Eric Schäfer, Dominik Krauße, Eckhard Hennig, Ralf Sommer

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1 Der "EDA Designerfinger" direkte Frequenzgangskompensation durch automatisierte Schaltungsstrukturmodifikation für hochperformante integrierte Analogverstärker Eric Schäfer, Dominik Krauße, Eckhard Hennig, Ralf Sommer

2 Gliederung Stabilität rückgekoppelter Schaltungen & direkte Kompensation Designer-Finger und seine Verbesserungen Beispiel: Miller-OPV Beispiel: Industrieller Transimpedanzverstärker für 12x Blu-ray Disc Photo-Detector IC Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Problem: Frequenzgangskompensation Rückgekoppelter Verstärker: Transientantwort: Ringing Frequenzgang: Peaking Ursache: komplexes Polpaar nahe der imaginären Achse 10V 1.0V 2.0V 0V 10mV -2.0V 0s 5us 10us 15us 20us 25us 30us V(OUT) V(Vin1:+) Zeit 1.0mV 1.0Hz 100KHz 10GHz V(out) Frequenz 3

4 Kompensationsmethoden - klassisch Modifikation der offenen Schleife H 0 (f) Einfügen eines dominanten Pols oder eines dominanten Pol- Nullstellen-Paars zur Vergrößerung des Phasenrandes Starke Verringerung der Bandbreite Besser: Direkte Frequenzgangskompensation (d.h. in Gegenkopplungskonfiguration) Kompensation durch Verschiebung der Pol- und Nullstellen in der komplexen Ebene 4

5 Zusammenhang Pole/Nullstellen Frequenzgang: 3D Interpretation der s-ebene (Laplace-Ebene) Oberfläche Hs () Frequenzgang Hs ( = jω) 6.00 H(s) Re{s} Im{s} s 30s s + 6s Hs () = 5 1 s0(1,2) = ± 2j s (1,2) = ± 3 3 y() t = Hj ( ω) uˆ cos( ωt+ arg[ H( jω) ]) bei 0 j ˆ 0 0 x(t) = u cos( ω t)

6 Direkte Kompensation, d.h. in Arbeitskonfiguration Zusammenhänge Frequenz- & Zeitverhalten PN-Diagramm Bodediagramm Sprungantwort wichtigbitte behalten! 6

7 Motivation Designerfinger Interpretation: Rechnergestützter EDA- Designerfinger! Sie erinnern sich an früher? Antippen und schauen, was passiert? Vorgehen: Modellierung des Fingers, z.b. durch Kapazitäten und Widerstände Einbau in die Schaltung 7

8 Der Designer-Finger (SMACD 08) Einfügen neuer Kapazitäten 8

9 Der Designer-Finger (SMACD 08) Einfügen neuer Kapazitäten Eigenwertempfindlichkeit λ H 1 H G C( p) S( pi ) = = ( v C( p) u) v λ u pi pi pi S(C 1 )= j S(C 2 )= j S(C 3 )= j S(C 4 )= j S(C 5 )= j

10 Der Designer-Finger (SMACD 08) Einfügen neuer Kapazitäten Eigenwertempfindlichkeit Lösche Kapazitäten mit negativen Einfluss S(C 1 )= j S(C 2 )= j S(C 3 )= j S(C 4 )= j S(C 5 )= j

11 Der Designer-Finger (SMACD 08) Einfügen neuer Kapazitäten Eigenwertempfindlichkeit S(C 2 )= j S(C 4 )= j S(C 5 )= j Lösche Kapazitäten mit negativen Einfluss Sortierung Sortiere Kapazitäten nach der Einflussliste S(C 5 )= j S(C 4 )= j S(C 2 )= j

12 Der Designer-Finger (SMACD 08) Einfügen neuer Kapazitäten Eigenwertempfindlichkeit Lösche Kapazitäten mit negativen Einfluss Sortiere Kapazitäten nach der Einflussliste Sweep aller Kapazitäten mit positiven Einfluss 12

13 Der Designer-Finger (SMACD 08) Einfügen neuer Kapazitäten Eigenwertempfindlichkeit Lösche Kapazitäten mit negativen Einfluss Sortiere Kapazitäten nach der Einflussliste Sweep aller Kapazitäten mit positiven Einfluss Stopp, falls die Kapazität negativen Einfluss auf den Pol hat 13

14 Schwachstellen des Designer-Fingers Betrachtet nur einen Eigenwert Verlust des dominanten Einflusses möglich Eigenwert muss verfolgt werden Viele Eigenwert-Berechnungen pro Kapazität nötig jede Kapazität wird einzeln dimensioniert keine Schrittweitensteuerung bei der Dimensionierung Eigenwertempfindlichkeit nur zur Bestimmung des Rankings Nur einfaches Kriterium (Realteil) für die Dimensionierung Schwachstellen beseitigen mit modifiziertem Algorithmus 14

15 Einführung einer Bewertungsfunktion Bewertung der Lage des Eigenwertes mit einem Skalar B Enthält die Information über die gewünschte Lage Ziel: Minimierung von B über λ Optimale Lage des Eigenwerts ( λ p ) B= B( λ) = B ( ) = B( p) T p = ( C, K, C m ) 1 Optimale Dimensionierung der neuen Kompensationskapazitäten 0 Im{ λ} B=10 B=4 B=6 Re{ λ} Beispiel: Bewertung des Betrags B( λ) = 1 λ 15

16 Spezielle Bewertungsfunktion: 45 -Achse B negativ Im{ λ} B positiv ( ) ( ) B( λ) = Re{ λ} δ cos 4ϕ λ B=1.5 B=1 B=0.5 B( λ) 0 Re{ λ} Im{ λ} δ KSteigung auf der Realteilachse hier: Re{ λ} δ = 2 16

17 Multikriterielle Optimierung Optimierung aller Eigenwerte optimaler Kompromiss N Zielwerte Reduktion auf eine Zielfunktion ξ = 1 ( λ p ) Z( p) = α ξ B ξ ( ) Gewichtung der Einzelziele Gradient der Zielfunktion N N = p ξ p ξ = 1 ( λ p ) Z( p) α B ( ) Gewichtung abhängig von der Lage der Eigenwerte α ξ ξ = αλ ( ) λ ( 1 p ), K, λ ( ) N p B ( ),, ( ) 1 N ξ α = 0.2 ( λ p ) K B( λ p ) α = 0.3 α =1 0 α = 0.3 Im{ λ} αλ ( ) Re{ λ} = 1 λ 17

18 Gewichtungsfunktion Besonderheit: konstant bezüglich der Gradientenbildung Gewichtung entsprechend der Dominanz Nachteil des Abstandskriterium: zu große Differenzen (steife DGLn) Idee: Kreis mit weichen Grenzen um den Ursprung 1 1 λ αλ ( ) = arctan κ 1 2 π θ α( λ) θ KGrenzradius ( α =0.5) Re{ λ} κ KSteilheit des Übergangsbereichs Im{ λ} 18

19 Ablauf im Designflow 1 vordimensionierte Schaltung (Specs. z.t. nicht erfüllt) Erzeugung einer Analog Insydes Netzliste aus DFII Analog Insydes Designer Finger Berechnung neuer einzufügender Kapazitäten (Topologiemodifikationen & Werte) Erzeugung von Skill-Listen mit Kapazitäten und Verbindungsinformation Automatisiertes Einfügen im Virtuoso Schematic 6 Verifikation der Ergebnisse mit Spectre 19

20 Erweiterter Kompensationsalgorithmus Einbau der neuen Kapazitäten 20

21 Erweiterter Kompensationsalgorithmus 21

22 Erweiterter Kompensationsalgorithmus 22

23 Erweiterter Kompensationsalgorithmus 23

24 Erweiterter Kompensationsalgorithmus 24

25 Erweiterter Kompensationsalgorithmus 25

26 Erweiterter Kompensationsalgorithmus 26

27 Erweiterter Kompensationsalgorithmus 27

28 Beispiel: Miller-OPV vorkompensiert mit C 0 Startpunkt für Optimierung I B C = 1 pf L V CC C 1 C 0 H( f) in db 25.9 db Peaking U in C 3 C 4 C 2 C 5 C L 0.4 db Peaking mit Standard-Millerkompensation nicht erreichbar f in Hz C 0 = pf C1 = pf C2 = pf C3 = pf C4 = pf C5 = pf C = pf ges 28

29 Beispiel Miller-OPV (Erklärung) 29

30 Beispiel Miller-OPV (Erklärung) 30

31 Beispiel Miller-OPV (Erklärung) 31

32 Vergleich Designer Finger und Miller Kompensation Miller-Kompensation benötigt 30pF Designer Finger 3,8pF Parameter Miller Kompensation Designer Finger 3dB Bandbreite 41 MHz 50 MHz Slewrate rising 2.7 V/μs 58 V/μs Slewrate falling V/μs V/μs Peaking in Bode plot 0.87 db 0.4 db gesamt Kap. 30pF 3,8 pf Vergleich mit Standard-Miller-Kompensation höhere Bandbreite weniger Fläche 32

33 Anwendung: Laser-Pick-Up-System für optische Datenspeicher (CD, DVD, Blu-ray) disc objective lens(dvd/cd) coupling lens collimator (DVD/CD) dichotic mirror grating (DVD:650nm) laser diode (DVD:650nm) reflection mirror (DVD/CD) detection lens (DVD/CD) laser diode CD: 780nm Grating lens CD:780nm half mirror PDIC Fotodetektor 33

34 Hierarchische Designstrategie (nicht Thema dieses Vortrags) Transimpedanzverstärker 34

35 Hierarchische Designstrategie (nicht Thema dieses Vortrags) Transimpedanzverstärker 35

36 Hierarchische Designstrategie (nicht Thema dieses Vortrags) Transimpedanzverstärker 36

37 Hierarchische Designstrategie (nicht Thema dieses Vortrags) Transimpedanzverstärker 37

38 Hierarchische Designstrategie (nicht Thema dieses Vortrags) Transimpedanzverstärker 38

39 Ergebnisse EDA-Designerfinger Schaltung mit allen eingefügten Kapazitäten und Ranking Kapazität Empfindlichkeit S Wert C j ff C j pf C j pf C j pf C j pf C j pf C j ff C j ff C j ff 39

40 Performances Weniger Peaking und höhere Bandbreite als alter Algorithmus Parameter 3dB Bandbreite Slewrate rising Slewrate falling Peaking im Bodeplot Gesamte Kap. Designer finger 362 MHz 1100 V/μs V/μs 0.9 db 5.8 pf Pole werden auf der 45 Achse geschoben 40

41 TIA Layout 41

42 12x Blu-ray Disc Photo-Detector IC (IMMS 1101) disc objective lens DVD CD coupling lens collimator DVD CD dichotic mirror laser diode DVD 650nm grating (DVD 650nm reflection mirror DVD CD detection lens DVD CD PDIC laser diode CD: 780nm Grating lens CD:780nm half mirror Tape-out 06/2009 0,6 µm BiCMOS (X-FAB) Bandbreite > 300 MHz 42

43 Zusammenfassung und Ausblick Neue, bisher unbekannte Kompensationsmöglichkeiten Anpassung an die jeweilige Schaltung und den Lastfall Optimierung unter der Beachtung aller Polstellen möglich Herausforderung: Bewertungs- und Gewichtungsfunktion Ausblick Prüfung der Robustheit gegenüber Parameter- und Betriebsgrößenschwankungen Verbesserung Schrittweitensteuerung und Möglichkeit der Kapazitätsverringerung RC-Glieder zur Kompensation (Einbeziehung von Nullstellen) Kombination mit weiteren Optimierungswerkzeugen (z.b. WiCkeD) mit Arbeitspunktdimensionierung u. Yield-Optimierung Wir freuen uns auf weitere Ideen und Ihre Schaltungen! 43

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