gm/ID设计方法学习笔记(一)
前言:为什么需要gm/id
(一)主流设计方法往往侧重于强反型区(过驱>0.2V),低功耗设计则侧重于弱反型区(<0),但现在缺乏对中反型区的简单和准确的手算模型。
1.对于弱反型,有最低的功耗但速度慢;
2.中反型区:功耗速度恰当;
3.强反型区:速度较快但功耗和摆幅较差。
(二)现代集成电路制造中使用的制程十分先进,短沟道效应等非理想效应使得先进工艺下MOSFET器件的I-V特性无法用Square-law很好的拟合。
(三)Square-law仅仅反应了器件沟道强反型时的理想电子漂移电流模型,对于弱反型等情况无法表示。
(四)foundry给出的工艺库中几乎无法查找到所需参数。无法通过手算分析电路,设计人员容易陷入盲目调节管子的尺寸,调着调着不知怎地“恰好”满足了设计的需求,但往往给出的并不是最优解,而且也缺少标准化的设计方法。gm/id方法就是利用管子被做出来后(或者依据pdk被设计后)固有的参数,与我们所需要的电流、跨导、栅长宽构成联系,通过图表的方式呈现出来供我们参考。相比依据推算的理想公式,自然要准确的多。
一、基础公式理解
(,过驱动电压
)
由: ,
(饱和区电流公式,并且忽略了沟道长度调制效应)
可得:
理解:
(1) 可以理解为单位电流下的
,这里可以定义为“
效率”。即在分配相同的电流
时,当管子的“
效率”
越大 ,所得到的
越大。
(2)从 可以分析出,对于不同
值的管子,达到相同的
所需要的过驱动电压
不一样。而
固定,电流
仅由过驱动电压
有关,过驱动电压越大,电流越大。
二、gm/ID的取值讨论
通过对一个管子的 的合理取值,来达到增益与带宽的折中(增益带宽积GBW确定),同时兼顾噪声的影响。
对于一个固定工艺和固定参数的管子:
1.增益gain
gm/ID值越大,增益越大;
栅长L值越大,增益越大。
2.带宽
gm/ID值越小,带宽越大;
栅长L值越小,带宽越大。
3.噪声
此处只考虑管子自身最大的噪声源——热噪声,与频率有关的闪烁噪声暂不考虑。
- MOS作为放大器,噪声在输入端,设计时要使得
稍大(gm/ID稍大)
- MOS作为电流镜,噪声在输出端,设计时要使得
稍小(gm/ID稍小)
三、依据gm/ID设计管子尺寸(W、L)
电流密度 :单位尺寸W下的电流。
在不同的gm/ID取值下,有着不同的电流密度 。同时管子的栅长L对电流密度
也有一定影响。
设计管子尺寸思路:
(1)选定合适的gm/ID的数值;
(2)选定L的数值;
(3)即可得到唯一确定的ID/W的数值;
(4)计算得到W的数值。
四、设计流程
1.计算gm的数值(一般为输入管)
从给定的增益带宽积GBW和所需要的负载电容入手
(需要考虑电路本身的寄生参数,所以计算时取1.2倍的
。)
2.带宽和增益折中后,选定gm/ID和L,得到ID
若所在支路电流是确定的,可以直接跳到步骤3。
3.在曲线里得到ID/W的数值
4.得到W
5.仿真验证,可跳到步骤2重新微调
五、曲线仿真
本文使用的工艺库为smic13mmrf_1233。
对变量赋初值。其中,W对仿真结果稍微有点影响,后期根据实际得出的W,微调后重新仿真。
设置dc仿真,变量为vgs:
打开Calculator,找到waveVsWave来绘制波形:
选择 waveVsWave后,点击Calculator中上方的os按钮,之后点击原理图中的晶体管,在小窗口选择gmoverid。
将Calculator中缓冲区Buffer里显示的公式复制粘贴到波形绘制区的x轴位置:
再将“self_gain”添加进Y轴。此处不需要再次点击晶体管了,只需要在小窗口中的list里直接选择即可:
部分工艺库没有self_gain,就手动输入下面公式:
OS("/M0","gm")/OS("/M0","gds")
点击Apply,再点小齿轮将生成的公式送回到仿真环境中。
还需要id的数值,添加进去之后,手动输入除以变量W,就是前面提到的电流密度。
另外,我们也可以扫描出过驱动电压Vov和沟道长度调制系数 λ,可以直接使用以下代码。在一些文献中也提到用VGS参数。
waveVsWave(?x OS("/M0" "gmoverid") ?y (OS("/M0" "vgs") - OS("/M0" "vth")))
waveVsWave(?x OS("/M0" "gmoverid") ?y (OS("/M0" "gds") / OS("/M0" "id")))
waveVsWave(?x OS("/M0" "gmoverid") ?y OS("/M0" "vgs"))
设置参数扫描,将栅长L从500n扫描至2000n 。
右键单击id/w-gmoverid图像的Y轴,将其改成对数显示。
修改之后如下所示,更加直观。
快捷键V可添加一个Marker。
后话:
声明:本文仅供个人学习交流,无任何商业行为。
参考文章链接
链接一:模拟CMOS集成电路设计中的gm/id设计方法及用Cadence Virtuoso IC617仿真有关参数曲线_virtuoso 算斜率-CSDN博客
链接二:
gm/ID设计方法学习与仿真_gmid-CSDN博客
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