為設(shè)計(jì)對(duì)象完整覆蓋從性能指標(biāo)設(shè)定、電路結(jié)構(gòu)選型、參數(shù)計(jì)算到前仿真、版圖繪制與物理驗(yàn)證的模擬IC全流程。文檔基于華大九天Aether平臺(tái)與0.18um PDK針對(duì)DC增益≥90dB、0dB帶寬≥500MHz、相位裕度≥50°、PSRR等指標(biāo)對(duì)比折疊式與套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)詳細(xì)給出各級(jí)電流分配、過驅(qū)動(dòng)電壓分配、MOS寬長(zhǎng)比計(jì)算及偏置電壓設(shè)定并延伸至原理圖繪制、測(cè)試電路搭建、AC/OP/瞬態(tài)仿真以及DRC/LVS驗(yàn)證等環(huán)節(jié)適合微電子專業(yè)學(xué)生、IC設(shè)計(jì)工程師及賽前備考人員使用。資源為1個(gè)PDF文件大小1.65MB內(nèi)容精煉緊湊便攜易讀。目前已有96人學(xué)習(xí)收藏是理解全差分OTA設(shè)計(jì)流程與國(guó)產(chǎn)EDA工具使用的實(shí)用參考資料可據(jù)此建立從指標(biāo)到版圖的系統(tǒng)性認(rèn)知。 模擬集成電路設(shè)計(jì)這個(gè)圈子兩級(jí)全差分高增益放大器是繞不開的基本功。不管你做的是ADC前端的采樣保持放大器、傳感器接口里的儀表放大器還是DAC輸出緩沖最終都會(huì)落到同一個(gè)問題上怎么在有限的功耗和面積預(yù)算下把增益、帶寬、擺率、噪聲這些互相撕扯的指標(biāo)揉到一起還得保證流片回來(lái)能穩(wěn)定工作不出幺蛾子。這篇文章我就拿“兩級(jí)全差分高增益放大器”這條主線把架構(gòu)選擇、指標(biāo)反推、電路搭建、仿真驗(yàn)證的完整流程拆開講一遍里面穿插我個(gè)人流片和調(diào)試踩過的坑適合正在學(xué)模擬IC設(shè)計(jì)的研究生也適合剛?cè)胄斜蝗罘蛛娐氛勰サ墓こ處?。我見過不少同學(xué)拿到指標(biāo)后直接打開Cadence開始畫管子畫完一仿真發(fā)現(xiàn)某個(gè)指標(biāo)怎么都調(diào)不上去然后開始盲調(diào)運(yùn)氣好調(diào)兩天調(diào)通運(yùn)氣不好直接換架構(gòu)重來(lái)。其實(shí)全差分兩級(jí)運(yùn)放的設(shè)計(jì)路徑非常固定完全可以先在手算階段把90%的矛盾暴露出來(lái)再進(jìn)EDA工具事半功倍。下面按我習(xí)慣的設(shè)計(jì)順序來(lái)講。1. 為什么是兩級(jí)全差分架構(gòu)決策與設(shè)計(jì)邏輯1.1 全差分結(jié)構(gòu)收益與代價(jià)全差分的意思是運(yùn)放有兩個(gè)輸出端輸出信號(hào)用Vout減去Vout-來(lái)表示。相比單端結(jié)構(gòu)全差分最直觀的好處是輸出擺幅直接翻倍。你想象一下一個(gè)1.8V電源的系統(tǒng)單端輸出能擺到0.2V到1.6V已經(jīng)不錯(cuò)了擺幅1.4V而全差分每端擺0.2V到1.6V差分信號(hào)就是正負(fù)1.4V等效動(dòng)態(tài)范圍大了整整6dB。這還沒算它在共模噪聲抑制上的天然優(yōu)勢(shì)——電源擾動(dòng)和襯底噪聲會(huì)同時(shí)作用在兩個(gè)輸出端做差以后被抵消掉這在混合信號(hào)芯片里簡(jiǎn)直太關(guān)鍵了。另一個(gè)容易被忽略的好處是偶次諧波抵消因?yàn)椴罘州敵龅奶├照归_里偶次項(xiàng)是同相的相減就沒了線性度會(huì)比單端干凈不少。代價(jià)也很明確多了一個(gè)共模反饋環(huán)路。差模信號(hào)靠輸入差分對(duì)放大但是輸出共模電平往哪飄沒有人管必須專門設(shè)計(jì)一個(gè)CMFB電路去檢測(cè)輸出共模電壓反饋到偏置端把輸出共模拉回目標(biāo)值。這個(gè)環(huán)路單獨(dú)有增益、有帶寬、有穩(wěn)定性問題設(shè)計(jì)不好輕則共模漂移導(dǎo)致工作點(diǎn)跑飛重則整個(gè)環(huán)路振蕩。全差分電路調(diào)不出性能十有八九是CMFB在作怪這一點(diǎn)后面詳細(xì)講。1.2 兩級(jí)架構(gòu)把增益和擺幅分開解決先看單級(jí)方案。套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)溝道工藝下做到60到70dB增益不算難但你要做到80dB以上的高增益單級(jí)就非常吃力了。因?yàn)閱渭?jí)增益本質(zhì)上等于輸入跨導(dǎo)乘輸出阻抗輸出阻抗靠堆共源共柵管來(lái)提升堆到三層甚至四層以后輸出擺幅被壓縮得沒法看頭尾電壓余量都不夠。反過來(lái)如果你想保住擺幅輸出阻抗就得妥協(xié)增益又上不去。這就是單級(jí)天生的矛盾增益和擺幅綁定在一起只能互相遷就。兩級(jí)架構(gòu)把這個(gè)問題解耦了。第一級(jí)不負(fù)責(zé)輸出擺幅可以放心用共源共柵堆增益第二級(jí)用簡(jiǎn)單的共源級(jí)專門提供擺幅。級(jí)聯(lián)總增益等于兩級(jí)增益相乘90dB甚至100dB都可行輸出擺幅依然可以接近軌到軌。當(dāng)然天下沒有免費(fèi)的午餐代價(jià)是多了一個(gè)低頻極點(diǎn)頻率補(bǔ)償變復(fù)雜了得靠密勒電容做極點(diǎn)分裂。下面這個(gè)表是我的選型習(xí)慣方案開環(huán)增益輸出擺幅穩(wěn)定性設(shè)計(jì)功耗效率適用場(chǎng)景單級(jí)套筒60~70dB小簡(jiǎn)單高高速中等增益單級(jí)折疊50~60dB中簡(jiǎn)單中輸入共模范圍要求高兩級(jí)密勒80~100dB大中等中高增益高精度增益增強(qiáng)單級(jí)80~100dB小復(fù)雜高追求極致速度我個(gè)人的看法是如果不是對(duì)速度和功耗有特別極端的追求第一版設(shè)計(jì)優(yōu)先用兩級(jí)密勒結(jié)構(gòu)。它的行為模型最成熟仿真工具里能用的輔助手段最多出問題的概率相對(duì)可控。增益增強(qiáng)雖然紙面上性能漂亮但環(huán)路嵌套帶來(lái)的穩(wěn)定性和偏置復(fù)雜度對(duì)新手非常不友好。2. 先算清楚再動(dòng)手指標(biāo)分解與參數(shù)預(yù)設(shè)計(jì)2.1 五個(gè)關(guān)鍵公式撐起預(yù)設(shè)計(jì)做兩級(jí)全差分運(yùn)放我不建議直接上手畫原理圖。先花半個(gè)小時(shí)做一次手算預(yù)設(shè)計(jì)把大致電流、管子寬長(zhǎng)比、電容值定下來(lái)再進(jìn)工具微調(diào)。整個(gè)預(yù)設(shè)計(jì)核心就五個(gè)關(guān)系第一個(gè)是單位增益帶寬GBW等于第一級(jí)跨導(dǎo)gm1除以2π乘以密勒電容CcGBW gm1 / (2π·Cc)。這個(gè)公式告訴你帶寬和密勒電容成反比想帶寬大就把Cc做小但Cc直接關(guān)系穩(wěn)定性和噪聲不能無(wú)限小。第二個(gè)是擺率SR第一級(jí)擺率約等于尾電流Itail除以Cc。大白話就是你給電容充電的速度充得快擺率就高。所以擺率不夠的時(shí)候不要只盯著管子尺寸先看看尾電流夠不夠。第三個(gè)是次主極點(diǎn)p2約等于第二級(jí)跨導(dǎo)gm2除以2π乘以負(fù)載電容CL。這個(gè)極點(diǎn)位置直接決定相位裕度。相位裕度要想有60度次主極點(diǎn)必須離GBW足夠遠(yuǎn)工程上習(xí)慣要求gm2/CL ≥ 2.2 × gm1/Cc。第四個(gè)是調(diào)零電阻Rz密勒補(bǔ)償Cc上串聯(lián)的那個(gè)電阻取值約等于1/gm2。它能把右半平面零點(diǎn)推掉否則零點(diǎn)落在GBW附近相位裕度會(huì)很難看。第五個(gè)是增益分配總增益約等于gm1·Rout1·gm2·Rout2兩級(jí)各自承擔(dān)多少增益要在手算時(shí)留好余量。實(shí)戰(zhàn)中我一般讓第一級(jí)貢獻(xiàn)60dB左右的增益第二級(jí)貢獻(xiàn)30到40dB這樣總增益90dB以上輕松達(dá)到還不用把每個(gè)單級(jí)都推到極限。2.2 用一組實(shí)際指標(biāo)反推參數(shù)我拿一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目里的指標(biāo)來(lái)走一遍流程直流增益≥90dBGBW≥100MHz負(fù)載電容2pF擺率≥80V/μs相位裕度≥60度電源1.8V0.18μm工藝。第一步定密勒電容Cc。按經(jīng)驗(yàn)Cc取1pF左右和負(fù)載電容同量級(jí)。第二步由擺率公式反推尾電流Itail SR × Cc 80V/μs × 1pF 80μA第一級(jí)輸入對(duì)管每邊分40μA。第三步由GBW反推第一級(jí)跨導(dǎo)gm1 2π × 100MHz × 1pF ≈ 628μA/V。再用gm 2Id/Vov反推輸入對(duì)管過驅(qū)動(dòng)電壓Vov 2 × 40μA / 628μA/V ≈ 127mV這個(gè)值落在100到200mV的經(jīng)驗(yàn)區(qū)間里合理。第四步看第二級(jí)。相位裕度60度要求gm2 ≥ 2.2 × 2π × CL × GBW 2.2 × 2π × 2pF × 100MHz ≈ 2.76mA/V。第二級(jí)電流取150μA的話Vov 2 × 150μA / 2.76mA/V ≈ 109mV勉強(qiáng)可以接受。你注意這里有個(gè)權(quán)衡如果第二級(jí)電流給太小gm2不夠相位裕度就保不住電流給太大功耗又上去。第五步驗(yàn)增益。90dB對(duì)應(yīng)電壓增益31623倍第二級(jí)用共源結(jié)構(gòu)Rout2大概可以做到250kΩ到500kΩ取300kΩ計(jì)算gm2 2.76mA/V第二級(jí)增益約828倍。那第一級(jí)需要提供約38倍增益這個(gè)量級(jí)對(duì)共源共柵結(jié)構(gòu)來(lái)說非常輕松。到這里所有管子的大致偏置電流和關(guān)鍵電容都有了可以開圖紙了。2.3 手算的定位不求精確但求方向正確我強(qiáng)調(diào)一下這個(gè)階段的數(shù)字全是量級(jí)級(jí)別的估算不需要也沒必要精確到小數(shù)點(diǎn)后三位。原因很簡(jiǎn)單二級(jí)效應(yīng)、寄生電容、溝道長(zhǎng)度調(diào)制、溫度變化都會(huì)讓實(shí)際值和手算差出20%甚至更多。手算的意義是讓你在仿真之前就知道哪些指標(biāo)是瓶頸哪些器件是杠桿點(diǎn)。舉上面的例子最關(guān)鍵的信息是第二級(jí)跨導(dǎo)gm2決定了你能否保住60度相位裕度。所以后面調(diào)電路時(shí)如果PM上不去我的第一反應(yīng)不是去動(dòng)密勒電容而是檢查第二級(jí)電流是否夠大、負(fù)載電容是否被寄生電容抬高。手算提前告訴你這個(gè)方向你就不會(huì)像無(wú)頭蒼蠅一樣亂調(diào)一通了。3. 電路模塊拆解輸入級(jí)、第二級(jí)與共模反饋3.1 輸入級(jí)選型套筒還是折疊第一級(jí)選型第一件事是定輸入管極性。PMOS輸入管適合輸入共模電平接近地的場(chǎng)景噪聲性能通常更好NMOS輸入管適合輸入共模接近電源的場(chǎng)景。實(shí)際怎么選往往不是自己定的而是看前一級(jí)電路給你的共模電平是多少跟著應(yīng)用走。第二件事是定結(jié)構(gòu)。套筒式共源共柵電流效率高、增益高但輸出擺幅小。折疊共源共柵多一路電流功耗大一點(diǎn)但輸入共模范圍和輸出擺幅都更靈活。如果這次設(shè)計(jì)是第一級(jí)后面直接接第二級(jí)沒有中間節(jié)點(diǎn)需要對(duì)外輸出我偏向用套筒式如果輸入共模范圍要求從軌到軌都能工作那必須折疊沒有商量余地。輸入差分對(duì)的尺寸設(shè)計(jì)有個(gè)細(xì)節(jié)容易被忽略在固定漏電流下gm和W/L的平方根成正比和過驅(qū)動(dòng)電壓的一次方成正比。也就是提高Vov比加大管子面積能更有效地提升gm功耗代價(jià)還更小。但Vov不能太大100到200mV是甜點(diǎn)區(qū)間——太小管子失配影響大太大跨導(dǎo)效率和擺幅都被壓制。3.2 第二級(jí)與密勒補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)第二級(jí)是個(gè)共源放大級(jí)輸出端負(fù)載電容大、擺幅要求高所以結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單。輸出管溝道長(zhǎng)度不要用最小尺寸我一般取最小溝長(zhǎng)的2到4倍換來(lái)更高的ro增益和輸出精度都有改善。代價(jià)是速度變慢通過合理設(shè)置電流來(lái)平衡。密勒補(bǔ)償電容Cc跨接在第一級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)和第二級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)之間。它的作用是極點(diǎn)分裂把第一級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)的主極點(diǎn)往低頻推把第二級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)的次主極點(diǎn)往高頻推兩者拉開距離環(huán)路穩(wěn)定性就有了保障。但Cc會(huì)引入一個(gè)右半平面零點(diǎn)頻率約等于gm2除以2πCc。這個(gè)零點(diǎn)在相位上的貢獻(xiàn)是負(fù)的嚴(yán)重時(shí)會(huì)吃掉一二十度相位裕度。解決辦法就是調(diào)零電阻Rz。Rz取值約為1/gm2可以把零點(diǎn)推到無(wú)窮遠(yuǎn)甚至翻到左半平面。實(shí)現(xiàn)上Rz可以用多晶硅電阻也可以用工作在線性區(qū)的MOS管后者可以跟隨PVT變化自動(dòng)調(diào)整阻值實(shí)際流片時(shí)魯棒性更好。設(shè)計(jì)初期先用一個(gè)理想電阻仿真相位裕度隨Rz變化的曲線找出最優(yōu)值再?zèng)Q定具體實(shí)現(xiàn)方式。這個(gè)掃描習(xí)慣我保持了多年屢試不爽。3.3 CMFB全差分電路最容易翻車的環(huán)節(jié)全差分運(yùn)放必須有個(gè)共模反饋環(huán)路否則輸出共模電壓會(huì)隨著電源電壓、溫度、失配漂移嚴(yán)重影響后級(jí)。CMFB的基本原理是檢測(cè)輸出共模電平(Vout Vout-) / 2和參考電壓Vcm比較誤差信號(hào)反饋到偏置端把共模拉回目標(biāo)值。工程上CMFB有兩種主流實(shí)現(xiàn)。連續(xù)時(shí)間CMFB用電阻分壓檢測(cè)共模再用一個(gè)跨導(dǎo)級(jí)比較直接調(diào)整輸出級(jí)電流源優(yōu)點(diǎn)是帶寬高適合連續(xù)時(shí)間信號(hào)處理但分壓電阻會(huì)引入熱噪聲還可能在輸出節(jié)點(diǎn)增加一個(gè)低頻極點(diǎn)。開關(guān)電容CMFB用電容分時(shí)采樣輸出共模再通過電荷分享調(diào)節(jié)偏置優(yōu)點(diǎn)是不消耗靜態(tài)電流、不增加輸出噪聲但需要非交疊時(shí)鐘和額外的動(dòng)態(tài)功耗主要用在開關(guān)電容鏈路里。CMFB環(huán)路設(shè)計(jì)最核心的一條它也要滿足增益和相位裕度要求。我見過太多人只盯著差模環(huán)路的穩(wěn)定性忘了CMFB環(huán)路單獨(dú)跑一個(gè)STB仿真結(jié)果瞬態(tài)一跑發(fā)現(xiàn)輸出共模以幾百M(fèi)Hz的頻率振蕩輸出波形一片模糊。CMFB檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)引入的寄生節(jié)點(diǎn)要盡量遠(yuǎn)離CMFB的單位增益帶寬必要時(shí)用小電容做一個(gè)主極點(diǎn)補(bǔ)償。另外CMFB環(huán)路增益要適中——太小共模抑制不夠太大容易與差模環(huán)路耦合振蕩。調(diào)CMFB的時(shí)候建議把差模輸入固定單獨(dú)看共模環(huán)路的STB響應(yīng)和瞬態(tài)共模階躍響應(yīng)收斂趨勢(shì)清楚了再合到一起看整體。4. 仿真驗(yàn)證、問題排查與實(shí)操心得4.1 仿真清單與推薦執(zhí)行順序一個(gè)可靠的全差分運(yùn)放設(shè)計(jì)仿真不能只跑一個(gè)AC就完事。我自己的固定流程是這樣的DC工作點(diǎn)仿真先確認(rèn)所有管子都工作在飽和區(qū)電流和手算值的偏差在合理范圍內(nèi)。這一步如果不過后面全是空中樓閣。開環(huán)AC仿真把CMFB環(huán)路閉合差模環(huán)路用大電感和電容配置成開環(huán)測(cè)試結(jié)構(gòu)看差模增益、GBW、相位裕度。STB穩(wěn)定性仿真分別測(cè)差模環(huán)路和CMFB環(huán)路的增益、帶寬、相位裕度。Cadence里的stb分析默認(rèn)能測(cè)兩個(gè)環(huán)路關(guān)鍵是接法要正確。瞬態(tài)仿真先接單位增益緩沖結(jié)構(gòu)輸入加階躍看建立時(shí)間和過沖再加大階躍信號(hào)看擺率。噪聲仿真看輸入?yún)⒖茧妷涸肼曌V和積分噪聲確認(rèn)噪聲指標(biāo)是否落在規(guī)格內(nèi)。PVT加蒙特卡洛跑工藝角、溫度、電源電壓掃描再跑失配蒙特卡洛看失調(diào)電壓分布和良率。注意SS corner下管子跨導(dǎo)最小相位裕度通常是最差的要重點(diǎn)盯。4.2 高頻踩坑問題和排查手段我把自己和身邊同事遇到過的問題整理成一個(gè)速查表雖然簡(jiǎn)單但非常實(shí)用現(xiàn)象直接原因排查手段輸出共模高頻振蕩CMFB環(huán)路不穩(wěn)定降低CMFB環(huán)路增益檢查檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)極點(diǎn)單位增益緩沖接法時(shí)嚴(yán)重過沖差模相位裕度不足看p2位置查第二級(jí)gm和調(diào)零電阻大階躍信號(hào)邊沿太慢擺率不足檢查第一級(jí)尾電流和第二級(jí)電流能力DC輸出共模對(duì)不上設(shè)計(jì)值CMFB閉環(huán)沒建立或參考接錯(cuò)檢查CMFB反饋極性確認(rèn)參考電壓PVT仿真下PM跌破45度SS角下gm下降、寄生增大增加第二級(jí)電流調(diào)整Rz跟隨特性處理器上我建議一個(gè)癥狀對(duì)應(yīng)一個(gè)懷疑對(duì)象不要同時(shí)動(dòng)多個(gè)參數(shù)。比如順手把尾電流調(diào)大又把Cc改小最后PM是好了但你根本不知道是哪個(gè)動(dòng)作起的作用換個(gè)corner可能又出問題。4.3 幾條真正好用的調(diào)參經(jīng)驗(yàn)做這個(gè)電路好幾年我總結(jié)出幾條普通教科書上不會(huì)寫的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)。第一調(diào)零電阻Rz一定要掃描。在原理圖里把Rz設(shè)成一個(gè)變量跑一遍Rz從0.5倍1/gm2到2倍1/gm2的掃描輸出PM和GBW兩條曲線。你會(huì)很直觀地看到最佳點(diǎn)在哪里而且能用容差范圍判斷這個(gè)電阻的敏感度。我見過一個(gè)設(shè)計(jì)Rz從最佳點(diǎn)偏15%PM就從68度掉到58度這種對(duì)失配太敏感的設(shè)計(jì)必須改結(jié)構(gòu)。第二相位裕度不夠時(shí)先檢查負(fù)載電容是不是被寄生電容抬高了。有時(shí)候你畫的時(shí)候以為CL是2pF實(shí)際在版圖里輸出節(jié)點(diǎn)上一堆走線電容和下一級(jí)輸入電容加起來(lái)可能變成2.8pF次主極點(diǎn)直接被拉低PM就掉下來(lái)了。先用后仿真提取結(jié)果確認(rèn)真實(shí)負(fù)載再?zèng)Q定要不要加大第二級(jí)電流而不是一味去調(diào)Cc。第三CMFB環(huán)路在瞬態(tài)里表現(xiàn)為共模的低頻漂移和高頻振蕩兩種癥狀。低頻漂移通常是增益不夠高頻振蕩通常是相位余量不足。上了示波器看瞬態(tài)波形先區(qū)分是哪種再?zèng)Q定往哪個(gè)方向下手。我見過有人把CMFB環(huán)路增益提到很高想把共模抑制做好結(jié)果把環(huán)路調(diào)振蕩了純屬方向錯(cuò)誤。最后再分享一個(gè)小技巧。每次設(shè)計(jì)文件里我會(huì)單獨(dú)建一個(gè)測(cè)CMFB的testbench只測(cè)共模環(huán)路不做任何差模激勵(lì)。這樣每次改動(dòng)電路后跑一遍這個(gè)benchCMFB的穩(wěn)定性變化趨勢(shì)一目了然。全差分運(yùn)放做多了你會(huì)發(fā)現(xiàn)差模環(huán)路不太容易出問題CMFB才是真正消耗時(shí)間的地方把這個(gè)環(huán)節(jié)管好了整個(gè)設(shè)計(jì)速度能快三分之一。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取