Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
15.03.2016. 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/
05.04.2016
Projektovanje analognih integrisanih kola
Sadržaj:I. UvodII. Lejaut analognih modulaIII. Projektovanje CMOS operacionih
pojačavačaIV. Planiranje rasporeda modula
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2
3
Integrisana kola sa mešovitim signalima
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/
15.03.2016.
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
415.03.2016.
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
515.03.2016.
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
615.03.2016.
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
715.03.2016.
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
09.03.2011 815.03.2016.
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
915.03.2016.
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
1015.03.2016.
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
1115.03.2016.
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
1215.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.4. Uparivanje kondenzatora Cs2/Cs1=?
r1= r2 za isti odnos Obim/Površina
13
Lejaut analognih modula
11
22
1
2
11
r
r
s
s
CC
CC
1315.03.2016.
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
1415.03.2016.
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
1515.03.2016. 15.03.2016. 16
Integrisana kola sa mešovitim signalima
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/
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□= / t
- specifična otpornostt- debljina sloja
R=R□·L/W
17
Lejaut analognih modula
1715.03.2016.
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 50m do 5, 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).
18
Lejaut analognih modula
1815.03.2016.
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 (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.
19
Lejaut analognih modula
1915.03.2016.
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 50m.
Empirijski je utvrđeno da se otpornici od polija p-tipa bolje uparuju od otpornika n-tipa.
20
Lejaut analognih modula
2015.03.2016.
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.
21
Lejaut analognih modula
2115.03.2016.
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.
22
Lejaut analognih modula
2215.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornikaUpareni otpornici realizuju se uplitanjem.
23
Lejaut analognih modula
23
Lažniotpornik
Lažniotpornik
RA RA RA RARBRB RBRB
15.03.2016.
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.
24
Lejaut analognih modula
2415.03.2016.
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 V/oC.
25
Lejaut analognih modula
2515.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornika
26
Lejaut analognih modula
26
V
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornika
27
Lejaut analognih modula
2715.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornika
28
Lejaut analognih modula
28
Termoelektrični potencijal se sabira
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.2.5. Uparivanje otpornika
29
Lejaut analognih modula
29
Termoelektrični potencijal se potire
15.03.2016. 15.03.2016. 30
Integrisana kola sa mešovitim signalima
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/
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
31
Lejaut analognih modula
31
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
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni transkonduktansnipojačavač (OTA) sa preklopljenim kaskodnim tranzistorima (folded-cascode)
32
Lejaut analognih modula
3215.03.2016.
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)
33
Lejaut analognih modula
33
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
15.03.2016.
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)
34
Lejaut analognih modula
34
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
15.03.2016.
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)
35
Lejaut analognih modula
35
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
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
36
Lejaut analognih modula
36
Organizacija lejauta pojačavača –Plan površine
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
37
Lejaut analognih modula
37
PMOS ulazni diferencijalni par
G1=VIN+ G2=VIN-
D1 D2
S1 =S2
100/0.8 100/0.8
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
38
Lejaut analognih modula
38
PMOS ulazni diferencijalni par
G1=VIN+ G2=VIN-
D1 D2
S1 =S2
100/0.8 100/0.8
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
39
Lejaut analognih modula
39
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
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
40
Lejaut analognih modula
40
PMOS ulazni diferencijalni par verzija 0
D2
D1
M21 M22 M23 M24
M11 M12 M13 M14
S1 =S2
15.03.2016.
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
41
PMOS ulazni diferencijalni par verzija 1
D2
D1
M21 M22 M23 M24 M25 M26 M27 M28 M29 M210 M211 M212 M213 M214 M215 M216
M11 M12 M13 M14 M15 M16 M17 M18 M19 M110 M111 M112 M113 M114 M115 M116
S1 =S2
15.03.2016.
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
42
PMOS ulazni diferencijalni par verzija 1D11 D12=D13 D14=D15 D16=D17 D18=D19 D110=D111 D112=D113 D14=D115 D116
G1=VIN+
G2=VIN
S1 =S2
D21 =D22 D23=D24 D25=D26 D27 =D28 D29 =D210 D211 =D212 D213 =D214 D215=D216
15.03.2016.
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
15.03.2016. 43
Zašto ovo nije dobro?
15.03.2016.
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
44
Zašto ovo nije dobro?1. Koincidencija2. Simetrija3. Disperzija4. Kompaktnost
15.03.2016.
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
15.03.2016. 45
Koincidencija?
D2
D1
M21 M22 M23 M24 M25 M26 M27 M28 M29 M210 M211 M212 M213 M214 M215 M216
M11 M12 M13 M14 M15 M16 M17 M18 M19 M110 M111 M112 M113 M114 M115 M116
S1 =S2
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
46
Lejaut analognih modula
46
PMOS ulazni diferencijalni par verzija 2
M2
M1
M21 M22 M23 M24 M25 M26 M27 M28
M29 M210 M211 M212 M213 M214 M215 M216M11 M12 M13 M14 M15 M16 M17 M18
M19 M110 M111 M112 M113 M114 M115 M116
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
47
Lejaut analognih modula
47
PMOS ulazni diferencijalni par verzija 2
M1/2
M1/2
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
48
Lejaut analognih modula
48
PMOS ulazni diferencijalni par verzija 2
M2/2
M2/2
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
49
Lejaut analognih modula
49
PMOS ulazni diferencijalni par verzija 3
M21 M22 M23 M24
M25 M26 M27 M28
M29 M210 M211 M212
M213 M214 M215 M216M11 M12 M13 M14
M15 M16 M17 M18
M19 M110 M111 M112
M113 M114 M115 M116
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
50
Lejaut analognih modula
50
PMOS ulazni diferencijalni par verzija 3
M1/4
M1/4 M1/4
M1/4
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
51
Lejaut analognih modula
51
PMOS ulazni diferencijalni par verzija 3
M2/4
M2/4 M2/4
M2/4
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
52
Lejaut analognih modula
52
Lejaut PMOS tranzistora M3 M4 M5 M6 M7 M8
120/0.8
120/1.6
60/0.8 60/0.8
60/1.6 60/1.6
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
53
Lejaut analognih modula
53
M5 M3 M7
M6 M4 M8
120/0.8
120/1.6
60/0.8 60/0.8
60/1.6 60/1.6
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
54
Lejaut analognih modula
54
Lejaut PMOS tranzistora M5 M6 M3 M4 M7 M8
120/0.8
120/1.6
60/0.8 60/0.8
60/1.6 60/1.6Ovde ne treba kontakt
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
55
Lejaut analognih modula
55
Grupa NMOS tranzistora M9 M10 M11 M12
50/1.650/1.6
50/0.850/0.8
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
56
Lejaut analognih modula
56
Lejaut NMOS tranzistora M9 M11 M12 M10
S11 =S12=gnd!
M9 M11 M10M12
S9
D9=VOUT+ D11 D12 D10=VOUT-
S10
50/1.650/1.6
50/0.850/0.8
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
57
Lejaut analognih modula
57
Lejaut celog kola - ulazni tranzistori: varijanta 2
15.03.2016.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača
Potpuno diferencijalni folded-cascode OTA
58
Lejaut analognih modula
58
Lejaut celog kola - ulazni tranzistori: varijanta 3
15.03.2016.
59
Šta smo naučili? Šta se očekuje da znamo?
1. Da li je lakše upariti otpornike ili kondenzatore?
2. Šta je jedinični kondenzator?3. Kolike su preporučene minimalne
dimenzije za uparene otpornike?
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Lejaut analognih modula
15.03.2016. 60
Šta se očekuje da znamo?
1. Koji su glavni uzroci neuparenosti kondenzatora?2. Značaj odnosa obim/površina C.3. Projektovanje dimenzija kondenzatora čiji je odnos
1:n 1<n<2.4. Skicirati strukturu dva uparena otpornika koji se
sastoje od po 4 identična segmenta.5. Šta je termoelektrični potencijal? 6. Skicirati orijentaciju (u odnosu na raspodelu
temperature) i strukturu otpornika kod koga je neutralisan uticaj termoelektričnog potencijala.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Lejaut analognih modula
6015.03.2016.
61
Sledeće nedelje
III Projektovanje CMOS operacionih pojačavača3.1 Struktura Operacionih pojačavača3.2 Faze projektovanja operacionih pojačavača
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Lejaut analognih modula
15.03.2016.